結構生物化學/原核生物和真核生物
原核生物和真核生物之間相似的基因序列表明，它們起源於一個共同的祖先，並在數十億年前進化成不同的域。原核生物通過幾個階段進化成真核生物。一個祖先的厭氧（無空氣）真核生物由於無法完全氧化燃料而無法有效地代謝。為了提高其代謝，祖先真核生物吞噬了具有好氧（有空氣）特徵的細菌基因組。好氧代謝效率更高，因為燃料被氧化成二氧化碳。一旦細菌被真核生物吞噬，它就會利用細胞進行復制。這種共生系統現在可以進行好氧分解代謝；因此，將厭氧真核生物轉化為好氧真核生物。從原核生物進化到真核生物，發生了三個主要變化。首先，將 DNA 摺疊成包含特定蛋白質的緊湊結構的機制，以及在細胞分裂期間將 DNA 平均分配到子細胞的能力變得更加複雜。由於細胞現在更大，細胞內膜系統發展起來，形成雙層膜以包圍 DNA。最後，早期的真核生物無法進行光合作用或好氧代謝，直到引入好氧細菌形成內共生，最終形成質體。它們在代謝反應和能量產生方式以及原核細胞和真核細胞的組成方面是相似的。為了列舉一些它們的相似之處，兩者都具有被質膜包圍的細胞，兩者都含有細胞質，兩者都含有稱為核糖體的 RNA 和蛋白質結構。儘管存在差異，但它們獨特的差異源於隨著時間的推移而發生的 DNA 突變。
真核細胞從簡單的祖先進化而來
簡單細胞的主要變化導致了真核細胞的發展
1. 細胞能夠獲得更多的 DNA，因此需要機制將 DNA 鏈摺疊成更特異的蛋白質複合物，並將它們分成子細胞（細胞分裂）
2. 細胞生長 - 細胞尺寸的增大使得細胞內膜得以發展，導致形成包圍 DNA 的雙層膜 - 在 DNA 模板上合成 RNA 從細胞質合成蛋白質的過程成為可能
- 結構
- 細胞膜：磷脂雙分子層，包圍細胞質，作為細胞內骨架和細胞壁的附著點。
- 細胞壁：堅硬，位於質膜外部。它的作用是決定生物體的形狀，並充當壓力容器，防止水進入細胞時過度膨脹。
- 核區：類似於真核生物的核仁，核區包含 DNA，細胞的遺傳物質，但它沒有被任何膜包圍。
- 染色體：包含遺傳資訊。染色體構成核區。原核細胞是單倍體的。
- 鞭毛：負責細胞運動的尾狀細胞器。
- 菌毛：比鞭毛短而細，也用於運動和粘附。
- 原核細胞的形態
原核細胞具有多種形狀。這些形狀用於描述、分類和識別微生物。一些常見的形狀是
- 球菌：球形
- 桿菌：圓柱形或桿狀
- 螺旋菌：彎曲的桿狀，足夠長，形成螺旋形
- 弧菌：短彎曲的桿狀（逗號）形
- 螺旋體：長螺旋形
- 細胞分裂
- 原核細胞透過無性生殖繁殖。它們通常透過二元分裂（斷裂成兩半，形成兩個相同的子細胞）或出芽（子細胞從母細胞中長出，逐漸增大）分裂
- 原核細胞透過有絲分裂將其基因完全傳遞給子細胞。基因組儲存在染色體中。
- 能量攝入
- 細菌和古細菌是原核生物進化中的主要分支。
- 一般來說，細菌和古細菌在尺寸和形狀上非常相似。它們共享原核生物的特徵，但在許多關鍵的結構、生化和生理特徵上有所不同。
特徵 細菌 古細菌 核膜 缺失 缺失
膜結合細胞器 缺失 缺失
細胞壁中的肽聚糖 存在 缺失
膜脂 未分支的烴類 一些分支的烴類
RNA 聚合酶 一種 多種
蛋白質合成起始氨基酸 甲醯甲硫氨酸 甲硫氨酸
對抗生素的反應 生長受抑制 生長不受抑制
與 DNA 相關的組蛋白 缺失 存在
環狀染色體 存在 存在
能夠在高於 100C 的溫度下生長 不 某些物種
| 真核細胞 | 原核細胞 | |
|---|---|---|
| 細胞核 | 存在 | 缺失（核區） |
| 染色體數量 | 多於一個 | 一個 - 但不是真正的染色體；質粒存在 |
| 細胞型別 | 可能是單細胞或多細胞 | 單細胞 |
| 真正的膜結合細胞核 | 存在（溶酶體、高爾基體、內質網、線粒體、葉綠體） | 缺失 |
| 端粒 | 存在（線性 DNA） | 環狀 DNA；不需要端粒 |
| 遺傳重組 | 有絲分裂，配子的融合 | 部分的，非方向性的 DNA 轉移 |
| 溶酶體/過氧化物酶體 | 存在 | 缺失 |
| 微管 | 存在 | 缺失（罕見） |
| 內質網 | 存在 | 缺失 |
| 線粒體 | 存在 | 缺失 |
| 細胞骨架 | 存在 | 存在 |
| 與蛋白質相關的 DNA | 是 | 否 |
| 核糖體 | 較大（80S）；細胞器中為 70S，因為共生 | 較小（70S） |
| 囊泡 | 存在 | 存在 |
| 高爾基體 | 存在 | 缺失 |
| 有絲分裂 | 是 | 否；二元分裂 |
| 葉綠體 | 存在於植物中 | 缺失；葉綠素散佈在細胞質中 |
| 細胞大小 | 10-100 µm | 1-10 µm |
| 核膜的通透性 | 選擇性 | 細胞中不存在 |
| 細胞壁 | 存在於植物和真菌細胞上（幾丁質） | 存在（肽聚糖） |
| 液泡 | 存在 | 存在 |
| 鞭毛 | 存在；用於運動 | 存在；用於推進 |
Campbell NA, Reece JB. 2008. Biology. 8th ed. San Francisco (CA): Pearson/Benjamin Cummings.
原核細胞和真核細胞之間存在許多差異。在原核細胞的核體中，核體沒有核膜包圍，而真核細胞有一個被核膜包圍的核，核膜上有與內質網相連的孔。在原核細胞中，細胞被細胞壁覆蓋，細胞壁的結構隨細菌型別的不同而異，而在真核細胞中，存在細胞膜將細胞與外部環境隔開並調節物質進出細胞的運動。環狀的、無組織的DNA分子位於原核細胞的擬核中；另一方面，由組蛋白組織的線性DNA位於真核細胞的核中，核膜起保護作用。在原核生物中，核體包含一個環狀染色體，沒有組蛋白（未纏繞的DNA）。真核染色體沒有核仁，但有一個核仁，其中存在一個或多個成對的、線性的含有組蛋白的染色體。這說明真核細胞的DNA在核中組織，而原核細胞的DNA沒有組織，並在核仁中自由漂浮。真核性細胞和原核性細胞都有鞭毛，鞭毛是一種幫助細胞運動的細胞器。原核生物的鞭毛由兩種蛋白質組成，而真核生物的鞭毛很複雜，由多個微管組成。除了核糖體，真核生物細胞中還有許多細胞器，例如線粒體、高爾基體、溶酶體......，而原核生物細胞中沒有細胞器。原核細胞平均比真核細胞小十倍。原核細胞和真核細胞的細胞分裂也不同。在原核細胞中，細胞透過二元擴散分裂，原核細胞是單倍體。在真核細胞中，細胞分裂遵循有絲分裂的過程；單倍體性細胞是二倍體。原核細胞的細胞膜是磷脂雙分子層，通常缺乏固醇，而真核細胞膜含有固醇。真核細胞膜能夠進行內吞作用和外排作用，而原核細胞不能。植物細胞、藻類和真菌（屬於真核生物）中存在細胞壁。真核細胞的細胞壁絕不含有肽聚糖。在原核細胞中，細菌域中的一些成員具有由肽聚糖組成的細胞壁。古細菌域的成員具有由蛋白質或類似於肽聚糖但與肽聚糖不同的獨特分子組成的細胞壁。在真核生物的細胞質結構中，核糖體由一個60S亞基和一個40S亞基組成，形成一個80S核糖體。存在內膜結合的細胞器，例如線粒體、內質網、高爾基體、液泡和溶酶體。葉綠體是光合作用的細胞器。有絲分裂過程中存在的參與有絲分裂的紡錘體。存在細胞骨架。它包含微管、肌動蛋白微絲和中間纖維。這些共同作用於賦予細胞形狀，允許細胞運動、細胞內細胞器運動和內吞作用以及細胞分裂。在原核生物中，核糖體由一個50S亞基和一個30S亞基組成，形成一個70S核糖體。不存在內膜結合的細胞器，例如線粒體、內質網、高爾基體、液泡和溶酶體。沒有葉綠體。光合作用通常發生在從細胞膜衍生的內褶或延伸中。原核生物沒有有絲分裂和有絲分裂紡錘體，只有裂變和出芽。它們可能只含有類似肌動蛋白的蛋白質，這些蛋白質與細胞壁一起有助於細胞的形狀。
- 域
- 在真核生物域
- 結構
- 質膜：脂質/蛋白質/碳水化合物複合物，提供屏障幷包含轉運和訊號系統。
- 線粒體：被雙層膜包圍，膜上有一系列稱為嵴的摺疊。透過代謝參與能量產生。含有自身的DNA，據信起源於捕獲的細菌。
- 細胞骨架
- 微絲
- 中間纖維
- 微管
- 細胞核：包圍染色體和核仁的雙層膜。孔允許與細胞質進行特定通訊。核仁是合成構成核糖體的RNA的場所。
- 核膜：包圍細胞核的雙層膜。
- 核仁
- 染色質：包含細胞的遺傳資訊 (DNA)
- 染色體：僅在細胞分裂期間可見。
- 內質網 (ER)
- 粗麵內質網：一種相互連線的膜網路，在細胞內形成通道。覆蓋著核糖體（導致“粗糙”外觀），這些核糖體正在合成分泌蛋白或定位於膜中的蛋白。
- 光面內質網：一種相互連線的膜網路，在細胞內形成通道。脂質合成和代謝的場所。還含有用於解毒化學物質（包括藥物和殺蟲劑）的酶。
- 高爾基體：一系列堆疊的膜。
- 溶酶體：一種膜結合的細胞器，負責降解細胞內的蛋白質和膜，還有助於降解細胞攝取的物質。
- 核糖體：負責蛋白質合成的蛋白質和RNA複合物
- 細胞分裂
- 能量攝入
生活在極端環境中的真核生物往往是微生物。微生物生命存在於所有極端環境中，只要有足夠的能量來維持生命。真核細胞具有很強的適應性，但原核細胞更強。由於許多環境尚未被探索，這並不具有決定性。厭氧環境缺乏氧氣，但真核細胞仍然能夠生存。
嗜熱真核細胞能夠抵抗高溫。這些細胞必須透過改變它們的脂質和細胞壁來適應。熱量很危險，因此必須進行修改以抵抗熱量。
嗜冷菌是適應了極低溫度的細胞。一個例子是球形異形鞭毛蟲，它是一種生活在南極洲的異養鞭毛蟲。嗜冷菌面臨著額外的挑戰，即它們必須對脂質和細胞壁進行修改以保持流動性。低溫會導致細胞壁變得僵硬。
嗜酸菌是能夠在極酸性條件下生存的細胞。直到最近，只有四種生物，全部是真核生物，能夠在接近 0 pH 條件下生存。嗜酸菌如何在如此低的 pH 水平下生存尚不清楚，但有人認為這可能是由於強質子泵或低質子膜滲透性。
嗜鹼菌是能夠在高 pH 水平下生存的細胞。一些嗜鹼菌在中性 pH 條件下也可能穩定，這讓我們相信其內部化學物質對環境影響具有很強的抵抗力。真核細胞的可能區室化可能有助於這一點。
嗜壓菌是能夠在高壓條件下生存的細胞。
嗜旱菌是能夠在乾燥條件下生存的細胞。
嗜鹽菌是生活在高鹽度條件下的細胞。這些細胞必須面對滲透壓導致的乾涸問題。鞭毛蟲等真核生物在這些條件下繁衍生息。