Cells, prokaryotes and eukaryotes


Published on

Published in: Education
1 Like
  • Be the first to comment

No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Cells, prokaryotes and eukaryotes

  1. 1. 16/09/2012 Cells: “Little rooms” Cells, Prokaryotes and  Eukaryotes A sense of Scale Why are large living things  made of small cells? Living things (organisms) need to  exchange nutrients with the  outside world Surface area to volume ratio is  important Too little surface area for the  volume Means that exchange cannot  happen fast enough to support  the whole volume. Various mechanisms keep the  surface area to volume ratio high. One mechanism is keeping  distinct cells in multicellular Fig 6.7Fig. 6.2 organisms. 1
  2. 2. 16/09/2012The simplest organisms are of course  Internal Organization and DNA single cells • Prokaryotic cells usually lack complex  compartmentalization – Limited internal organizationAnd the simplestSingle celled organisms • Some prokaryotes do have specialized membranes Are Prokaryotes that perform metabolic functions • These are usually infoldings of the plasma  membrane – Which of course serve to increase the surface area. Fig 6.5 © 2011 Pearson Education, Inc. Prokaryote DNA • Prokaryotes have  relatively few genes • Relatively little DNA • Usually one circular  loop • May have a few small  extra loops called  plasmids. Fig. 6.5 Fig 27.8 2
  3. 3. 16/09/2012 Prokaryote reproduction Plasmids can be copied from one cell Copy the DNA, then divide in two. to another, transfering information Figure 27.13a-3 Bacterial F plasmid chromosome F cell F cell (donor) Mating bridge F cell (recipient) F cell Bacterial chromosome Fig 12.12 (a) Conjugation and transfer of an F plasmid Rapid Reproduction and Mutation • Prokaryotes reproduce by binary fission, and offspring  R Plasmids and Antibiotic Resistance cells are generally identical • R plasmids carry genes for antibiotic resistance • Mutation rates during binary fission are low, but because  of rapid reproduction, mutations can accumulate rapidly  • Antibiotics kill sensitive bacteria, but not bacteria  in a population with specific R plasmids • High diversity from mutations allows for rapid evolution • Through natural selection, the fraction of bacteria  • Prokaryotes can also absorb ‘naked’ DNA from their  with genes for resistance increases in a population  environment exposed to antibiotics – Usually nothing much happens • Antibiotic‐resistant strains of bacteria are becoming  – Occasionally acquire new capabilities (e.g. Drug resistance) more common© 2011 Pearson Education, Inc. © 2011 Pearson Education, Inc. 3
  4. 4. 16/09/2012 Prokaryotes vs Eukaryotes • Their short generation time allows prokaryotes to  evolve quickly Prokaryotes Eukaryotes – For example, adaptive evolution in a bacterial  • No Nucleus • Chromosomes contained in  • Circular DNA a nucleus. colony was documented in a lab over 8 years • Little internal structure • Extensive internal structure • Prokaryotes are not “primitive” but are highly  • No organelles • Specialized organelles evolved – Mitochondrion, Chloroplast  etc • Always unicellular, binary  • All multicellular organisms  fission are eukaryotes. • Hugely abundant and  • Visible, but actually make  diverse, but invisible up only a small portion of  life on earth© 2011 Pearson Education, Inc. What do I mean prokaryotes are  “Life on Earth is microscopic” diverse? Genetically Metabolically Fig 26.21 • Genes taken from two  • All Eukaryotes have pretty  random prokaryotes will be  similar metabolism  much more different than  compared to prokaryotes. • Comparable genes taken  • Plants: – Photo,Autotrophs from two random animals. – Generate their energy from  light, carbon from CO2 • Animals – Heterotrophs – Get their energy and carbon  from food. 4
  5. 5. 16/09/2012 There are prokaryotes that...• Get their energy from  • Aerobic (use Oxygen) inorganic chemicals • Anaerobic (cannot use • “Breath” iron oxygen) – Use iron as a final electron  • E.g., Methanogens acceptor in respiration “exhale” methane – What we do with oxygen – What we do with CO2• “Burn” iron – Use iron as an original  electron donor in  respiration – What we do with food. Prokaryotes in the living world Exploring diversity of prokaryotes• “The major biogeochemical  • “Our view of the natural world [is  cycles on which we depend were  changing] as radically as did our  in place three billion years ago,  view of the cosmos when we  long before the appearance of  began looking at it with  visible life, and are today  technologies that allowed us to  maintained by the ‘invisibles’ and  see more than can be seen with  their vast range of metabolisms.” the naked eye.” • “Neglect of the invisible world is • “The contribution of visible life to  no longer any more acceptable  biodiversity is very small indeed.” than, say, teaching astronomy but  ignoring the existence of galaxies  beyond the Milky Way, or  teaching physics while refusing to  discuss anything smaller than a  Nee, 2004 pin head.” Fig 27.15 5
  6. 6. 16/09/2012Until Recently Prokaryote diversity was  Gram Positive vs Gram Negative hard to study Fig 27.3 Fig 27.2CategorizedBy Shape.. More susceptible to those Antibiotics More likely to be antibiotic resistant That target the cell wall Outer shell involved is in attachment  Exploring Prokaryotes to other cells • “Genetic Prospecting” • Take a sample of (e.g.)  Soil, Mud, Water – It will contain billions of  prokaryotes • Purify DNA from the  sample • Sequence the samples • Fit them in among other  known samples Fig 27.15 Fig 27.4 6
  7. 7. 16/09/2012 Extreme environments Eukaryote cells are a lot bigger • Extremely hot • Extremely salty – An autoclave 120C and  – “The Dead Sea isn’t dead  high pressure sterilizes  – it just doesn’t have any  most bacteria fish.” – “Strain 121” from a sea  • Extremely acidic floor hydrothermal vent  is just starting to get  • Solid Rock. comfortable in those  – Yes, you read that right conditions. – Some microbes live off  chemical energy in the  pores of solid rock. Fig 27.17 A single‐celled eukaryote related to  A single‐celled Eukaryote related to  plants animalsFig. 6.8 Fig. 6.8 7
  8. 8. 16/09/2012A typical cell in an Animal A typical Plant Cell• Bounded by a membrane• No Cell Wall Similarities to Animal Cell:• Linear Chromosomes in a  Nucleus, endoplasmic  Nucleus bounded by  reticulum, ribosomes nuclear membrane Mitochondria• Nucleus surrounded by  Endoplasmic reticulum Differences:• Ribosomes• Cytoskeleton Plasma membrane • Various other membrane  surrounded by a cell wall bound organelles, esp: ‐ Rigid, made of cellulose‐Mitochondrion Big central vacuole‐Golgi Apparatus Chloroplast‐Peroxisome/Lysosome Fig. 6.8 Fig. 6.8 Endoplasmic ReticulumThe NucleusSort of the defining feature of  Endo – withinEukaryote cells. Plasmic – the cytoplasm Reticulum – network.Contains the DNA, which is packaged into Chromosomes  A highly folded membrane, Keeps large amounts of DNA  contiguous in places with organized nuclear envelopeBounded by a double  Rough ER had many bounded membrane ribosomes(sort of like a cell within a cell)But with pores. Outer edges ‘bleb’ off into  transport vesiclesOuter membrane contiguous with endoplasmic reticulum Fig. 6.9 Fig 6.11 8
  9. 9. 16/09/2012 Ribosomes Made primarily of RNA Central in protein synthesis “Read” a transcript of the  DNA code (Details in genetics section) Very numerous in the cell (NB Ribosomes are also  present in prokaryotes, but  not typically bound to  Fig 6.10 membranes). Fig 6.11 E.g. LysosomesGolgi ApparatusAppears to function in a sorting and transport  Lysosomes contain digestive capacity. enzymesProteins synthesized by the ribosomes in Rough ER Therefore contained in a Contained within vessicles vessicle where they can’t which merge with Golgi, digest the cell itself.May be some additional processing (e.g. Folding into  But allow digestion of food correct shape) particlesEventually ‘delivered’ to area  Phagocytosis  food vacuolewhere they are needed Lysosome merges with ‐Made into  vacuolelysosomes/peroxisomes Digestion takes place‐Merge with cell membrane Fig 6.15 (single celled eukaryotes) Fig 6.13‐Etc. 9
  10. 10. 16/09/2012Two Really Important  MitochondrionOrganellesMitochondria – respiration Outer membrane Intermembrane spaceChloroplasts – Inner membranePhotosynthesis. “Matrix” (the inside) Inner membrane Highly folded There is some DNA in mitochondria Increased surface area Codes for a few proteins particularly important In respiration Some ribosomes Fig. 6.17 Fig 9.2 Chloroplast somewhat similar Mito’s and Chloro’s as  Endosymbionts. Surprisingly, the DNA of  mitochondria and chloroplasts is  Outer membrane more similar  Intermembrane space To the DNA of prokaryotes  Inner membrane than it is to Eukaryotes Stroma Thylakoid membrane Evidence that mitochondria and  Thylakoid space. chloroplasts are Prokaryotic symbionts Ancient symbiosis – many mito Thylakoid highly folded – surface area and chloro genes have “migrated”  Fig 6.18 to the nucleus DNA and Ribosomes as in Mito’s Original symbiosis 2‐3 Billion  years ago. Fig 6.16 10
  11. 11. 16/09/2012Prokaryotes with highly infolded  Cytoskeleton. plasma membranes. Actin Structural protein Polymer of actin  Subunits (a polymer of polymers) Tensive Fig 27.7 Table 6.1 Recall Muscle Actin is important in cellular movementMyson pulls on strands of Actin phagocytosis, cytoplasmic streaming Fig 6.27 Fig 6.27 11
  12. 12. 16/09/2012 Cytoskeleton. CytoskeletinKeratin MicrotubulesAlso tensive Rigid, resist compressionFibrous polypeptidesCoiled together Tubulin dimersMajor anchoringExternal protein structurese.g. Hair Table 6.1 Table 6.1 Cellular MovementMotor proteins A series of motor proteins  connecting two microtubulesOne way organelles move things to the right part of the cell Move the doublets laterally Push cellular structures into Use Atp energy  position e.g. chromosomes during cell Pull the vesicle along  division.microtubule Fig 6.21 Fig 6.25 12
  13. 13. 16/09/2012If the two proteins are anchored: waving motion of cilia. Fig 6.25 Fig 6.23 A flagellum rotates driven by  Intercellular connections a protein ‘motor’ at the base recall membrane proteins bind to things outside the cell Fig 6.30 Fig 6.6 13
  14. 14. 16/09/2012Cell Connections ‐ Animals Cell Connections ‐ Plants Cell walls are connectedTight junctions: a series of closely connected proteins  Cells are therefore held in (sort of like a sewn seam) placeChannels between cells Series of pores through cell  walls (technically called Increased surface area where  plasmodesmata)absorption is important. Fig 6.32 Fig 6.33 14