Prokarioto

Gaur egun ezagutzen diren zelula guztiak bi motatakoak dira:

• Prokariotoak
• Eukariotoak

Zelula prokariotoen antolamendua eukariotikoarena baino sinpleagoa da. Izan ere bere izenak adierazten duen moduan, prokariotoak (nukleorik gabeko zelulak) beti eukariotoekin konparatuz (benetako nukleoa dutenak) definitu egin dira[3]; gainera eukariotoak, konplexuagoak izateaz gain, goi-mailako organismoak osatzen dituzten zelulak dira. Hori dela eta, prokariotoak bigarren mailako zelulak moduan ikusi egin dira. Egia da prokariotoaren egitura oso sinplea dela, baina prokariotoek izugarrizko gaitasun metabolikoak dauzkate, Lurraren leku guztiak kolonizatu egin dituzte, bortitzenak ere, kopuruaren aldetik organismo ugarienak dira eta garrantzitsuenak, ezinbestekoak dira lurrean bizi garen organismo eukariotoen iraupenerako.

Zelula prokarioto guztiak bakterioak dira. Bakterioak, oro har, izaki zelulabakarrak eta mikroskopikoak dira. Itxuraz honelaxe sailka daitezke:

• Esferikoak (kokoak)
• Luzatuak (makila-itxura edo baziloak)
• Helikoidalak (espirilioak)

Bakterio-zelula tipikoa konpartimentu bakar batez osatuta dago, zitoplasmaz hain zuzen. Zitoplasman egitura gutxi bereizten dira. Elementu zitoplasmatiko nabarienak bakterio-genoma (DNA) eta erribosomak dira[4]; azken hauek oso ugariak dira (30.000-50.000) eta, eukariotikoak baino txikiagoak izan arren, egitura eta funtzioari dagokionez berdinak dira.

ADNaren erreplikazioa, transkripzio eta proteinen sintesia zitoplasman gertatzen dira, eta baita erreakzio metaboliko asko ere. DNA eta erribosomez gain RNA molekulak, proteinak eta prozesu zelularrak burutzeko hainbat molekula txiki daude zitoplasman.

Konpartimentu zitoplasmatikoa zelula mintza mugatuta dago. Bakterio askotan mintz plasmatikoan kokatzen dira energia lortzeko beharrezkoak diren proteinak, beraz prozesu zelular garrantzitsu batzuk mintzean burutzen dira. Gehienetan mintzaren gainetik badago beste estalki bat, zelula horma hain zuzen. Bestalde, bakterioaren azalean batzuetan luzakinak egon daitezke, hala nola, flageloak, zelularen mugimendua eragiteko; edo finbriak, atxikipen-prozesuetan inplikaturiko egiturak.

Zelula horma

Antrax bakterioaren gram positibo tindaketa sistema nerbiosoko lagin batean

Bakterio gehienek mintzaren gainetik bigarren estalki bat agertzen dute: zelula horma hain zuzen. Hormak zelularen barruko presio osmotikoa jasaten du (presio osmotikoa, metabolitoen kontzentrazioagatik askoz handiagoa da barruan kanpoan baino), eta horrela apurtzeko arriskutik babesten dio zelulari. Gainera euskarri mekaniko gisa jokatzen du zelularen itxura mantenduz eta beste zelulekiko elkarrekintzak baimenduz. Beste aldetik, ikuspuntu medikutik, paretak garrantzi handia dauka zeren eta antibiotiko gehienek, bakterio infekziosoen aurka erabiltzen diren sendabideek, horma zelularra desegiten baitute.

Horma bakterianoa mintz plasmatikoa baino askoz lodiagoa da. Bi horma zelular mota bereizten dira, bakoitzaren osagaiak eta egitura ezberdinak izanik:

• Gram-positibo: Horma-mota bat nahiko lodia eta trinkoa da, geruza bakar batez osatua, eta mintz plasmatikoari guztiz itsatsita azaltzen da. Bere osagairik ugariena peptidoglikanoa da.
• Gram-negatibo: Beste mota bi geruzez osatuta dago: barnekoa, finagoa dena eta mintz plasmatikoari loturik dagoena, peptidoglikanoez osaturik dago. Bigarrena, kanpokoa, lodiagoa da eta mintz plasmatikoarekin antza dauka, hala ere egitura eta konposizioa desberdinak.

Horma-motaren arabera bakterioak modu desberdinez tindatzen dira eta irizpide honen arabera bakterioetan bi talde bereizten dira: gram positiboak eta gram negatiboak. Lehenak euren pareta zurrunagatik tindatzen dira gram tindaketa metodoa erabiltzen denean; besteak ordea, peptidoglikanozko geruza finagoa dutenez, tindakaria galtzen dute.

Bacillus subtilis-en lagin bat, zelula begetatiboak gorriz eta bakterioaren endoespora berdez

Bakterioen ezaugarri harrigarrienetako bat ugalketa gaitasuna da. Elikagaien murriztapena ez badago, 1-3 orduko zatitzen dira. E. coli-ren bikoizpen-tasa esateko 20 minutukoa da, baldintza ezin hobeak baldin badira. Ugalketa-tasa hau kontuan hartuz 24 ordutan zelula bakar batetatik milioi batzuk sortuko lirateke.

Ugalketaren mekanismoa oso sinplea da: zelularen erdian inbaginazio bat sortzen da, konstrikzio hau gero eta sakonago egiten da, eta azkenik zelula bitan banatzen da. Zelularen fisioa gertatu baino lehen genoma bikoiztu egin da. Bikoiztu ondoren DNA molekula mintz plasmatikoari lotuta geratzen da, badirudi horrela DNA molekula berriak errazago banatzen direla bi zelula alabetan. Ugalketa-mota hau asexuala da, hau da, ez dago material genetikoren elkartrukerik eta sortzen diren bi zelula alaba berdin-berdinak dira.

Inguruneko baldintzak txarrak badira zenbait zelula prokariotok ugaldu gabe luzaroan egon daitezke (ehun urte baino gehiago). Era berean bakterio batzuek endosporak sor ditzakete. Endosporak zelularen barruan sortzen diren erresistentzia-egiturak dira: jarduera metabolikoa blokeatuta dago eta horrela muturreko tenperatura eta lehortasuna jasan dezakete. Inguruneko baldintzak aldatu direnean endospora metabolikoki aktibo bihurtzen da, ugaltzen da eta bakterio berriak sortzen ditu.

Historia ebolutiboan zehar bakterioen dibertsifikatzea izugarria izan da. Egiturari dagokionez oso gutxi aldatu egin dira, orduan. Bakterioek energia lortzeko eta osagai zelularrak eraikitzeko erreakzio metaboliko anitz asmatu egin dituzte.

Gaur egun ezagutzen diren bakterio gehienek arnasketa erabiltzen dute energia sortzeko: oxigenoaren laguntzaz materia organikoa oxidatzen da CO2 askatuz eta ATP sortuz. Hauek prokarioto heterotrofoak eta aerobioak dira. Anaerobioek ere molekula organikoen oxidazioz atera dezakete energia baina oxigenorik erabili gabe. Talde honetan hartzidurak betetzen dituztenak sartzen dira. Bakterio-mota guztiak kontuan izanik esan dezakegu ia edozein molekula erabil dezaketela materia organikoaren iturri moduan: azukreak, aminoazidoak, hidrokarburoak,... baita metanoa ere.

Bakterio batzuek ez dute molekula organikoen beharrik, hauek autotrofoak dira: beraiek materia organikoa sintetizatzen dute CO2 atmosferikoa erabiliz. CO2 finkapenak energia eskatzen du eta bakterioek estrategia ugari garatu dituzte energia hori lortzeko. Autotrofo batzuek argi energia erabiltzen dute; hauek, beraz, fotosintesia burutzen dute; baina bakterio autotrofo ez-fotosintetizatzaileak ere badaude: energia materia ez-organikoaren oxidaziotik ateratzen dute. CO2 finkapenaz gain zenbait bakterio nitrogenoaren finkapena burutzeko gai dira. Funtzio metaboliko hau bereziki garrantzitsua da nitrogenoa molekula biologikoetan sartzeko modu bakarra baita. Azkenik aipatu behar dugu beren jarduera metabolikoaren ondorioz zenbait bakterio produktu espezifikoen ekoizleak direla: ak esateko sufre elementala ekoizten dute (SH2-aren oxidazioz) eta metanogenoak metanoa sortzen dute.

Prokariotoen artean fotosintesi-mota desberdin daude batez ere karbonoa finkatzeko erabiltzen den gaitasun erreduktorearen iturriaren arabera. Zenbait bakteriok, landare-zelulak egiten duten moduan, ur molekuletatik ateratzen dute gaitasun erreduktorea. Hauek zianobakterioak dira: zelula hauek ur molekulak apurtzen dituzte; hidrogenoa CO2 erreduzitzeko erabiltzen dute eta oxigenoa hondakin bezala askatzen dute. Bide fotosintetiko berbera landare-zelulen organulu espezifikoetan, kloroplastoetan hain zuzen, burutzen da. Izan ere gaur egun onartzen da zianobakterioak kloroplastoen aitzindariak direla.

Zianobakterioak egiturari dagokienez bakteriorik konplexuenak dira. Tamainaz handiagoak dira eta zitoplasman mintz asko pilatuta gordetzen dituzte; barne-mintz hauek tilakoideak deritze. Tilakoideetan hain zuzen kokatuta daude fotosistemak eta klorofila, fotosintesia burutzeko beharrezkoak diren proteina-konplexuak eta pigmentu berdea.

Bakterioak betidanik izaki zelulabakar moduan definitu egin dira. Hala ere bakterioz osatutako zenbait elkarte multizelular aspalditik ezagutzen ziren: zianobakterioak esate baterako, zuntzezko egiturak sortzen dituzte ; era berean, Myxobacterium bakterioak 100.000 zelulez osatutako eta esporak gordetzen dituzten erresistentzia-egiturak sortzeko gai dira. Luzaroan onartu da egitura hauek salbuespenak besterik ez direla, baina gaur egun, paradigma hau aldatzen ari da: badirudi bakterio asko libre bizi direnean behintzat (eta ez laborategiko baldintzetan) elkartu eta egitura antolatuak sortzeko gai direla. Egitura hauek “biofilmak” deitzen dira euskarri solido batean sortzen direnean[5].

Bakterio-elkarteek agerian utzi dute zelula prokariotoen arteko komunikazioaren garrantzia. Badirudi bakterio-elkarteak zelula indibidualek ekoiztutako seinaleen eraginez antolatzen direla: seinaleek zelulen gene adierazpena aldatzen dute eta ondorioz zelulen portaera ere aldatzen da. Izatez bakterio-elkarteek gaitasun berriak azal ditzakete: biofilmak moduan gure ahoan hazten diren bakterio patogenoak erresistenteagoak dira eta beren eliminazioa askoz zailagoa izango da. Honen guztiaren ondorioz gaur egun bakterioak izaki sozialak moduan ikusten hasi gara[6][7].

Beren aniztasun metabolikoari esker bakterioak edozein lekutan bizi daitezke. Zianobakterioek esateko mundu osoa kolonizatu egin dute: gure bainugelan daude eta baita putzuak estaltzen dituzten bakterio-alfonbra berdeak osatuz ere. Zenbait bakterio organismo baten barruan bizi izaten dira: E. coli gure hestean aurki daiteke. Beste batzuek, klamidiak esateko, zelula eukariotoen barruan bizi izan behar dute.

Bestalde bakterioak muturreko baldintzak aurkezten dituzten ingurunetan aurkitu egin dira[8][9]:

• ezohiko pH azidoa izaten duten ingurunetan
• sumendietan bizi diren bakterio azidofiloak esateko
• isuri termaletan, izugarrizko tenperatura altuetan (batzuek 100 °C baino gehiago jasaten dute)
• izotzetan, oso tenperatura baxuetan
• laku gazietan (izan ere halobakterioek oso gazitasun altua behar dute bizi ahal izateko)
• lurpean, 4 km-ko sakoneran; edo altitude handienetan.

Ozeanoetan ere bakterioak oso ugariak dira. Gainera itsasoaren hondoan, 3.000 metroko sakoneran, bakterioak aurkitu dira. Hauek itsaspeko geyserren ondoan bizi dira, 150°C-tan eta ingurune honetan hazi eta ugaltzeko ez ezik, beste organismo eukariotiko eta multizelularrak sustatzeko ere gai dira.

Arkeobakterioak gune termaletan aurkitu zituzten lehenengoz

Klasikoki bakterioen sailkapena irizpide biokimikoak erabiliz burutu egin da, bakterioen metabolismoaren arabera: bakterio fotosintetizatzaile berdeak, metano-bakterioak, sufre-bakterioak, eta abar; baina sailkapen honek ez du islatzen bakterioen arteko erlazio ebolutiboa. 70. hamarkadan beste estrategi bat hasi zen erabiltzen: nukleotido-sekuentzien analisia. Metodo honetan denboran zehar DNA molekuletan metatu diren mutazioak kontuan hartzen dira: aldaketa-kopuruak adierazten digu zein den bi espezieren arteko distantzia ebolutiboa[10]. Metodo hau erabiliz agerian geratu da mundu prokariotikoan bi talde daudela:

• bacteria: eubakterioak edo benetako bakterioak
• archaea: arkeoak.

Bi talde hauen arteko distantzia ebolutiboa prokarioto eta eukariotoen artean dagoena bezain handia da; izan ere zenbait ezaugarriri dagokionez arkeoak eta eukariotoak gertuago daude

Egiturari dagokionez agian nabariena mintz-lipido desberdinak izatea da (kate hidrokarbonatuak esateko, ez dira gantz azidoak). Bestalde, gai genetikoak eta oro har prozesu genetikoek eukariotoen zenbait ezaugarri izaten dituzte. Bizimoduaren aldetik arkeo batzuk metanogenoak dira (behien digestio-aparatuan sortzen den metanoa arkeoek ekoizten dute), eta asko muturreko baldintzak jasateko gai dira: asko anaerobioak, termofiloak edota halofiloak dira. Ezaugarri hauengatik hasieran pentsatu zen arkeoak prokarioto primitiboenak izango zirela (izan ere honetatik dator izena)[11][12][13]. Hala ere azken urteotan agertu da pentsatu zen baino askoz hedatuta daudela: eubakterioek okupatzen dituzten leku arruntetan ere hasi dira aurkitzen. Ozeanoan esateko, arkeo asko aurkitu egin dira. Posible da beraz, datorren urteotako aurkikuntzek mundu prokariotikoari buruz dugun ikuspegia zeharo aldatuko dutela. Izan ere ikerlari askoren ustez ezagutzen diren bakterio-motak batez ere laborategian kultiba daitezkeenak dira, baina azken estimazioen arabera bakterio horiek espezie prokariotiko guztietatik %1a besterik ez litzateke izango.

Bakteriorik ezagunenetariko batzuk patogenoak dira. Hau logikoa da: mende askotan zehar bakterioek sortutako gaixotasunek (sifiliak, izurriak...) ondorio ikaragarriak izan dituzte. Egoera hau zeharo aldatu da antibiotikoen agerpenarekin, hala ere bakterio infekzioek osasun-arazo handia izaten jarraitzen dute. Oso ezagunak badira ere, espezie prokariotiko guztiak kontuan izanik, bakterio patogenoak gutxi dira; askoz gehiago onuragarriak dira. Alde batetik bakterioen jarduerak biosferan duen eragina funtsezkoa da. Bakterioak elementu kimikoen birziklapenean parte hartzen dute: nitrogenoaren finkatzaileak esateko ezinbestekoak dira molekula organiko nitrogenodunak sortzeko; era berean sufre bakterioak sufrearen ekoizle nagusiak dira. Bestalde bakterioen gaitasun metabolikoak industrialki aplika daitezke produktu asko ekoizteko. Era berean ekologia arloan bakterioak oso lagungarriak izan daitezke: oso produktu toxiko edo kaltegarriak metabolizatu ahal dituzte eta ondorioz eliminatu. Azkenik aipatzekoa da arkeoak bereziki erabilgarri suertatu egin direla. Muturreko baldintzetan bizi direnez beren osagaiek oso ezaugarri molekular interesgarriak azaltze dituzte. Tenperatura altua jasaten duten entzimek esate baterako aplikazio asko daukate hainbat arlotan eta bereziki bioteknologian: polimerasaren katea-erreakzioa, PCR teknika ospetsua hain zuzen, Thermus aquaticus arkeotik lortutako entzima termoegonkor bati esker (Taq polimerasari esker) lortu zen garatzea.

• Bakterio