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6.10: Bedürfnisse von Prokaryoten - Biologie

6.10: Bedürfnisse von Prokaryoten - Biologie


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Lernziele

  • Identifizieren Sie die Makronährstoffe, die von Prokaryonten benötigt werden, und erklären Sie ihre Bedeutung

Die vielfältigen Umgebungen und Ökosysteme auf der Erde haben ein breites Spektrum an Bedingungen in Bezug auf Temperatur, verfügbare Nährstoffe, Säure, Salzgehalt und Energiequellen. Prokaryoten sind sehr gut gerüstet, um von einer Vielzahl von Nährstoffen und Bedingungen zu leben. Prokaryoten brauchen zum Leben eine Energiequelle, eine Kohlenstoffquelle und einige zusätzliche Nährstoffe.

Makronährstoffe

Zellen sind im Wesentlichen eine gut organisierte Ansammlung von Makromolekülen und Wasser. Denken Sie daran, dass Makromoleküle durch die Polymerisation kleinerer Einheiten, die als Monomere bezeichnet werden, hergestellt werden. Damit Zellen alle Moleküle aufbauen können, die zum Erhalt des Lebens erforderlich sind, benötigen sie bestimmte Substanzen, die zusammenfassend als . bezeichnet werden Nährstoffe. Wenn Prokaryonten in der Natur wachsen, beziehen sie ihre Nährstoffe aus der Umwelt. Nährstoffe, die in großen Mengen benötigt werden, werden Makronährstoffe genannt, während Nährstoffe, die in geringeren Mengen oder Spuren benötigt werden, als Mikronährstoffe bezeichnet werden. Nur eine Handvoll Elemente gelten als Makronährstoffe – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. (Eine Gedächtnisstütze zum Erinnern an diese Elemente ist das Akronym CHONPS.)

Warum werden diese Makronährstoffe in großen Mengen benötigt? Sie sind die Bestandteile organischer Verbindungen in Zellen, einschließlich Wasser. Kohlenstoff ist das Hauptelement in allen Makromolekülen: Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren, Lipide und viele andere Verbindungen. Kohlenstoff macht etwa 50 Prozent der Zusammensetzung der Zelle aus. Stickstoff macht 12 Prozent des Gesamttrockengewichts einer typischen Zelle aus und ist ein Bestandteil von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen Zellbestandteilen. Der meiste in der Natur verfügbare Stickstoff ist entweder atmosphärischer Stickstoff (N2) oder eine andere anorganische Form. Zweiatomig (N2) kann Stickstoff jedoch nur von bestimmten Organismen, sogenannten stickstofffixierenden Organismen, in eine organische Form umgewandelt werden. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff sind Bestandteil vieler organischer Verbindungen und des Wassers. Phosphor wird von allen Organismen für die Synthese von Nukleotiden und Phospholipiden benötigt. Schwefel ist Teil der Struktur einiger Aminosäuren wie Cystein und Methionin und kommt auch in mehreren Vitaminen und Coenzymen vor. Andere wichtige Makronährstoffe sind Kalium (K), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) und Natrium (Na). Obwohl diese Elemente in geringeren Mengen benötigt werden, sind sie für den Aufbau und die Funktion der prokaryontischen Zelle sehr wichtig.

Mikronährstoffe

Neben diesen Makronährstoffen benötigen Prokaryonten verschiedene metallische Elemente in geringen Mengen. Diese werden als Mikronährstoffe oder Spurenelemente bezeichnet. Eisen ist beispielsweise für die Funktion der Cytochrome notwendig, die an Elektronentransportreaktionen beteiligt sind. Einige Prokaryonten benötigen andere Elemente – wie Bor (B), Chrom (Cr) und Mangan (Mn) – hauptsächlich als Enzym-Cofaktoren.

Übungsfrage

Die lebensnotwendigen Stoffe sind _____.

  1. Spurenelemente
  2. DNA und Proteine
  3. Nährstoffe
  4. Bausteine

[reveal-answer q=”957849″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”957849″]Antwort c. Nährstoffe sind die Substanzen, die zum Erhalt des Lebens benötigt werden.[/hidden-answer]


18. April 2008

Die Molekularbiologie schreitet also immer noch ziemlich langsam voran, und heute wir
Wir haben uns nur auf die Grundlagen der Molekularbiologie konzentriert, aber wir haben einige davon behandelt
die Unterschiede zwischen Prokaryoten- und Eukaryoten-Genetik.

Der offensichtlichste Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass prokaryontische DNA
ist im Allgemeinen in kreisförmigen Strukturen angeordnet, während eukaryotische DNA
ist in linearen Strängen angeordnet. Darüber hinaus sind eukaryotische Genome
enthalten mehrere Chromosomen, während prokaryontische Genome nur
einer. Dieser Unterschied kann eine Folge der massiven Aufblähung sein, die
in eukaryontischen Genomen aufgetreten. Während eukaryotische Gene dazu neigen,
länger und komplexer als prokaryontische Gene, sie sind auch nur a
Bruchteil der Gesamtlänge des Nukleinsäurestrangs. Prokaryotik
Genome sind bis zu 90% kodierende Sequenzen, während kodierende Sequenzen in
eukaryontischen Organismen liegt oft bei etwa 3%. Darüber hinaus sind eukaryotische
Gene sind gespickt mit Introns, Spannen von nicht-kodierenden Sequenzen innerhalb
ein Operon, während prokaryontische Gene im Allgemeinen frei von solchem ​​Unsinn sind
Sequenzen.

All dies bedeutet, dass Eukaryoten tendenziell viel mehr DNA haben als
Prokaryonten. Eine Erklärung für den Unterschied in der Morphologie von
die DNA ist einfach so, wie die Länge der Nukleinsäuresequenz wurde
länger, es wurde zu lang, um als einzelnes langes effektiv manipuliert zu werden
Schleife. Diese Schleife zu durchbrechen könnte dann von Vorteil sein und sein
durch evolutionäre Prozesse ausgewählt. Das ist nur eine Hypothese
obwohl (und nicht meins).

Was auch immer der Grund für die morphologischen Unterschiede in der DNA von
Prokaryoten und Eukaryoten hat dies zu erheblichen Unterschieden in
wie die DNA in den verschiedenen Zweigen des Lebensbaums manipuliert wird.
Während die grundlegende Sekundärstruktur (die Doppelhelix) die
Gleichermaßen gibt es erhebliche Unterschiede bei der Speicherung und Replikation
der beiden DNA-Formen. Ich schaue mir zuerst die Lagerung an.

Während die DNA während des größten Teils des Zellzyklus in einem Zustand von
relative Störung, Enzyme wie Gyrasen und Topoisomerasen werden
Supercoil der DNA für effizientes Packen während der Zellteilung und in
um die Expression von Teilen des Genoms zu kontrollieren. Während
Supercoiling existiert sowohl in Eukaryoten als auch in Prokaryoten, da
Prokaryonten haben zirkuläre Genome, dies führt zu unterschiedlichen Mustern
als Supercoiling bei Eukaryoten. In Prokaryoten, Domänen der
zirkuläre Genome neigen dazu, von der Schleife abgeklemmt zu werden, um kleine
Supercoilied-Domänen.

Es gibt größere Änderungen in Bezug auf den Prozess oder
Reproduzieren. Da das prokaryontische Genom relativ klein ist und
in einem ringförmigen Molekül enthalten, nur eine Replikationsstelle
Initiierung erforderlich ist. Dieser Punkt ist bekannt als ori. Reproduzieren
beginnt an diesem Punkt und verläuft in beide Richtungen um den
Schleife, bis sie auf die Replikationsgabel trifft, die in der anderen reist
Richtung. Ein Ergebnis dieser Form der Replikation ist, dass der ori
Sequenz wird zuerst während der Replikation regeneriert, wodurch eine neue Site bereitgestellt wird
damit die Replikation beginnt, auch wenn die ursprüngliche Replikationsrunde
geht noch weiter. So werden während der Zellteilung die Chromosomen, die
in die beiden Hälften der sich teilenden Zelle getrennt sind noch
replizieren und sind oft zu 70 % abgeschlossen. Dies ist ein Faktor, der
trägt zu den sehr schnellen Teilungsraten bei prokaryotischen bei
Organismen–nur die letzten 30% des Genoms müssen repliziert werden
bevor es sich wieder zu teilen beginnt.

Da das Chromosom keine Enden hat, kann das gesamte Genom
kopiert. Eukaryotische Genome sind linear und aufgrund der Natur von
DNA-Polymerase, das Enzym, das DNA repliziert, die letzten Basen auf
jedes Chromosom geht bei jeder Replikation verloren. Dies hat dazu geführt, dass
Entwicklung von Telomeren: nicht-kodierende DNA an den Enden der
Chromosomen, die ohne Schaden für den Organismus verloren gehen können. Der Verlust
der letzten Basen wird durch das Enzym “Loosing Hold” der
DNA-Strang und abfallen. Da jedoch das prokaryontische Genom
zirkulär ist, ist dies kein Problem, und das gesamte Genom kann
kopiert.

Dies impliziert, dass die DNA in Prokaryonten wesentlich weniger gepackt ist
während der Zellteilung als bei Eukaryoten. Während der meisten
Zellzyklus bei Eukaryoten liegt die DNA lose in einer Masse im Zellkern vor.
Während der Replikation wird die DNA jedoch dicht in winzige X . gepackt
wie Strukturen, als die wir gewöhnlich DNA als repräsentiert ansehen. In
In diesem Zustand ist die DNA so gut wie unzugänglich. Es ist so eng gewickelt, dass es
Bewahren Sie das genetische Material so auf, dass es sauber getrennt werden kann
in die beiden neuen Tochterzellen. Wie bereits erwähnt, viele
Funktionen finden auf der DNA von Prokaryoten noch statt, obwohl
es teilt sich. Ein Teil davon ist sicherlich ein Ergebnis des Unterschieds in
Größe der Genome von Eukaryoten und Prokaryoten. Ein Teil davon ist
sicherlich, weil eukaryotische DNA in einem Kern gespeichert ist, im Gegensatz zu
prokaryontische DNA. Ein Teil davon liegt sicherlich daran, dass prokaryontische DNA dies tut
keine losen Enden (kreisförmig) wie eukaryotische DNA haben.

Der letzte Unterschied zwischen Eukaryoten und Prokaryoten, den ich haben möchte
Diskutieren ist der Unterschied zwischen dem haploiden/diploiden Status.
Eukaryoten haben oft Lebensstadien, in denen sie entweder haploid oder . sind
diploid. Diploid zu sein bedeutet, zwei Kopien von jedem zu haben
Chromosom (eines von jedem Elternteil). Prokaryoten, weil sie nur
haben ein Chromosom, können nicht diploid sein. Als solches ist die Rekombination
Eigenschaften der sexuellen Fortpflanzung stehen ihnen nicht zur Verfügung. Auf der
Andererseits werden die Gene, die sie haben, exprimiert. Eukaryoten sind
allgemein gut durch die klassische mendelsche Genetik beschrieben. Zwei haben
Kopien jedes Gens (eine auf jeder Kopie des Chromosoms) schön
erklärt das rezessiv/dominante Paradigma von Mendel.
In einem prokaryotischen Genom gibt es jedoch im Allgemeinen nur eine Kopie von
jedes Gen, und somit gilt das dominante/rezessive Paradigma nicht.
Jedes einzelne Gen wird exprimiert, was Prokaryoten zu einer Menge macht
besseres Vehikel für die Entwicklung neuer Gene: es gibt keine Störungen
von dominanten Formen. Nachteilige Formen eines Gens sind viel weniger
wahrscheinlich in einer Gemeinschaft von Prokaryoten bestehen bleiben, da mehr
vorteilhafte dominante Form des Gens kann es nicht “decken”. Das ist
aber ein Grund, warum Prokaryonten dazu neigen, viel höhere Raten von
Veränderungen in ihrem Genom als bei Eukaryoten.

Die Informationen für diesen Beitrag stammen von Brock’s Biologie von
Mikroorganismen
und die Mikrobiologie-Vorlesung vom 10. April von Dr. Popa.

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