Биология. 11 класс
§ 15. Особенности строения клеток прокариот
Как вы знаете, клетки прокариот, в отличие от эукариотических, лишены ядра и мембранных органоидов. Прокариотами являются бактерии, а эукариотами — протисты, грибы, растения и животные.
Строение прокариотических клеток. Размеры клеток прокариот обычно составляют от 0,5 до 10 мкм. Однако встречаются бактерии как бóльших, так и меньших размеров. Форма бактериальных клеток также различается. Например, клетки кокков имеют шаровидную форму, бацилл — палочковидную, а у спирилл они закручены в виде спиралей. Несмотря на различия в размерах и форме, все прокариотические клетки устроены по единому плану и состоят из поверхностного аппарата и цитоплазмы (рис. 15.1).
В состав поверхностного аппарата бактериальной клетки входят цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) и клеточная стенка, иногда — слизистая капсула. У некоторых прокариот поверхностный аппарат помимо плазмалеммы и клеточной стенки включает наружную мембрану, похожую по строению на плазмалемму.
Цитоплазматическая мембрана клеток прокариот может образовывать различные по форме впячивания в цитоплазму. По составу, структуре и выполняемым функциям плазмалемма бактерий сходна с цитоплазматической мембраной эукариотических клеток. Жесткая клеточная стенка обеспечивает поддержание формы бактериальной клетки и ее защиту от механических повреждений. Она предохраняет клетку от разрыва в результате действия высокого тургорного давления, вызванного поступлением воды в цитоплазму путем осмоса . *Как вам уже известно, прочность клеточной стенки прокариот обеспечивает каркас, состоящий из пептидогликана муреина.*
*В конце XIX в. датский микробиолог К. Грам разработал особый метод окрашивания прокариотических клеток, на основе которого бактерии были разделены на две группы. Бактерии, клетки которых окрашиваются по методу Грама в сине-фиолетовый цвет, называют грамположительными, а те, которые приобретают красную или розовую окраску, — грамотрицательными.*
*Метод окраски по Граму относится к сложным способам окрашивания, при котором используются два красителя — основной и дополнительный. Сначала клетки бактерий обрабатывают основным красителем — анилиновым (например, генциановым фиолетовым или метиловым фиолетовым), а затем этот краситель фиксируют раствором йода. При последующем промывании окрашенного препарата спиртом грамположительные бактерии сохраняют сине-фиолетовую окраску, а грамотрицательные обесцвечиваются. После этого добавляется дополнительный краситель (фуксин), который окрашивает клетки грамотрицательных бактерий в красный или розовый цвет.*
*Различия между грамположительными и грамотрицательными прокариотами связаны прежде всего с составом и строением поверхностного аппарата их клеток (рис. 15.2). Так, у грамположительных бактерий клеточная стенка толстая, а у грамотрицательных — намного тоньше и, следовательно, менее жесткая. Однако у грамотрицательных бактерий снаружи от клеточной стенки имеется наружная мембрана, обладающая, как и плазмалемма, избирательной проницаемостью. Она является дополнительным барьером, ограничивающим доступ различных веществ в клетку. Этим обусловлена бóльшая устойчивость грамотрицательных бактерий к действию ряда антибиотиков, ферментов и ядов.*
У некоторых бактерий поверх клеточной стенки или наружной мембраны есть слизистая капсула, состоящая главным образом из полисахаридов. Капсула защищает клетку от механических повреждений и высыхания, а у болезнетворных бактерий — еще и от действия иммунной системы организма-хозяина.
На поверхности клеток многих бактерий имеются тонкие *полые внутри* белковые выросты — ворсинки. Они служат для прикрепления к разным субстратам или другим клеткам. *Специальные ворсинки принимают участие в половом процессе бактерий — конъюгации. С их помощью обеспечивается контакт между двумя бактериальными клетками и передача наследственной информации из одной клетки в другую. Конъюгация у бактерий не связана с размножением, поскольку в результате этого процесса не происходит увеличения количества особей.*
Клетки некоторых прокариот имеют органоиды движения — жгутики. Бывают клетки с одним, несколькими или множеством жгутиков. *По строению и механизму работы жгутики бактерий принципиально отличаются от жгутиков и ресничек эукариотических клеток. Бактериальный жгутик не покрыт плазмалеммой. Он представляет собой длинный полый цилиндр, состоящий из молекул белка флагеллина и имеющий форму спирали. Толщина жгутика составляет 10—20 нм. Его основание образовано несколькими белками, которые способны вращаться друг относительно друга, что и лежит в основе вращения всего жгутика. При этом для движения жгутика используется не энергия АТФ, как у эукариот, а энергия, которая выделяется в процессе транспорта ионов водорода (Н + ) через плазмалемму.*
В цитоплазме прокариотической клетки расположена кольцевая молекула ДНК — бактериальная хромосома. *Область цитоплазмы, в которой она находится, обычно занимает центральную часть клетки и называется нуклеоидом.* В клетках большинства бактерий, кроме бактериальной хромосомы , содержатся небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды. *Они могут удваиваться независимо от бактериальной хромосомы и передаваться от одной бактерии к другой при конъюгации.* Плазмиды не являются обязательными компонентами бактериальной клетки. Однако они могут содержать наследственную информацию, которая обеспечивает проявление у клетки свойств, помогающих ей выжить в определенных условиях окружающей среды. Примером могут служить плазмиды, обусловливающие устойчивость к тем или иным антибиотикам или токсинам.
В каждой прокариотической клетке обязательно присутствуют *70S* рибосомы. *Они могут свободно располагаться в гиалоплазме или прикрепляться к цитоплазматической мембране.* В клетках бактерий также могут содержаться *различные включения, например трофические —* капли липидов, крахмальные зерна или гранулы гликогена. Их отложение происходит в условиях избытка питательных веществ, а потребление — при истощении пищевых ресурсов.
*У некоторых прокариот, обитающих в водной среде, в гиалоплазме имеются так называемые газовые пузырьки. Они заполнены смесью газов и ограничены белковой оболочкой, непроницаемой для воды. Газовые пузырьки позволяют регулировать глубину погружения бактериальной клетки с минимальными затратами энергии. При увеличении их объема клетка всплывает, а при уменьшении — погружается. Это особенно важно, например, для фотосинтезирующих прокариот. Возможность регулировать глубину погружения позволяет им находиться в условиях с оптимальной концентрацией углекислого газа и освещенностью.
Некоторые виды прокариот при наступлении неблагоприятных условий могут переходить в состояние бактериальной споры. При спорообразовании происходит уплотнение участка цитоплазмы, содержащего бактериальную хромосому. Далее вокруг этого участка формируется прочная многослойная оболочка. Бактериальные споры отличаются очень высокой устойчивостью к действию высоких и низких температур, ядовитых веществ, радиоактивного излучения и др. Они могут сохранять жизнеспособность в течение многих лет и прорастать, когда условия вновь становятся благоприятными. Важно отметить, что спорообразование у прокариот не является способом бесполого размножения, а служит для перенесения неблагоприятных условий.*
Источник
Органоиды клетки
Органоиды (органеллы) клетки — специализированные структуры клетки, выполняющие различные жизненно необходимые функции. Особенно сложно устроены клетки простейших, где одна клетка составляет весь организм и выполняет функции дыхания, выделения, пищеварения и многие другие.
Органоиды клетки подразделяются на:
- Немембранные — рибосомы, клеточный центр, микротрубочки, органоиды движения (жгутики, реснички)
- Одномембранные — ЭПС, комплекс (аппарат) Гольджи, лизосомы и вакуоли
- Двумембранные — ядро, пластиды, митохондрии
Прежде чем говорить об органоидах клетки, без которых невозможна ее жизнедеятельность, необходимо упомянуть о том, без чего вообще не существует клетки — о клеточной мембране. Клеточная мембрана ограничивает клетку от окружающего мира и формирует ее внутреннюю среду.
Клеточная мембрана (оболочка)
Запомните, что в отличие от клеточной стенки, которая есть только у растительных клеток и у клеток грибов (она придает им плотную, жесткую форму) клеточная мембрана есть у всех клеток без исключения! Этот важный момент объясню еще раз 🙂 У клеток животных имеется только клеточная мембрана, а у клеток растений и грибов есть и клеточная стенка, и клеточная мембрана.
Клеточная мембрана представляет собой билипидный слой (лат. bi — двойной + греч. lipos — жир), который пронизывают молекулы белков.
Билипидный слой представлен двумя слоями фосфолипидов. Обратите внимание, что их гидрофобные концы обращены внутрь мембраны, а гидрофильные «головки» смотрят наружу. Билипидный слой насквозь пронизывают интегральные белки, частично — погруженные белки, имеются также поверхностно лежащие белки — периферические.
Белки принимают участие в:
- Поддержании постоянства структуры мембраны
- Рецепции сигналов из окружающей среды (химического раздражения)
- Транспорте веществ через мембрану
- Ускорении (катализе) реакций, которые ассоциированы с мембраной
Интегральные (пронизывающие) белки образуют каналы, по которым молекулы различных веществ могут поступать в клетку или удаляться из нее. «Заякоренные» молекулы олигосахаридов на поверхности клетки образуют гликокаликс, который выполняет рецепторную функцию, участвует в избирательном транспорте веществ через мембрану.
Теперь вы знаете, что гликокаликс — надмембранный комплекс, совокупность клеточных рецепторов, которые нужны клетке для восприятия регуляторных сигналов биологически активных веществ (гормонов, гормоноподобных веществ). Гормон избирателен, специфичен и присоединяется только к своему рецептору: меняется конформация молекулы рецептора и обмен веществ в клетке. Так гормоны регулируют жизнедеятельность клеток.
Вирусы и бактерии не являются исключением: они взаимодействуют только с теми клетками, на которых есть подходящие к ним рецепторы. Так, вирус гриппа поражает преимущественно клетки слизистой верхних дыхательных путей. Однако, если рецепторов нет, то вирус не может проникнуть в клетку, и организм приобретает невосприимчивость к инфекции. Вспомните врожденный иммунитет: именно по причине отсутствия рецепторов человек не восприимчив ко многим болезням животных.
Итак, вернемся к клеточной мембране. Ее можно сравнить со стенами помещения, в котором, вероятно, вы находитесь. Стены дома защищают его от ветра, дождя, снега и прочих факторов внешней среды. Рискну предположить, что в вашем доме есть окна и двери, которые по мере необходимости открываются и закрываются 🙂 Так и клеточная мембрана может сообщать внутреннюю среду клетки с внешней средой: через мембрану вещества поступают в клетку и удаляются из нее.
Подведем итоги. Клеточная мембрана выполняет ряд важнейших функций:
- Разделительная (барьерная) — образует барьер между внешней средой и внутренней средой клетки (цитоплазмой с органоидами)
- Поддержание обмена веществ между внешней средой и цитоплазмой
Через мембрану по каналам кислород и питательные вещества поступают в клетку, а продукты жизнедеятельности — мочевина — удаляются из клетки во внешнюю среду.
Тесно связана с обменом веществ, однако здесь мне особенно хочется подчеркнуть варианты транспорта веществ через клетку. Выделяется два вида транспорта:
- Пассивный — часто идет по градиенту концентрации, без затрат АТФ (энергии). Возможен путем осмоса, простой диффузии или облегченной (с участием белка-переносчика) диффузии.
Внутрь клетки с помощью осмоса поступает вода. Путем простой диффузии в клетку попадают O2, H2O, CO2, мочевина. Облегченная диффузия характерна для транспорта глюкозы, аминокислот.
Активный транспорт чаще происходит против градиента концентрации, в ходе него используются белки-переносчики и энергия АТФ. Ярким примером является натрий-калиевый насос, который накачивает ионы калия внутрь клетки, а ионы натрия выводит наружу. Это происходит против градиента концентрации, поэтому без затрат энергии (АТФ) не обойтись.
Внутрь клетки крупные молекулы попадают путем эндоцитоза (греч. endo — внутрь) двумя путями:
- Фагоцитоз (греч. phago — ем + cytos — клетка) — поглощение твердых пищевых частиц и бактерий фагоцитами
- Пиноцитоз (греч. pino — пью) — поглощение клеткой жидкости, захват жидкости клеточной поверхностью
Фагоцитоз был открыт И.И. Мечниковым, который создал фагоцитарную теорию иммунитета. Это теория гласит, что в основе иммунной системы нашего организма лежит явление фагоцитоза: попавшие в организм бактерии уничтожаются фагоцитами (T-лимфоцитами), которые переваривают их.
В ходе эндоцитоза мембрана сильно прогибается внутрь клетки, ее края смыкаются, захватывая бактерию, пищевые частицы или жидкость внутрь клетки. Образуется везикула (пузырек), который движется к пищеварительной вакуоли или лизосоме, где происходит внутриклеточное пищеварение.
Клетки многих органов, к частности эндокринных желез, которые выделяют в кровь гормоны, транспортируют синтезированные вещества к мембране и удаляют их из клетки с помощью экзоцитоза (от др.-греч. ἔξω — вне, снаружи). Таким образом, процессы экзоцитоза и эндоцитоза противоположны.
Клеточная стенка
Расположена снаружи клеточной мембраны. Присутствует только в клетках бактерий, растений и грибов, у животных отсутствует. Придает клетке определенную форму, направляет ее рост, придавая характерное строение всему организму. Клеточная стенка бактерий состоит из полимера муреина, у грибов — из хитина, у растений — из целлюлозы.
Цитоплазма
Органоиды клетки расположены в цитоплазме, которая состоит из воды, питательных веществ и продуктов обмена. В цитоплазме происходит постоянный ток веществ: поступившие в клетку вещества для расщепления необходимо доставить к органоидам, а побочные продукты — удалить из клетки.
Постоянное движение цитоплазмы поддерживает связь между органоидами клетки и обеспечивает ее целостность.
Прокариоты и эукариоты
Прокариоты (греч. πρό — перед и κάρυον — ядро) или доядерные — одноклеточные организмы, не обладающие в отличие от эукариот оформленным ядром и мембранными органоидами. У прокариот могут обнаруживаться только немембранные органоиды. Их генетический материал представлен в виде кольцевой молекулы ДНК — нуклеоида (нуклеоид — ДНК–содержащая зона клетки прокариот). К прокариотам относятся бактерии, в их числе цианобактерии (цианобактерий по-другому называют — сине-зеленые водоросли).
Эукариоты (греч. εὖ — хорошо + κάρυον — ядро) или ядерные — домен живых организмов, клетки которых содержат оформленное ядро. Растения, животные, грибы — относятся к эукариотам.
Немембранные органоиды
Очень мелкая органелла (около 20 нм), которая была открыта после появления электронного микроскопа. Состоит из двух субъединиц: большой и малой, в состав которых входят белки и рРНК (рибосомальная РНК), синтезируемая в ядрышке.
Запомните ассоциацию: «Рибосома — фабрика белка». Именно здесь в ходе матричного биосинтеза — трансляции, с которой подробнее мы познакомимся в следующих статьях, на базе иРНК (информационной РНК) синтезируется белок — последовательность соединенных аминокислот в заданном иРНК порядке.
Микротрубочки являются внутриклеточными белковыми производными, входящими в состав цитоскелета. Они поддерживают определенную форму клетки, участвуют во внутриклеточном транспорте и процессе деления путем образования нитей веретена деления. Микротрубочки также образуют основу органоидов движения: жгутиков (у бактерий жгутик состоит из сократительного белка — флагеллина) и ресничек.
Микрофиламенты — тонкие длинные нитевидные структуры, состоящие из белка актина. Встречаются во всей цитоплазме, служат для создания тока цитоплазмы, принимают участие в движении клетки, в процессах эндо- и экзоцитоза.
Этот органоид характерен только для животной клетки, в клетках грибов и высших растений отсутствует. Клеточный центр состоит из 9 триплетов микротрубочек (триплет — три соединенных вместе). Участвует в образовании нитей веретена деления, располагается на полюсах клетки.
Это органоиды движения, которые выступают над поверхностью клетки и имеют в основе пучок микротрубочек. Реснички встречаются только в клетках животных, жгутики можно обнаружить у животных, растений и бактерий.
Одномембранные органоиды
- Эндоплазматическая сеть (ЭПС), эндоплазматический ретикулум (лат. reticulum — сеть)
ЭПС представляет собой систему мембран, пронизывающих всю клетку и разделяющих ее на отдельные изолированные части (компартменты). Это крайне важно, так как в разных частях клетки идут реакции, которые могут помешать друг другу, что нарушит процессы жизнедеятельности.
Выделяют гладкую ЭПС и шероховатую ЭПС. Обе они выполняют функцию внутриклеточного транспорта веществ, однако между ними имеются различия. На мембранах гладкой ЭПС происходит синтез липидов, обезвреживаются вредные вещества. Шероховатая ЭПС синтезирует белок, так как имеет на мембранах многочисленные рибосомы (потому и называется шероховатой).
Комплекс Гольджи состоит из трубочек, сети уплощенных канальцев (цистерн) и связанных с ними пузырьков. Располагается вокруг ядра клетки, внешне напоминает стопку блинов. Это — «клеточный склад». В нем запасаются жиры и углеводы, с которыми здесь происходят химические видоизменения.
Модифицированные вещества упаковываются в пузырьки и могут перемещаться к мембране клетки, соединяясь с ней, они изливают свое содержимое во внешнюю среду. Можно догадаться, что комплекс Гольджи хорошо развит в клетках эндокринных желез, которые в большом количестве синтезируют и выделяют в кровь гормоны.
В комплексе Гольджи появляются первичные лизосомы, которые содержат ферменты в неактивном состоянии.
Представляет собой мембранный пузырек, содержащий внутри ферменты (энзимы) — липазы, протеазы, фосфатазы. Лизосому можно ассоциировать с «клеточным желудком».
Лизосома участвует во внутриклеточном пищеварении поступивших в клетку веществ. Сливаясь с фагосомой, первичная лизосома превращается во вторичную, ферменты активируются. После расщепления веществ образуется остаточное тельце — вторичная лизосома с непереваренными остатками, которые удаляются из клетки.
Лизосома может переварить содержимое фагосомы (самое безобидное), переварить часть клетки или всю клетку целиком. В норме у каждой клетки жизненный цикл заканчивается апоптозом — запрограммированным процессом клеточной гибели.
В ходе апоптоза ферменты лизосомы изливаются внутрь клетки, ее содержимое переваривается. Предполагают, что нарушение апоптоза в раковых клетках ведет к бесконтрольному росту опухоли.
Пероксисомы (микротельца) содержат окислительно-восстановительные ферменты, которые разлагают H2O2 (пероксид водорода) на воду и кислород. Если бы пероксид водорода оставался неразрушенными, это приводило бы к серьезным повреждениям клетки.
Вакуоли характерны для растительных клеток, однако встречаются и у животных (у одноклеточных — сократительные вакуоли). У растений вакуоли выполняют другие функции и имеют иное строение: они заполняются клеточным соком, в котором содержится запас питательных веществ. Снаружи вакуоль окружена тонопластом.
Трудно переоценить значение вакуолей в жизнедеятельности растительной клетки. Вакуоли создают осмотическое давление, придают клетке форму.
Примечательно, что по размеру вакуолей можно судить о возрасте клетки: молодые клетки имеют вакуоли небольшого размера, а в старых клетках вакуоли могут настолько увеличиваться, что оттесняют ядро и остальные органоиды на периферию.
Двумембранные органоиды
- Ядро («ядро» по лат. — nucleus, по греч. — karyon)
Важнейший компонент эукариотической клетки — оформленное ядро, которое у прокариот отсутствует. Внутренняя часть ядра представлена кариоплазмой, в которой расположен хроматин — комплекс ДНК, РНК и белков, и одно или несколько ядрышек.
Ядрышко — место в ядре, где активно идет процесс матричного биосинтеза — транскрипция, с которым мы познакомимся подробнее в следующих статьях. В течение дня, наблюдая за одной и той же клеткой, можно увидеть разное количество ядрышек или не найти ни одного.
Оболочка ядра состоит из двух мембран и пронизана большим количеством ядерных пор, через которые происходит сообщение между кариоплазмой и цитоплазмой. Главными функциями ядра является хранение, защита и передача наследственного материала дочерним клеткам.
Замечу, что хромосомы видны только в момент деления клетки. Хромосомы представляют собой сильно спирализованные молекулы ДНК, связанные с белками.
Я всегда рекомендую ученикам ассоциировать хромосому с мотком ниток: если все нитки обмотать вокруг одной оси, то они становятся мотком и хорошо видны (хромосомы — во время деления, спирализованное ДНК), если же клетка не делится, то нитки размотаны и разбросаны в один слой, хромосом не видно (хроматин — деспирализованное ДНК).
Хромосомы отличаются друг от друга по строению, форме, размерам. Совокупность всех признаков (форма, число, размер) хромосом называется кариотип. Кариотип может быть представлен по-разному: существует кариотип вида, особи, клетки.
Изучая кариотип человека, врач-генетик может обнаружить различные наследственные заболевания, к примеру, синдром Дауна — трисомия по 21-ой паре хромосом (должно быть 2 хромосомы, однако при синдроме Дауна их три).
Органоид палочковидной формы. Митохондрию можно сравнить с «энергетической станцией». Если в цитоплазме происходит анаэробный этап дыхания (бескислородный), то в митохондрии идет более совершенный — аэробный этап (кислородный). В результате кислородного этапа (цикла Кребса) из двух молекул пировиноградной кислоты (образовавшихся из 1 глюкозы) получаются 36 молекул АТФ.
Митохондрия окружена двумя мембранами. Внутренняя ее мембрана образует выпячивания внутрь — кристы, на которых имеется большое скопление окислительных ферментов, участвующих в кислородном этапе дыхания. Внутри митохондрия заполнена матриксом.
Запомните, что особенностью этого органоида является наличие кольцевой молекулы ДНК — нуклеоида (ДНК–содержащая зона клетки прокариот), и рибосом. То есть митохондрия обладает собственным генетическим материалом и возможностью синтеза белка, почти как отдельный организм.
В связи с этим, митохондрия считается полуавтономным органоидом. Вероятнее всего, изначально митохондрии были самостоятельными организмами, однако со временем вступили в симбиоз с эукариотами и стали частью клетки.
Митохондрий особенно много в клетках мышц, в том числе — в сердечной мышечной ткани. Эти клетки выполняют активную работу и нуждаются в большом количестве энергии.
Пластиды (др.-греч. πλαστός — вылепленный)
Двумембранные органоиды, встречающиеся только в клетках высших растений, водорослей и некоторых простейших. У подавляющего большинства животных пластиды отсутствуют. Подразделяются на три типа:
- Хлоропласт (греч. chlōros — зелёный)
Получил свое название за счет содержащегося в нем зеленого пигмента — хлорофилла (греч. chloros — зеленый и phyllon — лист). Под двойной мембраной расположены тилакоиды, которые собраны в стопки — граны. Внутреннее пространство между тилакоидами и мембраной называется стромой.
Запомните, что светозависимая (световая) фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов, а темновая (светонезависимая) фаза — в строме хлоропласта за счет цикла Кальвина. Это очень пригодится при изучении фотосинтеза в дальнейшем.
Так же, как и митохондрии, пластиды относятся к полуавтономным органоидам: в них имеется кольцевидная ДНК (находится в нуклеоиде), рибосомы.
Хромопласты (греч. chromos – краска)
Пластиды, которые содержат пигменты каратиноиды в различных сочетаниях. Сочетание пигментов обуславливает красную, оранжевую или желтую окраску. Находятся в плодах, листьях, лепестках цветков.
Хромопласты могут развиваться из хлоропластов: во время созревания плодов хлоропласты теряют хлорофилл и крахмал, в них активируется биосинтез каротиноидов.
Лейкопласты (др.-греч. λευκός — белый )
Не содержат пигментов, образуются в запасающих частях растения (клубни, корневища). В лейкопластах накапливается крахмал, липиды (жиры), пептиды (белки). На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты и запускать процесс фотосинтеза.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
