44 Frumubygging

4.2 Dreifkjörnungafrumur

Hæfniviðmið

Að þessum hluta loknum munt þú geta gert eftirfarandi:

Nefnt dæmi um dreifkjörnunga og heilkjörnunga
Borið saman dreifkjörnungafrumur og heilkjörnungafrumur
Lýst hlutfallslegri stærð mismunandi frumna
Útskýrt hvers vegna frumur þurfa að vera smáar

Frumur falla í tvo meginflokka: dreifkjörnungafrumur og heilkjörnungafrumur. Aðeins lífverur sem tilheyra bakteríum og fornbakteríum, og eru að mestu einfruma, eru flokkaðar sem dreifkjörnungar (pro- = „fyrir“; -kary- = „kjarni“). Dýrafrumur, plöntur, sveppir og frumverur eru heilkjörnungar (eu- = „sannur“).

Hlutar dreifkjörnungafrumna

Allar frumur eiga fjóra hluta sameiginlega: 1) frumuhimnu, ytra hjúp sem skilur innra borð frumunnar frá umhverfinu; 2) umfrymi, sem er hlaupkenndur umfrymisvökvi inni í frumunni ásamt öðrum frumuhlutum; 3) DNA, erfðaefni frumunnar; og 4) ríbósóm, sem nýmynda prótein. Dreifkjörnungar eru þó frábrugðnir heilkjörnungafrumum á nokkra vegu.

Dreifkjörnungur er einföld, yfirleitt einfruma lífvera sem skortir kjarna og önnur himnubundin frumulíffæri. Við sjáum brátt að þetta er mjög ólíkt heilkjörnungum. DNA dreifkjörnunga er í miðhluta frumunnar, á kjarnasvæðinu (mynd 4.5).

In this illustration, the prokaryotic cell has an oval shape. The circular chromosome is concentrated in a region called the nucleoid. The fluid inside the cell is called the cytoplasm. Ribosomes, depicted as small circles, float in the cytoplasm. The cytoplasm is encased by a plasma membrane, which in turn is encased by a cell wall. A capsule surrounds the cell wall. The bacterium depicted has a flagellum protruding from one narrow end. Pili are small protrusions that project from the capsule in all directions. — **Mynd 4.5.** Þessi mynd sýnir almenna byggingu dreifkjörnungafrumu. Allir dreifkjörnungar hafa litninga-DNA á kjarnasvæði, ríbósóm, frumuhimnu og frumuvegg. Aðrir hlutar sem sýndir eru á myndinni finnast í sumum bakteríum, en ekki öllum.

Flestar bakteríur hafa frumuvegg úr peptíðóglýkani og margar hafa fjölsykrungshylki (mynd 4.5). Frumuveggurinn er aukalag til verndar, hjálpar frumunni að halda lögun sinni og kemur í veg fyrir ofþornun. Hylkið gerir frumunni kleift að festast við yfirborð í umhverfi sínu. Sumir dreifkjörnungar hafa svipur, tengiþræði eða festiþræði. Svipur eru notaðar til hreyfingar. Tengiþræðir flytja erfðaefni við bakteríutengingu, ferli þar sem ein baktería flytur erfðaefni til annarrar með beinni snertingu. Bakteríur nota festiþræði til að festast við hýsilfrumu.

Tenging við starfsvettvang

Örverufræðingur

Áhrifaríkasta aðgerðin sem hver og einn getur gripið til til að koma í veg fyrir útbreiðslu smitsjúkdóma er að þvo sér um hendurnar. Hvers vegna? Vegna þess að örverur, lífverur sem eru svo smáar að þær sjást aðeins í smásjá, eru alls staðar. Þær lifa á hurðarhúnum, peningum, höndum þínum og mörgum öðrum yfirborðum. Ef einhver hnerrar í lófa sinn og snertir hurðarhún, og þú snertir síðan sama hurðarhún, eru örverur úr slími þess sem hnerraði komnar á hendur þínar. Ef þú snertir munn, nef eða augu með höndunum geta þessar örverur komist inn í líkamann og gert þig veikan.

Ekki valda þó allar örverur, sem einnig kallast smásæjar lífverur, sjúkdómum; flestar eru í raun gagnlegar. Í þörmum þínum eru örverur sem mynda K-vítamín. Aðrar örverur eru notaðar til að gerja bjór og vín.

Örverufræðingar eru vísindamenn sem rannsaka örverur. Þeir geta starfað á ýmsum vettvangi. Þeir vinna ekki aðeins í matvælaiðnaði heldur einnig á sviði dýralækninga og læknisfræði. Þeir geta starfað í lyfjageiranum og gegnt lykilhlutverki í rannsóknum og þróun með því að finna nýjar uppsprettur sýklalyfja sem geta unnið á bakteríusýkingum.

Umhverfisörverufræðingar geta leitað nýrra leiða til að nota sérvaldar eða erfðabreyttar örverur til að fjarlægja mengunarefni úr jarðvegi eða grunnvatni, sem og hættuleg efni af menguðum svæðum. Slík notkun örvera kallast lífhreinsun. Örverufræðingar geta einnig starfað á sviði lífupplýsingafræði, þar sem þeir leggja til sérþekkingu og innsýn við hönnun, þróun og bestun tölvulíkana, til dæmis af bakteríufaröldrum.

Frumustærð

Dreifkjörnungafrumur eru 0,1 til 5,0 μm í þvermál og því mun minni en heilkjörnungafrumur, sem eru 10 til 100 μm í þvermál (mynd 4.6). Smæð dreifkjörnunga gerir jónum og lífrænum sameindum sem berast inn í frumuna kleift að flæða hratt til annarra hluta hennar. Á sama hátt geta úrgangsefni sem myndast inni í dreifkjörnungafrumu flætt hratt út. Þetta á ekki við á sama hátt um heilkjörnungafrumur, sem hafa þróað ýmsar byggingarlegar aðlaganir til að bæta flutning innan frumunnar.

Relative sizes on a logarithmic scale, from 0.1 n m to 1 m, are shown. Objects are shown from smallest to largest. The smallest object shown, an atom, is about .1 n m in size. The next largest objects shown are lipids and proteins; these molecules are between 1 and 10 n m. A flu virus is just under 100 n m. Bacteria and mitochondria are both about 1 greek mu m. Plant and animal cells are both between 10 and 100 greek mu m. A human egg is between 100 greek mu m and 1 m m. A frog egg is about 1 m m, A chicken egg and an ostrich egg are both between 10 and 100 m m, but an ostrich egg is larger. For comparison, a human is approximately 1 m tall. Appropriate instruments to view different size ranges are also shown. An electron microscope is used for things from less than .1 n m to almost 100 greek mu m. A light microscope is used for things from 100 n m to over 1 m m. The naked eye is used for things 100 greek mu m and up. — **Mynd 4.6.** Þessi mynd sýnir hlutfallslegar stærðir örvera á logaritmískum kvarða. Munið að hver eining sem bætist við á logaritmískum kvarða táknar tífalda aukningu á mældu magni.

Smæð er almennt nauðsynleg fyrir allar frumur, hvort sem þær eru dreifkjörnunga- eða heilkjörnungafrumur. Skoðum hvers vegna. Fyrst lítum við á flatarmál og rúmmál dæmigerðrar frumu. Ekki eru allar frumur kúlulaga, en flestar nálgast það að vera kúla. Þú manst kannski úr rúmfræði að formúlan fyrir yfirborðsflatarmál kúlu er 4πr², en formúlan fyrir rúmmál hennar er 4πr³/3. Þegar radíus frumu eykst vex yfirborðsflatarmál hennar því í hlutfalli við annað veldi radíussins, en rúmmálið vex í hlutfalli við þriðja veldi radíussins, sem er miklu hraðar. Þess vegna minnkar hlutfall yfirborðsflatarmáls og rúmmáls eftir því sem fruman stækkar. Sama lögmál gildir ef fruman er teningslaga (mynd 4.7). Ef fruman verður of stór hefur frumuhimnan ekki nægilegt yfirborðsflatarmál til að styðja þann flæðishraða sem aukið rúmmál krefst. Með öðrum orðum verður fruma óskilvirkari eftir því sem hún stækkar. Ein leið til að verða skilvirkari er að skipta sér. Aðrar leiðir eru að auka yfirborðsflatarmál með fellingum í frumuhimnunni, verða flöt eða þunn og ílöng, eða þróa frumulíffæri sem sinna sérhæfðum verkefnum. Þessar aðlaganir leiða til þróunar flóknari frumna sem við köllum heilkjörnungafrumur.

Myndræn tenging

On the left, a sphere 1 mm in diameter is encased in a box of the same width. On the right, the same sphere is encased in a box 2 mm in diameter. — **Mynd 4.7.** Taktu eftir að eftir því sem fruma stækkar minnkar hlutfall yfirborðsflatarmáls og rúmmáls hennar. Þegar yfirborðsflatarmál nægir ekki lengur til að styðja aukið rúmmál frumu skiptir fruman sér eða deyr. Teningslaga fruman til vinstri hefur rúmmálið 1 mm³ og yfirborðsflatarmálið 6 mm², þannig að hlutfall yfirborðs og rúmmáls er 6:1. Teningslaga fruman til hægri hefur rúmmálið 8 mm³ og yfirborðsflatarmálið 24 mm², þannig að hlutfallið er 3:1.

Dreifkjörnungafrumur eru mun minni en heilkjörnungafrumur. Hvaða kosti gæti lítil frumustærð haft fyrir frumu? Hvaða kosti gæti mikil frumustærð haft?