Клеточные формы
Известно два типа организмов, имеющих клеточное строение, это прокариоты (бактерии и синезеленые водоросли) и эукариоты (простейшие, грибы, растения, животные). В процессе эволюции органического мира клетка оказалась единственной элементарной системой, в которой возможно проявление всех закономерностей, характеризующих жизнь.
Прокариоты — организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра или любых мембранных органелл. Следовательно, генетический материал ДНК у прокариот не связан в ядре. Кроме того, ДНК прокариот одноконтурная и менее структурированная, чем у эукариот, в которой ДНК организовано в хромосомы. Большинство прокариот состоят только из одной клетки (одноклеточные), но есть несколько и многоклеточных. Ученые разделяют прокариот на две группы: бактерии и археи.
Типичная клетка прокариота содержит следующие части (рис. 4.4): клеточные стенки; плазматическую (клеточную) мембрану; цитоплазму; рибосомы; жгутики и пили; нуклеоид; плазмиды.
Рис. 4.4. Схема строения прокариотов
Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат ядро и мембранные органеллы. Генетический материал у эукариот находится в ядре, а ДНК организовано в хромосомы. Эукариотические организмы могут быть одноклеточными и многоклеточными. Все животные являются эукариотами, к которым также относятся растения, грибы и простейшие.
Типичная клетка эукариота состоит следующих частей (рис. 4.5): плазматическая (клеточная) мембрана; ядрышко; ядро; хромосомы; рибосомы; эндоплазматический ретикулум; аппарат (комплекс) Гольджи; цитоскелет; цитоплазма; лизосома; центриоль; митохондрии.
Рис. 4.5. Схема строения эукариотов
Клетка — это открытая, ограниченная активной мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.
Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических организмов представлена в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Характеристика прокариотических и эукариотических организмов
Показатели клетки |
Прокариоты |
Эукариоты |
Организмы |
Бактерии и цианобактерии (синезеленые водоросли) |
Простейшие, грибы, растения, животные |
Метаболизм |
Анаэробный или аэробный |
Аэробный |
Органеллы |
Мало. Присутствуют мезосомы и мелкие рибосомы |
Ядро, митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы, клеточный центр |
ДНК |
Кольцевая ДНК в цитоплазме. Нет хромосом, ядрышка и ядра, ограниченного мембраной |
Очень длинная ДНК с большим количеством некодирующих участков, организована в хромосомы и окружена ядерной мембраной. Есть ядрышки |
РНК и белки |
Синтезируются в одном компартменте (обособленной клеточной структуре) |
Синтез и процессинг РНК происходит в ядре, синтез белков – в цитоплазме |
Цитоплазма |
Отсутствуют цитоскелет, движения цитоплазмы, эндо- и экзоцитоз |
Имеются цитоскелет из белковых волокон, движение цитоплазмы, эндо- и экзоцитоз |
Клеточные стенки |
Жесткие, содержат полисахариды и аминокислоты. Основной компонент – муреин |
У зеленых растений и грибов клеточные стенки жесткие и содержат полисахариды. Основной компонент клеточной стенки растений – целлюлоза, грибов – хитин |
Жгутики |
Простые, состоят из одной или нескольких нитей белка (флагеллина) |
Сложные, с расположением микротрубочек типа 9+2 |
Деление |
Бинарное |
Митоз (или мейоз), амитоз |
Клеточная организация |
Одноклеточные |
Преимущественно многоклеточные с клеточной дифференцировкой |
Строение прокариотической клетки. К прокариотическим (доядерным) организмам относят бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Прокариоты — одноклеточные и колониальные организмы, среди цианобактерий встречаются и многоклеточные (нитчатые) организмы. В таких клетках отсутствует ядро, генетическая информация прокариот представлена кольцевой молекулой ДНК-нуклеоидом. Несмотря на простоту строения, прокариоты обладают высокой степенью приспособленности к самым разнообразным условиям среды, что возможно благодаря способности бактерий к быстрой смене поколений. При резкой перемене условий существования среди бактерий быстро появляются мутантные формы, способные существовать в новых условиях среды.
Размеры бактериальной клетки составляют от 1 до 10 мкм, ее форма может быть самой разнообразной. Шаровидные бактерии по расположению клеток после деления подразделяют на несколько форм: монококки – одиночные; диплококки – образуют пары; тетракокки – образуют тетрады; стрептококки – делятся в одной плоскости, образуют цепочки; стафилококки – делятся в разных плоскостях, образуют скопления, напоминающие грозди винограда; сарцины образуют пакеты по 8 особей (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Формы бактерий:
1, 2 – бациллы; 3 – монококки; 4 – диплококки; 5 – стрептококки; 6 – стафилококки; 7 – сарцины; 8 – вибрионы; 9 – спириллы и спирохеты; 10, 11 – шестиугольные и звездообразные бактерии; 12 – тороиды; 13 – стебельковые бактерии; 14 – многоклеточная бактерия
Вытянутые, палочковидные бактерии называются бациллами или вибрионами. По форме они похожи на запятую. Вибрионы, имеющие до 6-ти витков, получили название спириллы, а длинные и тонкие извитые вибрионы с числом витков от 6 до 15 − спирохеты. Помимо основных, в природе встречаются и другие, весьма разнообразные, формы бактериальных клеток.
Бактериальная клетка ограничена оболочкой. Внутренний слой оболочки представлен цитоплазматической мембраной, над мембраной находится клеточная стенка – толстая, плотная, жесткая, состоящая из муреина (главный компонент) и других органических веществ. Над клеточной стенкой у многих бактерий имеется слизистая капсула. Строение и функции цитоплазматической мембраны не отличаются от таковых мембран эукариотической клетки. Мембрана может образовывать складки, называемые мезосомами. На поверхности мезосом располагаются ферменты. Дыхание у бактерий осуществляется в мезосомах, участвующих в построении клеточных перегородок и в репродукции и являющихся местом прикрепления ДНК. Внутреннее пространство заполнено цитоплазмой. Генетический материал представлен кольцевыми молекулами ДНК. В бактериальной клетке отсутствуют все мембранные органеллы, характерные для эукариотической клетки (митохондрии, пластиды, ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы). В цитоплазме бактерий находятся рибосомы 70S-типа, включения. У многих бактерий имеются жгутики и пили (фимбрии). По способу питания бактерии делятся на гетеротрофов и автотрофов. Спорообразование у бактерий – способ переживания неблагоприятных условий, также образуются защитные оболочки, предохраняющие споры бактерий от действия неблагоприятных условий (споры многих бактерий выдерживают нагревание до 130 °С, сохраняют жизнеспособность десятки лет). Размножаются прокариоты путем бинарного деления с образованием двух дочерних клеток. Скорость размножения высока. Так, бактерия кишечной палочки удваивает свою численность каждые 20 мин. У бактерий наблюдается генетическая рекомбинация. Различают три способа передачи ДНК: конъюгация, трансформация, трансдукция.
Конъюгация — однонаправленный перенос фрагмента ДНК от клетки-донора в клетку-реципиент, контактирующих друг с другом.
Трансформация — однонаправленный перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту, не контактирующих друг с другом.
Трансдукция — перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью бактериофагов.
Многие бактерии, паразитирующие в организме человека, вызывают различные заболевания. Дыхательные пути и легкие поражают возбудители дифтерии, туберкулеза, коклюша. В пищеварительной системе паразитируют возбудители холеры, бациллярной дизентерии, сальмонеллеза, брюшного тифа. Половую систему поражают возбудители гонореи, сифилиса. В кровеносной системе локализуются возбудители тифа (возбудителей заражения переносят блохи и вши). Благодаря методам генной инженерии, с помощью бактерий получают такие необходимые вещества, как человеческий инсулин, гормон роста, интерферон.
Строение эукариотической клетки. Такая клетка состоит из трёх основных компонентов: плазматической мембраны, ядра и цитоплазмы со структурированными клеточными единицами (органеллы, включения).
Цитоплазма. Внутренняя среда клетки (цитоплазма) — сложно организованная система, в которую входят ядро, мембранные и немембранные органеллы, включения, находящиеся во взвешенном состоянии в гиалоплазме. Последняя представляет собой гель с изменяющейся в зависимости от функционального состояния клетки степенью вязкости. В составе гиалоплазмы находятся структурные и ферментные белки клетки, различные метаболиты, ионы; также здесь присутствуют ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, биосинтезе сахаров. В гиалоплазме происходят процессы гликолиза и синтез части АТФ, модификация ферментов (например, фосфорилирование), приводящая к их активации, либо инактивации. В гиалоплазме начинается ряд биосинтетических процессов, которые в дальнейшем продолжаются в той или иной внутриклеточной системе.
Под электронным микроскопом гиалоплазма выглядит гомогенной и характеризуется низкой электронной плотностью. Мегавольтная электронная микроскопия обнаруживает в ней микротрабекулярную сеть (рис. 4.7), состоящую из тончайших фибрилл, пересекающих гиалоплазму в различных направлениях. В ячейках этой сети располагаются органеллы, а в ее "узлах" фиксированы полисомы. Микротрабекулярная сеть гиалоплазмы образует связи с микротрубочками и микрофиламентами опорно-двигательной системы клетки и совместно с этими элементами участвует в перемещении и функционировании внутриклеточных структур.
Рис. 4.7. Схема строения микротрабекулярной сети гиалоплазмы:
1 – трабекулярные нити; 2 – микротрубочка, 3 – эндоплазматический ретикулум; 4 – клеточная мембрана, 5 – митохондрия, 6 – полисомы, 7 – микрофиламенты
Сравнительные характеристики животной и растительной клеток (рис. 4.8) представлены в табл. 4.2.
Таблица 4.2.