Строение эукариотической и прокариотической клеток. Эукариотическая клетка. Строение прокариотической клетки. Сравнение прокариотической и эукариотической клеток.
У современных и ископаемых организмов известны два типа клеток: прокариотическая и эукариотическая. Они столь резко различаются по особенностям строения, что это послужило для выделения двух надцарств живого мира - прокариот, т.е. доядерных, и эукариот, т.е. настоящих ядерных организмов. Промежуточные формы между этими крупнейшими таксонами живого пока неизвестны.
Основные признаки и отличия прокариотических и эукариотических клеток (таблица):
|
Признаки |
Прокариоты |
Эукариоты |
|
ЯДЕРНАЯ МЕМБРАНА |
Отсутствует |
Имеется |
|
ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА |
Имеется |
Имеется |
|
МИТОХОНДРИИ |
Отсутствуют |
Имеются |
|
ЭПС |
Отсутствует |
Имеется |
|
РИБОСОМЫ |
Имеются |
Имеются |
|
ВАКУОЛИ |
Отсутствуют |
Имеются (особенно характерны для растений) |
|
ЛИЗОСОМЫ |
Отсутствуют |
Имеются |
|
КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА |
Имеется, состоит из сложного гетерополимерного вещества |
Отсутствует в животных клетках, в растительных состоит из целлюлозы |
|
КАПСУЛА |
Если имеется, то состоит из соединений белка и сахара |
Отсутствует |
|
КОМПЛЕКС ГОЛЬДЖИ |
Отсутствует |
Имеется |
|
ДЕЛЕНИЕ |
Простое |
Митоз, амитоз, мейоз |
Основное отличие прокариотических клеток от эукариотических заключается в том, что их ДНК не организована в хромосомы и не окружена ядерной оболочкой. Эукариотические клетки устроены значительно сложнее. Их ДНК, связанная с белком, организована в хромосомы, которые располагаются в особом образовании, по сути самом крупном органоиде клетки - ядре. Кроме того, внеядерное активное содержимое такой клетки разделено на отдельные отсеки с помощью эндоплазматической сети, образованной элементарной мембраной. Эукариотические клетки обычно крупнее прокариотических. Их размеры варьируют от 10 до 100 мкм, тогда как размеры клеток прокариот (различных бактерий, цианобактерий - сине- зеленых водорослей и некоторых других организмов), как правило, не превышают 10 мкм, часто составляя 2-3 мкм. В эукариотической клетке носители генов - хромосомы - находятся в морфологически оформленном ядре, отграниченном от остальной клетки мембраной. В исключительно тонких, прозрачных препаратах живые хромосомы можно видеть с помощью светового микроскопа. Чаще же их изучают на фиксированных и окрашенных препаратах.
Хромосомы состоят из ДНК, которая находится в комплексе с белками- гистонами, богатыми аминокислотами аргинином и лизином. Гистоны составляют значительную часть массы хромосом.
Эукариотическая клетка имеет разнообразные постоянные внутриклеточные структуры - органоиды (органеллы), отсутствующие в прокариотической клетке.
Прокариотические клетки могут делиться на равные части перетяжкой или почковаться, т.е. образовывать дочернюю клетку меньшего размера, чем материнская, но никогда не делятся путем митоза. Клетки эукариотических организмов, напротив, делятся путем митоза (исключая некоторые очень архаичные группы). Хромосомы при этом "расщепляются" продольно (точнее, каждая нить ДНК воспроизводит около себя свое подобие), и их "половинки" - хроматиды (полноценные копии нити ДНК) расходятся группами к противоположным полюсам клетки. Каждая из образующихся затем клеток получает одинаковый набор хромосом.
Рибосомы прокариотической клетки резко отличаются от рибосом эукариот по величине. Ряд процессов, свойственных цитоплазме многих эукариотических клеток, - фагоцитоз, пиноцитоз и циклоз (вращательное движение цитоплазмы) - у прокариот не обнаружен. Прокариотической клетке в процессе обмена веществ не требуется аскорбиновая кислота, но эукариотические не могут без нее обходиться.
Существенно различаются подвижные формы прокариотических и эукариотических клеток. Прокариоты имеют двигательные приспособления в виде жгутиков или ресничек, состоящих из белка флагеллина. Двигательные приспособления подвижных эукариотических клеток получили название ундулиподиев, закрепляющихся в клетке с помощью особых телец кинетосом. Электронная микроскопия выявила структурное сходство всех ундулиподиев эукариотических организмов и резкие их отличия от жгутиков прокариот
1. Строение эукариотической клетки.
Клетки, образующие ткани животных и растений, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.
Клетки всех типов содержат два основных компонента, тесно связанных между собой, — цитоплазму и ядро. Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко. Полужидкая цитоплазма заполняет всю клетку и пронизана многочисленными канальцами. Снаружи она покрыта цитоплазматической мембраной. В ней имеются специализированные структуры-органоиды,
присутствующие в клетке постоянно, и временные образования — включения. Мембранные органоиды
: наружная цитоплазматическая мембрана (HЦM), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии и пластиды. В основе строения всех мембранных органоидов лежит биологическая мембрана. Все мембраны имеют принципиально единый план строения и состоят из двойного слоя фосфолипидов, в который с различных сторон ива разную глубину погружены белковые молекулы. Мембраны органоидов отличаются друг от друга лишь наборами входящих в них белков.
Цитоплазматическая мембрана.
У всех клеток растений, многоклеточных животных, у простейших и бактерий клеточная мембрана трехслойна: наружный и внутренний слои состоят из молекул белков, средний — из молекул липидов. Она ограничивает цитоплазму от внешней среды, окружает все органоиды клетки и представляет собой универсальную биологическую структуру. В некоторых клетках наружная оболочка образована несколькими мембранами, плотно прилегающими друг к другу. В таких случаях клеточная оболочка становится плотной и упругой и позволяет сохранить форму клетки, как, например, у эвглены и инфузории туфельки. У большинства растительных клеток, помимо мембраны, снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка — клеточная стенка
. Она хорошо различима в обычном световом микроскопе и выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму.
На поверхности клеток мембрана образует удлиненные выросты — микроворсинки, складки, впячивания и выпячивания, что во много раз увеличивает всасывающую или выделительную поверхность. С помощью мембранных выростов клетки соединяются друг с другом в тканях и органах многоклеточных организмов, на складках мембран располагаются разнообразные ферменты, участвующие в обмене веществ. Отграничивая клетку от окружающей среды, мембрана регулирует направление диффузии веществ и одновременно осуществляет активный перенос их внутрь клетки (накопление) или наружу (выделение). За счет этих свойств мембраны концентрация ионов калия, кальция, магния, фосфора в цитоплазме выше, а концентрация натрия и хлора ниже, чем в окружающей среде. Через поры наружной мембраны из внешней среды внутрь клетки проникают ионы, вода и мелкие молекулы других веществ. Проникновение в клетку относительно крупных твердых частиц осуществляется путем фагоцитоза
(от греч. "фаго” — пожираю, "питое” — клетка). При этом наружная мембрана в месте контакта с частицей прогибается внутрь клетки, увлекая частицу в глубь цитоплазмы, где она подвергается ферментативному расщеплению. Аналогичным путем в клетку попадают и капли жидких веществ; их поглощение называется пиноцитозом
(от греч. "пино” — пью, "цитос” — клетка). Наружная клеточная мембрана выполняет и другие важные биологические функции.
Цитоплазма
на 85 % состоит из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. Коллоидное вещество клетки в зависимости от ее физиологического состояния и характера воздействия внешней среды имеет свойства и жидкости, и упругого, более плотного тела. Цитоплазма пронизана каналами различной формы и величины, которые получили название эндоплазматической сети.
Их стенки представляют собой мембраны, тесно контактирующие со всеми органоидами клетки и составляющие вместе с ними единую функционально-структурную систему для осуществления обмена веществ и энергии и перемещения веществ внутри клетки.
В стенках канальцев располагаются мельчайшие зернышки—гранулы, называемые рибосомами. Такая сеть канальцев называется гранулярной. Рибосомы могут располагаться на поверхности канальцев разрозненно или образуют комплексы из пяти-семи и более рибосом, называемые полисомами. Другие канальцы гранул не содержат, они составляют гладкую эндоплазматическую сеть. На стенках располагаются ферменты, участвующие в синтезе жиров и углеводов.
Внутренняя полость канальцев заполнена продуктами жизнедеятельности клетки. Внутриклеточные канальцы, образуя сложную ветвящуюся систему, регулируют перемещение и концентрацию веществ, разделяют различные молекулы органических веществ и этапы их, синтеза. На внутренней и внешней поверхности мембран, богатых ферментами, осуществляется синтез белков, жиров и углеводов, которые либо используются в обмене веществ, либо накапливаются в цитоплазме в качестве включений, либо выводятся наружу.
Рибосомы встречаются во всех типах клеток — от бактерий до клеток многоклеточных организмов. Это округлые тельца, состоящие из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белков почти в равном соотношении. В их состав непременно входит магний, присутствие которого поддерживает структуру рибосом. Рибосомы могут быть связаны с мембранами эндоплазматической сети, с наружной клеточной мембраной или свободно лежать в цитоплазме. В них осуществляется синтез белков. Рибосомы кроме цитоплазмы встречаются в ядре клетки. Они образуются в ядрышке и затем поступают в цитоплазму.
Комплекс Гольджи в растительных клетках имеет вид отдельных телец, окруженных мембранами. В животных клетках этот органоид представлен цистернами, канальцами и пузырьками. В мембранные трубки комплекса Гольджи из канальцев эндоплазматической сети поступают продукты секреции клетки, где они химически перестраиваются, уплотняются, а затем переходят в цитоплазму и либо используются самой клеткой, либо выводятся из нее. В цистернах комплекса Гольджи происходит синтез полисахаридов и их объединение с белками, в результате чего образуются гликопротеиды.
Митохондрии — небольшие тельца палочковидной формы, ограниченные двумя мембранами. От внутренней мембраны митохондрии отходят многочисленные складки — кристы, на их стенках располагаются разнообразные ферменты, с помощью которых осуществляется синтез высокоэнергетического вещества — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). В зависимости от активности клетки и внешних воздействий митохондрии могут перемещаться, изменять свои размеры, форму. В митохондриях найдены рибосомы, фосфолипиды, РНК и ДНК. С присутствием ДНК в митохондриях связывают способность этих органоидов к размножению путем образования перетяжки или почкованием в период деления клетки, а также синтез части митохондриальных белков.
Лизосомы
- мелкие овальные образования, ограниченные мембраной и рассеянные по всей цитоплазме. Встречаются во всех клетках животных и растений. Они возникают в расширениях эндоплазматической сети и в комплексе Гольджи, здесь заполняются гидролитическими ферментами, а затем обособляются и поступают в цитоплазму. В обычных" условиях лизосомы переваривают частицы, попадающие в клетку путем фагоцитоза, и органоиды отмирающих клеток. Продукты лизиса выводятся через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они включаются в состав новых молекул. При разрыве лизоеомной мембраны ферменты поступают в цитоплазму и переваривают ее содержимое, вызывая гибель клетки.
Пластиды
есть только в растительных клетках и встречаются, у большинства зеленых растений. В пластидах синтезируются и накапливаются органические вещества. Различают пластиды трех видов: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.
Хлоропласты —
зеленые пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл. Они находятся в листьях, молодых стеблях, незрелых плодах. Хлоропласты окружены двойной мембраной. У высших растений внутренняя часть хлоропластов заполнена полужидким веществом, в котором параллельно друг другу уложены пластинки. Парные мембраны пластинок, сливаясь, образуют стопки, содержащие хлорофилл. В каждой стопке хлоропластов высших растений чередуются слои молекул белка и молекул липидов, а между ними располагаются молекулы хлорофилла. Такая слоистая структура обеспечивает максимум свободных поверхностей и облегчает захват и перенос энергии в процессе фотосинтеза.
Хромопласты —
пластиды, в которых содержатся растительные пигменты (красный или бурый, желтый, оранжевый). Они сосредоточены в цитоплазме клеток цветков, стеблей, плодов, листьев растений и придают им соответствующую окраску. Хромопласты образуются из лейкопластов или хлоропластов в результате накопления пигментов каротиноидов.
Лейкопласты—бесцветные пластиды, располагающиеся в неокрашенных частях растений: в стеблях, корнях, луковицах и др. В лейкопластах одних клеток накапливаются зерна крахмала, в лейкопластах других клеток — масла, белки.
Все пластиды возникают из своих предшественников — пропластид. В них выявлена ДНК, которая контролирует размножение этих органоидов.
Клеточный центр,
или центросома, играет важную роль при делении, клетки и состоит из двух центриолей.
Он встречается у всех клеток животных и растений, кроме цветковых, низших грибов и некоторых, простейших. Центриоли в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления и располагаются на его полюсах. В делящейся клетке первым делится клеточный центр, одновременно образуется ахроматиновое веретено, ориентирующее хромосомы при расхождении их к полюсам. В дочерние клетки отходит по одной центриоле.
У многих растительных и животных клеток имеются органоиды специального назначения
: реснички,
выполняющие функцию движения (инфузории, клетки дыхательных путей), жгутики
(простейшие одноклеточные, мужские половые клетки у животных и растений и др.).
Включения - временные элемеаты, возникающие в клетке на определенной стадии ее жизнедеятельности в результате синтетической функции. Они либо используются, либо выводятся из клетки. Включениями являются также запасные питательные вещества: в растительных клетках—крахмал, капельки жира, белки, эфирные масла, многие органические кислоты, соли органических и неорганических кислот; в животных клетках - гликоген (в клетках печени и мышцах), капли жира (в подкожной клетчатке); Некоторые включения накапливаются в клетках как отбросы — в виде кристаллов, пигментов и др.
Вакуоли —
это полости, ограниченные мембраной; хорошо выражены в клетках растений и имеются у простейших. Возникают в разных участках расширений эндоплазматической сети. И постепенно отделяются от нее. Вакуоли поддерживают тургорное давление, в них сосредоточен клеточный или вакуолярный сок, молекулы которого определяют его осмотическую концентрацию. Считается, что первоначальные продукты синтеза - растворимые углеводы, белки, пектины и др. — накапливаются в цистернах эндоплазматической сети. Эти скопления и представляют собой зачатки будущих вакуолей.
Цитоскелет
.
Одной из отличительных особенностей эукариотической клетки является развитие в ее цитоплазме скелетных образований в виде микротрубочек и пучков белковых волокон. Элементы цитоскелета тесно связаны с наружной цитоплазматической мембраной и ядерной оболочкой, образуют сложные переплетения в цитоплазме. Опорные элемеиты цитоплазмы определяют форму клетки, обеспечивают движение внутриклеточных структур и перемещение всей клетки.
Ядро
клетки играет основную роль в ее жизнедеятельности, с его удалением клетка прекращает свои функции и гибнет. В большинстве животных клеток одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки (печень и мышцы человека, грибы, инфузории, зеленые водоросли). Эритроциты млекопитающих развиваются из клеток-предшественников, содержащих ядро, но зрелые эритроциты утрачивают его и живут недолго.
Ядро окружено двойной мембраной, пронизанной порами, посредством которых оно тесно связано с каналами эндоплазматической сети и цитоплазмой. Внутри ядра находится хроматин
— спирализованные участки хромосом. В период деления клетки они превращаются в палочковидные структуры, хорошо различимые в световой микроскоп. Хромосомы — это сложный комплекс белков с ДНК, называемый нуклеопротеидом.
Функции ядра состоят в регуляции всех жизненных отправлений клетки, которую оно осуществляет при помощи ДНК и РНК-материальных носителей наследственной информации. В ходе подготовки к делению клетки ДНК удваивается, в процессе митоза хромосомы расходятся и передаются дочерним клеткам, обеспечивая преемственность наследственной информации у каждого вида организмов.
Кариоплазма — жидкая фаза ядра, в которой в растворенном виде находятся продукты жизнедеятельности ядерных структур.
Ядрышко — обособленная, наиболее плотная часть ядра.
В состав ядрышка входят сложные белки и РНК, свободные или связанные фосфаты калия, магния, кальция, железа, цинка, а также рибосомы. Ядрышко исчезает перед началом деления клетки и вновь формируется в последней фазе деления.
Таким образом, клетка обладает тонкой и весьма сложной организацией. Обширная сеть цитоплазматических мембран и мембранный принцип строения органоидов позволяют разграничить множество одновременно протекающих в клетке химических реакций. Каждое из внутриклеточных образований имеет свою структуру и специфическую функцию, но только при их взаимодействии возможна гармоничная жизнедеятельность клетки.На основе такого взаимодействия вещества из окружающей среды поступают в клетку, а отработанные продукты выводятся из нее во внешнюю среду — так совершается обмен веществ. Совершенство структурной организации клетки могло возникнуть только в результате длительной биологической эволюции, в процессе которой выполняемые ею функции постепенно усложнялись.
Простейшие одноклеточные формы представляют собой и клетку, и организм со всеми его жизненными проявлениями. В многоклеточных организмах клетки образуют однородные группы — ткани. В свою очередь ткани формируют органы, системы, и их функции определяются общей жизнедеятельностью целостного организма.
2. Прокариотическая клетка.
К прокариотам относят бактерии и сине-зелёные водоросли (цианеи). Наследственный аппарат прокариот представлен одной кольцевой молекулой ДНК, не образующей связей с белками и содержащей по одной копии каждого гена — гаплоидные организмы. В цитоплазме имеется большое количество мелких рибосом; отсутствуют или слабо выражены внутренние мембраны. Ферменты пластического обмена расположены диффузно. Аппарат Гольджи представлен отдельными пузырьками. Ферментные системы энергетического обмена упорядоченно расположены на внутренней поверхности наружной цитоплазматической мембраны. Снаружи клетка окружена толстой клеточной стенкой. Многие прокариоты способны к спорообразованию в неблагоприятных условиях существования; при этом выделяется небольшой участок цитоплазмы содержащий ДНК, и окружается толстой многослойной капсулой. Процессы метаболизма внутри споры практически прекращаются. Попадая в благоприятные условия, спора преобразуется в активную клеточную форму. Размножение прокариот происходит простым делением надвое.
Средняя величина прокариотических клеток 5 мкм. У них нет никаких внутренних мембран, кроме впячиваний плазматической мембраны. Пласты отсутствуют. Вместо клеточного ядра имеется его эквивалент (нуклеоид), лишенный оболочки и состоящий из одной-единственной молекулы ДНК. Кроме того бактерии могут содержать ДНК в форме крошечных плазмид, сходных с внеядерными ДНК эукариот.
В прокариотических клетках, способных к фотосинтезу (сине-зеленые водоросли, зеленые и пурпурные бактерии) имеются различно структурированные крупные впячивания мембраны - тилакоиды, по своей функции соответствующие пластидам эукариот. Эти же тилакоиды или - в бесцветных клетках - более мелкие впячивания мембраны (а иногда даже сама плазматическая мембрана) в функциональном отношении заменяют митохондрии. Другие, сложно дифференцированные впячивания мембраны называют мезасомами; их функция не ясна.
Только некоторые органеллы прокариотической клетки гомологичны соответствующим органеллам эукариот. Для прокариот характерно наличие муреинового мешка - механически прочного элемента клеточной стенки
Сравнительная характеристика клеток растений, животных, бактерий, грибов
При сравнении бактерий с эукариотами можно выделить единственное сходство - наличие клеточной стенки, а вот сходства и различия эукариотических организмов заслуживают более пристального внимания. Следует начать сравнение с компонентов, которые свойственны и растениям, и животным, и грибам. Это ядро, митохондрии, Аппарат (комплекс) Гольджи, эндоплазматический ретикулум (или эндоплазматическая сеть) и лизосомы. Они характерны для всех организмов, имеют сходное строение и выполняют одинаковые функции. Теперь следует акцентировать внимание на различиях. Растительная клетка, в отличие от животной, имеет клеточную стенку, состоящую из целлюлозы. Кроме того, существую органеллы свойственные растительным клеткам - пластиды и вакуоли. Наличие этих компонентов обусловлено необходимостью растений поддерживать форму, при отсутствии скелета. Есть отличия и в особенностях роста. У растений он происходит в основном за счет увеличения размера вакуолей и растяжения клеток, в то время как у животных происходит увеличение объема цитоплазмы, а вакуоль вовсе отсутствует. Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты) характерны преимущественно для растений, поскольку их основная задача - это обеспечить автотрофный способ питания. У животных в противовес растениям существуют пищеварительные вакуоли, которые обеспечивают гетеротрофный способ питания. Грибы занимают особое положение и для их клеток характерны признаки свойственные и для растений, и для животных. Подобно животным грибам присущ гетеротрофный тип питания, содержащая хитин клеточная оболочка, а основным запасающим веществом является гликоген. В то же время для них, как для растений, характерен неограниченный рост, неспособность к передвижению и питание путем всасывания.
Самое очевидное отличие прокариот от эукариот заключается в наличии у последних ядра , что отражено в названии этих групп: «карио» с древнегреческого переводится как ядро, «про» - до, «эу» - хорошо. Отсюда прокариоты - это доядерные организмы, эукариоты - ядерные.
Однако это далеко не единственное и возможно не главное отличие прокариотических организмов от эукариот . В клетках прокариот вообще нет мембранных органоидов (за редким исключением) - митохондрий, хлоропластов, комплекса Гольджи, эндоплазматической сети, лизосом. Их функции выполняют выросты (впячивания) клеточной мембраны, на которых располагаются различные пигменты и ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности.
У прокариот нет характерных для эукариот хромосом. Их основной генетический материал - это нуклеоид , обычно имеющий форму кольца. В эукариотических клетках хромосомы представляют собой комплексы ДНК и белков-гистонов (играют важную роль в упаковке ДНК). Эти химические комплексы называются хроматином . Нуклеоид прокариот не содержит гистонов, а форму ему придают связанные с ним молекулы РНК.
Хромосомы эукариот находятся в ядре. У прокариот нуклеоид находится в цитоплазме и обычно крепится в одном месте к мембране клетки.
Кроме нуклеоида в прокариотических клетках бывает разное количество плазмид - нуклеоидов существенно меньшего размера, чем основной.
Количество генов в нуклеоиде прокариот на порядок меньше, чем в хромосомах. У эукариот есть множество генов, выполняющих регуляторную функцию по отношению к другим генам. Это дает возможность эукариотическим клеткам многоклеточного организма, содержащим одну и ту же генетическую информацию, специализироваться; изменяя свой метаболизм, более гибко реагировать на изменения внешней и внутренней среды. Отличается и структура генов. У прокариот гены в ДНК располагаются группами - оперонами. Каждый оперон транскрибируется как единое целое.
Отличия прокариот от эукариот есть и в процессах транскрипции и трансляции. Самое главное заключается в том, что в прокариотических клетках эти процессы могут протекать одновременно на одной молекуле матричной (информационной) РНК: в то время как она еще синтезируется на ДНК, на готовом ее конце уже «сидят» рибосомы и синтезируют белок. В эукариотических клетках мРНК после транскрипции претерпевает так называемое созревание. И только после этого на ней может синтезироваться белок.
Рибосомы прокариот меньше (коэффициент седиментации 70S), чем у эукариот (80S). Отличается количество белков и молекул РНК в составе субъединиц рибосом. Следует отметить, что рибосомы (а также генетический материал) митохондрий и хлоропластов схожи с прокариотами, что может говорить об их происхождении от древних прокариотических организмов, оказавшихся внутри клетки-хозяина.
Прокариоты отличаются обычно более сложным строением своих оболочек. Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки у них также имеется капсула и другие образования, в зависимости от типа прокариотического организма. Клеточная стенка выполняет опорную функцию и препятствует проникновению вредных веществ. В состав клеточной стенки бактерий входит муреин (гликопептид). Среди эукариот клеточная стенка есть у растений (ее основной компонент - целлюлоза), у грибов - хитин.
Прокариотические клетки делятся бинарным делением. У них нет сложных процессов клеточного деления (митоза и мейоза) , характерных для эукариот. Хотя перед делением нуклеоид удваивается, так же как хроматин в хромосомах. В жизненном цикле эукариот наблюдается чередование диплоидной и гаплоидной фаз. При этом обычно преобладает диплоидная фаза. В отличие от них у прокариот такого нет.
Клетки эукариот различны по размерам, но в любом случае существенно крупнее прокариотических (в десятки раз).
Питательные вещества в клетки прокариот поступают только с помощью осмоса. У эукариотических клеток кроме этого может также наблюдаться фаго- и пиноцитоз («захват» пищи и жидкости с помощью цитоплазматической мембраны).
В целом отличие прокариот от эукариот заключается в однозначно более сложном строении последних. Считается, что клетки прокариотического типа возникли путем абиогенеза (длительной химической эволюции в условиях ранней Земли). Эукариоты появились позже от прокариотов, путем их объединения (симбиотическая, а также химерная гипотезы) или эволюции отдельно взятых представителей (инвагинационная гипотеза). Сложность клеток эукариот позволила им организовать многоклеточный организм, в процессе эволюции обеспечить все основное разнообразие жизни на Земле.
Таблица отличий прокариот от эукариот
| Признак | Прокариоты | Эукариоты |
|---|---|---|
| Клеточное ядро | Нет | Есть |
| Мембранные органоиды | Нет. Их функции выполняют впячивания клеточной мембраны, на которых располагаются пигменты и ферменты. | Митохондрии, пластиды, лизосомы, ЭПС, комплекс Гольджи |
| Оболочки клетки | Более сложные, бывают различные капсулы. Клеточная стенка состоит из муреина. | Основной компонент клеточной стенки целлюлоза (у растений) или хитин (у грибов). У клеток животных клеточной стенки нет. |
| Генетический материал | Существенно меньше. Представлен нуклеоидом и плазмидами, которые меют кольцевую форму и находятся в цитоплазме. | Объем наследственной информации значительный. Хромосомы (состоят из ДНК и белков). Характерна диплоидность. |
| Деление | Бинарное деление клетки. | Есть митоз и мейоз. |
| Многоклеточность | Для прокариот не характерна. | Представлены как одноклеточными, так и многоклеточными формами. |
| Рибосомы | Мельче | Крупнее |
| Обмен веществ | Более разнообразный (гетеротрофы, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие различными способами автотрофы; анаэробное и аэробное дыхание). | Автотрофность только у растений за счет фотосинтеза. Почти все эукариоты аэробы. |
| Происхождение | Из неживой природы в процессе химической и предбиологической эволюции. | От прокариот в процессе их биологической эволюции. |
Сходства и различия в строении прокариотических и эукариотических клеток
1. Вспомните примеры многоядерных клеток.
2. Какую форму могут иметь бактерии?
Прокариоты.
Древнейшие на Земле организмы не имеют клеточного ядра и называются прокариотами, т. е, доядерными. Они объединяются в отдельное царство - Дробянки, к которому относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.
Каковы же отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?
Клетки прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот - их размеры редко превышают 10 мкм, а бывают размером даже 0,3 X 0,2 мкм. Правда, есть и исключения - описана огромная бактериальная клетка размером 100 х 10 мкм.
Строение и обмен веществ прокариот. Прокариоты, как следует из их названия, не имеют оформленного ядра.
Единственная кольцевая молекула ДНК , находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не имеет оболочки и располагается непосредственно в цитоплазме (рис. 36).
Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной . Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки - мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами - пектином и муреином.
Различия между прокариотическими и эукариотическими клетками
|
Основные параметры |
Прокариоты |
Эукариоты |
|
|
В среднем 0,5-5,0 мкм. |
В среднем 40-60 мкм. |
||
|
Круглые, вытянутые, нитчатые. |
Разнообразная, могут иметь отростки. |
||
|
Генетический материал |
Нуклеоид. Кольцевая ДНК в цитоплазме. Нет ядра и хромосом. |
Линейная ДНК, связанная с белками и РНК. Хроматин и хромосомы в ядре. |
|
|
Синтез белка |
70S– рибосомы и мельче. ЭП ретикулума нет. Рибосомы - в цитоплазме. |
80S– рибосомы и крупнее. Рибосомы в цитоплазме и в ЭП ретикулуме. |
|
|
Органеллы |
Органелл мало и они не имеют мембран (рибосомы). |
Органелл много, есть мембранные (митохондрии, пластиды, лизосомы). |
|
|
Клеточные стенки |
Жесткие, состоят из полисахаридов. Компонент прочности – муреин. |
Жесткие стенки у клеток растений и грибов (компонент прочности – целлюлоза). Клетки животных имеют плазмалемму покрытую гликокаликсом. |
|
|
Фотосинтез |
Хлоропласты отсутствуют. Происходит в мембранах,не имеющих специфической упаковки. |
Хлоропласты есть в растительных клетках. В них идут процессы фотосинтеза. |
|
|
Фиксация азота |
Некоторые клетки фиксируют. |
Клетки не способны к фиксации. |
|
|
Простое (прямое) |
Митоз (непрямое). |
Рис. 2. Современная схема строения клетки по данным электронной микроскопии:
1 - цитоплазматический матрикс; 2 - комплекс Гольджи; 3 - клеточный центр; 4 - эндоплазматическая сеть; 5 - митохондрия; 6 - ядро; 7 - ядрышко; 8 - кариоплазма; 9 - хроматин; 10 – лизосома; 11 –экзоцитоз через цитоплазматическую мембрану, 12 – микроворсинки
Основными структурными компонентами эукариотических клеток являются клеточные мембраны, ядро, цитоплазма с цитоскелетом, органеллы и включения (рис. 2).
1. Клеточная мембрана или плазмалемма ,представляет тонкую биологическую пленку, которая ограничивает клетку. все известные биологические мембраны образуют замкнутые пространства -компартменты . Таким образом, главная функция клеточной мембраны - обеспечить поступление в клетку веществ и сохранить постоянство ее состава, то есть клеточный гомеостаз.
Основу плазмалеммы составляет двойной слой липидов , расположенных перпендикулярно поверхности (рис. 3). Липидный бислой плазмалеммы содержит белки, которые подразделяются на два класса. Первый класс - трансмембранные белки . Определенная часть их молекулы встроена в двойной липидный слой и пронизывает его насквозь. Второй класс – периферические белки-рецепторы , расположенные снаружи клеточной мембраны. Они покрыты слоем углеводов, образующих тонкое покрытие клетки – гликокаликс .
Мембранный транспорт различных оформленных частиц в клетке происходит путемэндоцитоза и экзоцитоза .
При эндоцитозе клетки поглощают макромолекулы и частицы, окружая их небольшим участком клеточной мембраны. Последняя впячивается внутрь клетки, образуя везикулы (пузырьки). Если везикулы мелкие и содержат внеклеточную жидкость, процесс называется пиноцитоз .
Если же они содержат крупные оформленные частицы, то формируются фагосомы, а явление известно, как фагоцитоз .
Э
кзоцитоз
- это выход веществ из клетки в виде
гранул секрета или вакуолей с клеточной
жидкостью
.
2. Ядро -центральный аппарат клетки, с которым связано хранение и передача генетической информации, обмен веществ, движение и размножение .
Ф
Рис.
3. Химическая модель плазмалеммы:
1
- двойной слой липидов; 2 - трансмембранные
белки; 3, 4 - периферические белки; 5 –
полисахариды гликокаликса.
Комплекс ядерной ДНК со структурными белками гистонами и негистоновыми белками, содержащимися в больших количествах, называют хроматином . На цитологических препаратах хроматин имеет вид глыбок различной величины и формы. В период деления клетки в ядре выявляютсямитотические хромосомы. Они выглядят как короткие палочковидные тельца, обладающие особой индивидуальностью и функцией.
Важным компонентом ядра является одно или несколькоядрышек. Это мелкие круглые тельца с высоким содержанием РНК и белка. Ядрышковая РНК участвует в регуляции синтетических процессов в цитоплазме клетки.
3. Цитоплазма объединяет все живое вещество клетки, за исключением ядра и ограничивающих клетку мембран. Гомогенная бесструктурная масса цитоплазмы получила название гиалоплазмы . В ней во взвешенном состоянии находятсяорганеллы и включения . Агрегатное состояние цитоплазмы бывает жидкое - золь и вязкое - гель. Основу цитоплазмы формирует цитоскелет клетки.
Цитоскелет - сложная сеть микротрубочек и белковых филаментов (нитей). Микротрубочки играют роль направляющих. Это своеобразные рельсы, по которым передвигаются органеллы. Филаменты выполняют сократительную функцию.
Цитоплазма и некоторые структуры, расположенные в ней, могут перемещаться. Данное явление известно какток цитоплазмы . Он особенно интенсивен в растительных клетках по причине их крупных размеров и жесткости стенок.
4. Органеллы и включения находятся в цитоплазме.Органеллы -это постоянные высокодифференцированные внутриклеточные образования, выполняющие определенные функции . Внутреннее пространство любой внутриклеточной органеллы, ее компартмент, ограничено специализированными мембранами. Выделяют две большие группы органелл.
1. Органеллы общего значения - обязательны для жизнедеятельности всех клеток.
2. Специальные органеллы - выполняют направленные функции в клетках с узкой специализацией (реснички и жгутики, миофибриллы и нейрофибриллы).
По принципу организации внутриклеточные компоненты подразделяются на одномембранные и двумембранные.
Одномембранные компоненты имеют вид каналов, цистерн, пузырьков ограниченных одной мембраной и тесно взаимосвязанных. Сюда можно отнести: а) эндоплазматический ретикулум; б) комплекс Гольджи; в) лизосомы; г) вакуоли у растительных клеток и некоторых простейших.
Двумембранные компоненты - это митохондрии и пластиды. Наружная мембрана их всегда гладкая, внутренняя образует выросты, имеющие важное функциональное значение. Систему двойных мембран имеет также ядро - центральный аппарат клетки. Ядерные мембраны содержат поры.
Немембранные структуры клетки немногочисленны и в той или иной мере связаны с системой мембран. В число их входят: а) рибосомы, состоящие из двух субъединиц; б) центросома, локализованная вблизи ядра; в) органеллы движения клеток – жгутики, реснички и миофибриллы; г) разнообразные клеточные включения.
Все живые организмы могут быть распределены в одну из двух групп (прокариоты или эукариоты) в зависимости от основной структуры их клеток. Прокариоты - живые организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра и мембранных органелл. Эукариоты - живые организмы, которых содержат ядро, а также мембранные органеллы.
Клетка является фундаментальной составляющей нашего современного определения жизни и живых существ. Клетки рассматриваются в качестве основных строительных блоков жизни и используются в определении того, что значит быть «живым».
Давайте взглянем на одно определение жизни: «Живые существа - это химические организации, состоящие из клеток и способные размножаться» (Китон, 1986). Это определение базируется на двух теориях - клеточной теории и теории биогенеза. впервые была предложена в конце 1830-х годов немецкими учеными Маттиасом Якобом Шлейденом и Теодором Шванном. Они утверждали, что все живые существа состоят из клеток. Теория биогенеза, предложенная Рудольфом Вирховым в 1858 году, утверждает, что все живые клетки возникают из существующих (живых) клеток и не могут появиться спонтанно из неживой материи.
Компоненты клеток заключены в мембрану, которая служит барьером между внешним миром и внутренними составляющими клетки. Клеточная мембрана - избирательный барьер, это означает, что он пропускает некоторые химические вещества, поддерживающие равновесие, необходимое для жизнедеятельности клеток.
Клеточная мембрана регулирует перемещение химических веществ из клетки в клетку следующими способами:
- диффузия (тенденция молекул вещества к минимизации концентрации, то есть перемещение молекул из области с более высокой концентрацией по направлению к области с более низкой до момента выравнивания концентрации);
- осмос (движение молекул растворителя через частично проницаемую мембрану для того, чтобы уравнять концентрацию растворенного вещества, которое не в состоянии двигаться через мембрану);
- селективный транспорт (при помощи мембранных каналов и насосов).
Прокариоты - организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра или любых мембранных органелл. Это означает, что генетический материал ДНК у прокариот не связан в ядре. Кроме того, ДНК прокариот менее структурирована, чем у эукариот. В прокариотах ДНК одноконтурная. ДНК эукариот организована в хромосомы. Большинство прокариот состоят только из одной клетки (одноклеточные), но есть несколько и многоклеточных. Ученые разделяют прокариот на две группы: и .
Типичная клетка прокариота включает:
- плазматическую (клеточную) мембрану;
- цитоплазму;
- рибосомы;
- жгутики и пили;
- нуклеоид;
- плазмиды;
Эукариоты
Эукариоты - живые организмы, клетки которых содержат ядро и мембранные органеллы. Генетический материал у эукариот находится в ядре, а ДНК организована в хромосомы. Эукариотические организмы могут быть одноклеточными и многоклеточными. являются эукариотами. Также эукариоты включают растения, грибы и простейших.
Типичная клетка эукариота включает:
- ядрышко;