原核細胞：特徴、細胞構造、タイプ - 生物学 - 2025

原核細胞は、シンプルかつ細胞膜構造に囲まれた核なしです。この細胞型に関連する生物は単細胞ですが、一緒にグループ化して鎖などの二次構造を形成することができます。

カールウーゼによって提案された3つの生命のドメインのうち、原核生物は細菌と古細菌に対応します。残りのドメインであるEucaryaは、核が区切られた、より大きく複雑な真核細胞で構成されています。

原核細胞。出典：Ali Zifan、Wikimedia Commons

生物科学で最も重要な二分法の1つは、真核細胞と原核細胞の区別です。歴史的に、原核生物は単純で、内部組織がなく、オルガネラがなく、細胞骨格がないと考えられています。しかし、新しい証拠がこれらのパラダイムを破壊しています。

たとえば、原核生物でオルガネラと見なされる可能性のある構造が特定されています。同様に、細胞骨格を形成する真核生物のタンパク質と相同なタンパク質が発見されている。

原核生物は栄養面で非常に多様です。太陽からの光と化学結合に含まれるエネルギーをエネルギー源として利用できます。彼らはまた、とりわけ二酸化炭素、グルコース、アミノ酸、タンパク質などの異なる炭素源を使用することもできます。

原核生物は二分裂によって無性分裂します。このプロセスでは、生物はその環状DNAを複製し、その体積を増やし、最終的に2つの同一の細胞に分裂します。

ただし、形質導入、接合、形質転換など、細菌の多様性を生み出す遺伝物質の交換メカニズムがあります。

一般的な特性

原核生物は比較的単純な単細胞生物です。このグループを特定する最も顕著な特徴は、真の核がないことです。それらは2つの大きな枝に分けられます：真の細菌または真正細菌および古細菌。

彼らは、水や土壌から、人間を含む他の生物の内部まで、考えられるほとんどすべての生息地を植民地化しました。具体的には、古細菌は極端な温度、塩分、pHの地域に生息しています。

構造

平均的な原核細胞。

典型的な原核生物の構造体系は、間違いなく、通常私たちの胃腸管に生息する細菌である大腸菌のものです。

細胞の形は棒に似ており、直径は1 um、長さは2 umです。原核生物は、主に多糖類とペプチドで構成される細胞壁に囲まれています。

細菌の細胞壁は非常に重要な特性であり、その構造によっては、グラム陽性菌とグラム陰性菌という2つの大きなグループに分類システムを確立できます。

細胞壁に続いて、脂質環境の膜（原核生物と真核生物に共通の要素）が見つかり、一連の補綴要素が埋め込まれ、生物を環境から分離します。

DNAは、特定の領域にある環状分子であり、細胞質との膜や分離はありません。

細胞質は大まかな外観を示し、タンパク質合成に関与する構造である約3,000のリボソームを持っています。

原核生物の種類

現在の原核生物は、真正細菌と古細菌という2つの大きなドメインに分かれる多様な細菌で構成されています。証拠によると、これらのグループは進化の非常に早い段階で分岐したようです。

古細菌は、一般的に、温度や高塩分などの異常な条件の環境に住んでいる原核生物のグループです。これらの状態は今日ではまれですが、初期の地球では一般的でした。

たとえば、好熱性好熱菌は、温度が最大80°C、pHが2に達する地域に住んでいます。

真正細菌は、私たち人間に共通の環境に住んでいます。それらは土壌、水に生息するか、消化管の一部である細菌のような他の生物に住むことができます。

原核生物の形態

細菌は、非常に多様で不均一な形態のシリーズで提供されます。最も一般的なものには、ココナッツと呼ばれる丸みを帯びたものがあります。これらは、ペアで、チェーンで、テトラッドで、個別に発生する可能性があります。

一部の細菌は形態学的に桿菌に似ており、桿菌と呼ばれています。ココナッツのように、彼らは複数の個人と異なる配置で見つけることができます。また、らせん状のスピロヘータや、ビブリオと呼ばれるコンマや穀物の形をしたスピロヘータもあります。

これらの説明された形態のそれぞれは、異なる種間で異なる可能性があります-たとえば、ある桿菌は別の桿菌よりも長くなるか、またはより丸い端を持つことができます-種を識別するときに役立ちます。

再生

無性生殖

細菌の生殖は無性であり、二分裂によって起こります。このプロセスでは、生物は文字通り「2つに分かれる」ため、最初の生物のクローンになります。これを行うには、十分なリソースが利用可能である必要があります。

プロセスは比較的単純です。環状DNAが複製され、2つの同一の二重らせんを形成します。その後、遺伝物質は細胞膜に収容され、細胞はサイズが2倍になるまで成長し始めます。細胞は最終的に分裂し、得られた各部分には環状のDNAコピーがあります。

一部のバクテリアでは、細胞が物質を分割して成長しますが、完全には分割せず、一種の鎖を形成しません。

遺伝的多様性の追加の原因

細菌間の遺伝子交換イベントがあり、遺伝的移入と組換えが可能になります。これは、有性生殖と呼ばれるプロセスと似ています。これらのメカニズムは、活用、変換、および伝達です。

コンジュゲーションは、ピリリまたは線毛と呼ばれる細い髪に似た構造を介した2つの細菌間の遺伝物質の交換で構成され、「ブリッジ」として機能します。この場合、両方の個人の間に物理的な近さがなければなりません。

形質転換には、環境で見つかった裸のDNA断片の取得が含まれます。つまり、このプロセスでは、2番目の生物の存在は必要ありません。

最後に、バクテリアがバクテリオファージ（バクテリアに感染するウイルス）などのベクターを介して遺伝物質を獲得する翻訳があります。

栄養

細菌には、生存を保証し、細胞プロセスに必要なエネルギーを与える物質が必要です。細胞はこれらの栄養素を吸収して吸収します。

一般的な方法では、栄養素を必須または基本（水、炭素源、窒素化合物）、二次（一部のイオン：カリウムとマグネシウムなど）、最小濃度で必要な微量元素（鉄、コバルト）として分類できます。

いくつかの細菌は、必須ではないが、成長プロセスに役立つビタミンやアミノ酸、刺激因子などの特定の成長因子を必要とします。

細菌の栄養要件はさまざまですが、対象となる微生物の成長を確実にするために効果的な培地を準備できるようにするには、細菌の知識が必要です。

栄養カテゴリー

細菌は、それらが使用する炭素源（有機または無機）に応じて、またエネルギー生産源に応じて分類できます。

炭素源によると、私たちは2つのグループを持っています：独立栄養生物または石栄養生物は二酸化炭素を使用し、従属栄養生物または有機栄養生物は有機炭素源を必要とします。

エネルギー源の場合、太陽からのエネルギーまたは放射エネルギーを使用する光栄養生物と、化学反応のエネルギーに依存する化学栄養生物の2つのカテゴリもあります。したがって、両方のカテゴリを組み合わせると、細菌は次のように分類できます。

光独立栄養生物

それらのエネルギーは太陽光から得られます-つまり、それらは光合成的に活性であることを意味し、それらの炭素源は二酸化炭素です。

光従属栄養生物

彼らは開発のために放射エネルギーを使用することができますが、二酸化炭素を組み込むことはできません。したがって、アルコール、脂肪酸、有機酸、炭水化物などの他の炭素源を使用します。

化学独立栄養生物

彼らは化学反応からエネルギーを得て、二酸化炭素を取り込むことができます。

化学従属栄養菌

それらは化学反応からのエネルギーを使用し、炭素はブドウ糖（最も使用されている）-脂質やタンパク質などの有機化合物から発生します。エネルギー源と炭素源はどちらの場合も同じであるため、両者の区別は難しいことに注意してください。

一般に、人間の病原体と見なされる微生物はこの最後のカテゴリに属し、炭素源として宿主からのアミノ酸と脂質化合物を使用します。

代謝

代謝は、生物の内部で発生し、それが発生して再生できるようにする、すべての複雑な酵素触媒化学反応で構成されています。

細菌では、これらの反応は、より複雑な生物で発生する基本的なプロセスと同じです。実際、私たちは、たとえば解糖など、生物の両方の系統によって共有される複数の経路を持っています。

代謝反応は2つの大きなグループに分類されます。生合成または同化反応と、化学エネルギーを得るために発生する分解反応または異化反応です。

異化反応は、体がその成分の生合成に使用する千鳥状にエネルギーを放出します。

真核細胞との根本的な違い

原核生物は、主に細胞の構造の複雑さとその中で発生するプロセスが原核生物と異なります。以下では、2つの系統の主な違いについて説明します。

サイズと複雑さ

一般に、原核細胞は真核細胞よりも小さい。前者の直径は1〜3 µmですが、真核細胞では100 µmに達する可能性があります。ただし、いくつかの例外があります。

原核生物は単細胞であり、肉眼では観察できませんが（たとえば、細菌のコロニーを観察している場合を除き）、特性を使用して両方のグループを区別することはできません。真核生物では単細胞生物も見られます。

実際、最も複雑な細胞の1つは単細胞真核生物です。これは、細胞膜に閉じ込められた発生に必要なすべての構造が含まれている必要があるためです。ゾウリムシ属とトリパノソーマ属はこの顕著な例です。

一方、シアノバクテリア（光合成反応の進化が起こった原核生物のグループ）などの非常に複雑な原核生物があります。

芯

「原核生物」という用語は、核が存在しないこと（プロ=前、カリオン=核）を指し、真核生物は真の核（eu =真）を持っています。したがって、これらの2つのグループは、この重要なオルガネラの存在によって分離されています。

原核生物では、遺伝物質は核様体と呼ばれる細胞の特定の領域に分布しており、脂質膜に囲まれていないため、真の核ではありません。

真核生物は明確な核を持ち、二重膜に囲まれています。この構造は非常に複雑で、核小体などの内部にさまざまな領域があります。さらに、このオルガネラは、核孔の存在により、細胞の内部環境と相互作用することができます。

遺伝物質の組織

原核生物はDNAに60万から500万の塩基対を含み、最大5,000の異なるタンパク質をコードできると推定されています。

原核生物の遺伝子は、よく知られているラクトースオペロンのように、オペロンと呼ばれる実体に組織化されますが、真核生物の遺伝子はそうではありません。

遺伝子では、イントロンとエクソンの2つの「領域」を区別できます。前者はタンパク質をコードしない部分であり、エクソンと呼ばれるコード領域を妨害しています。イントロンは真核生物の遺伝子では一般的ですが、原核生物では一般的ではありません。

原核生物は一般に一倍体（単一の遺伝的負荷）であり、真核生物は一倍体と倍数体の両方の負荷を持っています。たとえば、私たち人間は二倍体です。同様に、原核生物には1つの染色体があり、真核生物には複数の染色体があります。

遺伝物質の圧縮

細胞核内では、真核生物は複雑なDNA組織を示します。長いDNA鎖（長さが約2メートル）はねじれることができるので、核に組み込まれ、分裂過程で染色体の形で顕微鏡で視覚化できます。

このDNA圧縮プロセスには、鎖に結合して真珠のネックレスに似た構造を形成できる一連のタンパク質が含まれます。鎖はDNAで、ビーズは真珠で表されます。これらのタンパク質はヒストンと呼ばれます。

ヒストンは進化の過程で広く保存されてきました。言い換えれば、私たちのヒストンはマウスのヒストンと非常に似ているか、または昆虫のヒストンにさらに進んでいます。構造的には、DNAの負電荷と相互作用する正に帯電したアミノ酸が多数含まれています。

原核生物では、ヒストンと相同な特定のタンパク質が発見されています。これらのタンパク質は、遺伝子発現、組換え、DNA複製の制御に寄与し、真核生物のヒストンと同様に、核様体の組織化に参加します。

オルガネラ

真核細胞では、特定の機能を実行する一連の非常に複雑な細胞内コンパートメントを特定できます。

最も重要なのは、細胞呼吸とATPの生成のプロセスに関与するミトコンドリアです。植物では、葉緑体が3膜システムと光合成に必要な機構で際立っています。

同様に、ゴルジ複合体、滑らかで荒い小胞体、液胞、リソソーム、ペルオキシソームなどがあります。

リボソーム構造

リボソーム

リボソームはタンパク質合成に必要な機構を構成するため、真核生物と原核生物の両方に存在する必要があります。どちらにも欠かせない構造ですが、主にサイズが異なります。

リボソームは、大きなものと小さなものの2つのサブユニットで構成されています。各サブユニットは、沈降係数と呼ばれるパラメーターによって識別されます。

原核生物では、大きなサブユニットは50Sで、小さなサブユニットは30Sです。全体の構造は70Sと呼ばれています。リボソームは細胞質全体に散らばっており、そこでタスクを実行します。

真核生物には大きなリボソームがあり、大きなサブユニットは60S、小さなサブユニットは40Sで、リボソーム全体が80Sと指定されています。これらは、主にラフな小胞体に固定されています。

細胞壁

細胞壁は浸透圧ストレスに直面するために不可欠な要素であり、起こり得る損傷に対する保護バリアとして機能します。ほとんどすべての原核生物といくつかの真核生物のグループには細胞壁があります。違いは、その化学的性質にあります。

バクテリアの壁は、2つの構造要素で構成されたポリマーであるペプチドグリカンで構成されています。N-アセチル-グルコサミンとN-アセチルムラミン酸は、β-1,4タイプの結合で結合されています。

真核生物の系統には、主にいくつかの真菌とすべての植物に壁細胞もあります。菌類の壁で最も豊富な化合物はキチンであり、植物ではセルロース、多くのグルコース単位で構成されるポリマーです。

細胞分裂

先に述べたように、原核生物は二分裂によって分裂します。真核生物には、有糸分裂または減数分裂のいずれかの核分裂のさまざまな段階を含む複雑な分裂システムがあります。

系統と分類

一般に、1989年にE. Mayrによって提案された生物学的概念に従って、「他のグループから繁殖的に隔離された交配自然集団のグループ」という種を定義することに慣れています。

この概念を無性の種に適用することは、原核生物の場合のように不可能です。したがって、これらの生物を分類するには、種の概念にアプローチする別の方法が必要です。

Rosselló-Mora等によると。（2011）、系統表現の概念はこの系統によく適合します：「多くの独立した特性で高度の一般的な類似性を示し、識別可能な表現型の特性によって診断可能な個々の生物の単一系統的かつゲノム的に一貫したセット」。

以前は、Carl Woeseが生命の木に3つの主要な枝があるべきであると提案するまで、すべての原核生物は単一の「ドメイン」に分類されていました。この分類に続いて、原核生物には、古細菌と細菌という2つのドメインがあります。

細菌内には、プロテオバクテリア、クラミジア、シアノバクテリアのスピロヘータ、グラム陽性菌の5つのグループがあります。同様に、古細菌には4つの主要なグループがあります。Euryarchaeota、TACK Group、Asgard、DPANN Groupです。

新しい洞察

生物学で最も普及している概念の1つは、原核生物の細胞質ゾルの単純さです。ただし、新しい証拠は、原核細胞に潜在的な組織があることを示唆しています。現在、科学者たちは、この単細胞系統におけるオルガネラ、細胞骨格、およびその他の特性の欠如という教義を打破しようとしています。

原核生物のオルガネラ

この非常に斬新で論争の的となっている提案の著者は、主にタンパク質と細胞内脂質によって区切られた構造において、真核細胞に区画化のレベルがあると主張しています。

このアイデアの擁護者によると、オルガネラは特定の生化学的機能を持つ生体膜に囲まれた区画です。この定義に当てはまるこれらの「オルガネラ」には、脂質本体、カルボキシソーム、ガス空胞などがあります。

マグネトソーム

バクテリアの最も魅力的な区画の1つはマグネトソームです。これらの構造は、特定のバクテリア（MagnetospirillumやMagnetococcusなど）が磁場を配向に使用する能力に関連しています。

構造的には、それらは脂質膜に囲まれた50ナノメートルの小さな体であり、その内部は磁性鉱物で構成されています。

光合成膜

さらに、一部の原核生物には「光合成膜」があります。これは、これらの生物で最も研究されている区画です。

これらのシステムは、光合成の効率を最大化し、利用可能な光合成タンパク質の数を増やし、光にさらされる膜表面を最大化するように機能します。

のコンパートメント

これらの前述のコンパートメントから真核生物の非常に複雑なオルガネラへのもっともらしい進化経路をたどることはできませんでした。

ただし、Planctomycetes属には、オルガネラ自体を連想させる一連のコンパートメントが内部にあり、真核生物の細菌の祖先として提案できます。ピレルラ属には、生体膜に囲まれた染色体とリボソームがあります。

細胞骨格の構成要素

同様に、細胞骨格の一部である必須のフィラメントであるチューブリン、アクチン、中間フィラメントなど、歴史的に真核生物に特有と考えられていた特定のタンパク質があります。

最近の調査では、チューブリン（FtsZ、BtuA、BtuBなど）、アクチン（MreBおよびMb1）、および中間径フィラメント（CfoA）に相同なタンパク質の同定に成功しています。

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