结构生物化学/原核生物和真核生物
原核生物和真核生物之间相似的基因序列表明，它们起源于一个共同的祖先，并在数十亿年前进化成不同的域。原核生物通过几个阶段进化成真核生物。一个祖先的厌氧（无空气）真核生物由于无法完全氧化燃料而无法有效地代谢。为了提高其代谢，祖先真核生物吞噬了具有好氧（有空气）特征的细菌基因组。好氧代谢效率更高，因为燃料被氧化成二氧化碳。一旦细菌被真核生物吞噬，它就会利用细胞进行复制。这种共生系统现在可以进行好氧分解代谢；因此，将厌氧真核生物转化为好氧真核生物。从原核生物进化到真核生物，发生了三个主要变化。首先，将 DNA 折叠成包含特定蛋白质的紧凑结构的机制，以及在细胞分裂期间将 DNA 平均分配到子细胞的能力变得更加复杂。由于细胞现在更大，细胞内膜系统发展起来，形成双层膜以包围 DNA。最后，早期的真核生物无法进行光合作用或好氧代谢，直到引入好氧细菌形成内共生，最终形成质体。它们在代谢反应和能量产生方式以及原核细胞和真核细胞的组成方面是相似的。为了列举一些它们的相似之处，两者都具有被质膜包围的细胞，两者都含有细胞质，两者都含有称为核糖体的 RNA 和蛋白质结构。尽管存在差异，但它们独特的差异源于随着时间的推移而发生的 DNA 突变。
真核细胞从简单的祖先进化而来
简单细胞的主要变化导致了真核细胞的发展
1. 细胞能够获得更多的 DNA，因此需要机制将 DNA 链折叠成更特异的蛋白质复合物，并将它们分成子细胞（细胞分裂）
2. 细胞生长 - 细胞尺寸的增大使得细胞内膜得以发展，导致形成包围 DNA 的双层膜 - 在 DNA 模板上合成 RNA 从细胞质合成蛋白质的过程成为可能
- 结构
- 细胞膜：磷脂双分子层，包围细胞质，作为细胞内骨架和细胞壁的附着点。
- 细胞壁：坚硬，位于质膜外部。它的作用是决定生物体的形状，并充当压力容器，防止水进入细胞时过度膨胀。
- 核区：类似于真核生物的核仁，核区包含 DNA，细胞的遗传物质，但它没有被任何膜包围。
- 染色体：包含遗传信息。染色体构成核区。原核细胞是单倍体的。
- 鞭毛：负责细胞运动的尾状细胞器。
- 菌毛：比鞭毛短而细，也用于运动和粘附。
- 原核细胞的形态
原核细胞具有多种形状。这些形状用于描述、分类和识别微生物。一些常见的形状是
- 球菌：球形
- 杆菌：圆柱形或杆状
- 螺旋菌：弯曲的杆状，足够长，形成螺旋形
- 弧菌：短弯曲的杆状（逗号）形
- 螺旋体：长螺旋形
- 细胞分裂
- 原核细胞通过无性生殖繁殖。它们通常通过二元分裂（断裂成两半，形成两个相同的子细胞）或出芽（子细胞从母细胞中长出，逐渐增大）分裂
- 原核细胞通过有丝分裂将其基因完全传递给子细胞。基因组储存在染色体中。
- 能量摄入
- 细菌和古细菌是原核生物进化中的主要分支。
- 一般来说，细菌和古细菌在尺寸和形状上非常相似。它们共享原核生物的特征，但在许多关键的结构、生化和生理特征上有所不同。
特征 细菌 古细菌 核膜 缺失 缺失
膜结合细胞器 缺失 缺失
细胞壁中的肽聚糖 存在 缺失
膜脂 未分支的烃类 一些分支的烃类
RNA 聚合酶 一种 多种
蛋白质合成起始氨基酸 甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸
对抗生素的反应 生长受抑制 生长不受抑制
与 DNA 相关的组蛋白 缺失 存在
环状染色体 存在 存在
能够在高于 100C 的温度下生长 不 某些物种
| 真核细胞 | 原核细胞 | |
|---|---|---|
| 细胞核 | 存在 | 缺失（核区） |
| 染色体数量 | 多于一个 | 一个 - 但不是真正的染色体；质粒存在 |
| 细胞类型 | 可能是单细胞或多细胞 | 单细胞 |
| 真正的膜结合细胞核 | 存在（溶酶体、高尔基体、内质网、线粒体、叶绿体） | 缺失 |
| 端粒 | 存在（线性 DNA） | 环状 DNA；不需要端粒 |
| 遗传重组 | 有丝分裂，配子的融合 | 部分的，非方向性的 DNA 转移 |
| 溶酶体/过氧化物酶体 | 存在 | 缺失 |
| 微管 | 存在 | 缺失（罕见） |
| 内质网 | 存在 | 缺失 |
| 线粒体 | 存在 | 缺失 |
| 细胞骨架 | 存在 | 存在 |
| 与蛋白质相关的 DNA | 是 | 否 |
| 核糖体 | 较大（80S）；细胞器中为 70S，因为共生 | 较小（70S） |
| 囊泡 | 存在 | 存在 |
| 高尔基体 | 存在 | 缺失 |
| 有丝分裂 | 是 | 否；二元分裂 |
| 叶绿体 | 存在于植物中 | 缺失；叶绿素散布在细胞质中 |
| 细胞大小 | 10-100 µm | 1-10 µm |
| 核膜的通透性 | 选择性 | 细胞中不存在 |
| 细胞壁 | 存在于植物和真菌细胞上（几丁质） | 存在（肽聚糖） |
| 液泡 | 存在 | 存在 |
| 鞭毛 | 存在；用于运动 | 存在；用于推进 |
Campbell NA, Reece JB. 2008. Biology. 8th ed. San Francisco (CA): Pearson/Benjamin Cummings.
原核细胞和真核细胞之间存在许多差异。在原核细胞的核体中，核体没有核膜包围，而真核细胞有一个被核膜包围的核，核膜上有与内质网相连的孔。在原核细胞中，细胞被细胞壁覆盖，细胞壁的结构随细菌类型的不同而异，而在真核细胞中，存在细胞膜将细胞与外部环境隔开并调节物质进出细胞的运动。环状的、无组织的DNA分子位于原核细胞的拟核中；另一方面，由组蛋白组织的线性DNA位于真核细胞的核中，核膜起保护作用。在原核生物中，核体包含一个环状染色体，没有组蛋白（未缠绕的DNA）。真核染色体没有核仁，但有一个核仁，其中存在一个或多个成对的、线性的含有组蛋白的染色体。这说明真核细胞的DNA在核中组织，而原核细胞的DNA没有组织，并在核仁中自由漂浮。真核性细胞和原核性细胞都有鞭毛，鞭毛是一种帮助细胞运动的细胞器。原核生物的鞭毛由两种蛋白质组成，而真核生物的鞭毛很复杂，由多个微管组成。除了核糖体，真核生物细胞中还有许多细胞器，例如线粒体、高尔基体、溶酶体......，而原核生物细胞中没有细胞器。原核细胞平均比真核细胞小十倍。原核细胞和真核细胞的细胞分裂也不同。在原核细胞中，细胞通过二元扩散分裂，原核细胞是单倍体。在真核细胞中，细胞分裂遵循有丝分裂的过程；单倍体性细胞是二倍体。原核细胞的细胞膜是磷脂双分子层，通常缺乏固醇，而真核细胞膜含有固醇。真核细胞膜能够进行内吞作用和外排作用，而原核细胞不能。植物细胞、藻类和真菌（属于真核生物）中存在细胞壁。真核细胞的细胞壁绝不含有肽聚糖。在原核细胞中，细菌域中的一些成员具有由肽聚糖组成的细胞壁。古细菌域的成员具有由蛋白质或类似于肽聚糖但与肽聚糖不同的独特分子组成的细胞壁。在真核生物的细胞质结构中，核糖体由一个60S亚基和一个40S亚基组成，形成一个80S核糖体。存在内膜结合的细胞器，例如线粒体、内质网、高尔基体、液泡和溶酶体。叶绿体是光合作用的细胞器。有丝分裂过程中存在的参与有丝分裂的纺锤体。存在细胞骨架。它包含微管、肌动蛋白微丝和中间纤维。这些共同作用于赋予细胞形状，允许细胞运动、细胞内细胞器运动和内吞作用以及细胞分裂。在原核生物中，核糖体由一个50S亚基和一个30S亚基组成，形成一个70S核糖体。不存在内膜结合的细胞器，例如线粒体、内质网、高尔基体、液泡和溶酶体。没有叶绿体。光合作用通常发生在从细胞膜衍生的内褶或延伸中。原核生物没有有丝分裂和有丝分裂纺锤体，只有裂变和出芽。它们可能只含有类似肌动蛋白的蛋白质，这些蛋白质与细胞壁一起有助于细胞的形状。
- 域
- 在真核生物域
- 结构
- 质膜：脂质/蛋白质/碳水化合物复合物，提供屏障并包含转运和信号系统。
- 线粒体：被双层膜包围，膜上有一系列称为嵴的折叠。通过代谢参与能量产生。含有自身的DNA，据信起源于捕获的细菌。
- 细胞骨架
- 微丝
- 中间纤维
- 微管
- 细胞核：包围染色体和核仁的双层膜。孔允许与细胞质进行特定通讯。核仁是合成构成核糖体的RNA的场所。
- 核膜：包围细胞核的双层膜。
- 核仁
- 染色质：包含细胞的遗传信息 (DNA)
- 染色体：仅在细胞分裂期间可见。
- 内质网 (ER)
- 粗面内质网：一种相互连接的膜网络，在细胞内形成通道。覆盖着核糖体（导致“粗糙”外观），这些核糖体正在合成分泌蛋白或定位于膜中的蛋白。
- 光面内质网：一种相互连接的膜网络，在细胞内形成通道。脂质合成和代谢的场所。还含有用于解毒化学物质（包括药物和杀虫剂）的酶。
- 高尔基体：一系列堆叠的膜。
- 溶酶体：一种膜结合的细胞器，负责降解细胞内的蛋白质和膜，还有助于降解细胞摄取的物质。
- 核糖体：负责蛋白质合成的蛋白质和RNA复合物
- 细胞分裂
- 能量摄入
生活在极端环境中的真核生物往往是微生物。微生物生命存在于所有极端环境中，只要有足够的能量来维持生命。真核细胞具有很强的适应性，但原核细胞更强。由于许多环境尚未被探索，这并不具有决定性。厌氧环境缺乏氧气，但真核细胞仍然能够生存。
嗜热真核细胞能够抵抗高温。这些细胞必须通过改变它们的脂质和细胞壁来适应。热量很危险，因此必须进行修改以抵抗热量。
嗜冷菌是适应了极低温度的细胞。一个例子是球形异形鞭毛虫，它是一种生活在南极洲的异养鞭毛虫。嗜冷菌面临着额外的挑战，即它们必须对脂质和细胞壁进行修改以保持流动性。低温会导致细胞壁变得僵硬。
嗜酸菌是能够在极酸性条件下生存的细胞。直到最近，只有四种生物，全部是真核生物，能够在接近 0 pH 条件下生存。嗜酸菌如何在如此低的 pH 水平下生存尚不清楚，但有人认为这可能是由于强质子泵或低质子膜渗透性。
嗜碱菌是能够在高 pH 水平下生存的细胞。一些嗜碱菌在中性 pH 条件下也可能稳定，这让我们相信其内部化学物质对环境影响具有很强的抵抗力。真核细胞的可能区室化可能有助于这一点。
嗜压菌是能够在高压条件下生存的细胞。
嗜旱菌是能够在干燥条件下生存的细胞。
嗜盐菌是生活在高盐度条件下的细胞。这些细胞必须面对渗透压导致的干涸问题。鞭毛虫等真核生物在这些条件下繁衍生息。