8/30/10 

1 

Prokaryotes and the basic needs of organisms 

1.  The basic needs and ecological roles of organisms 2.  Prokaryo9c cell structure (and comparison with eukaryotes) 3.  Evolu9onary history of prokaryotes; importance of 

cyanobacteria and photosynthesis 4.  Diversity and abundance of modern prokaryotes 

•  Cyanobacteria •  Archaeabacteria 

•  Cell membranes…. 

Table 2.1  Naturally Occurring Elements in the Human Body • The top 4 (O, C, H, and N) make up 96% of living matter on earth

• 25 of the 92 natural elements are essential for life

• In addition to essential chemical elements (the building blocks), all organisms need a source of energy (to power cellular processes, including molecular construction), and a liquid medium for chemical reactions

Protein Carbohydrate

Lipid

8/30/10 

2 

Nucleic Acid

Water (H20):

A very special molecule

The three basic requirements of life 

1.  Energy source 

2.  Organic (carbon‐based) molecules 

3.  Liquid medium 

Figure 9.2  Energy flow and chemical recycling in ecosystems.  Energy enters ecosystems as light, is stored in organic molecules, and is lost as heat. 

8/30/10 

3 

Metabolic relaEonships to oxygen 

•  Obligate aerobe‐need oxygen •  FacultaEve aerobes‐can do both (use O2 if it is present, or fermentaEon) 

•  Obligate anaerobes‐cannot have oxygen 

•  Early prokaryotes were obligate anaerobes.  What happened to them as photosynthesis became common? 

Prokaryotes and the basic needs of organisms 

1.  The basic needs and ecological roles of organisms 

2.  Prokaryotes 3.  EvoluEonary history of prokaryotes; importance of 

cyanobacteria and photosynthesis 

4.  Diversity and abundance of modern prokaryotes 

Prokaryote living arrangements 

1.  Alone 2.  Colonies 3.  Transient colonies 

Cell membrane plays a criEcal role.  Fimbriae and pili help them aSach and aggregate.  Chemical signals act as aSractants and repellents. 

General characterisEcs of prokaryotes 

•  Binary fission •  Budding or fragmentaEon •  Rapid mutaEon rate •  ConjugaEon: prokaryoEc ‘sex’ – passing geneEc material 

•  TransformaEon: they Can take up free naked DNA from environment (probably rare due to instability of free DNA) 

•  TransducEon: via a virus, passes DNA to another bacteria 

8/30/10 

4 

Prokaryote characterisEcs 

•  Small cells (1‐10 um) (though one is 700 um!) 

•  Unicellular •  Can form colonies •  Cell walls generally made of pepEdoglycan rather than cellulose and/or chiEn 

•  Capsule is around the cell wall and is generally composed of polysaccarhides or proteins 

Figure 6.6  A prokaryo9c cell 

Figure 27.7  Specialized membranes of prokaryotes.  Though they lack membrane‐bound organelles, some prokaryotes have specialized membranes that perform func9ons such as respira9on or photosynthesis.

What kind of bacteria would have membranes specialized for photosynthesis?

Figure 27.9  An endospore.  Many species of bacteria can form a dormant, resistant endospore cells to endure harsh condi9ons.

Can withstand boling water, survive in the dormant state for centuries.

8/30/10 

5 

Figure 27.x4  Bacterial conjuga9on … 

 …allows exchange of bacterial DNA on plasmids. 

Prokaryotes and the basic needs of organisms 

1.  The basic needs and ecological roles of organisms 

2.  ProkaryoEc cell structure (and comparison with eukaryotes) 

3.  Evolu9onary history of prokaryotes; importance of cyanobacteria and photosynthesis 

4.  Diversity and abundance of modern prokaryotes 

Some major episodes in the history of life.  One very important one: the evolu9on of photosynthesis in prokaryotes.  Figure 27.10  One of the most independent organisms on earth: Cyanobacteria (Anabaena).  This 

bacterium is colonial, with some cells specialized for specific func9ons, such as heterocysts for nitrogen fixa9on.

8/30/10 

6 

Contras9ng hypotheses for the taxonomic distribu9on of photosynthesis among prokaryotes.  Which hypothesis is most likely?

parsimony

Prokaryotes and the basic needs of organisms 

1.  The basic needs and ecological roles of organisms 

2.  ProkaryoEc cell structure (and comparison with eukaryotes) 

3.  EvoluEonary history of prokaryotes; importance of cyanobacteria and photosynthesis 

4.  Diversity and abundance of modern prokaryotes 

Prokaryotes

Bacteria 

•  Are everywhere •  Play a criEcal role, both negaEve and posiEve •  Are small (1‐5 um) •  Cell walls: pepEdoglycan: sugar polymers and 

polypepEdes (except Archaea) •  About half can move (mostly with flagella) •  Some exhibit taxis •  UElize a variety of nutriEonal modes •  Can form endospores 

Billion year old bacteria! 

E. coli 

8/30/10 

7 

Cyanobacteria: a criEcal change factor on Earth 

Photosynthe3c bacteria come in two general groups: Cyanobacteria and Purple/Green Bacteria 

Cyanobacteria are Important in global carbon and nitrogen cycles 

About 7500 species – only about 200 non symbioEc 

Cyanobacteria •  Chlorophyll a and Phycobilins: phycocyanin (blue), phycoerythrin (red) 

•  Storage product glycogen •  Within the cell are layers of membranes ‐ photosyntheEc thylakoids.  Look like chloroplasts, and same size *(10 um).  Cyanobacteria probably gave rise to eukaryoEc chloroplasts (those without cell walls) 

•  Very similar in biochemistry and structure to chloroplasts of red algae 

•  Color due to a mucilaginous sheath to bind cells/filaments together – sheath is pigmented.  Cells are independent within sheath 

Cyanobacteria •  Some can move by gliding, away from parent colony 

•  Some have gas vesicles (eg. Plankton – buoyancy) •  Some can fix nitrogen gas to ammonium – can occur within heterocysts‐big cells with thick walls containing glycolipid which impedes O2 diffusion into cell.  N2 fixaEon is an anaerobic process. 

•  Can also form akinetes‐spores resistant to heat, drought etc. 

Cyanobacteria 

• Growth forms: – Single cells – Branched filaments (most common) – Plates (uncommon) or irregular colonies 

– Stromatolites: when colonies bind CaCo3 into domed structures 

8/30/10 

8 

Cyanobacteria 

unicellular 

With heterocysts 

No heterocysts 

Branching filamentous 

Cyanobacteria 

•  Stromatolites – Geol record of 2.7 billion yrs! – Form when cyanobacteria bind CaCo3 rich sediments 

– Now they form in shallow pools in hot/dry climates (eg. Australia) 

– Abundant in early earth – played an imp role in elevaEng free O2 in atmosphere. 

Cyanobacteria 

•  Lifestyle – Can live in very inhospitable environments 

– Hot springs to AntarcEca – Most are symbioEc (endosymbionts) – sponges, lichens etc. 

– Some live inside the hollow hairs of polar bears!  Giving them a yellowish/greenish color – especially in zoos. 

Purple and Green Bacteria 

•  PhotosyntheEc process and pigments differ from cyanobacteria 

•  No O2 during photosynthesis (anoxygenic) •  Some use sulfer as electron donors 

•  Only one photosystem 

•  Probably gave rise to photosystems I and II in cyanobacteria, algae and plants  

8/30/10 

9 

Many Archaea are extremophiles 

• Halophiles, thermophiles, methanogens 

•  Key members of oceanic picoplankton (<1 micrometer), outnumbering all other  oceanic organisms! 

Archaea • Halophiles: great salt lake and dead sea • Methanogens – prokaryotes (archaea) that make natural gas (anaerobic).  Cows have them in their gut (help degrade cellulose); cows belch 50 liters of methane per day! Common in sewage treatment plants and in the deep sea • Thermophiles are anaerobes, use sulfer, live at 110 degreesC!  Also live in hydrothermal vents in the deep sea. 

General FuncEons of Cell Membranes 

•  Boundary that defines cell size and shape •  Maintains difference b/w ICF and ECF •  Supplies cytoplasm with metabolites •  Mediates secretory acEviEes •  Intra‐ and extracellular anchorage •  Scaffolding for organizing metabolic pathways •  Cellular idenEficaEon •  Cellular communicaEon •  CompartmentalizaEon  

8/30/10 

10 

General ProperEes:  Fluid Mosaic Model 

•  Phospholipid bilayer: 50% –  Backbone of most membranes –  Oily core forms hydrophobic barrier 

•  Proteins: 50% –  Integral and peripheral –  cytosolic and exoplasmic faces 

•  Fluidity –  Free movements of lipids and proteins –  Healing properEes 

Basic ProperEes of Molecules in MoEon 

•  Diffusion: the random movement of molecules from a region of high concentraEon to a region of low concentraEon.  – ConcentraEon gradients 

•  Osmosis: the diffusion of water… – OsmoEc pressure –  Isotonic, hypotonic and hypertonic environments for plant and animal cells 

Membrane Transport Mechanisms •  Passive diffusion 

–  Relies on concentraEon grad. –  Through bilayer or memb. pores or channels 

•  Facilitated Diffusion (carrier mediated transport) –  Relies on concentraEon gradient –  Exhibits enzyme‐like properEes 

•  AcEve transport (ATP requiring carrier) –  Can transport against the gradient –  Important in maintaining osmoEc equilibrium 

–  Can be used to do work 

•  Bulk Transport: Exocytosis and Endocytosis 

Diffusion 

Hypertonic  Hypotonic  Isotonic 

8/30/10 

11 

Diffusion goes in all direcEons Osmosis‐ passive transport of water 

across a membrane 

Osmosis and living cells  AcEve Transport 

8/30/10 

12 

The Importance of AcEve Ion pumping 

•  Many ions need to be kept in concentraEons in the cells which are very different from the outside. 

•  K+, Na+, others. •  30‐70% of our cellular energy can be used keeping ions in the proper concentraEon! 

•  Differences in ion conc. can act like a baSery, providing cell with energy 

AcEve Transport of 

Large Molecules, 

etc. ‐ Endo and Exocytosis 

Fig. 4.30  Plant Cell 

8/30/10 

13 

The Chloroplast • Most of the living world depends on chloroplasts for its energy! 

• Two membranes on outside 

• Complex membrane structure on inside 

The Cytoskeleton The “skeleton, muscles and highway” of a cell A network of fibers throughout the cytoplasm 

Cytoskeleton 

•  Support •  MoElity: using motor proteins •  RegulaEon •  Cytoplasmmic streaming •  Phagocytosis