Будова клітин прокаріотів і еукаріотів

О.Д. Лопіна

Забудовою клітини живі організми ділять на прокаріотів і еукаріотів. Клітини і тих і іншихоточені плазматичною мембраною, зовні від якої у багатьох випадках єклітинна стінка. Усередині клітини знаходиться напіврідка цитоплазма. Однак клітинипрокариот влаштовані значно простіше, ніж клітини еукаріотів.

Рис.1. Будова клітини прокаріотів

Основнийгенетичний матеріал прокаріотів (від грец. про - до і каріон - ядро) знаходиться вцитоплазмі у вигляді кільцевої молекули ДНК. Ця молекула (нуклеоїд) не оточенаядерною оболонкою, характерної для еукаріот, і прикріплюється до плазматичноїмембрані (рис.1). Таким чином, прокаріоти не мають оформленого ядра. Крімнуклеоида в прокариотической клітці часто зустрічається невелика кільцевамолекула ДНК, так звані плазміди. Плазміди можуть переміщатися з однієї клітинив іншу і вбудовуватися в основну молекулу ДНК.

Деякіпрокаріоти мають вирости плазматичної мембрани: Мезосома, ламеллярниетилакоїди, хроматофори. У них зосереджені ферменти, що беруть участь у фотосинтезіі в процесах дихання. Крім того, Мезосома асоційовані з синтезом ДНК ісекрецією білка.

Клітинипрокариот мають невеликі розміри, їх діаметр становить 0, 3-5 мкм. Із зовнішньогосторони плазматичної мембрани всіх прокаріотів (за винятком мікоплазм)знаходиться клітинна стінка. Вона складається з комплексів білків і олігосахаридів, покладенихшарами, захищає клітину і підтримує її форму. Від плазматичної мембрани вонавідділена невеликим міжмембранну простору.

Вцитоплазмі прокаріотів виявляються тільки немембранние органоїди рибосоми. Заструктурі рибосоми прокаріотів і еукаріотів подібні, проте рибосоми прокаріотів маютьменші розміри і не прикріплюються до мембрани, а розташовуються прямо вцитоплазмі.

Рис.2. Будова клітин еукаріотів

Багатопрокаріоти рухливі і можуть плавати або ковзати за допомогою джгутиків.

Розмножуютьсяпрокаріоти зазвичай шляхом розподілу надвоє (бінарним). Діленню передує дужекоротка стадія подвоєння, або реплікації, хромосом. Так що прокаріоти - гаплоїдніорганізми.

Допрокаріотів відносяться бактерії і синьозелені водорості, або ціанобактерії.Прокаріоти з'явилися на Землі близько 3, 5 млрд років тому і були, ймовірно, першоюклітинною формою життя, давши початок сучасним прокаріотів і еукаріотів.

Еукаріоти(Від грец. Еу - істинний, каріон - ядро) на відміну від прокаріотів, маютьоформлене ядро, оточене ядерною оболонкою - двуслойной мембраною. МолекулиДНК, які виявляються в ядрі, незамкнуті (лінійні молекули). Крім ядра частинагенетичної інформації міститься в ДНК мітохондрій і хлоропластів. Еукаріотиз'явилися на Землі приблизно 1, 5 млрд років тому.

Ввідміну від прокаріотів, представлених поодинокими організмами і колоніальнимиформами, еукаріоти можуть бути одноклітинними (наприклад, амеба), колоніальними(Вольвокс) і багатоклітинними організмами. Їх ділять на три великі царства:Тварини, Рослини та Гриби.

Діаметрклітин еукаріотів становить 5-80 мкм. Як і прокариотические клітини, клітиниеукаріот оточені плазматичною мембраною, що складається з білків і ліпідів. Цямембрана працює як селективний бар'єр, проникний для одних сполук інепроникний для інших. Зовні від плазматичної мембрани розташованаміцна клітинна стінка, яка у рослин складається головним чином з волоконцелюлози, а у грибів - з хітину. Основна функція клітинної стінки -забезпечення постійної форми клітин. Оскільки плазматична мембранапроникна для води, а клітини рослин і грибів зазвичай стикаються зрозчинами меншою іонної сили, ніж іонна сила розчину всередині клітини, водабуде надходити всередину клітин. За рахунок цього обсяг клітин буде збільшуватися, плазматичнамембрана почне розтягуватися і може розірватися. Клітинна стінкаперешкоджає збільшенню обсягу і руйнування клітини.

Утварин клітинна стінка відсутня, але зовнішній шар плазматичної мембранизбагачений вуглеводними компонентами. Цей зовнішній шар плазматичної мембраниклітин тварин називають гликокаликсом. Клітини багатоклітинних тварин непотребують міцної клітинній стінці, оскільки є інші механізми, що забезпечуютьрегуляцію клітинного об'єму. Так як клітини багатоклітинних тварин іодноклітинні організми, що живуть у морі, знаходяться в середовищі, в якому сумарнаконцентрація іонів близька до внутрішньоклітинної концентрації іонів, клітини ненабухають і не лопаються. Одноклітинні тварини, що живуть в прісній воді (амеба, інфузоріятуфелька), мають скоротливі вакуолі, які постійно виводять назовнінадходить всередину клітини воду.

Структурні компоненти еукаріотичної клітини

Усерединіклітини під плазматичною мембраною знаходяться цитоплазма. Основна речовинацитоплазми (гіалоплазма) являє собою концентрований розчиннеорганічних і органічних сполук, головними компонентами якогоє білки. Це колоїдна система, яка може переходити з рідкого вгелевидний стан і назад. Значна частина білків цитоплазми єферментами, що здійснюють різні хімічні реакції. У гіалоплазмерозташовуються органели, які виконують в клітці різні функції. Органоїдиможуть бути мембранними (ядро, апарат Гольджі, ендоплазматичний ретикулум, лізосоми,мітохондрії, хлоропласти) і немембраннимі (клітинний центр, рибосоми, цитоскелет).

Мембранніорганоїди

Основнимкомпонентом мембранних органоїдів є мембрана. Біологічні мембранипобудовані по загальному принципу, але хімічний склад мембран різних органоїдіврізний. Усі клітинні мембрани - це тонкі плівки (товщиною 7-10 нм), основуяких становить подвійний шар ліпідів (бішар), розташованих так, щозаряджені гідрофільні частини молекул стикаються із середовищем, а гідрофобнізалишки жирних кислот кожного моношару направлені всередину мембрани істикаються один з одним (рис. 3). У бішар ліпідів вмонтовані молекули білків(Інтегральні білки мембрани) таким чином, що гідрофобні частини молекулибілка стикаються з жирнокислотного залишків молекул ліпідів, а гідрофільнічастини експоновані в навколишнє середовище. Крім цього частина розчинних(Немембранних білків) з'єднується з мембраною в основному за рахунок іоннихвзаємодій (периферичні білки мембрани). До багатьох білків і ліпідів ускладі мембран приєднані також вуглеводні фрагменти. Таким чином, біологічнімембрани - це ліпідні плівки, в які вбудовані інтегральні білки.

Рис.3. Структура біологічних мембран

Одназ основних функцій мембран - створення границі між клітиною і навколишнімсередовищем і різними відсіками клітини. Ліпідний бішар проникний в основному дляжиророзчинних з'єднань і газів, гідрофільні речовини переносяться черезмембрани за допомогою спеціальних механізмів: низькомолекулярні - за допомогоюрізноманітних переносників (каналів, насосів та ін), а високомолекулярні - здопомогою процесів екзо-і ендоцитозу (рис. 4).

Рис.4. Схема переносу речовин через мембрану

Приендоцитозі певні речовини сорбуються на поверхні мембрани (за рахуноквзаємодії з білками мембрани). У цьому місці утворюється впячивание мембранивсередину цитоплазми. Потім від мембрани відокремлюється пухирець, усередині якогоміститься переносиме з'єднання. Таким чином, ендоцитоз - це перенесення вклітку високомолекулярних сполук зовнішнього середовища, оточених ділянкою мембрани.Зворотний процес, тобто екзоцитоз - це перенесення речовин з клітини назовні. Вінвідбувається шляхом злиття з плазматичною мембраною бульбашки, заповненоготранспортуються високомолекулярними сполуками. Мембрана бульбашки зливаєтьсяз плазматичною мембраною, а його вміст виливається назовні.

Канали,насоси та інші переносники - це молекули інтегральних білків мембрани, зазвичайутворюють в мембрані пору.

Крімфункцій розділення простору і забезпечення виборчої проникностімембрани здатні сприймати сигнали. Цю функцію здійснюютьбілки-рецептори, що зв'язують сигнальні молекули. Окремі білки мембраниє ферментами, здійснюють певні хімічні реакції.

Ядро- Великий органо...ид клітини, оточене ядерною оболонкою і має зазвичайкулясту форму. Ядро в клітці одне, і хоча зустрічаються багатоядерні клітини(Клітини скелетних м'язів, деяких грибів) або не мають ядра (еритроцити ітромбоцити ссавців), але ці клітини виникають з одноядерних клітин-попередників.

Основнафункція ядра - зберігання, передача та реалізація генетичної інформації. Тутвідбувається подвоєння молекул ДНК, в результаті чого при діленні дочірні клітиниотримують однаковий генетичний матеріал. У ядрі з використанням в якостіматриці окремих ділянок молекул ДНК (генів) відбувається синтез молекул РНК:інформаційних (іРНК), транспортних (тРНК) і рибосомальних (рРНК), необхіднихдля синтезу білка. У ядрі здійснюється складання субодиниць рибосом з молекулрРНК і білків, які синтезуються в цитоплазмі і переносяться в ядро.

Ядроскладається з ядерної оболонки, хроматину (хромосом), ядерця і нуклеоплазми(Каріоплазми).

Рис.5. Структура хроматину: 1 - нуклеосома, 2 - ДНК

Підмікроскопом всередині ядра видно зони щільної речовини - хроматину. У неделящіхсяклітинах він рівномірно заповнює об'єм ядра або конденсується в окремихмісцях у вигляді більш щільних ділянок і добре забарвлюється основнимибарвниками. Хроматин являє собою комплекс ДНК та білків (рис. 5), більшоючастиною позитивно заряджених гістонів.

Рис. 6. Упаковка молекули ДНК

в хромосомі

Кількістьмолекул ДНК в ядрі дорівнює числу хромосом. Кількість і форма хромосом єунікальною характеристикою виду. До складу кожної з хромосом входить однамолекула ДНК, що складається з двох зв'язаних між собою ниток і має виглядподвійної спіралі товщиною 2 нм. Довжина її значно перевищує діаметр клітини:вона може досягати декількох сантиметрів. Молекула ДНК заряджена негативно,тому згортатися (конденсуватися) вона може тільки після зв'язування зпозитивно зарядженими білками-гистонами (рис. 6).

Спочаткуподвійна нитка ДНК закручується навколо окремих блоків гістонів, в кожен зяких входить 8 молекул білка, утворюючи структуру у вигляді В«намистин на нитціВ»товщиною близько 10 нм. Намистини називаються Нуклеосома. У результаті формуваннянуклеосом довжина молекули ДНК зменшується приблизно в 7 разів. Далі нитку зНуклеосома згортається, формуючи структуру у вигляді каната товщиною близько 30нм. Потім такий канат, вигнутий у вигляді петель, прикріплюється до білків, утворюючимоснову хромосоми. В результаті утворюється структура з товщиною близько 300 нм.Подальша конденсація цієї структури призводить до утворення хромосоми.

Вперіод між поділами хромосома частково розгортається. В результаті цьогоокремі ділянки молекули ДНК, які повинні експресувати в данійклітці, звільняються від білків і витягуються, що робить можливим прочитуванняз них інформації шляхом синтезу молекул РНК.

Ядерце- Це тип матричної ДНК, що відповідає за синтез рРНК і зібраної в окремихділянках ядра. Ядерце - найбільш щільна структура ядра, воно не єокремим органоїди, а являє собою один з локусів хромосоми. У ньомуутворюється рРНК, яка потім утворює комплекс з білками, формуючисубодиниці рибосом, які йдуть в цитоплазму.

Негістоновиебілки ядра утворюють всередині ядра структурну мережу. Вона представлена ​​шаромфібрил, підстилаючих ядерну оболонку. До неї прикріплюється внутрішньоядерної мережуфібрил, до якої приєднані фібрили хроматину.

Ядернаоболонка складається з двох мембран: зовнішньої і внутрішньої, розділенихміжмембранну простору. Зовнішня мембрана стикається з цитоплазмою, наній можуть знаходитися полірибосоми, а сама вона може переходити в мембраниЕПР. Внутрішня мембрана пов'язана з хроматином. Такимчином, ядерна оболонка забезпечує фіксацію хромосомного матеріалу втривимірному просторі ядра.

Оболонкаядра має круглі отвори - ядерні пори (рис. 7). В області пори зовнішня івнутрішня мембрани змикаються і утворюють отвори, заповнені фибриллами ігранулами. Усередині пори розташовується складна система з білків, що забезпечуютьвиборче зв'язування і перенесення макромолекул. Кількість ядерних пор залежитьвід інтенсивності метаболізму клітини.

Рис. 7. Пори в ядерній мембрані

Рис. 8. Ендоплазматичнийретикулум

Ендоплазматичнийретикулум, або ендоплазматична мережа (ЕПР), являє собою химернумережа каналів, вакуолей, сплощені мішків, з'єднаних між собою і відокремленихвід гіалоплазми мембраною (рис. 8).

Розрізняютьшорсткий і гладкий ЕПР. На мембранах шорсткого ЕПР знаходяться рибосоми(Рис. 9), які синтезують білки, екскретіруемих з клітки абовбудовується в плазматичну мембрану. Знову синтезований білок сходить зрибосоми і проходить через спеціальний канал всередину порожнини ендоплазматичногоретикулума, де він піддається посттрансляційної модифікації, наприкладзв'язуванню з вуглеводами, протеолітичні відщеплення частини поліпептидного ланцюга,утворення S-S-зв'язків між залишками цистеїну в ланцюзі. Далі ці білкитранспортуються в комплекс Гольджі, де входять або до складу лізосом, абосекреторних гранул. В обох випадках ці білки виявляються всередині мембранногопухирця (везикули).

Рис.9. Схема синтезу білка в шорсткою ЕПР: 1 - мала і

2- Велика субодиниці рибосоми; 3 - молекула рРНК;

4- Шорсткий ЕПР; 5 - знову синтезується білок

ГладкийЕПР позбавлений рибосом. Його основна функція - синтез ліпідів і метаболізмвуглеводів. Він добре розвинений, наприклад, в клітинах коркового речовининаднирників, де містяться ферменти, що забезпечують синтез стероїднихгормонів. У гладкому ЕПР в клітинах печінки знаходяться ферменти, що здійснюютьокислення (детоксикацію) чужорідних для організму гідрофобних сполук, наприкладліків.

Рис.10. Апарат Гольджі: 1 - пухирці; 2 - цистерни

КомплексГольджі (рис. 10) складається з 5-10 плоских обмежених мембраною порожнин, розташованихпаралельно. Кінцеві частини цих дископодібних структур мають розширення. Такихутворень в клітині може бути декілька. У зоні комплексу Гольджі знаходитьсявелика кількість мембранних бульбашок. Частина з них отшнуровивается відкінцевих частин основної структури у вигляді секреторних гранул і лізосом. Частинадрібних пухирців (везикул), що переносять синтезовані в шорсткою ЕПР білки,переміщується до комплексу Гольджі і зливається з ним. Таким чином комплексГольджі бере участь у накопиченні і подальшій модифікації продуктів, синтезованихв шорсткою ЕПР, і їх сортування.

Рис.11. Освіта та функції лізосом: 1 - фагосоми; 2 - піноцітозная пухирець; 3 -первинна лизосома; 4 - апарат Гольджі; 5 - вторинна лизосома

Лізосоми- Це вакуолі (мал. 11), обмежені однією мембраною, які відгалужуютьсявід комплексу Гольджі. Усередині лізосом досить кисле середовище (рН 4, 9-5, 2).Там розташовуються гідролітичні ферменти, що розщеплюють різні полімери прикислих рН (протеази, Нуклеази, глюкозидази, фосфатази, ліпази). Ці первиннілізосоми зливаються з ендоцітознимі вакуолями, які містять компоненти, якіповинні розщеплюватися. Речовини, що потрапили у вторинну лизосому, розщеплюються домономерів і переносяться через мембрану лізосоми в гіалоплазму. Таким чином, лізосомиберуть участь у процесах внутрішньоклітинного перетравлення.

Мітохондріїоточені двома мембранами: зовнішньої, що відокремлює мітохондрію від гіалоплазми, івнутрішньої, відмежовує її внутрішній вміст. Між ними розташовуєтьсямежмембранное простір шириною 10-20 нм. Внутрішня мембрана утворюєчисленні вирости (кристи). У цій мембрані розташовуються ферменти, що забезпечуютьокислення утворилися за межами мітохондрій амінокислот, цукрів, гліцеринуі жирних кислот (цикл Кребса) і здійснюють перенесення електронів у дихальномуланцюга (схема). За рахунок переносу електронів по дихальної ланцюга з високого набільш низький енергетичний рівень ч...астина звільняється вільної енергіїзапасається у вигляді АТФ - універсальної енергетичної валюти клітини. Такимчином, основна функція мітохондрій - це окислення різних субстратів ісинтез молекул АТФ.

Схемаперенесення двох електронів по дихальної ланцюга

Усерединімітохондрії знаходиться кільцева молекула ДНК, яка кодує частина білківмітохондрії. У внутрішньому просторі мітохондрій (матриксі) знаходятьсярибосоми, схожі на рибосоми прокаріотів, які і забезпечують синтез цихбілків.

Тойфакт, що мітохондрії мають свою кільцеву ДНК і прокариотические рибосоми, привівдо виникнення гіпотези, згідно з якою мітохондрія є нащадкомстародавньої клітини прокаріотів, колись потрапила всередину еукаріотичної і впроцесі еволюції взяла на себе окремі функції.

Рис.12. Хлоропласти (А) і тілакоідние мембрани (Б)

Пластида- Органоїди рослинної клітини, які містять пігменти. У хлоропластахміститься хлорофіл і каротиноїди, в хромопласти - каротиноїди, влейкопласти пігментів немає. Пластиди оточені подвійною мембраною. Усередині нихрозташовується система мембран, що має форму плоских бульбашок, званихтилакоїди (рис. 12). Тилакоїди укладені в стопки, що нагадують стопки тарілок.Пігменти вбудовані в мембрани тилакоїдів. Їх основна функція - поглинання світла,енергія якого за допомогою ферментів, вбудованих в мембрану тилакоїдів, перетворитьсяв градієнт іонів Н + на мембрані тилакоїдів. Як і мітохондрії, пластиди маютьвласну кільцеву ДНК і рибосоми прокаріотів типу. По-видимому, пластидиеукаріот.

Рибосомиеукаріот.один до одного.іРНК.

Кожнабілками.кілька рибосом.розпадаються.мікротрубочками.функцію.

Рис. 13. 13).Одна зКрім того, за

Клітинний

Список літератури

Дляпідготовки даної роботи були використані матеріали з сайту bio.1september.ru