原核细胞：特征，细胞结构，类型 - 生物学 - 2025

所述原核细胞是简单和不通过等离子体膜结构界定的核。与这种细胞类型相关的生物是单细胞的，尽管它们可以聚集在一起并形成二级结构，例如链。

在卡尔·沃斯（Carl Woese）提出的三个生活领域中，原核生物分别对应于细菌和古细菌。剩下的域Eucarya由更大，更复杂的真核细胞组成，它们具有有限的核。

原核细胞。来源：来自维基共享资源的Ali Zifan

生物学中最重要的二分法之一是真核细胞与原核细胞之间的区别。从历史上看，原核生物被认为是简单的，没有内部组织，没有细胞器，并且缺少细胞骨架。但是，新的证据正在破坏这些范式。

例如，在原核生物中已经鉴定出可能被认为是细胞器的结构。同样，已经发现与形成细胞骨架的真核生物蛋白质同源的蛋白质。

原核生物在营养方面差异很大。他们可以利用来自太阳的光和化学键中包含的能量作为能源。他们还可以使用其他碳源，例如二氧化碳，葡萄糖，氨基酸，蛋白质等。

原核生物通过二元裂变无性地分裂。在此过程中，生物体复制其环状DNA，增加其体积，最后分成两个相同的细胞。

但是，存在用于交换遗传物质的机制，这些机制会在细菌中产生变异性，例如转导，结合和转化。

一般特征

原核生物是相对简单的单细胞生物。识别该组的最显着特征是没有真正的核。它们分为两个大分支：真细菌或真细菌和古细菌。

从水和土壤到包括人类在内的其他生物的内部，它们几乎遍布了所有可以想象的栖息地。具体而言，古细菌栖息在极端温度，盐度和pH值的区域。

结构体

平均原核细胞。

毫无疑问，典型的原核生物的结构方案是大肠杆菌，一种通常居住在我们胃肠道中的细菌。

孔的形状让人联想到杆状，直径为1 um，长度为2 um。原核生物被细胞壁包围，细胞壁主要由多糖和肽组成。

细菌细胞壁是一个非常重要的特征，根据其结构，它可以将分类系统分为两大类：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。

在细胞壁之后，我们发现了一种具有脂质性质的膜（原核生物和真核生物之间的共同元件），其中嵌入了一系列假体，将生物体与周围环境分开。

DNA是位于特定区域的环形分子，没有任何类型的膜或与细胞质的分离。

细胞质显示出粗糙的外观，并具有大约3,000个核糖体-负责蛋白质合成的结构。

原核生物的类型

当前的原核生物由各种各样的细菌组成，分为两个大域：真细菌和古细菌。根据证据，这些群体似乎在进化的早期就分化了。

古细菌是一组原核生物，通常生活在温度或盐度高等异常条件的环境中。这些情况今天很少见，但在地球早期可能已经很普遍。

例如，嗜热嗜酸菌居住在温度最高为80°C，pH为2的区域。

就真细菌而言，它们生活在我们人类共同的环境中。它们可以栖息在土壤，水或其他生物体内，例如我们消化道中的细菌。

原核生物的形态

细菌具有一系列高度多样且异质的形态。其中最常见的是四舍五入的椰子。这些可以单独，成对，成链，成四联体等方式出现。

一些细菌在形态上与杆相似，称为杆菌。像椰子一样，它们的排列方式不一，可以有多个人。我们还发现了螺旋形的螺旋形和带有逗号或粒状的弧菌。

这些描述的形态中的每一个在不同的物种之间可能有所不同-例如，一种杆菌比另一种更细长或边缘更圆滑-在识别物种时很有用。

再生产

无性繁殖

细菌繁殖是无性的，并通过二元裂变发生。在此过程中，生物体实际上“分裂为两个”，从而导致了初始生物体的克隆。为此，必须有足够的资源。

该过程相对简单：环状DNA复制，形成两个相同的双螺旋。后来，遗传物质被容纳在细胞​​膜中，细胞开始生长，直到大小增加一倍。细胞最终分裂，每个产生的部分均具有环状DNA拷贝。

在某些细菌中，细胞可以分裂物质并生长，但是它们不能完全分裂而形成一种链。

遗传变异的其他来源

细菌之间存在基因交换事件，可以进行基因转移和重组，这一过程类似于我们所知的有性生殖。这些机制是共轭，转化和转导。

结合是指通过两种细菌之间的遗传物质交换，这种结构类似于细毛的结构，称为菌毛或菌毛，它起着“桥梁”的作用。在这种情况下，两个人之间必须保持身体亲密。

转化涉及获取在环境中发现的裸露的DNA片段。也就是说，在该过程中，第二生物的存在是不必要的。

最后，我们进行翻译，细菌通过载体获得遗传物质，例如噬菌体（感染细菌的病毒）。

营养

细菌需要能够保证其生存并为其提供细胞过程所需能量的物质。细胞将通过吸收吸收这些营养。

通常，我们可以将营养分为基本或基本营养（水，碳源和含氮化合物），次要营养（例如某些离子：钾和镁）和微量元素（铁，钴）。

一些细菌需要特定的生长因子，例如维生素和氨基酸以及刺激因子，尽管不是必需的，但它们有助于生长过程。

细菌的营养要求千差万别，但是它们的知识对于能够制备有效的培养基以确保目标生物的生长是必不可少的。

营养类别

细菌可根据其使用的碳源（有机或无机）以及能量产生的来源进行分类。

根据碳源，我们分为两组：自养生物或石养生物使用二氧化碳，而需要有机碳源的异养生物或有机营养生物。

就能源而言，我们还分为两类：利用来自太阳的能量或辐射能的光养生物，以及依赖于化学反应能量的化学生物。因此，将这两种类别结合起来，细菌可以分为：

光自养生物

它们从阳光中获取能量-这意味着它们具有光合作用活性-其碳源是二氧化碳。

光异养

它们能够利用辐射能进行开发，但不能吸收二氧化碳。因此，他们使用其他碳源，例如酒精，脂肪酸，有机酸和碳水化合物。

化学自养生物

它们从化学反应中获得能量，并且能够吸收二氧化碳。

化学趋化菌

他们利用化学反应产生的能量，而碳则来自有机化合物，例如葡萄糖（脂类和蛋白质），葡萄糖是使用最多的化合物。注意，在两种情况下，能源和碳源都是相同的，因此很难区分。

通常，被认为是人类病原体的微生物属于最后一类，并且使用来自其宿主的氨基酸和脂质化合物作为碳源。

代谢

代谢包括生物体内发生的所有复杂的，酶催化的化学反应，以便其发育和繁殖。

在细菌中，这些反应与更复杂生物体中发生的基本过程没有什么不同。实际上，我们有两个生物体共有的多种途径，例如糖酵解。

代谢反应分为两大类：生物合成或合成代谢反应以及降解或分解代谢反应，它们的发生是为了获得化学能。

分解代谢反应以交错的方式释放能量，人体将其用于生物合成其成分。

真核细胞的根本差异

原核生物与原核生物的主要区别在于细胞的结构复杂性及其发生的过程。下面我们将描述两个血统之间的主要区别：

大小和复杂性

通常，原核细胞比真核细胞小。前者的直径在1-3 µm之间，而真核细胞的直径可以达到100 µm。但是，也有一些例外。

尽管原核生物是单细胞的，我们无法用肉眼观察它们（例如，除非我们观察到细菌菌落），但我们不应该使用特征来区分两组。在真核生物中，我们还发现单细胞生物。

实际上，最复杂的细胞之一是单细胞真核生物，因为它们必须包含限制其在细胞膜中发育的所有结构。草履虫属和锥虫属是这种的显着例子。

另一方面，有高度复杂的原核生物，例如蓝细菌（发生光合作用反应的原核生物组）。

核心

“原核生物”一词是指不存在核（pro =之前； karyon =核），而真核生物则具有真实核（eu = true）。因此，这两个重要细胞器的存在将这两个组分开。

在原核生物中，遗传物质分布在称为核仁的细胞的特定区域-它不是真正的核，因为它不受脂质膜的束缚。

真核生物具有确定的核，并被双膜包围。这种结构极其复杂，内部存在不同区域，例如核仁。另外，由于存在核孔，该细胞器可以与细胞的内部环境相互作用。

遗传物质的组织

原核生物的DNA中含有0.6至500万个碱基对，据估计它们可以编码多达5,000种不同的蛋白质。

原核基因将自己组织成称为操纵子的实体，就像众所周知的乳糖操纵子一样，而真核基因则没有。

在基因中，我们可以区分两个“区域”：内含子和外显子。前者是不编码蛋白质的部分，并且正在中断编码区域，称为外显子。内含子在真核基因中很常见，但在原核生物中并不常见。

原核生物通常是单倍体（单基因负荷），而真核生物同时具有单倍体和多倍体负荷。例如，我们人类是二倍体。同样，原核生物有一条染色体，而真核生物有一条以上。

遗传物质的压实

在细胞核内，真核生物表现出复杂的DNA组织。一条长的DNA链（大约两米长）能够扭曲，使其可以整合到细胞核中，并且在分裂过程中，可以在显微镜下以染色体的形式显示出来。

这种DNA压缩过程涉及一系列蛋白质，这些蛋白质能够与链结合并形成类似于珍珠项链的结构，其中链由DNA代表，珠由珍珠代表。这些蛋白质称为组蛋白。

组蛋白在整个进化过程中得到了广泛的保存。换句话说，我们的组蛋白与老鼠的组蛋白非常相似，或者甚至更接近于昆虫。在结构上，它们具有大量与DNA的负电荷相互作用的带正电荷的氨基酸。

在原核生物中，已发现某些与组蛋白同源的蛋白质，通常称为组蛋白样蛋白。这些蛋白质有助于基因表达，DNA重组和复制的控制，并且像真核生物中的组蛋白一样，参与了类核苷酸的组织。

细胞器

在真核细胞中，可以鉴定出执行特定功能的一系列高度复杂的亚细胞区室。

最相关的是负责细胞呼吸和ATP生成过程的线粒体，在植物中叶绿体以其三膜系统和光合作用所需的机制而脱颖而出。

同样，我们有高尔基体，光滑且粗糙的内质网，液泡，溶酶体，过氧化物酶体等。

核糖体结构

核糖体

核糖体是蛋白质合成所必需的机制，因此它们必须同时存在于真核生物和原核生物中。尽管对于两者而言，它都是必不可少的结构，但其大小主要不同。

核糖体由两个亚基组成：一个大亚基和一个小亚基。每个亚基由一个称为沉降系数的参数标识。

在原核生物中，大亚基为50S，小亚基为30S。整个结构称为70S。核糖体散布在整个细胞质中，在其中执行任务。

真核生物具有较大的核糖体，大的亚基为60S，小的亚基为40S，整个核糖体称为80S。这些主要定位在粗糙的内质网中。

细胞壁

细胞壁是面对渗透压力的重要元素，并作为防止可能损害的保护性屏障。几乎所有的原核生物和一些真核生物都有细胞壁。不同之处在于它的化学性质。

细菌壁由肽聚糖组成，肽聚糖是由两个结构元素组成的聚合物：N-乙酰基葡萄糖胺和N-乙酰基山梨酸，通过β-1,4型键连接在一起。

在真核细胞系中也有壁细胞，主要存在于某些真菌和所有植物中。真菌壁中最丰富的化合物是几丁质，而在植物中则是纤维素，它是由许多葡萄糖单元组成的聚合物。

细胞分裂

如前所述，原核生物被二元裂变分裂。真核生物具有复杂的分裂系统，涉及核分裂的不同阶段，即有丝分裂或减数分裂。

系统发育与分类

通常，我们习惯于根据E. Mayr在1989年提出的生物学概念来定义物种：“与其他群体生殖分离的杂交自然种群群体”。

像原核生物一样，将这一概念应用于无性物种是不可能的。因此，必须有另一种方法来处理物种概念以对这些生物进行分类。

根据Rosselló-Mora等人的说法。（2011年），系统表象的概念与以下谱系非常吻合：“单个系统的和基因组一致的个体生物集，在许多独立特征上表现出高度的相似性，并且可以通过区分表型特性进行诊断”。

以前，所有原核生物都归为一个“域”，直到卡尔·沃斯（Carl Woese）提出生命之树应具有三个主要分支。按照这种分类，原核生物包括两个域：古细菌和细菌。

在细菌中，我们发现了五类细菌：细菌，衣原体，蓝细菌螺旋体和革兰氏阳性细菌。同样，我们有四个主要的古生菌群：Euryarchaeota，TACK群，Asgard和DPANN群。

新见解

生物学中最普遍的概念之一是原核细胞溶胶的简单性。但是，新的证据表明原核细胞中存在潜在的组织。当前，科学家正在试图打破这种单细胞谱系中缺乏细胞器，细胞骨架和其他特征的教条。

原核生物中的细胞器

这个非常新颖和有争议的提议的作者确保真核细胞中存在部分区室化水平，主要是在由蛋白质和细胞内脂质界定的结构中。

根据这种想法的捍卫者，细胞器是被具有特定生化功能的生物膜围绕的隔室。在符合该定义的这些“细胞器”中，我们具有脂质体，羧基体，气体泡等。

磁小体

细菌最迷人的区室之一是磁小体。这些结构与某些细菌（例如磁螺旋菌或磁球菌）利用磁场进行定向的能力有关。

从结构上讲，它们是一个50纳米的小体，被脂质膜围绕，脂质膜的内部由磁性矿物组成。

光合膜

此外，一些原核生物具有“光合膜”，这是这些生物中研究最多的部分。

这些系统的作用是使光合作用的效率最大化，增加可用光合作用蛋白的数量，并使暴露于光的膜状表面最大化。

车厢中

从前面提到的这些区室到真核生物的高度复杂的细胞器，不可能找到一条合理的进化路径。

但是，浮萍菌属在内部具有一系列的隔室，使人联想到细胞器本身，可以被认为是真核生物的细菌祖先。在Pirellula属中，有被生物膜包围的染色体和核糖体。

细胞骨架的组成

同样，历史上某些蛋白质被认为是真核生物所特有的，包括构成细胞骨架的必需细丝：微管蛋白，肌动蛋白和中间细丝。

最近的研究已成功鉴定出与微管蛋白（FtsZ，BtuA，BtuB等），肌动蛋白（MreB和Mb1）和中间丝（CfoA）同源的蛋白。

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