Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток: Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток. Сравнительные данные — Строение про- и эукариотной клеток. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки — основа ее целостности

Цели урока:

1.      образовательная: сформировать

представления обучающихся о двух уровнях клеточной организации живой природы,

познакомить их с особенностями строения прокариот, показать многообразие

бактерий и их роль в природе и жизни человека

2.      развивающая: развитие

самостоятельности и активности в познании объектов и явлений органического

мира, формирование навыков работы с различными источниками информации, умения

выделять главное, сравнивать, анализировать

3.      воспитательная: формирование

ответственности, аккуратности, а также социальной коммуникации.

Тип урока: урок комплексного

применения знаний, умений, навыков.

Методы обучения: фронтальный опрос,

объяснительно-иллюстративный рассказ, репродуктивный метод, самостоятельная

работа, учебный проект

Оборудование: таблицы

«Строение эукариотической клетки», «Строение прокариотической клетки»,

мультимедийное устройство, компьютер, раздаточный

материал, учебники, презентация, видео.

Х О Д         У Р О КА

1. Оргмомент

Приветствие.

Проверка присутствующих. Настрой на рабочий лад (создание коллаборативной

среды).

Частушки (посвящаются бактериям)

2.

Повторение ранее изученного с направленностью на новый материал.

Ребята, на прошлых

уроках мы изучали с вами строение растительной и животной клеток, говорили об

органоидах клетки.

Игра

«Ромашка». Надо оторвать лепесток, на обратной стороне которого

вопрос.

1.           

Отграничивает

внутреннее содержимое клетки от внешней среды.

клеточная

оболочка

2.           

Внутренняя

полужидкая среда клетки. цитоплазма

3.           

Система

полостей и трубочек, участвующая в транспорте различных веществ и синтезе

белков. эндоплазматическая сеть

4.           

Округлые

органоиды, состоящие из двух субъединиц, осуществляющие синтез белков. рибосомы

5.           

Двухмембранные

органоиды, являющиеся «силовыми станциями» клеток. митохондрии

6.           

Органоид,

состоящий из сложенных стопкой плоских полостей, участвующий в хранении и выведении

веществ. аппарат Гольджи

7.           

Органоиды,

присущие только растительным клеткам, придающие им окраску и выполняющие

важнейшие разнообразные функции. пластиды

8.           

Непостоянные

структуры цитоплазмы, в которых содержаться запасные вещества. включения

9.           

Разнообразные

выросты (жгутики, реснички), помогающие клетке передвигаться. органоиды

движения

10.       

Важный

центр клетки, в котором храниться вся наследственная информация клетки. ядро

11.       

То,

чем ядро отделено от клетки. ядерная оболочка

12.       

Внутренняя

среда ядра. ядерный сок

13.       

Длинные

и тонкие нити ДНК, в которых в виде триплетов нуклеотидов записана информация о

строении белков клетки. хромосомы

14.       

Округлые

тела, в которых синтезируются рибосомы. ядрышки

Молодцы. Вы

показали хорошие знания

3.

Изучение нового материала

Фронтальная

беседа учителя с учащимися по вопросам.

Учитель: В ходе длительной эволюции на Земле

с момента появления первых живых организмов (более 3 млрд. лет назад) возникло

огромное многообразие форм жизни, которые и являются предметом изучения

комплекса биологических наук. В какие же царства живой природы можно объединить

живые организмы?

Учащиеся: 4 царства: Дробянки, Грибы,

Растения, Животные.

Учитель: Что значит изучать объект живой природы?

Учащиеся: Это значит исследовать состав, строение, процессы жизнедеятельности

организмов.

Учитель: Какие науки занимаются изучение этих царств природы?

Учащиеся: Ботаника, микология, зоология, микробиология.

Учитель: Какая структура объединяет все живые организмы? Кем это было доказано?

Учащиеся: Клетка. Доказано было в 1839 году создателями клеточной

теории – М. Шлейденом и Т. Шванном на основании сходства клеток. 

Учитель: Каково же научное и практическое значение клеточной

теории?

Учащиеся: Она доказывает взаимосвязь и единство происхождения живых организмов. Дала толчок для развития биологических дисциплин: эмбриологии, физиологии, гистологии. Эти знания используются в медицине, сельском хозяйстве и других областях деятельности человека. Шлейден и

Шванн выявили сходство царств живой природы на клеточном уровне.

Учитель: Ребята! Теперь мы знаем, что все живые организмы, исключая вирусы, имеют клеточное строение. Растительная, грибная, животная и бактериальная клетка сходны по составу, строению и процессам жизнедеятельности. А чем же тогда объяснить многообразие живых организмов? Какие гипотезы вы можете предложить для решения этой проблемы?

Учащиеся предполагают, что причиной многообразия являются различия в строении клеток.

Учитель: И так, тема нашего урока и

цель исследования:

Клетки прокариот и эукариот, особенности их строения (запись на доске и в тетрадях).

Учитель: Какие же задачи должны быть

решены на сегодняшнем уроке для подтверждения этой гипотезы?

В ходе обсуждения учитель записывает на доске, а учащиеся – в тетрадях.

Задачи:

1.      Выявить характерные признаки прокариот.

2.      Сравнить клетки прокариот и эукариот.

Л.р. № 3. «Строение

растительной, животной и бактериальной клеток. Найти различия в строении».

Сравнительная

таблица 1.

Учащиеся решают биологические задачи.

1.Австралийское

животное коала питается исключительно листьями эвкалиптов. Перед тем как детеныш коалы перейдет с молока матери на прием «взрослой» пищи, он получает от матери пищевые добавки в виде ее кала. Объясните с научной точки зрения биологическую роль столь странного, с точки зрения человека поведения животных.

2.

проект “Клетка – город” —  представление

клетки как административно – хозяйственной единицы.

Необыкновенные приключения девочки

В одном городе, который был похож на все другие города, жила девочка Юля. Как все дети она ходила в школу, хорошо училась и слушалась родителей. Но однажды с ней приключилась одна интересная, даже волшебная история.

Юля, как всегда, приходя со школы, делала уроки. Открыв дневник, она увидела, что завтра у неё урок биологии, на котором будет самостоятельная работа по теме «Органоиды клетки». Девочке эта тема показалась сложной и непривлекательной, она забывала названия органоидов, их функции и даже придумывала свои. Неохотно взяв учебник биологии, она начала изучать тему. Но, спустя немного времени, Юля услышала какой-то шум и осмотрела свою комнату.

Всё оставалось по-прежнему… И, вдруг, дотронувшись до книги, Юля оказалась в другом месте, непохожем на её комнату. Это был большой клеточный город, в котором все добросовестно выполняли свои функции. Девочка шла по улице и встретила овальный органоид, который является энергетической подстанцией клетки. И посмотрев повнимательнее, девочка узнала, что это митохондрия, синтезирующая вещества, запасающие химическую энергию клеток. Оглянувшись, она увидела ещё и ещё митохондрии – «Да, наверное, эта клетка запасает много

энергии!» – подумала Юля. 

Пройдя дальше, она увидела лизосому и стала вспоминать её функции. Оказалось, что лизосомы – это мембранные пузырьки, содержащие до 30 литических ферментов гидролазы – это санитары клетки, одной из функций которых является расщепление ненужных веществ клетки. Вот бы в нашем городе таких санитаров, проблема с мусором никогда бы не существовала! Ай, да, Природа! Мудра!!! Вспомнив это, Юля довольная пошла дальше по необычной улице. 

Следующий органоид на её пути был похож на огромную стопку блинов, состоящий из уплощённых канальцев и окружавших его небольших пузырьков, там хранились запасы питательных веществ клетки, – вот это хранилище! Юля вспомнила, что там же образуются и лизосомы.

Дорога, по которой шла Юля вдруг стала неровной, шероховатой. Девочка

оглянулась и обратила внимание на тропинку. Она имела множество разветвлений – тропинок, казалось, что она ведёт в разные участки этого странного государства.

Часть дороги была холмистой, а местами – была ровной. Девочке вспомнилось, что систему магистралей в клетке составляет эндоплазматическая сеть, по которой транспортируются ко всем частям клетки и за её пределы питательные вещества, а шероховатость образована маленькими немембранными органоидами рибосомами – они

были повсюду: на дороге и рядом с ней. 

Девочка продолжила свой путь и с каждым шагом приближалась к огромному ядру,

которое было важнейшей частью клеточного города, в нём хранится наследственная информация всего организма, которая передаётся дочерним клеткам из поколения в поколение в процессе деления клетки. Приблизившись к ядру, она увидела дверь.

Юля открыла дверь, шагнула и оказалась в своей комнате…

Она сидела за столом и держала в руках книгу. Славненькое путешествие! Или мне всё это приснилось! 

На следующий день, придя в школу, Юля написала самостоятельную работу на отлично. Вот как помогло ей это удивительное путешествие в город «КЛЕТКА».

Вопрос:

Почему органоиды называют специализированными структурами клетки?

Сформулируйте вывод: клетка является …

3. Спор Прокариот и Эукариот

Оля вздохнула и отложила в сторону учебники: «Ну, наконец – то, можно ложиться спать», – и посмотрела в дневник: «О, Боже, завтра же биология, я даже учебник не открывала!» Оля открыла учебник, прочитала тему: «Строение эукариотических и прокариотических клеток». «Нет, сегодня мне это не осилить», – подумала Оля и решила, что проснётся пораньше утром и прочитает всё на свежую голову. Она легла и закрыла глаза.
На столе вдруг что-то зашуршало, Оля подняла голову и застыла: на страницах учебника она увидела странную и непонятную картину, она увидела зал, в котором стоял большой трон, на нём сидела красивая женщина, у неё на голове красовалась корона с надписью: «Мать-природа», а справа и слева на трибунах сидели какие-то непонятные существа. Когда Оля внимательно присмотрелась к ним, она поняла, что справа все разновидности эукариотических клеток, а слева – прокариоты. Перед Природой стояли весы, а рядом с ней – ящик с камешками. И тут Мать-Природа заговорила: «И так, начинаем суд, который решит наконец вопрос: кто важнее эукариоты или прокариоты? Начинаем прения: первое слово Прокариотам» 
За трибуну вышла Кокка – настоящий шарик:
– Мы, Прокариоты, встречаемся везде: в воде, в почве, в пищевых продуктах.
Мать-Природа бросила камешек на чашку Прокариот.
За трибуну вышла клетка Эукариот, похожая на звезду:
– Мы во всех организмах: от простейших до высших растений и животных, они из нас состоят. Было бы скучно на Земле с одними бактериями. 
Природа положила камешек на чашку Эукариот.
За трибуну вышла палочка Бацилла:
– Мы появились на Земле первыми, с нашим появлением здесь началась жизнь.
Ещё один камешек упал на чашу Прокариот.
– Но, сколько среди вас паразитов, вы внедряетесь в организмы, паразитируете в них и наносите им свой вред, – возразила ещё одна эукариотическая клетка, сильно вытянутая в длину, способная сокращатся.
Камешек упал на чашу Эукариот.
На трибуну вышла Спирилла:
Зато нам нет равных по приспособляемости. Мы сохраняем жизнеспособность сотни и тысячи лет при любых колебаниях температуры.
Природа положила камешек на чашу Прокариотов.
– А, благодаря мембранному принципу строения, мы эластичны, быстро восстанавливаем свою целостность, имеем много разных мембранных органоидов у каждого из них своя работа, – сказала ещё одна представительница Эукариот, имеющая плотные ровные клеточные стенки, сквозь которые просвечивались множество зелёных пигментов и огромная вакуоль.
Природа кивнула головой и положила камешек на из чашу.
– А наши деления: это же просто чудо – надвое раз, и всё! Если мало питания или хуже условия стали – спорообразование. Споры сохраняются десятки, сотни и даже тысячи лет! – воскликнула одна из прокариотических клеток Стрептококков.
Очередной камешек упал на чашу Прокариот.
– Зато наша наследственная информация содержится в виде линейных молекул ДНК связанных с белками и РНК и образуют хромосомы внутри ядра. Вот как всё сложно! А ваша кольцевая ДНК, или ещё проще – РНК, лежат прямо в цитоплазме! Нет ядра! Нет ядрышка!
– А при нашей простоте организации, даже за неимением хлоропластов, процесс фотосинтеза в некоторых Прокариотах происходит прямо на мембранах. Другие бактерии способны к фиксации азота, что не может сделать ни один эукариотический организм!
Мать – Природа положила по одному камешку и на чашу эукариот и на чашу Прокариот и сказала:
Итак, выслушав вас я принимаю следующее решение: и вы, Прокариоты, и вы Эукариоты, несомненно яркие и неповторимые составляющие земной природы, без вас не было бы той красоты и великолепия, которые нас окружают и создают всё живое на нашей планете! Поэтому давайте поймём, что вы равнозначно важны и будем уважать друг друга. 
И правая и левая трибуна разразилась аплодисментами.
Утром Оля открыла глаза: на столе лежал учебник «Биология» открытый на нужной странице. «Так мне это всё приснилось», – поняла девочка и уже с интересом прочитала параграф. 
Задание: определите виды клеток использованных в тексте.

4. Скорость размножения бактерий (видео)

В лаборатории исследовали влияние температуры на размножение бактерий. Было выяснено, что при повышении температуры бактерии начинают активно размножаться, затем скорость размножения становится относительно постоянной, а потом падает. При t0 50 количество бактерий в единице объема (V), было равно 30; при t0 480 –140, при t0 700 -280, при t0 800 – 279, при t0 1000-65.

Отобразите эти данные в таблице, на графическом рисунке и на графике.

Рефлексия. Итог урока.

«Лестница успеха»

Ученик помещает человечка (себя) на соответствующую ступеньку:

уверен в своих знаниях

в основном уверен

нужно ещё повторить

нуждаюсь в помощи

Комментарий учителя к работе групп на уроке.

Домашнее задание.

Написать письмо от имени бактерий о том, что будет, если на Земле исчезнут

бактерии брожения, гниения, азотфиксирующие; если бактерии утеряют способность

к спорообразованию?

прокариот и эукариот | Биология для майоров I

Определить разные виды клеток, из которых состоят разные виды организмов

Есть два типа клеток: прокариотические и эукариотические. В этом разделе мы исследуем сходства и различия между этими двумя типами.

Цели обучения

• Определить общие для всех ячеек признаки
• Контрастный состав и размер прокариотических и эукариотических клеток

Клетки делятся на две большие категории: прокариотические и эукариотические.Одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи классифицируются как прокариоты ( про = ранее; карион — = ядро). Клетки животных, клетки растений, грибы и простейшие являются эукариотами ( eu = верно).

Компоненты прокариотических клеток

Все клетки имеют четыре общих компонента: (1) плазматическую мембрану, внешнее покрытие, которое отделяет внутреннюю часть клетки от окружающей среды; (2) цитоплазма, состоящая из желеобразной области внутри клетки, в которой находятся другие клеточные компоненты; (3) ДНК, генетический материал клетки; и (4) рибосомы, частицы, синтезирующие белки.Однако прокариоты несколько отличаются от эукариотических клеток.

Рисунок 1. На этом рисунке показана обобщенная структура прокариотической клетки.

Прокариотическая клетка представляет собой простой одноклеточный (одноклеточный) организм, в котором отсутствует ядро ​​или любая другая мембраносвязанная органелла. Вскоре мы увидим, что у эукариот это значительно отличается. Прокариотическая ДНК находится в центральной части клетки: затемненная область, называемая нуклеоидом (рис. 1).

В отличие от архей и эукариот, бактерии имеют клеточную стенку из пептидогликана, состоящую из сахаров и аминокислот, а многие из них имеют полисахаридную капсулу (рис. 1). Клеточная стенка действует как дополнительный слой защиты, помогает клетке сохранять свою форму и предотвращает обезвоживание. Капсула позволяет клетке прикрепляться к поверхностям в окружающей среде. У некоторых прокариот есть жгутики, пили или фимбрии. Жгутики используются для передвижения, в то время как большинство пилей используются для обмена генетическим материалом во время типа воспроизводства, называемого конъюгацией.

Эукариотические клетки

В природе взаимосвязь между формой и функцией очевидна на всех уровнях, включая уровень клетки, и это станет ясно, когда мы исследуем эукариотические клетки. Принцип «форма следует за функцией» встречается во многих контекстах. Это означает, что, в общем, можно вывести функцию структуры, глядя на ее форму, потому что они совпадают. Например, птицы и рыбы имеют обтекаемые формы тела, которые позволяют им быстро перемещаться в среде, в которой они живут, будь то воздух или вода.

Эукариотическая клетка — это клетка, которая имеет связанное с мембраной ядро ​​и другие мембраносвязанные компартменты или мешочки, называемые органеллами , которые выполняют специализированные функции. Слово эукариотическое означает «истинное ядро» или «истинное ядро», имея в виду присутствие в этих клетках связанного с мембраной ядра. Слово «органелла» означает «маленький орган», и, как мы узнали ранее, органеллы обладают специализированными клеточными функциями, так же как органы вашего тела имеют специализированные функции.

Размер ячейки

При диаметре 0,1–5,0 мкм прокариотические клетки значительно меньше эукариотических клеток, диаметр которых варьируется от 10 до 100 мкм (рис. 2). Небольшой размер прокариот позволяет ионам и органическим молекулам, которые входят в них, быстро распространяться в другие части клетки. Точно так же любые отходы, образующиеся в прокариотической клетке, могут быстро уйти. Однако более крупные эукариотические клетки развили различные структурные адаптации для улучшения клеточного транспорта.Действительно, большой размер этих клеток был бы невозможен без этих приспособлений. В общем, размер ячейки ограничен, потому что объем увеличивается намного быстрее, чем площадь поверхности ячейки. По мере того, как ячейка становится больше, ячейке становится все труднее и труднее получать достаточное количество материалов для поддержки процессов внутри ячейки, потому что относительный размер площади поверхности, через которую должны транспортироваться материалы, уменьшается.

Рис. 2. На этом рисунке показаны относительные размеры различных типов ячеек и клеточных компонентов.Взрослый человек показан для сравнения.

Вкратце: сравнение прокариотических и эукариотических клеток

Прокариоты — одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи. Все прокариоты имеют плазматические мембраны, цитоплазму, рибосомы, клеточную стенку, ДНК и не имеют мембраносвязанных органелл. У многих также есть полисахаридные капсулы. Прокариотические клетки имеют диаметр от 0,1 до 5,0 мкм.

Подобно прокариотической клетке, эукариотическая клетка имеет плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы, но эукариотическая клетка обычно больше прокариотической клетки, имеет истинное ядро ​​(то есть ее ДНК окружена мембраной) и имеет другую мембрану. -связанные органеллы, которые позволяют разделить функции.Эукариотические клетки обычно в 10-100 раз больше прокариотических клеток.

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

эукариотических и прокариотических клеток: сходства и различия

Эукариоты — это организмы, клетки которых имеют ядро, заключенное в клеточную мембрану, составляющую одну из трех областей жизни, эукариот. К ним относятся многоклеточные организмы, такие как растения, животные и грибы.

Бактерии и археи, две другие области жизни, являются прокариотическими клетками. У них нет мембраносвязанных клеточных компартментов, таких как ядра.

Лукиянова Наталья Френта | Shutterstock

Сходства между эукариотическими и прокариотическими клетками

Как эукариотические, так и прокариотические клетки несут липидный бислой, который представляет собой набор фосфолипидов и белков, который действует как селективный барьер между внутренней и внешней средой клетки.

И эукариотические, и прокариотические клетки используют дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) в качестве основы для своей генетической информации. Этот генетический материал необходим для регулирования и информирования функции клетки посредством создания РНК путем транскрипции с последующим образованием белков посредством трансляции.

Рибосомы способствуют трансляции РНК и созданию белка, который необходим для функционирования как эукариотических, так и прокариотических клеток.

Цитоплазма — это среда, в которой протекают биохимические реакции клетки, основным компонентом которой является цитозоль.

В эукариотических клетках цитоплазма включает все, что находится между плазматической мембраной и ядерной оболочкой, включая органеллы; материал ядра называется нуклеоплазмой. У прокариот цитоплазма охватывает все, что находится в плазматической мембране, включая цитоскелет и генетический материал.

Строение эукариотической клетки. (Arisa_J / Shutterstock)

Различия между эукариотическими и прокариотическими клетками

Эукариотические клетки обычно больше (10 — 100 мкм), чем прокариотические клетки (1 — 10 мкм).

Эукариоты часто бывают многоклеточными, тогда как прокариоты одноклеточными. Однако есть некоторые исключения — одноклеточные эукариоты включают амебы, парамеции, дрожжи.

Эукариотические клетки имеют истинное ядро, связанное двойной мембраной. Он содержит связанные с ДНК функции большой клетки в меньшем корпусе, чтобы обеспечить близость материалов и повысить эффективность клеточной связи и функций.

Напротив, более мелкие прокариотические клетки не имеют ядра. Материалы уже достаточно близки друг к другу, и есть только «нуклеоид», который является центральной открытой областью клетки, где расположена ДНК.

Структура ДНК

Эукариотическая ДНК является линейной и образует комплекс с упаковывающими белками, называемыми «гистонами», до организации в несколько хромосом

Прокариотическая ДНК является кольцевой, не связана с гистонами и не организована в хромосомы. Прокариотическая клетка проще и требует для функционирования гораздо меньше генов, чем эукариотическая клетка. Следовательно, он содержит только одну кольцевую молекулу ДНК и несколько меньших кругов ДНК (плазмиды).

Строение прокариотической клетки.(В искусстве / Shutterstock)

Органеллы, связанные с мембраной

Эукариотические клетки содержат множество заключенных в мембрану крупных и сложных органелл в цитоплазме, тогда как прокариотические клетки не содержат этих мембраносвязанных органелл.

Это ключевое отличие, поскольку оно обеспечивает высокий уровень внутриклеточного разделения труда и способствует большей сложности, характерной для эукариотических клеток.

Из-за большего размера эукариотических клеток ограничение определенного клеточного процесса меньшей площадью также увеличивает эффективность функций за счет улучшения коммуникации и движения внутри клетки.

Только эукариоты обладают мембраносвязанным ядром и мембраносвязанными органеллами, такими как митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и ЭР.

Размер рибосомы

И эукариотические, и прокариотические клетки содержат много рибосом; однако рибосомы эукариотических клеток больше прокариотических рибосом, то есть 80S по сравнению с 70S.

Рибосомы эукариот также более сложны, чем рибосомы прокариот — они построены из пяти видов рибосомных РНК и примерно восьмидесяти видов белков.Напротив, прокариотические рибосомы состоят только из трех видов рРНК и примерно пятидесяти видов белков.

Цитоскелет

Это многокомпонентная система у эукариот, состоящая из микротрубочек, актиновых филаментов и промежуточных филаментов. Он необходим для поддержания формы ячеек, обеспечения внутренней организации и механической поддержки. Это также имеет первостепенное значение в движении и делении клеток.

Половое размножение

Большинство эукариот размножаются половым путем, в то время как прокариоты размножаются бесполым путем.Половое размножение у эукариот приводит к появлению потомства с генетическим материалом, который представляет собой смесь генома родителей, и во время этого процесса генерируются генетические вариации посредством половой рекомбинации.

С другой стороны, прокариот будет воспроизводить свои клоны посредством бинарного деления и больше полагается на горизонтальный генетический перенос для вариации.

Отделение клеток

Это происходит путем митоза для эукариотических клеток и бинарного деления для прокариотических клеток.

Эукариотические клетки подвергаются митозу, а затем цитокинезу.Это включает в себя множество этапов — ядерная мембрана распадается, затем хромосомы сортируются и разделяются, чтобы каждая дочерняя клетка получила два набора (диплоидное число) хромосом. После этого цитоплазма делится, образуя две генетически идентичные дочерние клетки, то есть цитокинез.

Напротив, прокариоты подвергаются более простому процессу двойного деления. Это происходит быстрее, чем митоз, и включает репликацию ДНК (нуклеоида), хромосомную сегрегацию и, в конечном итоге, разделение клеток на две дочерние клетки, генетически идентичные родительской клетке.В отличие от митоза, этот процесс не затрагивает ядерную оболочку, образование центромеры и веретена.

Дополнительная литература

Прокариотические клетки — характеристика, строение, деление, примеры

Прокариотические клетки представляют собой одноклеточные образования, которые являются примитивными по структуре и функциям, поскольку у них отсутствует мембраносвязанное ядро ​​и другие органеллы. Термин «прокариот» происходит от двух греческих слов «про», означающих «до», и «карион», означающих «ядро».Прокариоты считаются первыми живыми организмами на Земле, поскольку они представляют собой простейшую форму жизни.

Изображение создано с помощью biorender.com

Общие характеристики прокариотических клеток перечислены ниже:

• Обычно прокариотические клетки имеют размер от 0,1 до 5,0 мкм и значительно меньше эукариотических клеток.
• Прокариотические клетки имеют форму кокков, бацилл, спирилл и вибрионов.Однако прокариотические клетки с модификациями этой формы также встречаются в природе.
• Клеточная организация прокариотических клеток примитивна, поскольку они лишены мембраносвязанного ядра и других мембраносвязанных клеточных органелл.
• Генетический материал прокариотических клеток в одной хромосоме состоит из одной цепи ДНК.
• Критический белок, гистоновый белок, связанный в хромосомах эукариот, отсутствует в прокариотических клетках.
• Прокариотические клетки также лишены ядрышка и митотического аппарата.
• Клеточная стенка прокариотических клеток нецеллюлозная и состоит из углеводов и липидов.
• Прокариотические клетки бесполые и, таким образом, воспроизводятся бесполым путем без образования гамет.

Структура прокариотической клетки не такая сложная, как у эукариотических клеток, поскольку у них есть примитивные клеточные органеллы. Как правило, большинство прокариотических клеток имеют следующие компоненты / части:

1. Капсула

• Это дополнительное внешнее покрытие в некоторых прокариотических клетках, которое служит для защиты клетки от чужеродных захватчиков.
• Капсула состоит из полисахаридов, что позволяет клеткам прилипать к различным поверхностям и сохраняет влагу в клетке.

2. Клеточная стенка

• Клеточная стенка — это прочная корка прокариотических клеток, присутствующих внутри капсулы.
• Клеточная стенка большинства прокариот состоит из полимера углеводов и липидов, называемого пептидогликаном.
• Однако в клетках архей клеточная стенка содержит не пептидогликан, а некоторую другую структуру, называемую псевдопептидогликаном.Он состоит из белков и других полимеров.
• Клеточная стенка придает клетке форму, одновременно защищая клеточные органеллы, присутствующие в цитоплазме клетки.

3. Клеточная мембрана / Плазматическая мембрана / Цитоплазматическая мембрана

• Под клеточной стенкой находится клеточная мембрана, состоящая из фосфолипидов.
• Фосфолипид образует бислой, состоящий из липида, состоящего из глицерина, присоединенного к гидрофобной фосфатной головке и двух хвостов гидрофильных жирных кислот.
• У архей хвосты фосфолипидов обычно соединены, образуя монослой вместо двухслойной структуры.
• Плазматическая мембрана прокариотических клеток обеспечивает защиту клетки, позволяя транспортировать важные молекулы внутрь и из клетки.

4. Цитоплазма

• Цитоплазма — это все пространство клеток, находящихся внутри клеточной мембраны.
• Он содержит гелеобразный цитозоль и раствор на водной основе, содержащий минералы и другие ионы, необходимые для клетки.
• Кроме того, цитоплазма также содержит другие клеточные структуры, такие как хромосомы и рибосомы.

5. Рибосомы

• Все прокариотические клетки имеют 70S рибосомы. Рибосомы 70S состоят из двух субъединиц: 30S и 50S.
• Здесь субъединица 50S содержит 23S и 5S рРНК, а субъединица 30S содержит 16S рРНК.
• Рибосома — это наиболее часто встречающаяся внутренняя структура в прокариотических клетках.
• Размер и количество рибосом различаются в разных прокариотических клетках.
• Рибосома отвечает за образование полипептидов и, в свою очередь, белков.

6. Область нуклеоида

• Нуклеоидная область цитоплазмы в прокариотических клетках содержит одну кольцевую хромосому и небольшие кольца внехромосомной ДНК, называемые плазмидами.
• Одна круговая хромосома присутствует как единственная копия генетического материала в отличие от двух копий ДНК у эукариот.
• Геномы прокариот также меньше по размеру, чем геномы эукариот.
• Плазмиды, в свою очередь, копируются независимо от хромосом. Эти плазмиды могут нести некоторые несущественные гены.

7. Приложения

• Многие прокариотические клетки имеют клеточные придатки, которые выступают из поверхности клетки в виде жгутиков, пилей и фимбрий.
• Жгутики — самые частые придатки во многих прокариотических клетках.
• Это похожие на хвост структуры, которые помогают клетке перемещаться.
• Фимбрии — это тонкие нитчатые структуры, которые используются для прикрепления клеток к различным поверхностям.
• Пилли, в свою очередь, представляют собой более длинные волокна, которые играют разные роли в разных клетках. Одним из примеров этого являются половые пилли, которые удерживают две клетки вместе, поскольку они переносят молекулы ДНК в процессе конъюгации.

Как упоминалось ранее, прокариотические клетки размножаются бесполым путем без образования гамет.Некоторые виды бесполого размножения у прокариот:

• Бинарное деление — это тип бесполого размножения, при котором одна живая клетка или органелла увеличивается в два раза, а затем распадается на две идентичные дочерние клетки, где каждая из этих дочерних клеток имеет потенциал вырасти до размеров исходной клетки или органелла.
• Бинарное деление — это способ размножения многих прокариот, включая архей, цианобактерий и эубактерий.
• Во время этого процесса генетический материал родительской клетки делится поровну на две дочерние клетки. В результате во вновь образованных прокариотических клетках не наблюдается генетической изменчивости.

Шаги двойного деления

1. ДНК клетки делится с образованием двух идентичных молекул ДНК, каждая из которых движется к клеточной мембране.
2. Затем клетка удваивается в размере, и клеточная мембрана медленно начинает делиться, и каждая клетка имеет копию ДНК.
3. После завершения деления клеточной мембраны между двумя цепями ДНК образуется клеточная стенка, разделяющая родительскую клетку на две идентичные дочерние клетки.

• Другой способ бесполого размножения в прокариотических клетках — это рекомбинация.
• В этом случае генетический материал одной клетки включается в клетку другого прокариота посредством трансдукции, трансформации и конъюгации.
• При конъюгации две клетки соединяются через половые пилюли, где гены передаются через пилюли.
• При трансформации прокариотическая клетка берет генетический материал из окружающей среды и включает его в бактериальную хромосому.
• При трансдукции обмен генами происходит через вирусную инфекцию. Бактериофаг сначала заражает одну бактерию, захватывает ген-мишень и переносит его в другую клетку.

• Бактерии — это одноклеточные организмы, которые встречаются во всех экосистемах мира.
• Клеточная стенка бактериальной клетки состоит из пептидогликана, что делает ее прочной и толстой.
• Капсулы уникальны для некоторых бактерий и, следовательно, могут отсутствовать в других прокариотических клетках.
• Генетический материал бактерий представлен в виде кольцевых спиралей хромосом.
• Примеры бактериальных клеток: E. coli , Streptomyces spp, Pseudomonas spp и т. Д.

• Клетки архей похожи на клетки бактерий, поскольку они тоже являются примитивными одноклеточными организмами.
• Клетки архей чаще всего встречаются в экстремальных условиях, таких как горячие источники, океаны и болота.
• Капсула отсутствует в клетках архей, а клеточная стенка состоит из псевдопептидогликана, состоящего из белков.
• Точно так же клеточная мембрана архейных клеток имеет монослой фосфолипидов, который защищает клетку от агрессивных сред.
• Примеры клеток архей: Halobacterium spp, Thermoplasma spp, Sulfolobus spp и т. Д.

Назовите три примера прокариотических клеток?
Любыми тремя примерами прокариотических клеток являются сине-зеленые водоросли, E. coli, и микоплазма.

Есть ли рибосомы в прокариотических клетках?
Да, прокариотические клетки содержат рибосомы. Рибосома относится к типу 70S.

Есть ли у прокариотических клеток ядро?
Нет, прокариотические клетки не имеют связанного с мембраной ядра, но у них есть нуклеоидная область в цитоплазме, которая содержит генетический материал.

Есть ли митохондрии у прокариотических клеток?
Нет, прокариотические клетки не имеют митохондрий.

Обнаружена ли ДНК в прокариотических клетках?
Да, ДНК обнаруживается как генетический материал и внехромосомные пластиды в прокариотических клетках.

Как делятся прокариотические клетки?
Прокариотические клетки делятся бесполыми методами, такими как бинарное деление и конъюгация.

Видео о прокариотических клетках (Mr Exham Biology)

1. https: // www.khanacademy.org/science/biology/bacteria-archaea/prokaryote-structure/a/prokaryote-structure
2. https://microbenotes.com/binary-fission/
3. https://biologydictionary.net/prokaryotic-cell/
4. https://www.oughttco.com/prokaryotes-meaning-373369

Источники

• 1% — https://www.youtube.com/watch?v=07EPr0GwA_A
• 1% — https://www.oughttco.com/prokaryotes-meaning-373369
• 1% — https://www.khanacademy.org/science/biology/bacteria-archaea/prokaryote-structure/a/prokaryote-structure
• 1% — https: // www.bartleby.com/solution-answer/chapter-1-problem-16re-biochemistry-9th-edition/9781305961135/recall-list-five-differences-between-prokaryotes-and-eukaryotes/dbf2911a-5519-11e9-8385-02ee952b546e
• 1% — https://quizlet.com/44080662/biology-ch21-flash-cards/
• 1% — https://owlcation.com/stem/What-Are-Cells-Made-Of-Prokaryotic-Cell-Structure-Part-3-of-3
• 1% — https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_envelope
• 1% — https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_fission
• 1% — https: // ru.wikipedia.org/wiki/Bacterial_cell_structure
• 1% — https://courses.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/prokaryotic-cells/
• <1% - https://www.oughttco.com/bacterial-reproduction-373273
• <1% - https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7908/
• <1% - https://www.khanacademy.org/science/biology/structure-of-a-cell/prokaryotic-and-eukaryotic-cells/a/plasma-membrane-and-cytoplasm
• <1% - https://www.dummies.com/education/science/biology/the-outer-membrane-of-prokaryotic-cells/
• <1% - https: // www.britannica.com/science/prokaryote
• <1% - https://www.answers.com/Q/The_genetic_material_of_a_cell_is
• <1% - https://www.answers.com/Q/How_is_the_genetic_material_in_two_daughter_cells_similar_to_the_genetic_material_in_a_parent_cell
• <1% - https://sciencing.com/cells/
• <1% - https://en.m.wikipedia.org/wiki/Cytoskeleton
• <1% - https://byjus.com/biology/binary-fission/
• <1% - https://biodifferences.com/difference-between-plasma-membrane-and-cell-wall.HTML
• <1% - https://answersdrive.com/is-dna-present-in-prokaryotic-cells-1216936
• <1% - http://www.nslc.wustl.edu/courses/Bio101/cruz/Organelles/Organelle.htm

Понимание различий между эукариотами и прокариотами

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Недостающее звено между прокариотами и эукариотами

Сегодня все еще существуют и эукариоты, и прокариоты. Эукариоты можно найти по-разному как одноклеточные организмы, называемые протистами, и как организованные системы в многоклеточных организмах. Клетки всех растений, животных и грибов являются эукариотами. Прокариоты живут двумя основными подразделениями бактерий — эубактериями и архебактериями.Как и в прежние времена, прокариоты с меньшей вероятностью, чем эукариоты, образуют организмы размером больше одной клетки.

Эукариотические клетки не только позволяют создавать более крупные и сложные организмы, но и сами по себе больше и сложнее прокариотических клеток. Независимо от того, живут ли эукариотические клетки поодиночке или как часть многоклеточного организма, их деятельность может быть гораздо более сложной и разнообразной, чем те из их прокариотических аналогов. У прокариот все внутренние клеточные события происходят в одном компартменте — цитоплазме.Эукариоты содержат множество субклеточных отделов, называемых органеллами. Даже одноклеточные эукариоты могут демонстрировать удивительную сложность функций; у некоторых есть такие специализированные и разнообразные особенности, как сенсорные щетинки, части рта, мышечные сократительные пучки или жалящие дротики.

Многочисленные свидетельства из летописи окаменелостей и молекулярной биологии указывают на то, что эукариоты произошли от прокариоты. Но детали этого важного перехода трудно проследить, поскольку он произошел так давно, что большинство свидетельств этого исчезло.Один из способов разработать вероятные сценарии эволюции эукариот — это исследовать остатки старых систем, которые остаются в существующих клетках, и реконструировать, как все могло произойти. Особенно полезны для этой цели многие одноклеточные эукариоты, образ жизни которых в некотором роде напоминает образ жизни их прокариотических предков и которые считаются одними из самых ранних эукариот, которые все еще существуют. Исследования таких организмов привели к двум основным теориям, которые не исключают друг друга, которые стремятся объяснить, как эволюционировали эукариоты.Недавние данные свидетельствуют о том, что один одноклеточный организм, кишечный паразит Giardia lamblia , представляет собой первую линию происхождения от предковых клеток, которые приобрели эукариотические черты. Таким образом, изучение клеточной биологии этого «недостающего звена» организма может помочь ответить на многие вопросы о том, как все могло быть в начале истории жизни.

Прокариоты и эукариоты
На очень фундаментальном уровне эукариоты и прокариоты похожи.У них много общих черт в своей базовой химии, физиологии и обмене веществ. Оба типа клеток состоят из молекул и макромолекул одного и того же типа и используют их для выполнения своей клеточной работы. В обоих случаях, например, мембраны состоят в основном из жирных веществ, называемых липидами, а молекулы, которые выполняют биологическую и механическую работу клетки, называются белками.

Эукариоты и прокариоты используют одну и ту же химическую систему реле для производства белка. Постоянная запись кода всех белков, которые потребуются клетке, хранится в форме ДНК.Поскольку ДНК является главной копией генетической структуры клетки (или организма), информация, которую она содержит, абсолютно необходима для поддержания и сохранения клетки. Как будто для защиты этого архива клетка не использует ДНК непосредственно в синтезе белка, а вместо этого копирует информацию на временную матрицу РНК, химического родственника ДНК. И ДНК, и РНК составляют «рецепт» белков клетки. Рецепт определяет порядок, в котором аминокислоты, химические субъединицы белков, должны быть соединены вместе, чтобы образовался функциональный белок.Синтез белка как у эукариот, так и у прокариот происходит в структурах, называемых рибосомами, которые состоят из РНК и белка. Это иллюстрирует одну из причин, по которой прокариоты и эукариоты похожи, и подчеркивает идею о том, что различия между этими организмами часто имеют архитектурный характер. Другими словами, оба типа ячеек используют одни и те же кирпичи и строительный раствор, но структуры, которые они создают из этих материалов, сильно различаются.

Прокариотическую клетку можно сравнить с квартирой-студией: однокомнатное жилое пространство с примыкающей к гостиной кухонной зоной, которая ночью превращается в спальню.Все необходимые предметы умещаются на своих местах в одной комнате. Есть будничный; коврик моющийся. Комнатная температура комфортная — не слишком жарко и не слишком холодно. Условия адекватны всему, что должно происходить в квартире, но не оптимально под любую конкретную деятельность. Точно так же все функции прокариот умещаются в одном отделении. ДНК прикреплена к мембране клетки. Рибосомы свободно плавают в единственном отсеке. Клеточное дыхание — процесс метаболизма питательных веществ с высвобождением энергии — осуществляется на клеточной мембране; нет специального отсека для дыхания.

Эукариотическую клетку можно сравнить с особняком, где определенные комнаты предназначены для определенных видов деятельности. Особняк более разнообразен по своей деятельности, чем однокомнатная квартира. Он может комфортно разместить гостей, ночевать, и поддерживать социальные мероприятия для взрослых в гостиной или столовой, для детей в игровой комнате. Детская комната теплая, оформлена в ярких тонах и украшена мягким толстым ковром. На кухне есть плита, холодильник и кафельный пол.Предметы хранятся в той комнате, которая им больше всего подходит, в условиях, идеально подходящих для занятий в этой конкретной комнате.

Эукариотическая клетка напоминает особняк тем, что разделена на множество отделений. Каждый отсек снабжен предметами и условиями, подходящими для определенной функции, однако отсеки работают вместе, чтобы позволить клетке поддерживать себя, воспроизводиться и выполнять более специализированные действия.

При более внимательном рассмотрении мы обнаруживаем три основных структурных аспекта, которые отличают прокариот от эукариот.Несомненным отличием является наличие истинного (eu) ядра (кариона) в эукариотической клетке. Ядро, представляющее собой оболочку с двойной мембраной, изолирует ДНК в своем собственном отсеке и удерживает ее отдельно от остальной части клетки. Напротив, ДНК прокариота не содержит такого корпуса. Вместо этого генетический материал привязан к клеточной мембране, и в противном случае он может свободно плавать внутри клетки. Интересно отметить, что ДНК эукариот прикреплена к ядерной мембране способом, напоминающим прикрепление прокариотической ДНК к внешней мембране клетки.

Хотя ДНК выполняет одну и ту же критическую функцию в обоих типах клеток, наличие или отсутствие ядра имеет некоторые глубокие последствия для формы, которую принимает молекула, и того, как матрица ДНК в конечном итоге транслируется в белок. У прокариот почти вся генетическая информация организма переносится на единственном кольцевом участке ДНК. Генетический материал эукариотической клетки на с другой стороны, состоит из нескольких линейных фрагментов ДНК. Точное количество линейных сегментов ДНК варьируется от вида к виду.Как правило, ДНК в эукариотической клетке выглядит как рыхлый клубок пряжи, за исключением деления клетки, когда ДНК плотно связывается в структурах, называемых хромосомами. Мембрана, окружающая ядро ​​эукариотической клетки, распадается во время деления клетки и снова появляется нетронутой в дочерних клетках, по одному ядру в каждой дочерней клетке.

Не только физическая конфигурация ДНК различается в двух типах клеток, но они также различаются количеством наборов генетических инструкций, которые они содержат.Прокариотическая клетка содержит только одно представление генетической информации, необходимой организму; в этом состоянии клетка называется гаплоидной. Напротив, у большинства эукариот на определенном этапе своей жизни имеется два набора генетической информации. Клетки, содержащие два набора генетической информации, называются диплоидными. Некоторые простые эукариоты проходят лишь мимолетную диплоидную стадию, но высшие эукариоты проводят большую часть своей жизни как диплоидные клетки. Многоклеточные организмы могут включать как диплоидные, так и гаплоидные эукариотические клетки.Большинство клеток организма диплоидны. Гаметы — яйца и сперматозоиды — гаплоидные эукариоты. Во время оплодотворения две гаплоидные гаметы сливаются, восстанавливая диплоидное состояние полученного эмбриона. Наличие двух наборов генетической информации дает эукариотам определенные преимущества перед прокариотами, а Возникновение диплоидного государства было важной вехой в эволюции.

Ядро — это один из нескольких специализированных отделов эукариотической клетки. Другие компартменты, называемые органеллами, вмещают несколько других клеточных активностей.Прокариоты не имеют субклеточных компартментов, и это составляет второе важное различие между двумя типами клеток.

Органеллы эукариот включают ограниченные мембраной компартменты, такие как лизосома, высококислотный компартмент, в котором пищеварительные ферменты расщепляют пищу. Эндоплазматический ретикулум — это взаимосвязанная система мембран, в которой синтезируются липиды и химически модифицируются некоторые белки. Эндоплазматический ретикулум сообщается с другой мембранной системой, называемой аппаратом Гольджи, где белки дополнительно обрабатываются и маркируются для транспортировки к различным участкам внутри или вне клетки.Клетки эукариот содержат особые энергетические центры. В клетках животных это митохондрии; В клетках растений есть хлоропласты, а также митохондрии. В митохондриях органические соединения расщепляются с образованием богатой энергией молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ — это своего рода молекулярное топливо, которое при разложении обеспечивает энергию для многих биохимических реакций клетки. АТФ также вырабатывается в хлоропластах растительных клеток, но энергия для его синтеза поступает от солнечного света, в процессе которого также накапливаются углеводы и высвобождается кислород.

Третья отличительная черта между двумя типами ячеек — это то, как ячейка сохраняет свою форму. У клеток, как и у большинства животных, есть скелеты. И, как у многих животных, клеточный скелет может быть как внутренним, так и внешним. Прокариоты имеют внешний скелет; прочная стенка из сшитых молекул сахара и белка окружает клеточную мембрану и становится жесткой под действием тургорного давления клетки. Стена обеспечивает структурную поддержку. Он также непроницаем для многих макромолекул и, таким образом, помогает поддерживать барьер между веществами внутри и снаружи клетки.Такой внешний скелет ограничивает способность прокариотической клетки двигаться. Это также ограничивает коммуникацию между клетками — состояние, которое, вероятно, объясняет значительно сниженную способность прокариот формировать многоклеточные организмы.

Скелет эукариотической клетки внутренний; он образован комплексом белковых канальцев, называемых цитоскелетом. Внутреннее расположение цитоскелета означает, что поверхность, открытая для окружающей среды, представляет собой гибкую мембрану, а не жесткую клеточную стенку.Сочетание внутреннего каркаса и нежесткой внешней мембраны расширяет репертуар движения и активности эукариотической клетки. Например, клетка может сокращаться, как и мышечная клетка. (Клетки большинства высших растений имеют стенку даже более жесткую, чем прокариотическая стенка. Стенки растительных клеток химически и структурно сильно отличаются от прокариотических стенок; по-видимому, они представляют собой более позднюю независимую адаптацию.)

Как это было
Два миллиарда лет назад, до появления первых эукариот, жизнь на Земле сильно отличалась от сегодняшней.Организмы, населявшие Землю, были прокариотами, похожими на современные бактерии. Но в отличие от подавляющего большинства современных организмов, даже современных прокариот, эти первобытные организмы не использовали кислород. Свободного кислорода на изначальной Земле было мало, и самые ранние организмы развили метаболизм, основанный на сере и сероводороде (H ₂ S), а не на кислороде и воде (H ₂ O). Многие из этих организмов были облигатными анаэробами: они не только не могли использовать кислород, но и не могли выжить в его присутствии.

Как эукариотические клетки, а также современные аэробные прокариоты, произошли от этих анаэробных предшественников? Этот вопрос представляет большой интерес из-за важности эукариотической клетки в эволюции сложных живых организмов. Две теории предлагают конкурирующие объяснения. Хотя теории сильно различаются, они не исключают друг друга. Мы можем представить себе сценарий, в котором оба механизма вносят вклад в эволюцию эукариот.

Ты то, что ешь
Первая теория; предложенный Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте и другими, предполагает, что резкое увеличение атмосферного кислорода и переход от анаэроба к аэробу имели первостепенное значение в развитии эукариот.Согласно этой теории, популяция примитивных бактерий приобрела способность к фотосинтезу. Фотосинтезирующие организмы могут использовать энергию света для преобразования углекислого газа в сахар. Затем сахар используется в качестве топлива для производства АТФ, который, в свою очередь, обеспечивает энергию для многих других биохимических процессов. Побочным продуктом фотосинтеза является кислород, и поэтому следствием эволюции фотосинтезирующих бактерий стало резкое увеличение количества кислорода в атмосфере. Растущее изобилие кислорода создает проблему для тех существ, которые не могут использовать его в метаболических процессах.Кислород был токсичен для этих облигатных анаэробов, и их дальнейшее выживание зависело от развития у них способности использовать его или, по крайней мере, терпеть.

Согласно теории Маргулиса, организмы, приспособившиеся к кислороду, сделали это относительно быстро. Маргулис предполагает, что анаэробный организм поглотил меньший аэробный организм, который считается предком митохондрий. Проглоченные аэробы не переваривались, а продолжали жить в своем новом хозяине. Так родилось взаимовыгодное соглашение, в котором маленький аэроб будет преобразовывать кислород в АТФ для энергетической пользы обеих клеток.Таким образом, хозяин стал толерантным к кислороду. В свою очередь, организм-хозяин в конечном итоге выполнял для аэроба другие функции, такие как синтез белка.

Остатки того раннего союза, кажется, живут и сегодня в современных эукариотах. Митохондрии как растительных, так и животных клеток, а также хлоропласты растений обладают многими особенностями, которые позволяют предположить, что они произошли от свободноживущих организмов, подобных бактериям. Обе органеллы имеют собственную ДНК, и обе органеллы реплицируются независимо от деления клеток.

Теория, выдвинутая Маргулисом, постулирует, что другие эукариотические органеллы аналогичным образом произошли от свободноживущих организмов, которые стали симбиотическими с более крупными организмами. Например, жгутик, который помогает продвигать некоторых эукариот своим хлестким движением, мог развиться из примитивного одноклеточного спиралевидного организма, такого как спирохета, который стал ассоциироваться с более крупным хозяином. Термин «серийный эндосимбиоз» используется для описания последовательного включения более мелких клеток в более крупного хозяина на благо обоих организмов.

Из гипотезы эволюции эндосимбиотиков следует два основных вывода. Одним из следствий этого является то, что переход от прокариот к эукариотам был бы относительно быстрым в эволюционной шкале времени. Более того, если эволюция эукариот происходила в результате эндосимбиоза, то первые эукариоты должны были быть аэробными. Анаэробные эукариоты существуют даже сегодня, но эндосимбиотическая теория утверждает, что аэробные эукариоты эволюционировали первыми; некоторые из них потеряли свои митохондрии в результате дальнейшего давления отбора, дав начало анаэробным эукариотам.Оба эти пункта вызвали некоторые противоречия, и мы вернемся к ним позже.

Одним из важных аспектов эукариотических клеток, на который не влияет эндосимбиотический механизм, является происхождение ядра клетки и других мембранно-определяемых систем, таких как эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи. Томас Кавалье-Смит из Университета Британской Колумбии в Ванкувере выдвинул вторую теорию, направленную на изучение происхождения ограниченных мембранами органелл, а также анаэробных и аэробных эукариот.

Кавалье-Смит предполагает, что ранние прокариоты были на пути к превращению в эукариот, когда потеряли способность производить мурамовую кислоту, важный компонент клеточной стенки большинства бактерий. Потеря этого сахара приводит к разрушению жесткой клеточной стенки, в результате чего клетка остается без поддержки. Клетки в этой ситуации уязвимы для внешних атак и рискуют пролить свое содержимое во внеклеточное пространство. Организмы выработали две стратегии борьбы с потерей мурамовой кислоты и, таким образом, разделились на две последовательные линии происхождения.Новая группа прокариот, теперь называемая архебактериями, разработала новый тип жесткой клеточной стенки, построенной без мурамовой кислоты. Клетки, у которых не развился новый тип стенок, развили внутренний белковый скелет; то есть цитоскелет. По словам Кавалье-Смита, именно здесь и зародился современный эукариот.

В схеме Кавалье-Смита ключевым шагом в эволюции эукариот является развитие цитоскелета. Поскольку структурная целостность клетки поддерживается цитоскелетом, клетка может позволить себе иметь жидкую внешнюю мембрану.Повышенная текучесть внешней мембраны позволила развить два механизма, называемых эндоцитозом и экзоцитозом, которые подготовили почву для всех последующих этапов эволюции эукариот.

Эндоцитоз и экзоцитоз — это взаимодополняющие процессы, при которых вещества могут проникать (эндоцитоз) или выходить (экзоцитоз) из клетки через мембранные везикулы. При эндоцитозе поступающий материал попадает в клетку в пузырьке, образованном инвагинацией небольшого сегмента внешней мембраны; инвагинация отщипывается и закрывается, образуя пузырек, который переносит его содержимое внутрь клетки.В процессе, обратном экзоцитозу, частицы покидают клетку, когда мембрана везикулы, в которой они находятся, сливается с внешней клеточной мембраной. В этом случае содержимое пузырька выходит во внеклеточное пространство. Инвагинации внешней мембраны могли дать начало внутренним мембранным структурам эукариот, таким как ядро ​​клетки, эндоплазматический ретикулум и лизосомы. Второе следствие повышенной текучести клеточной мембраны состоит в том, что она улучшает связь между клетками, что позволяет эукариотам образовывать многоклеточные организмы.

В рамках парадигмы Кавалье-Смита некоторые из различных органелл, включая ядро, эволюционировали до того, как появилась способность использовать кислород. Если этот сценарий верен, первые эукариоты были бы анаэробными. Позже эти примитивные анаэробы могли проглотить свободноживущие, потребляющие кислород организм через эндосимбиоз, чтобы дать начало аэробным эукариотам.

Ученые часто обращаются к летописи окаменелостей при рассмотрении вопросов эволюции. В этом отношении запись, по-видимому, поддерживает некоторые идеи Кавалье-Смита.Прокариотические клетки существовали на Земле 3,5–4 миллиарда лет назад, а эукариотические клетки появились только 1,4–1,5 миллиарда лет назад. Однако эукариотические клетки, содержащие митохондрии и потребляющие кислород, не наблюдались вплоть до 850 миллионов лет назад. Данные из летописи окаменелостей подтверждают идею о том, что примитивные анаэробные эукариоты произошли от прокариот, а затем дали начало более сложным аэробным эукариотам. Эта теория получила бы еще большее доверие, если бы подходящий анаэробный эукариот мог быть идентифицирован, и это действительно так.

Недостающее звено
В 1987 году Кавалье-Смит предположил, что одноклеточный анаэробный эукариот Giardia lamblia на самом деле может быть недостающим звеном. Giardia , предположил он, может быть анаэробным эукариотом, который проглотил бактерии, потребляющие кислород; этот союз мог дать первый аэробный эукариот, от которого, возможно, произошли все остальные. Он основал свое предсказание на анализе типов и структур органелл лямблий .Одним из важных наблюдений является то, что Giardia не имеет митохондрий и является облигатным анаэробом. В подтверждение этого предположения, эксперименты, в которых Giardia проглотили молекулу-маркер, видимую на электронных микрофотографиях, показывают, что организм способен эндоцитозировать частицы из внеклеточного пространства. Космос. Вполне возможно, что Giardia могли аналогичным образом поглотить митохондрионоподобный организм.

В 1989 году один из нас (Торти) был частью команды, которая обнаружила молекулярно-биологические доказательства в поддержку того, что Кавалье-Смит поместил Giardia на эволюционное древо.В этой работе использовалась очень консервативная природа рибосомы, структуры, на которой синтезируются белки. Рибосомы встречаются во всех известных клетках — как прокариотических, так и эукариотических. Составляющие их РНК и белковые молекулы собраны и сложены, чтобы создать характерную форму. С течением времени молекулы, составляющие рибосому, претерпели относительно небольшие изменения. В результате прокариотические и эукариотические рибосомы довольно похожи. Консервативный характер этих молекул и их повсеместное распространение делают их чрезвычайно полезными для определения эволюционных расстояний между организмами.Сравнение последовательности нуклеотидов в рибосомной РНК показывает, насколько молекула изменилась в процессе эволюции от одного организма к другому.

Считается, что изменение зависит от времени. Если между появлением организмов проходит много времени, существует больше возможностей для изменения последовательностей их нуклеиновых кислот и белков. Если два организма развиваются за более короткий промежуток времени, существует меньше возможностей для изменения последовательностей. Анализируя нуклеотидные последовательности рибосомных РНК от разных организмов и определяя степень сходства или различия между этими РНК, мы можем прийти к некоторым выводам о том, насколько близко или отдаленно связаны эти организмы.С помощью компьютера последовательности могут быть организованы в филогенетическое дерево, порядок ветвления которого указывает вероятный порядок, в котором организмы отклонились от некоторого общего предка. Такие филогенетические деревья могут помочь уточнить порядок ветвления между прокариотами и эукариотами и оценить, какой организм представляет самую раннюю линию спуск среди эукариот.

Команда, в которую входил один из нас, построила эволюционное дерево, сравнив аналогичные сегменты одного типа рибосомной РНК из 54 организмов, представляющих все уровни эволюции.С помощью этого метода мы обнаружили, что Giardia lamblia имеет последовательность рибосомной РНК, которая очень близка к последовательности прокариотических клеток. Эта рибосомная РНК Giardia имеет большую часть своей последовательности с прокариотами, чем соответствующая РНК любого другого эукариота. Таким образом, Giardia эволюционно ближе к прокариотам, чем другие эукариоты, и мы можем считать, что это означает, что Giardia является членом самой ранней возникающей эукариотической линии.

Учитывая, что Giardia лишена митохондрий и обязательно анаэробна, ее филогенетическое положение обеспечивает убедительное доказательство гипотезы Кавалье-Смита о том, что анаэробные эукариоты предшествовали аэробам.В то же время это свидетельство противоречит позиции Маргулиса о том, что эукариоты эволюционировали в ответ на накопление кислорода на примитивной земле. Способность использовать кислород, по-видимому, возникла позже, а не раньше, в процессе перехода от прокариот к эукариотам.

Ценные уроки
Установив, что Giardia занимает важное место в процессе перехода от прокариот к эукариотам, мы были заинтересованы в изучении аспектов ее жизненной истории, чтобы увидеть, что мы можем узнать о ранних эукариотах.Но интерес к этому организму возник еще до открытия его места на эволюционном древе. Лямблии , одноклеточный организм, является основным кишечным паразитом, способным инфицировать множество видов, включая человека. Паразит встречается как в развитых, так и в слаборазвитых странах и вызывает диарею, спазмы в животе, недомогание и потерю веса. В связи с широким распространением и потенциальной серьезностью инфекций, Giardia уже некоторое время представляет интерес для паразитологов и эпидемиологов.

В жизненном цикле Giardia есть две фазы: трофозоиты и цисты. Каждая киста содержит по два трофозоита. Кисты обнаруживаются в кале инфицированных животных. Зараженные фекалии могут загрязнять источники воды, где другие животные могут проглотить цисты. Внутри желудка цисты подвергаются воздействию пищеварительных кислот, которые вызывают высвобождение трофозоитов. После выхода трофозоит прикрепляется к клеткам верхнего отдела кишечника с помощью диска на вентральной поверхности паразита.Паразиты Считается, что какое-то время они остаются в верхнем отделе кишечника, где они питаются и размножаются. Когда они продвигаются дальше по кишечному тракту в тонкую или толстую кишку, трофозоиты образуют цисты. Затем эти кисты выводятся, и цикл повторяется. Поскольку Giardia потенциально может инфицировать ряд видов, возможности передачи значительны.

Трофозоит Giardia лишен многих субклеточных органелл, характерных для высших аэробных эукариот.Как упоминалось ранее, в нем нет митохондрий. У него также нет очевидного аппарата Гольджи. Некоторые исследователи сообщают о примитивном эндоплазматическом ретикулуме, но это утверждение еще не получило биохимической поддержки. Giardia имеет внутренний цитоскелет, а также лизосомы, содержащие пищеварительные ферменты. Его генетический материал заключен в закрытые мембраной отсеки. В нашей лаборатории проводятся исследования с использованием этих трофозоитов, изящных, каплевидных клеток с четырьмя парами жгутиков.

Из всех клеточных особенностей трофозоита наиболее загадочным и интригующим является то, что Giardia имеет не одно ядро, а два ядра. Кроме того, эти ядра равны по размеру. Мы предприняли исследование дуальных ядер в надежде внести свой вклад в более полное понимание эволюции высшие эукариотические клетки.

Два ядра лямблий
Наличие нескольких ядер не является уникальным для Giardia .Несколько других одноклеточных эукариот также имеют более одного ядра, но только Giardia и несколько близкородственных организмов, составляющих группу, называемую дипломатонадами, имеют ровно два ядра одинакового размера. В свете эволюционно значимого положения, которое занимает Giardia , мы очень хотели понять важность этой необычной ядерной конфигурации. Мы пытались выяснить структурный и функциональный вклад этих двух ядер.

Недавно мы показали, что два ядра не только равны по размеру, но и содержат одинаковое количество ДНК.Кроме того, используя методы, позволяющие увидеть ДНК и РНК нуклеиновых кислот под микроскопом, мы продемонстрировали, что каждое ядро ​​содержит четыре основные хромосомы.

Тогда нам было любопытно узнать, кодирует ли ДНК в каждом ядре одну и ту же информацию. Поскольку мы знаем последовательность одной рибосомной РНК в клетке и знаем, что матрица для этой РНК заархивирована в ДНК, мы исследовали ДНК в каждом ядре, чтобы увидеть, содержит ли каждое из них эту рибосомную последовательность.Мы обнаружили, что каждое ядро ​​действительно содержало последовательности, определяющие эту рибосомную РНК.

Простое присутствие последовательности в каждом ядре, однако, не обязательно означает, что каждое из них используется в качестве матрицы для рибосомальной РНК. Таким образом, мы стремились установить, могла ли рибосомная РНК в клетке происходить из ДНК в любом ядре. Мы пометили все возникающие РНК радиоактивной меткой и обнаружили радиоактивную РНК, выходящую из обоих ядер. Поскольку рибосомная РНК является наиболее распространенным видом РНК, мы можем сделать вывод, что она копировалась из матриц ДНК в обоих ядрах.Это говорит о том, что ДНК в обоих ядрах функционально эквивалентна и с одинаковой вероятностью может служить матрицей для рибосомной РНК, которая пробивается из ядра в цитоплазму.

Дополнительные исследования, проведенные на других многоядерных клетках, показывают, что ДНК в них не является функционально эквивалентной. Например, у двух хорошо изученных одноклеточных организмов, Tetrahymena и Paramecium , есть ядра неодинакового размера. Tetrahymena имеет одно большое ядро ​​и одно маленькое ядро.Меньшее ядро ​​содержит две копии генома и поэтому является диплоидным. ДНК в этом микроядре не используется в качестве матрицы, а передается клеткам потомства. Маленькое ядро ​​затем развивается в большое ядро, и только тогда его ДНК принимает на себя роль матрицы. Paramecium имеет большое ядро ​​и два маленьких диплоидных ядра, которые также передаются только будущим поколениям.

Поскольку расположение ядер в Giardia аномально даже среди многоядерных клеток, возникает вопрос: каково возможное эволюционное значение двух ядер равного размера Giardia и их содержимого? Мы уже отметили, что мы обнаруживаем четыре основные хромосомы в каждом ядре, а другие сообщали, что в организме имеется от четырех до пяти основных хромосом.Было определено количество ДНК в каждой клетке и ее сложность. Взятые вместе, эти данные и другие эксперименты предполагают, что каждое ядро ​​ Giardia является гаплоидным; то есть каждый содержит единственное представление генетической информации организма. Следовательно, весь трофозоит, содержащий два ядра, будет диплоидным.

Диплоидное состояние может быть очень выгодным, и большинство высокоразвитых сложных организмов приняли это расположение. Если клетка имеет только одну копию генетической информации, любое изменение или мутация этой информации может привести к нефункциональным белкам с ужасными и, возможно, летальными последствиями для клетки.Но если в ячейке есть два набора инструкций, и один из них становится нефункциональным, второй набор может служить резервным и может компенсировать потерю первого. Более того, если сегмент первого набора претерпевает мутацию, которая обеспечивает новую полезную функцию, другая копия все еще может выполнять исходную функцию. Имея только один набор инструкций, организм рискует потерять существующую функцию, чтобы обрести новую. Опять же, это может в конечном итоге привести к гибели клетки. Преимущество диплоидного организма заключается в том, что он сохраняет старое и развивает новые полезные функции.

Предполагаемая гаплоидия каждого из ядер Giardia интригует с точки зрения эволюционной важности организма. Вполне возможно, что одно гаплоидное ядро ​​дало начало второму идентичному ядро, тем самым давая всему организму различные преимущества диплоидного состояния. Позже в эволюции два гаплоидных ядра могли слиться, чтобы образовать единственное диплоидное ядро, характерное для большинства высших эукариот. Этот гипотетический сценарий объясняет переход гаплоидного прокариота в диплоидный эукариот.Он также предсказывает, что высшие эукариоты, содержащие одно диплоидное ядро, являются эволюционными потомками двухъядерного эукариота.

Библиография

Альбертс, Б., Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рафф, К. Робертс и Дж. Д. Уотсон. 1989. Молекулярная биология сотовый. Второе издание. Гарланд Паблишинг, Инк. Нью-Йорк.

Бокман Д. Э. и У. Б. Виборн. 1968. Электронно-микроскопическая локализация экзогенного ферритина в вакуолях Giardia muris .Журнал протозоологии 15: 26-30.

Бутройд, Дж. К., А. Ван, Д. А. Кэмпбелл и К. К. Ван. 1987. Необычно компактный повтор рибосомной ДНК у простейших Giardia lamblia . Исследование нуклеиновых кислот 15: 4065-4084.

Кавальер-Смит, Т. 1975. Происхождение ядер и эукариотических клеток. Природа 256: 463-468.

Кавальер-Смит Т. 1981. Происхождение и ранняя эволюция эукариотической клетки. Симпозиумы Общества общей микробиологии 32: 33-84.

Кавальер-Смит, Т. 1987a. Эукариоты без митохондрий. Nature 326: 332-333.

Кавальер-Смит, Т. 1987b. Происхождение клеток эукариотов и архебактерий. Анналы Нью-Йоркской академии наук 503: 17-54.

Кавальер-Смит Т. 1988. Происхождение ядра клетки. BioEssays 9: 72-78.

Кавальер-Смит, Т. 1989. Архебактерии и архезоа. Природа 339: 100-101.

Дулиттл, В. Ф. 1988. Бактериальная эволюция. Канадский журнал микробиологии.34: 547-551.

Дайер, Б. Д. и Р. Обар, ред. 1985. Происхождение эукариотических клеток. Van Nostrand Reinhold Co., Нью-Йорк.

Feely, D. E. 1985 Гистохимическая локализация кислой фосфатазы в Giardia . Анатомические записи 202: 54A

Друг, Д. С. 1966. Тонкая структура Giardia muris . Журнал клеточной биологии 29: 317-332.

Halvorson, H. 0., and A. Monroy, eds. 1984. Происхождение и эволюция пола. MBL Лекции по биологии.Том 7. Алан Р. Лисс, Inc. Нью-Йорк.

Kabnick, K. S., and D. A. Peattie. 1990. Анализ in situ показывает, что два ядра лямблий lamblia эквивалентны. Журнал клеточной науки 95: 353-360.

Линдмарк Д. Г. 1988. Giardia lamblia : Локализация гидролазной активности в лизосомоподобных органеллах трофозоитов. Экспериментальная паразитология 65: 141-147.

Маргулис Л., 1981. Симбиоз в эволюции клетки. Жизнь и ее окружение на ранней Земле.W. Х. Фриман и Ко. Нью-Йорк. Маргулис, Л. и Д. Саган. 1986. Микрокосмос. Книги Саммита, Нью-Йорк.

Неманич, П. К., Р. Л. Оуэн, Д. П. Стивенс и Дж. К. Мюллер. 1979. Ультраструктурные наблюдения лямблиоза на мышиной модели. II Эндосимбиоз и распределение органелл у Giardia muris и Giardia lamblia . Журнал инфекционных болезней 140: 222-228.

Preer, J. R., Jr. 1989. Обновление молекулярной генетики Paramecium. Журнал протозоологии 36: 182-184.

Прескотт Д. М. и Г. Э. Стоун. 1967. Репликация и функции в ядре простейших. В «Исследования в протозоологии», т. 2. (Т.- Т. Чен, ред.), Стр. 117-146. Pergamon Press, Нью-Йорк.

Робертс-Томпсон, И.С. 1984. Лямблиоз. В области тропической и географической медицины, К. С. Уоррен и А. А. Ф. Махмуд, ред., МакГроу-Хилл, Нью-Йорк. С. 319-325.

Саган Л. 1967. О происхождении митозирующих клеток. Журнал теоретической биологии 14: 225-274.

Ши, М.-C., П. Генрих и Х. М. Гудман. 1988. Существование интронов предшествовало расхождению эукариот и прокариот. Наука 242: 1164-1166.

Согин М. Л., Дж. Х. Гандерсон, Х. Дж. Элвуд, Р. А. Алонсо и Д. А. Питти. 1989. Филогенетическое значение концепции царства: необычная рибосомная РНК из Giardia lamblia . Наука 243: 75-77.

Sonneborn, T. M.1974a. Tetrahymena pyriformis . В Справочнике по генетике, т. 2: Растения, Завод Вирусы и протисты (Р.К. Кинг, изд.), Стр. 433-467. Пленум Пресс, Нью-Йорк.

Соннеборн, Т. М. 1974b. Paramecium aurelia . В Справочнике по генетике, т. 2: Растения, вирусы растений и простейшие (Р. К. Кинг, ред.), Стр. 469-594. Пленум Пресс, Нью-Йорк.

Вайзехан, Г. П., Э. Дж. Джарролл, Д. Г. Линдмарк, Э. А. Мейер и Л. М. Халлик. 1984. Лямблии lamblia : авторадиографический анализ репликации ядер. Экспериментальная паразитология 58: 94-100.

Вёзе, К.Р. 1987. Бактериальная эволюция. Microbiological Reviews 51: 221-271.

Вудард, Дж., Э. Канеширо и М. А. Горовский. 1972. Цитохимические исследования по проблеме. микроядер в Tetrahymena . Генетика 70: ​​251-260.

Яо, М.-К., и М.А. Горовский. 1974. Сравнение последовательностей макро- и микроядерной ДНК Tetrahymena pyriformis . Хромосома 48: 1-18.

Карен Кабник получила степень доктора философии. в биологии из MlT.В настоящее время она работает с Деброй Питти в качестве научного сотрудника Гарвардской школы общественного здравоохранения. Кроме того, она преподает клеточную биологию в отделе непрерывного образования Гарвардского университета.
Дебра Питти — адъюнкт-профессор в Департаменте тропического здравоохранения Гарвардской школы общественного здравоохранения и научный сотрудник Vertex Pharmaceuticals Incorporated в Кембридже, штат Массачусетс. Она получила степень бакалавра искусств. по химии в колледже Холлинз, штат Вирджиния, и защитил докторскую диссертацию.Доктор биохимии и молекулярной биологии Гарвардского университета. Она рада, что Giardia lamblia занимает значительную нишу в биологической эволюции, и очень рада, что никогда не страдала от лямблиоза.

Прокариотические клетки: определение, структура, функции (с примерами)

Ученые считают, что прокариотические клетки были одними из первых форм жизни на Земле. Этих клеток все еще много, и их можно разделить на бактерии и археи.

Классическим примером прокариотической клетки является Escherichia coli (E.coli) .

Прокариотические клетки имеют фундаментальное значение для усвоения клеточной биологии в средней школе. Читайте дальше, чтобы узнать о различных клеточных компонентах прокариот.

Что такое прокариоты?

Прокариоты, как правило, представляют собой простые одноклеточные организмы без мембраносвязанных органелл или ядра. Эти структуры есть у эукариот.

Миллиарды лет назад прокариоты могли развиться из связанных с мембраной органических молекул, названных протобионтами .Возможно, они были первыми формами жизни на планете.

(Обратите внимание, что когда вы пишете о доменах, имена должны быть заглавными. Однако вы можете оставить их в нижнем регистре, когда пишете о двух группах в целом.)

Обе группы состоят из небольших одноклеточных организмов, но между ними есть различия. У бактерий есть пептидогликаны в клеточных стенках, а у архей нет. Кроме того, у бактерий есть жирные кислоты в липидах плазматической мембраны, в то время как у архей групп фитанила .

Некоторые примеры распространенных бактерий включают E. coli и Staphylococcus aureus (более известные как стафилококк). Соляные галофилы — пример архей.

Бактерии: основы

Бактерии — это один из двух доменов, из которых состоят прокариотические клетки. Они представляют собой разнообразные формы жизни и воспроизводятся путем деления на две части.

Существует три основных формы бактериальных клеток: кокков , бацилл и спириллы .Кокки — это бактерии овальной или сферической формы, бациллы — палочковидные, а спириллы — спиралевидные.

Бактерии играют важную роль в болезнях и здоровье человека. Некоторые из этих микробов, например Staphylococcus aureus , могут вызывать инфекции у людей. Однако полезны и другие бактерии, такие как Lactobacillus acidophilus , которые помогают вашему организму расщеплять лактозу, содержащуюся в молочных продуктах.

Археи: основы

Первоначально классифицированные как древние бактерии и называемые «археобактериями», археи теперь имеют свои собственные владения.Многие виды архей являются экстремофилами и живут в экстремальных условиях, таких как кипящие горячие источники или кислая вода, которые бактерии не переносят.

Некоторые примеры включают гипертермофилы, которые существуют при температурах выше 176 градусов по Фаренгейту (80 градусов по Цельсию), и галофилы, которые могут жить в солевых растворах, диапазон которых составляет от 10 до 30 процентов. Стенки клеток у архей обеспечивают защиту и позволяют им жить в экстремальных условиях.

Археи бывают разных форм и размеров, от стержней до спиралей.Некоторые аспекты поведения архей, такие как размножение, похожи на бактерии. Однако другие формы поведения, такие как экспрессия генов, напоминают эукариотические.

Как прокариоты размножаются?

Прокариоты могут размножаться несколькими способами. Основные типы воспроизводства включают почкование, двойное деление и фрагментацию. Хотя у некоторых бактерий есть споры, это не считается размножением, потому что в результате этого процесса не образуется потомство.

Бутонирование происходит, когда клетка образует бутон, который выглядит как пузырь.Бутон продолжает расти, пока он прикреплен к родительской клетке. В конце концов почка отламывается от родительской клетки.

Бинарное деление происходит, когда клетка разделяется на две идентичные дочерние клетки. Фрагментация происходит, когда ячейка распадается на мелкие части или фрагменты, и каждая часть становится новой ячейкой.

Что такое двоичное деление?

Бинарное деление — распространенный тип воспроизводства в прокариотических клетках. Процесс включает разделение родительской ячейки на две идентичные ячейки.Первый шаг в бинарном делении — это копирование ДНК. Затем новая ДНК перемещается на противоположный конец клетки.

Далее клетка начинает расти и расширяться. В конце концов, в середине образуется септальное кольцо , которое разделяет ячейку на две части. В результате получились две идентичные клетки.

Когда вы сравниваете бинарное деление с делением клеток в эукариотических клетках, вы можете заметить некоторые небольшие сходства. Например, как митоз, так и бинарное деление создают идентичные дочерние клетки.Оба процесса также включают дублирование ДНК.

Структура прокариотических клеток

Клеточная структура прокариот может варьироваться, но большинство организмов имеет несколько основных компонентов. Прокариоты имеют клеточную мембрану или плазматическую мембрану , которая действует как защитная оболочка. Они также имеют жесткую стенку ячейки для дополнительной поддержки и защиты.

Прокариотические клетки содержат рибосом , которые представляют собой молекулы, которые производят белки.Их генетический материал находится в нуклеоиде , в области, где живет ДНК. Дополнительные кольца ДНК, называемые плазмидами , плавают вокруг цитоплазмы . Важно отметить, что у прокариот нет ядерной мембраны.

В дополнение к этим внутренним структурам некоторые прокариотические клетки имеют пилус или жгутик , чтобы помочь им двигаться. Пилус представляет собой волосовидный внешний элемент, а жгутик — это внешний элемент, напоминающий хлыст.У некоторых прокариот, таких как бактерии, есть капсула за пределами клеточных стенок. Запасы питательных веществ также могут варьироваться, но многие прокариоты используют накопительные гранулы в своей цитоплазме.

Генетическая информация прокариот

Генетическая информация прокариот существует внутри нуклеоида. В отличие от эукариот, прокариоты не имеют ядра, связанного с мембраной. Вместо этого кольцевые молекулы ДНК живут в области цитоплазмы. Например, круговая бактериальная хромосома представляет собой одну большую петлю, а не отдельные хромосомы.

Синтез ДНК у бактерий начинается с инициации репликации определенной нуклеотидной последовательности. Затем происходит удлинение для добавления новых нуклеотидов. Затем завершение происходит после образования новой хромосомы.

Экспрессия гена у прокариот

У прокариот экспрессия гена происходит по-другому. И бактерии, и археи могут иметь транскрипцию и трансляцию одновременно.

Это означает, что клетки могут производить аминокислот , которые являются строительными блоками белков, в любое время.

Прокариотическая клеточная стенка

Клеточная стенка прокариот выполняет несколько задач. Он защищает клетку и предлагает поддержку. Кроме того, он помогает клетке сохранять форму и не дает ей разорваться. Общая структура клеточной стенки, расположенной за пределами плазматической мембраны, более сложна, чем у растений.

У бактерий клеточная стенка состоит из пептидогликана или муреина , который состоит из полисахаридных цепей.Однако клеточные стенки у грамположительных и грамотрицательных бактерий различаются.

Грамположительные бактерии имеют толстую клеточную стенку, а грамотрицательные — тонкую. Поскольку их стенки тонкие, грамотрицательные бактерии имеют дополнительный слой липополисахаридов.

Антибиотики и другие лекарства могут воздействовать на клеточные стенки бактерий, не причиняя вреда человеку, поскольку у людей нет таких стенок в своих клетках. Однако у некоторых бактерий развивается устойчивость к антибиотикам, и лекарства перестают быть эффективными.

Устойчивость к антибиотикам возникает, когда бактерии развиваются, и те, у кого есть мутации, которые позволяют им выжить, лекарства могут размножаться.

Хранение питательных веществ в прокариотах

Хранение питательных веществ важно для прокариот, потому что некоторые из них существуют в средах, которые затрудняют постоянное снабжение кормов. Прокариоты разработали особые структуры для хранения питательных веществ.

Вакуоли действуют как пузырьки для хранения пищи или питательных веществ.Бактерии также могут иметь включений , которые являются структурами для сохранения запасов гликогена или крахмалов. Микрокомпартменты прокариот имеют белковые оболочки и могут содержать ферменты или белки. Существуют специализированные типы микрокомпартментов, такие как магнитосомы и карбоксисомы .

Что такое устойчивость к антибиотикам?

Во всем мире растет беспокойство по поводу устойчивости к антибиотикам. Устойчивость к антибиотикам возникает, когда бактерии могут развиваться и больше не реагируют на лекарства, которые ранее их уничтожили.Это означает, что люди, принимающие антибиотики, не смогут убить бактерии внутри своего тела.

Естественный отбор способствует повышению устойчивости бактерий. Например, у некоторых бактерий есть случайные мутации, которые позволяют им сопротивляться антибиотикам. Когда вы принимаете лекарство, оно не действует на эти устойчивые бактерии. Затем эти бактерии могут расти и размножаться.

Они также могут придавать устойчивость другим бактериям, разделяя гены, создавая супербактерии, которые трудно лечить.Метициллин-устойчивый Staphylococcus aureus (MRSA) является примером супербактерии, устойчивой к антибиотикам.

Репликация ДНК происходит быстрее у прокариот, чем у эукариот, поэтому бактерии могут размножаться гораздо быстрее, чем люди. Отсутствие контрольных точек во время репликации у бактерий по сравнению с эукариотами также допускает более случайные мутации. Все эти факторы способствуют устойчивости к антибиотикам.

Пробиотики и дружественные бактерии

Хотя бактерии часто вызывают болезни человека, люди также имеют симбиотические отношения с некоторыми микробами.Полезные бактерии важны для здоровья кожи, полости рта и пищеварения.

Например, бифидобактерий живут в вашем кишечнике и помогают вам расщеплять пищу. Они являются важнейшими составляющими здорового кишечника.

Пребиотики — это продукты, которые помогают микрофлоре кишечника. Некоторые распространенные примеры включают чеснок, лук, лук-порей, бананы, зелень одуванчика и спаржу. Пребиотики содержат клетчатку и питательные вещества, необходимые для роста полезных кишечных бактерий.

С другой стороны, пробиотики — это живые бактерии, которые могут помочь вашему пищеварению.Вы также можете найти пробиотические организмы в таких продуктах, как йогурт или кимчи.

Перенос генов у прокариот

Существует три основных типа переноса генов у прокариот: трансдукция, конъюгация и трансформация. Трансдукция — это горизонтальный перенос генов, который происходит, когда вирус помогает переносить ДНК от одной бактерии к другой.

Конъюгация включает временное слияние микробов для переноса ДНК. В этом процессе обычно участвует пилус. Трансформация происходит, когда прокариот забирает фрагменты ДНК из окружающей среды.

Перенос генов важен для лечения болезней, потому что он позволяет микробам обмениваться ДНК и становиться устойчивыми к лекарствам. Например, бактерии, устойчивые к антибиотикам, могут иметь общие гены с другими бактериями. Вы можете столкнуться с передачей генов среди микробов на уроках естествознания, особенно в лабораториях колледжа, потому что это важно для научных исследований.

Метаболизм прокариот

Метаболизм у прокариот варьируется в большей степени, чем у эукариот.Это позволяет прокариотам, подобным экстремофилам, жить в экстремальных условиях. Некоторые организмы используют фотосинтез, но другие могут получать энергию из неорганического топлива.

Прокариоты можно разделить на автотрофов и гетеротрофов . Автотрофы получают углерод из углекислого газа и делают свою собственную органическую пищу из неорганических материалов, но гетеротрофы получают углерод из других живых существ и не могут производить свою собственную органическую пищу.

Основными типами автотрофов являются фототрофов , литотрофов и органотрофов .Фототрофы используют фотосинтез для получения энергии и производства топлива. Однако не все они производят кислород, как клетки растений.

Цианобактерии — пример фототрофов. Литотрофы используют неорганические молекулы в качестве пищи, и они обычно полагаются на камни в качестве источника. Однако литотрофы не могут получать углерод из горных пород, поэтому им нужен воздух или другое вещество, содержащее этот элемент. Органотрофы используют органические соединения для получения питательных веществ.

Прокариоты и эукариоты

Прокариоты и эукариоты не одно и то же, потому что типы клеток, которые у них есть, сильно различаются.Прокариоты не имеют мембраносвязанных органелл и ядер, которые есть у эукариот; их ДНК плавает внутри цитоплазмы.

Кроме того, прокариоты имеют меньшую площадь поверхности по сравнению с эукариотами. Более того, прокариоты одноклеточные, несмотря на то, что некоторые организмы способны объединяться с образованием колоний.

Прокариотические клетки менее организованы, чем эукариотические клетки. Также существуют различия в уровнях регуляции, например, роста клеток у прокариот. Вы можете увидеть это по частоте мутаций бактерий, потому что меньшее количество правил допускает быстрые мутации и размножение.

Поскольку прокариоты не имеют органелл, их метаболизм отличается и менее эффективен. Это не дает им вырасти до больших размеров и иногда ограничивает их способность к размножению. Тем не менее прокариоты — важная часть всех экосистем. Эти маленькие организмы имеют большое значение и могут сильно повлиять на вас — от здоровья человека до научных исследований.

Клетки — Структура и функции прокариотических клеток

Структура и функции прокариотических клеток

Подавляющее большинство клеток на Земле прокариотических , поэтому мы в меньшинстве.Вы чувствуете себя в меньшинстве?

Если бы прокариоты не были такими уродливыми, они были бы милыми:

Есть два основных вида прокариот:

• Бактерии (единственное «бактерия»)
• Археи (единственное «археи»)

Как вы, возможно, читали ранее в этом разделе, теперь биологи подсчитали, что каждый человек несет в своем теле почти на , в 20 раз на больше бактериальных или прокариотических клеток, чем человеческих или эукариотических клеток.Если эта статистика ошеломляет вас, будьте уверены, что большинство этих бактерий пытаются помочь вам, а не навредить вам.

В количественном отношении прокариотических клеток на Земле в 20 раз больше, чем эукариотических клеток. Однако это лишь минимальная оценка, поскольку существуют триллионы и триллионы бактериальных клеток, не связанных с эукариотическими организмами.

Кроме того, все археи тоже прокариотические. Как и в случае с бактериями, неизвестно, сколько клеток архей находится на Земле, но это число наверняка будет астрономическим.В целом эукариотические клетки составляют лишь очень небольшую часть от общего числа клеток на Земле. Итак … кто снова управляет этим местом?

Есть четыре основные структуры, общие для всех прокариотических клеток, бактериальных или архей:

1. Плазматическая мембрана
2. Цитоплазма
3. Рибосомы
4. Генетический материал (ДНК и РНК)

Некоторые прокариотические клетки также имеют другие структуры, например клеточная стенка , пили (единственное «пилюль») и жгутиков (единственное «жгутик»).Каждая из этих структур и клеточных компонентов играет решающую роль в росте, выживании и воспроизводстве прокариотических клеток.

Прокариотическая плазменная мембрана

Прокариотические клетки могут иметь несколько плазматических мембран . Прокариоты, известные как « грамотрицательные бактерии », например, часто имеют две плазматические мембраны с пространством между ними, известным как периплазма . Как и во всех клетках, плазматическая мембрана в прокариотических клетках отвечает за контроль того, что попадает в клетку и выходит из нее.

Ряд белков, застрявших в мембране (бедняги), также помогает прокариотическим клеткам общаться с окружающей средой. Среди прочего, это общение может включать отправку и получение химических сигналов от других бактерий и взаимодействие с клетками эукариотических организмов в процессе заражения . Между прочим, инфекция — это такая вещь, которую вы, , не хотите, чтобы прокариоты с вами делали.

Имейте в виду, что плазматическая мембрана универсальна для всех клеток , прокариотических и эукариотических.Поскольку этот сотовый компонент настолько важен и так распространен, он подробно рассматривается в отдельном подразделе «Подробно».

Прокариотическая цитоплазма

Цитоплазма в прокариотических клетках представляет собой гелеобразное, но жидкое вещество, в котором взвешены все другие клеточные компоненты. Подумайте о желе для клеток. Он очень похож на цитоплазму эукариот , за исключением того, что не содержит органеллы.

Недавно биологи обнаружили, что прокариотические клетки имеют сложный и функциональный цитоскелет , подобный тому, который наблюдается в эукариотических клетках ² .Цитоскелет помогает прокариотической клетке делиться и сохранять пухлую круглую форму. Как и в случае с эукариотическими клетками, цитоскелет — это каркас, по которому движутся частицы в клетке, включая белки, рибосомы и небольшие кольца ДНК, называемые плазмидами. Это «система шоссе» клетки, приостановленная в Jell-O.

Прокариотические рибосомы

Прокариотические рибосомы меньше по размеру и имеют несколько иную форму и состав, чем те, что содержатся в эукариотических клетках.Бактериальные рибосомы, например, содержат примерно половину количества рибосомных РНК (рРНК) и на треть меньше рибосомных белков (53 против ~ 83), чем эукариотические рибосомы ³ . Несмотря на эти различия, функция прокариотической рибосомы практически идентична эукариотической версии. Как и в эукариотических клетках, прокариотические рибосомы строят белки, транслируя сообщения, отправленные из ДНК.

Прокариотический генетический материал

Все прокариотические клетки содержат большие количества генетического материала в форме ДНК и РНК .Поскольку прокариотические клетки по определению не имеют ядра , а не , в цитоплазме обнаруживается одна большая кольцевая цепь ДНК, содержащая большинство генов, необходимых для роста, выживания и размножения клеток.

Эта хромосомная ДНК имеет тенденцию выглядеть как беспорядок из ниток в середине клетки:

Изображение трансмиссионной электронной микрофотографии (Источник)

Обычно ДНК распространяется по всей клетке, где она легко может быть доступны для транскрипции в матричную РНК (мРНК) , которая немедленно транслируется рибосомами в белок.Иногда, когда биологи готовят прокариотические клетки для просмотра под микроскопом, ДНК конденсируется в одной части клетки, образуя затемненную область, называемую нуклеоидом .

Как и в эукариотических клетках, прокариотическая хромосома тесно связана со специальными белками, участвующими в поддержании хромосомной структуры и регуляции экспрессии генов.