Сходство и различия в строении клеток прокариот и эукариот - строительный материал и источник энергии клетки - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Факт 1.Все клетки живых организмов сходны по строению.

Факт 2.Различия в строении клеток живых организмов всё же очень существенны.

• Можно ли считать эти два утверждения противоречивыми? (Могут ли все клетки иметь одинаковое строение?)

• Почему клетки живых организмов имеют существенные различия в строении? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Вспомните свойства живых организмов. (§ 3)

• Вспомните основные положения клеточной теории. (§ 5)

• Приведите примеры биологических явлений, относящихся к разным свойствам живого. (§ 3)

Решение проблемы

Простая клетка прокариот

• Сформулируйте особенности строения клетки прокариот.

Согласно клеточной теории, клетка — элементарная единица всего живого: основа строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов.

Несмотря на то что клетки всех организмов имеют общий план строения, существуют и значительные различия в их строении. В первую очередь это наличие ядра. Все организмы разделяют напрокариоты- безъядерные иэукариоты— собственно ядерные, т.е. имеющие в клетках ядро и другие мембранные органеллы (см. ниже). Наследственная информация в клетках прокариот располагается непосредственно в цитоплазме, а у эукариот - в ядре. Существует две группы прокариот: настоящие бактерии (эубактерии) и архебактерии, или археи.

Маленькая (1 — 10 мкм) клетка прокариот окружена плазматической мембраной (рис. 10.1). Она практически не имеет внутренних мембранных структур, за исключением отдельных впячиваний, которые по строению напоминают кристы митохондрий или граны хлоропластов (см. ниже). Снаружи клетка обычно одета клеточной стенкой, которая у настоящих бактерий (эубактерий) состоит из одной огромной молекулы веществамуреина.Она образует сетчатый мешок из полисахаридных цепей, связанных через равные промежутки короткими цепями аминокислот. Эта прочная структура позволяет бактериям сохранять форму. Некоторые бактерии поверх клеточной стенки образуют клейкую слизистую капсулу из полисахаридов или белков. Она обеспечивает дополнительную защиту и позволяет прикрепляться к различным поверхностям.

10.1. Схема строения бактерии — типичного представителя прокариот

Молекулы любого вещества перемещаются в растворе благодаря диффузии, которая происходит за счёт теплового движения и не требует затрат дополнительной энергии. У прокариот диффузия служит основным способом внутриклеточной транспортировки молекул. Небольшие размеры клетки позволяют быстро транспортировать питательные вещества. Поэтому прокариоты растут и делятся быстрее, чем более крупные эукариотические клетки.

Наиболее хорошо изученная прокариота — кишечная палочка — имеет клеточную стенку, которая и определяет её форму. Её длина – 2 — 3 мкм, ширина – 1 мкм. Другие бактерии могут иметь иную форму: например, шарики (кокки, такие, как стрептококк), нити или спирали (спирохеты). Крупные размеры у известных бактерий представляют собой редкие исключения. Клетки одного из видов бактерий симбионитов, обитающих в организме рыбы-хирурга, могут достигать 750 мкм — их видно невооружённым глазом.

Известно немало болезнетворных эубактерий, таких как возбудители менингита, пневмонии, холеры, туберкулёза, чумы, сифилиса и многих других болезней. Однако большинство бактерий очень важны для биосферы: без них мы просто не смогли бы существовать. Одни из них расщепляют мёртвые ткани, другие — отходы хозяйственной деятельности человека. Фотосинтезирующие цианобактерии — очень древние организмы, которые когда-то создали и теперь поддерживают кислородную атмосферу Земли.

Помимо настоящих бактерий, к прокариотам относятся и архебактерии, или археи. Среди них, в частности, немало микроорганизмов-“экстремалов” — тех, что живут в кислотах, крепких растворах солей, почти кипящей воде горячих источников.

Ферменты-полимеразы, выделенные из архебактерий, позволили учёным разработать метод исследования ДНК - знаменитую полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Она позволяет из одной молекулы ДНК синтезировать в пробирке множество её точных копий для того, чтобы определить последовательность нуклеотидов. С помощью ПЦР недавно были идентифицированы останки последнего русского царя Николая II и членов его семьи, казнённых и преданных земле в 1918 году, т.е. почти 100 лет назад.

Некоторые важные черты молекулярного устройства архебактерий говорят об их сходстве с эукариотами. Клеточная стенка у них никогда не состоит из муреина, а упаковка ДНК и строение рибосом сближает их с высшими организмами.

Вместе с тем все прокариоты имеют ряд общих особенностей. Ферменты прокариот, осуществляющие реакции обмена веществ, расположены на внутренней поверхности мембраны или в цитоплазме. Рибосомы рассеяны по цитоплазме, а мембранные органеллы и внутренние структуры отсутствуют. Как правило, в цитоплазме имеются разнообразные включения. Часто бактериальные клетки имеют жгутики, однако они устроены проще, чем жгутики и реснички эукариот.

В клетках прокариот нет оформленного ядра: участок цитоплазмы, в котором расположена ДНК, -нуклеоид– не ограничен мембраной. Единственная “хромосома” прокариот представлена одной кольцевой молекулой ДНК, т.е. они имеют одинарный, илигаплоидный,набор инструкций для синтеза РНК и белка. В бактериальных клетках также могут присутствовать отдельные короткие кольцевые молекулы ДНК, называемыеплазмидами.

Плазмиды ведут себя как вирусы, которые никогда не покидают цитоплазму и размножаются (реплицируются) независимо от хромосомной ДНК. Плазмиды несложно выделить и “переделать” методами генной инженерии: например, поменять в них информацию о кодируемых белках. Если изменённая (рекомбинантная) плазмида несёт информацию о структуре какого-нибудь полезного для бактерии белка, например, фактора устойчивости к антибиотику, то бактерия-хозяин выживет в среде с этим антибиотиком. Если плазмида содержит вдобавок информацию о других белках, то они также будут синтезированы. На этом основана биотехнология - использование микроорганизмов для получения полезных для человека веществ.

Клетка эукариот перегорожена мембранами

• Какими прогрессивными чертами строения отличается клетка эукариот?

Клетка эукариот значительно крупнее бактериальной (обычно 10^—100 мкм, а недавно открыта амёба размером 2,5 см). В результате сокращается её относительная поверхность. При этом уменьшается контакт с окружающей средой и растёт автономия от неё. В результате всё большая часть обменных процессов переносится с внешней мембраны внутрь клетки. Но так как большинство этих процессов осуществляется на поверхностях, то такой перенос требует значительной площади внутриклеточных мембран. При этом одновременно возникает необходимость в протекании разнонаправленных обменных процессов. Этому, в свою очередь, препятствует внутриклеточная диффузия. Избежать её можно с помощью перегородок внутри клетки.

Проблемы, связанные с крупными размерами эукариотической клетки, решаются мембранными органеллами, подразделяющими пространство клетки на множество небольших отсеков-компартментов. Складки и выросты мембран позволяют обособить различные биохимические процессы и направить молекулы туда, где они требуются. Мембрана обладает свойствами высокоизбирательного фильтра, благодаря чему в каждом отсеке удерживается необходимый набор ферментов, других молекул и ионов. Поскольку объём этих отсеков мал, концентрация вступающих в реакцию веществ велика, и реакции идут быстрее.

Мембранные органеллы, поделившие клетку на камеры и коридоры, дают возможность эффективно использовать пассивную диффузию как “бесплатный” транспорт. Но в клетке эукариот существует ещё и другая активная система перемещения молекул сквозь мембраны, главную роль в которой играют белки.

Белки вообще играют главную роль в “событиях”, происходящих в клетке, как в качестве структурных элементов мембран, так и в качестве ферментов. Молекулы ферментов расположены на мембранах или внутри них, поэтому и химические реакции происходят на поверхности или даже внутри мембран. Ферменты, ускоряющие последовательные реакции, расположены рядом в нужной последовательности. Они выстроены в своеобразный “конвейер” - мультиферментный комплекс, в котором продукт реакции переходит от одного фермента к другому. Практически все ферменты клетки вовлечены в такие комплексы, поэтому можно сказать, что молекулы, попадающие в клетку, идут по определённым путям, претерпевая последовательные изменения.

Наследственное вещество эукариот (ДНК) обособлено в ядре и с помощью белков организовано в хромосомы, так что разные её участки могут работать (или не работать) по-разному в зависимости от молекулярных сигналов, поступающих от других клеток (об этом будет подробнее сказано позже). Всё это привело к возникновению настоящей многоклеточности в надцарстве эукариот.

Сравнение прокариот и эукариот

• Проведите сравнение клеток по строению и функциональным возможностям.

Различия клеток прокариот и эукариот

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
Размер	1 - 10 мкм	10 - 100 мкм
Мембранные органеллы	Отсутствуют	Митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.
Ядро	Нет; нуклеоид не отделён от цитоплазмы	Есть; окружено двойной мембраной
ДНК	Одна кольцевая молекула	Одна или несколько линейных молекул, организованных в хромосомы
Рибосомы	Обычно мелкие	Крупные
Деление	Простое	Митоз, мейоз
Клеточная стенка	Есть	Есть не у всех организмов

Обобщение новых знаний

В зависимости от строения и организации жизненных процессов все клеточные формы жизни делятся на два надцарства: прокариоты (куда входят эубактерии и архебактерии) и эукариоты. Более крупным клеткам эукариот свойственна компартментализация - разделение клетки на отсеки при помощи мембран. Это позволяет иметь (1) интенсивный обмен веществ в относительно большом общем объёме клетки и (2) сложную регуляцию внутриклеточных процессов. Эукариотическая клетка является элементарной единицей строения всех многоклеточных организмов.

Прокариоты. Эукариоты

Применение знаний

1. Как устроена бактериальная клетка?

2. В чём сходство и различие строения клеток прокариот и эукариот?

3. Чем обусловлено возникновение большого количества мембранных органелл у эукариот?

4. Почему многоклеточные организмы - эукариоты?

5. Однородна ли группа прокариот? Какие надцарства она в себя включает?