Особенности строения клеток прокариот

Ядро

Ядро — важнейшая структура в клетках эукариот. Оно представляет собой центр управления клетки и хранилище ин­формации о ней. В ядре содержится более 90[VV75] % клеточной ДНК — вещества, являющегося носителем наследственной информации.

Роль ядра в управлении процессами жизнедеятельности клеток была доказана экспериментально. В начале 1930-х годов ученый И. Гиммерлинг в ка­честве объекта для опытов по регенерации выбрал зеле­ную водоросль ацетабулярию (рис.). Эта водоросль, обитающая в Средиземном море, замечательна тем, что представляет собой одну гигантскую (размером до 5 см) клетку сложной формы. Клетка имеет корнеподобные ризоиды, тонкий стебелек и сложной формы шляпку, в которой образуются споры. Имеется единственное круп­ное ядро, расположенное у основания ножки.

Гиммерлинг пересадил ядро от одного вида ацетабулярии другому, с иной формой шляпки (см. рис.). Если затем шляпку удалить, она вырастет снова, но при этом ее форма окажется не такой, как прежде. Отросшая шляпка будет иметь форму, харак­терную для вида, от которого взято ядро. Замечатель­но, что если у молодой ацетабулярии удалить ядро за несколько недель до образования шляпки, то она все-таки образуется (хотя потом клетка и гибнет). Если отрезать кончик стебелька, из него регенерируют сте­белек и шляпка. А вот из средней части стебелька не вырастает ничего.

Гиммерлинг предположил, что ядро управляет раз­витием шляпки с помощью каких-то веществ, выделяе­мых в цитоплазму. Эти вещества транспортируются по стебельку в его верхнюю часть и накапливаются там. Вот почему даже при удалении ядра может происходить регенерация. Возникла идея, что ядро управляет жиз­нью клетки с помощью веществ — «инструкций», посы­лаемых в цитоплазму.

Как в дальнейшем выяснилось, такими веществами являются молекулы информационной РНК. Именно они передают инструкции ядра в цитоплазму и обеспечивают синтез необходимых ферментов, управляющих жизнедеятельностью клетки, в том числе процессами регене­рации.

Большинство клеток имеет одно ядро, изредка встречаются двухъядерные (клетки печени, инфузория-туфелька) и много­ядерные (многие протисты, клетки грибов, поперечнополосатые мышечные волокна). Неко­торые клетки в зрелом состоянии не имеют ядра. Таковыми являются эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубок цвет­ковых растений.

Обычно ядро имеет шаровидную форму. Оно может быть также линзовидным, веретеновидным и даже многолопастным (в клетках зернистых лейкоцитов). В животной клетке ядро обычно расположено в центре, а в рас­тительной, как правило, находится на периферии клетки (центральную часть обычно занимает крупная вакуоль).

Общий план строения ядра одинаков у всех клеток эукариот (рис.). Оно состо­ит из ядерной оболочки, ядерного матрикса (нуклеоплазмы), хро­матина и ядрышка (одного или нескольких).

От цитоплазмы содержимое ядра отделено ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная мембрана, граничащая с цитоплазмой клетки, в некоторых местах переходит в каналы эндоплазматического ретикулума; к ней при­креплены рибосомы. Внутренняя мембрана, контактирующая с нуклеоплазмой, гладкая. Ядерная оболочка пронизана множе­ством пор, по которым из ядра в цитоплазму выходят молекулы иРНК и тРНК, а в ядро из цитоплаз­мы проникают структурные белки, ферменты, нуклеотиды, молекулы АТФ, неорганические ионы и т. д.

Содержимое ядра представляет собой гелеобразный матрикс, называ­емый ядерным матриксом (нуклеоплазмой). Ядерный матрикс содержит белки, РНК, а также различные ионы и нуклеотиды. В нем располагаются хроматин и одно или несколько яд­рышек.

На окрашенных пре­паратах хроматин представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мел­ких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют нуклеопротеины — длинные нитевидные мо­лекулы ДНК, соединенные со спе­цифическими хромосомными белками. В состав хроматина входят так­же РНК, синтез которых осуществляется на ДНК.

Ядрышки — это округлые, силь­но уплотненные, не ограниченные мембраной участки клеточного ядра. В ядре может быть одно, два или не­сколько ядрышек. Во время деления клетки ядрышки разрушаются, а в конце деления формируются вновь вок­руг определенных участков ДНК. Здесь происходит синтез рибосомных РНК и объеди­нение их с молекулами белка, что ве­дет к образованию субъединиц ри­босом. Таким образом, ядрышко представляет собой место синтеза рРНК и самосборки субъединиц рибосом.

Хромосомы. Перед делением клетки хроматин плотно скручива­ется, образуя палочковидные образования – хромосомы. Ядерные белки (гистоны) при этом обеспечивают правильную укладку ДНК, в результате которой ее длина во много раз уменьшается. В растянутом виде длина ДНК одной хромосомы человека может достигать 5 см[VV76]. Каждая хромосома образована одной молекулой ДНК.

У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка (центромера), которая делит хро­мосому на два плеча (рис.). Хромосомы с равными или почти равными плечами называются равнопле­чими, с плечами неодинаковой длины — неравноплечими; хромосомы с одним длинным и другим очень коротким, едва за­метным плечом — палочковидными.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи одного из концов хромосомы и отделяет маленький участок – спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на них в интерфазе [BЭ77] происходит образование ядрышка.

Понятие о кариотипе. Каждой клетке того или иного вида живых организмов свойственно определен­ное число, размеры и форма хро­мосом. Совокупность хромосом, содержащихся в клетках [BЭ78] определенного вида организмов, называется кариотипом (от греч. карион – орех, ядро; типос – образец, форма). Кариотип видоспецифичен (неповторим), и даже если число хромосом в клетках каких-либо видов будет одинаковым (например, у картофеля и шимпанзе по 48 хромосом в клетке), то форма и строение хромосом будут разными. Это дает возможность использовать кариотип как критерий вида (этот критерий вида, как вы уже знаете, получил название генетического критерия).

Число хромосом в зрелых поло­вых клетках называют гаплоидным набором и обозначают буквой п.

Клетки, составляющие ткани любого организма, получили название соматических (сома – тело). Ядра таких клеток содержат, как правило, двой­ной, или диплоидный, на­бор хромосом, обозначаемый 2п. Парные хромосомы, т.е. оди­наковые по форме, структуре и раз­мерам, но имеющие разное проис­хождение (одна материнская, дру­гая отцовская), называются гомоло­гичными.

Клетки, име­ющие более двух наборов хромосом, называют полиплоидными (4п, 8п и т.д.).

Между количеством хромосом в кариотипе и уровнем органи­зации живых организмов не наблюдается прямой связи. Прими­тивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокооргани­зованные, и наоборот. Например, клетки радиолярий (морских планктонных протистов) содержат 1000—1600 хро­мосом, а клетки шимпанзе — всего 48. В клетках человека диплоидный набор составляет 46 хромосом, пше­ницы мягкой — 42, картофеля — 18[VV79], мухи домашней — 12, плодо­вой мушки дрозофилы — 8.

 1. Каковы основные функции ядра? 2. Из каких компонентов состоит ядро? 3. Что представляет собой хроматин? 4. Что собой представляют ядрышки? 5. Какие структуры ядра содержат молеку­лы ДНК? 6. Каким образом отсутствие ядра влияет на свойства клетки? Ответ обоснуйте. 7. Что такое кариотип? 8. Почему существование видов связано со стабильностью их кариотипа?

По строению клеток все живые организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты. Прокариоты (от лат. про — перед, вместо и греч. карион — ядро) — доядерные организмы, клетки которых не имеют оформленого ядра. К прокариотам относятся Настоящие бактерии [VV80], Цианобактерии. Эукариоты (от греч. эу — полностью, хорошо и карион — ядро) – ядерные организмы (их клетки имеют ядро). Эукариотами являются протисты, грибы, растения и животные. Каковы отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?

Размеры клеток прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот и находятся в пределах 0,2 — 10 мкм. Правда, есть и исключения — описана огром­ная[BЭ81] бактериальная [VV82] клетка длиной 100 мкм.

Форма клеток прокариот разнообразна: шаровид­ная (кокки), палочковидная (бациллы), в виде изог­нутой (вибрионы) или спирально закрученной (спи­риллы) палочки[VV83] и др.

Поверхностный аппарат клеток прокариот состоит из цитоплазматической мембраны (одной или двух), клеточной муреиновой оболочки, а у некоторых групп бактерий еще дополнительной слизистой капсулы.

Строение плазмалеммы сходно с таковой у эукариот. Клеточная мембрана прокариот обра­зует многочисленные впячивания внутрь клетки — мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие протекание разнообразных реакций обмена ве­ществ.

Клеточная оболочка бактерий существенно отличается по строению от оболочек клеток растений и грибов. В ней есть особая жесткая решет­ка, состоящая из муреина[VV84]. Муреин (от лат. мурус — стенка) это —полисахарид, со­стоящий из чередующихся остатков двух аминосахаров. Молекула муреина представ­ляет собой правильную сеть из парал­лельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими пептидными цепочками (рис.). Таким образом, каждая бактериальная клетка окружена сетевидным муреиновым мешком, образованным, по сути дела, одной моле­кулой.

По строе­нию клеточной стенки бактерии подразделяются на две группы — грамположительные (окрашиваются по Граму в фиолетовый цвет) и грамотрицательные (обесцвечиваются при от­мывке красителя, поэтому при окраске по Граму приобретают розовый цвет).

У грамположительных бактерий муреиновая сеть многослойная. Кроме того, в нее встроены дру­гие вещества, главным образом белки и полисахариды.

У грамотрицательных бактерий кле­точная оболочка тоньше, чем у грамполо­жительных, но устроена она сложнее (рис.). У этих бактерий снаружи от муреинового слоя расположен дополнительный слой клеточной оболочки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов и белков. Наличие наружной мембраны у грамотрицательных бакте­рий значительно расширяет круг функций клеточной стенки. Так, наружная мембрана осуществляет регуляцию транспорта ве­ществ и ионов, необходимых клетке. Кроме того, она препятствует проникновению в клетку токсичных веществ, что делает грамотрицательные бакте­рии более устойчивыми по сравнению с грамположительными к действию некоторых ядов, химиче­ских веществ, ферментов, антибиотиков.

Снаружи клеточная стенка прокариот часто бывает окружена слизистым чех­лом, или капсулой, которая также выполняет защитную функцию.

Прокариоты, как следует из их названия, не имеют оформленного ядра. Их ядерное вещество представлено, как правило, единственной кольцевой молекулой ДНК, которая условно называется бактериальной хромосомой. Молекула ДНК располагается непосредствен­но в цитоплазме (рис.). Область цитоплазмы, в которой расположена ДНК называется нуклеоид. Помимо крупной кольцевой молекулы ДНК в бактериальных клетках могут содержаться маленькие кольцевые двуцепочечные молекулы ДНК — плазмиды.

Бактериальные клетки, помимо ядра, не имеют и большинства органелл, характерных для клеток эукариот — митохон­дрий, пластид, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, лизосом, клеточного центра. Однако в их цитоплазме располагаются многочисленные рибосомы, которые имеют сходное строение с рибосомами эукариот, но отличаются меньшими размерами. У некоторых бактерий — обитателей водоемов или капилляров почвы, заполненных водой, имеют­ся особые газовые вакуоли. Изменяя в них объем газов, эти бактерии могут перемещаться в толще водной среды (всплывать, погружаться) с минимальными затратами энергии. В клетках цианобактерий обнаружены округлые замкнутые мембранные структуры — хроматофоры (от греч. хрома — краска и форос — несущий), в которых расположены фотосинтезирую­щие пигменты.

Цитоскелета в прокариотических клетках тоже нет. У некоторых прокариот имеются органоиды движения — один, несколько или много жгутиков. Жгути­ки могут быть длиннее самой клетки в несколько раз, однако их диаметр незначительный (10 — 25 нм), поэто­му в световой микроскоп они не видны.

В отличие от эукариот, большинство из которых являются аэробами, т. е. используют в энергетическом обмене кислород, многие прокари­оты являются анаэробами, и кислород для них вреден. Некоторые бактерии, называемые азотфиксирующими, способны усваивать азот воздуха, чего эукариоты делать не могут.

В неблагоприятных условиях (холод, жара, за­суха и т. д.) многие бактерии способны образовывать споры. При спо­рообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется плотная многослойная оболочка. Споры устойчивы к действию высокой тем­пературы (в некоторых случаях могут выдерживать дли­тельное кипячение), ионизирующего излучения, химических веществ и другим факторам. Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из нее снова прорастает активная бак­терия.

Большинство прокариот — одноклеточные организмы, но среди них есть и колониальные формы. Скопления клеток прокариот могут иметь вид нитей, гроздей и т. д., иногда они окружены общей слизистой капсулой.

 1. Чем клетки прокариот по строению отличаются от клеток эукариот? 2. Какую форму имеет ДНК бактерий? 3. Что собой представляет нуклеоид? 4. Что такое мезосомы и какие функции они выполняют? 5. Известно, что у клеток прокариот отсутствуют такие органеллы, как пластиды, митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть. Каким образом их клетки могут функционировать без этих оранелл?

Дата добавления: 2014-01-04