Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток

Структура	Эукариотическая клетка	Прокариотическая клетка
Клеточная мембрана	Имеется	Имеется
Ядро	Окружено мембраной	Имеется нуклеарная область (нуклеоид), не окруженная мембраной
Хромосомы	Линейные; содержат белок	Кольцевые; содержат мало белка
Эндоплазматическая сеть	Обычно имеется	Отсутствует
Рибосомы	Имеются	Имеются
Комплекс Гольджи	Имеется	Отсутствует
Лизосомы	Имеются во многих клетках	Отсутствует
Митохондрии	Имеются	Отсутствует
Вакуоли	Имеются у большей части растительных клеток и у некоторых животных	Отсутствует
Реснички и жгутики	Имеются у всех организмов за исключением высших растений	У некоторых бактерий имеются жгутики, но иного строения

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Клетка является основой структурной и функциональной единицей живых систем. Эти особенности клетки были отражены в клеточной теории, создателями которой являются М. Шлейден, Т. Шванн и Р. Вирхов. Согласно этой теории:

1. Все организмы состоят из клеток.

2. Клетка является наименьшей структурной и функциональной единицей живых организмов.

3. Любая клетка образуется только из клетки.                  

  Строение клетки

В состав любой клетки эукариот выделяют три главных компонента:

1. Клеточная мембрана. 2. Цитоплазма. 3. Ядро.

Клеточная мембрана

Она образована двумя слоями жироподобных веществ – липидов. В нее встроены белковые молекулы трех типов:

 

 

1. Белки, контактирующие только с внешней средой. Они образуют клеточные рецепторы. С их помощью клетка определяет генетическую принадлежность соседних компонентов.

2. Белки, одновременно контактирующие с внешней и внутренней средой. Они образуют молекулярные и ионные каналы (клеточные поры). С их помощью осуществляется пассивный транспорт веществ. Пассивный транспорт веществ – это перемещение веществ по градиенту концентрации (от большей концентрации к меньшей) без затрат энергии.

3. Белки, расположенные внутри мембраны. Они попеременно контактируют с внешней и внутренней средой, перемещаясь в структуре мембраны. Образуют молекулярные и ионные насосы. С их помощью происходит активный транспорт веществ. Активный транспорт веществ - это перемещение веществ против градиента концентрации (от меньшей концентрации к большей) с затратами энергии.

  На поверхности клеточной мембраны у различных организмов может формироваться дополнительный слой из различных веществ. Совокупность клеточной мембраны и дополнительного слоя называется клеточной оболочкой.

У растений клеточная оболочка формируется при участии целлюлозы. Дополнительный слой, образованный целлюлозой называется клетчаткой. Он может подвергаться нескольким видам химических преобразований:

1. Одревеснение – пропитка веществом лигнин. Придает прочность.

2. Опробковение – пропитка веществом суберин. Придает водо- и газонепроницаемость.

3. Кутинизация – пропитка веществом кутин. Придает водо- и газонепроницаемость и несмачиваемость поверхности.

4. Минерализация – пропитка минеральными веществами. Придает прочность.

5. Ослизнение – пропитка водой. Увеличивает объем.

  У животных и грибов клеточная оболочка образуется при участии углевода хитина. Хитиновый слой может подвергаться пропитке минеральными или дубильными веществами.

Цитоплазма

  В структуре цитоплазмы выделяют два основных компонента: цитоплазматический матрикс и органоиды.

Цитоплазматический матрикс

  Это желеобразная структура, заполняющая внутреннее пространство клетки. В нем происходит основная масса биохимических реакций. В составе этого образования могут, находится структурные элементы в виде микро волокон, микротрубочек, микро гранул и т. п.

Органоиды

  Это структурно оформленные компоненты цитоплазмы, определенным образом отделенные от матрикса.

  По функциональному предназначению все органоиды делятся на две группы:

1. Органоиды общего назначения. Они встречаются практически во всех клетках эукариот и выполняют наиболее важные жизненные функции. К ним относятся:

1)Митохондрии – обеспечивают клетку энергией в виде АТФ.

2)Рибосомы – отвечают за синтез белка.

3)Лизосомы – отвечают за расщепление веществ.

4)Комплекс Гольджи – накопление, упаковка, выделение веществ из клетки.

5)Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – транспорт веществ в клетке. Бывает двух видов: гладкая (без рибосом) – синтез жиров и углеводов; шероховатая (на ее поверхности есть рибосомы) – синтез белков.

6)Клеточный центр – деление клетки (отсутствует у покрытосемянных растений).

2. Органоиды специального назначения. Встречаются в клетках отдельных тканей или у отдельных групп организмов. Выполняют некоторые специальные функции.

  У животных такими органоидами являются сократительные волокна мышечных клеток (миофибриллы), микротрубочки нервных клеток, реснички и жгутики и т.д. У растительных организмов таковыми являются пластиды.

  Все пластиды можно разделить на три группы:

1. Лейкопласты – они не содержат окрашивающих пигментов.

2. Хромопласты – они содержат окрашивающие пигменты красного или желтого цвета.

3. Хлоропласты, которые содержат пигмент зеленого цвета – хлорофилл.

  По строению все органоиды делятся на две группы:

1. Мембранные. Они имеют в своем составе образования сходные по строению с клеточной мембраной. Они бывают двух видов:

а/ Одномембранные – имеют только наружную мембрану, отделяющую их от матрикса. К ним относятся лизосомы, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи.

б/ Двухмембранные – кроме наружной мембраны имеют внутренние мембранные образования. К ним относятся митохондрии и хлоропласты.

2. Не мембранные. Они не имеют мембранных образований. К ним относятся рибосомы (образованы скоплением белка и р-РНК) и клеточный центр (образован микротрубочками).

  В цитоплазме кроме органоидов могут встречаться крупные полости – вакуоли, которые хорошо выражены в растительных клетках. Они заполнены жидким содержимым – клеточным соком. У растений клеточный сок находится в вакуолях под давлением (тургорное давление), которое обеспечивает процесс поддержание определенной формы растительной клетки (тургор).

  У животных наличие вакуолей в клетках обычно говорит об их старении.

  Кроме вакуолей в цитоплазме могут располагаться скопления различных веществ в виде гранул, кристаллов и капель. Они называются включениями.

Ядро

Ядро эукариотической клетки впервые было описано Р. Броуном в 1831 году. В клетках может быть одно или несколько ядер. В строении ядра выделяют следующие структуры:

1. Ядерная оболочка (кариотека). Она образована двумя мембранами. В отличие от клеточной мембраны оболочка ядра проницаема для высокомолекулярных соединений (аминокислот, РНК, белков).

2. Ядерный сок (кариоплазма). В нем располагаются молекулы ДНК и различные ядерные белки.

3. Ядрышко (одно или несколько). В ядрышках осуществляются процессы транскрипции (синтез РНК на ДНК).

  Ядро является местом, где храниться генетическая информация в виде ДНК, и оно оказывает координирующее и регулирующее действие на различные компоненты клетки.

Химический состав клетки

В состав клетки входят неорганические и органические вещества. Среди неорганических веществ наибольшую долю занимает вода. Она содержится в количестве 80 до 85% от общей массы клетки. Другие неорганические вещества входят в состав клетки в виде солей. Многие неорганические ионы имеют огромное значение для жизнедеятельности клетки. Так, ионы Na⁺ и K⁺ участвуют в процессах кодирования информации на клеточной мембране. Многие анионы и катионы обеспечивают поддержание постоянства реакции среды. Многие ионы металлов обеспечивают осуществление жизненно важных процессов, входя в состав различных органических веществ.

  Органические вещества в клетке представлены углеводами, жирами, белками, нуклеиновыми кислотами и фосфорорганическими соединениями.

Углеводы

  В клетке углеводы находятся в количестве 1%. Представлены моносахаридами и полисахаридами. Полисахариды встречаются как в виде запасных питательных веществ (крахмал – у растений, гликоген – у животных и грибов) так и в виде структурных компонентов клеточных оболочек (целлюлоза – у растений, хитин – у грибов и животных). Моносахариды представлены в основном глюкозой, которая у всех живых организмов является главным источником энергии.

Жиры

  Представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Основной функцией жиров является формирование структуры клеточных мембран. Липиды, обеспечивающие эту функцию, могут содержать в своем составе еще и азотистые соединения или остатки фосфорной кислоты. Кроме этого жиры используются клеткой как запасные энергетические вещества длительного хранения.

Белки

  Белки – это биологические полимеры нестереорегулярного строения, мономерами которых являются α – аминокислоты. В состав белков всех живых организмов входят 20 аминокислот. В процессе формирования белковой молекулы проходит три этапа:

1. Формирование первичного строения белка. Оно образуется за счет соединения аминокислот в линейную цепочку с образованием пептидной связи между молекулами аминокислот. Эта связь образуется между азотом аминогруппы и углеродом карбоксильной группы. Образовавшаяся группа атомов называется пептидной группой.

2.Формирование вторичного строения белка. Образуется за счет закручивания первичной структуры в спираль. Витки спирали удерживаются водородными связями, которые образуются между пептидными группами.

3. Формирование третичного строения белка. В процессе этого спираль вторичной структуры укладывается в комочек, называемый глобулой. Форма глобулы у каждого белка строго индивидуальна. Она сохраняется за счет образования сульфидных связей (-S-S-) при взаимодействии сульфидных групп (-SH), входящих в состав некоторых аминокислот. Форма глобулы несет информацию о составе белка, его генетической принадлежности и функциональном предназначении.

  Белки обладают свойством денатурации. Оно лежит в основе способности изменять пространственную структуру белка, осуществляя переход от третичной к первичной структуре и обратно.

  В живом организме белки выполняют следующие функции:

1. Структурная.

2. Транспортная (гемоглобин).

3.Энергетическая.

4. Защитная (антитела).

5. Каталитическая (ферменты).

6. Регуляторная (гормоны).

7. Информационная (медиаторы).

8. Двигательная (сократительные белки актин и миозин, расположенные в мышечных волокнах).

Нуклеиновые кислоты

  Нуклеиновые кислоты – биологические полимеры нестереорегулярного строения, мономерами которых являются нуклеотиды.

  В состав нуклеотида входят три компонента:

1. Азотистое основание (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), уроцил (У)).

2. Углевод (рибоза или дезоксирибоза).

3. Остаток фосфорной кислоты.

  По составу нуклеотидов и по строению молекулы все нуклеиновые кислоты делятся на две группы:

1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

2. Рибонуклеиновые кислоты (РНК).

ДНК

  Молекула ДНК имеет вид двойной цепочки нуклеотидов. В ее состав входят адениновый (А), гуаниновый (Г), тиминовый (Т) и цитозиновый (Ц) нуклеотиды. В составе нуклеотидов имеется углевод дезоксирибоза. В цепочках нуклеотиды соединяются между собой за счет взаимодействия остатка фосфорной кислоты одного нуклеотида с углеводом другого.

   Цепочки соединяются между собой за счет взаимодействия азотистых оснований нуклеотидов, между которыми образуются водородные связи. В основе формирования молекулы ДНК лежит принцип комплементарности. Он основан на том, что азотистые основания могут образовывать различное количество водородных связей при взаимодействии. Нуклеотиды, азотистые основания которых образуют одинаковое количество водородных связей называются комплементарными. Так, аденин при взаимодействии с тимином образуют две водородные связи, а гуанин с цитозоном – три. Суть принципа комплементарности заключается в том, что при образовании молекулы ДНК в цепочках друг против друга располагаются только комплементарные нуклеотиды. Для компактности молекула ДНК закручивается в спираль.

      

  Молекулы ДНК являются носителями генетической информации. Они располагаются в ядре клетки. Это самые крупные органические молекулы в живых системах.

  ДНК обладает способностью к самоудвоению (редупликации). При этом специальный фермент разрывает водородные связи между цепочками нуклеотидов и на каждой цепочке по принципу комплементарности достраивается вторая цепочка. В результате образуется две идентичные молекулы ДНК. При редупликации исходные цепочки являются основой для построения новых цепочек, определяя их состав и структуру, т.е. исполняют роль матрицы. В связи с этим такие химические реакции называют реакциями матричного синтеза. Процесс удвоения ДНК является процессом копирования генетической информации и позволяет в последующем передавать ее в ряду поколений при размножении.

РНК

  ДНК имеет вид одинарной цепочки нуклеотидов. В ее состав входят адениновый (А), гуаниновый (Г), уроциловый (У) и цитозиновый (Ц) нуклеотиды. В составе нуклеотидов имеется углевод рибоза. Соединение нуклеотидов в цепочке осуществляется как в молекулах ДНК.

  РНК синтезируется на ДНК, и этот процесс называется транскрипцией. Он происходит в ядрышках ядра. При этом происходит разрыв водородных связей на определенном участке ДНК и на одной из ее цепочек по принципу комплементарности формируется молекула РНК. Этот процесс также относится к реакциям матричного синтеза.

  РНК располагается в цитоплазме и имеет меньшие, чем ДНК, размеры молекул. По функциональному предназначению выделяют три группы РНК:

1.Информационная (матричная) (и-РНК или м-РНК). Осуществляет перенос информации о структуре белка от ДНК к месту его синтеза.

2. Рибосомная (р-РНК). Входит в состав рибосом. Отвечает за узнавание и закрепление на рибосоме нужной и-РНК.

3. Транспортная РНК (т-РНК). Обеспечивает доставку к месту синтеза белка аминокислот.

Фосфорорганические соединения

  Важнейшим фосфорорганическим соединением в структуре клетки является аденозинтрифосфат (АТФ). В строении его молекулы выделяют три компонента:

1. Аденин 2. Рибоза 3. Остатки фосфорной кислоты

  В молекуле АТФ имеются две высокоэнергетические (макроэргические) связи (на рисунки выделены жирной линией), при разрыве которых высвобождается большое количество энергии (40кДж). При этом от АТФ отрывается остаток фосфорной кислоты и образуется АДФ (аденозиндифосфат). Для восстановления исходного состава молекулы АТФ осуществляется следующая реакция:

АДФ + Ф = АТФ

АТФ является универсальным источником и накопителем энергии у всех живых организмов.

Генетический код

В ДНК генетическая информация расположена в виде отдельных участков, называемых генами. Ген – участок ДНК, содержащий информацию о структуре какого либо белка. В генах записана последовательность расположения аминокислот в белке с помощью триплетного кода. Триплет - это три последовательно расположенных нуклеотида. Местоположение триплета в гене соответствует местоположению аминокислоты в молекуле белка. Из четырех нуклеотидов, входящих в состав ДНК может быть образовано 64 триплета. Однако аминокислот 20. Некоторые аминокислоты кодируются одним триплетом; некоторые – несколькими. Существуют триплеты, не кодирующие аминокислот. Они обозначают начало и окончание гена.

Синтез белка

Весь процесс синтеза белка можно выразить следующей схемой:

В процессе синтеза белка выделяют два основных этапа:

1. Транскрипция.

2. Трансляция – процесс реализации информации, записанной в структуре и-РНК триплетным кодом, в виде последовательности аминокислот в молекуле белка.

Трансляция

  В этом процессе принимают участие органоиды общего назначения – рибосомы. Молекула и-РНК поступает к месту синтеза белка и закрепляется на рибосоме двумя первыми триплетами. Эти триплеты называются кодонами. К рибосоме, с прикрепленной молекулой ДНК, подходит первая молекула т-РНК, несущая аминокислоту. У т-РНК имеется специальный триплет – антикодон, которым она взаимодействует с кодоном. Если кодон и антикодон комплементарны, то первая молекула т-РНК присоединяется к первому антикодону. Подходит вторая молекула т-РНК, несущая другую аминокислоту. Она взаимодействует со вторым кодоном и при наличии их комплементарности прикрепляется к нему. Первая молекула т-РНК передает свою аминокислоту второй, у которой образуется цепочка из двух молекул аминокислот. Первая т-РНК отделается и уходит за новой аминокислотой, а и-РНК продвигается на один триплет вперед. Походит следующая т-РНК и соединяется с новым кодоном, который появился на рибосоме. Ей передаются аминокислоты, и у нее образуется цепочка из трех аминокислот. Этот процесс продолжается до окончания синтеза всей молекулы белка.

  Чаще всего с одной молекулой и-РНК взаимодействует сразу несколько рибосом. Такой комплекс из и-РНК и нескольких рибосом называется полисомой.

Регуляция биосинтеза белка

(Теория оперона)

  Это модель процесса регуляции биосинтеза белка. Исходным положением этой модели является предположение о том, что в структуре генетической информации имеются информационные комплексы – опероны. они состоят из гена-оператора и нескольких структурных генов ( S ). При действии на ген-оператор факторов, называемых индукторами (температура, химические вещества, излучения и т.д.) происходит активация гена- оператора и он включает работу структурных генов. Они синтезируют необходимые белки. После синтеза достаточного количества белка синтезируется небольшой избыток белков. Он воздействует на специальный ген-регулятор, который начинает производить белки-репрессоры. Они воздействуют на ген-оператор, и он выключает работу структурных генов.

Схема работы оперона

Размножение клеток

Жизненный цикл клеток состоит из двух этапов: интерфаза и деление.

Интерфаза – это этап в жизнедеятельности клетки, когда происходят интенсивные синтетические процессы и клетка увеличивается в размерах. В интерфазу выделяют три периода:

1. Пресинтетический – в этот период происходит интенсивный синтез белков и рост клетки.

2. Синтетический – в этот период происходит удвоение генетической информации.

3. Постсинтетический – В этот период происходит подготовка клетки к делению и синтез белков, обеспечивающих этот процесс.

Деление клетки приводит к образованию новых клеток. Оно может быть двух типов:

1. Амитоз – это деление клетки без образования хромосом. В процессе такого деления на экваторе клетки и ядре образуется перетяжка, которая делит ядро и клетку на две части. Таким образом, происходит размножение многих одноклеточных организмов и клеток многоклеточных организмов, образующих опухоли.

2. Митоз - деление клетки с образование хромосом.

  Хромосомы представляют собой молекулы ДНК заключенные в белковую оболочку, которая защищает их от повреждений при перемещении в цитоплазме в процессе деления. Совокупность хромосом организма называется хромосомным набором (кариотипом). В структуре кариотипа выделяют два вида хромосом:

1. Аутосомы – они несут информацию о видовых (соматических) признаках организма.

2. Половые хромосомы    - несут информацию о половой принадлежности организма.

  В строении хромосом выделяют следующие компоненты:

Хромонемы представляют собой места, где сосредоточена основная масса ДНК. У хромосомы не может быть меньше двух хромонем. Центромера соединяет две хромонемы.

  В соматических клетках (составляющих тело организма) хромосомный набор состоит из пар хромосом. В паре содержатся хромосомы несущие сходную генетическую информацию. Такие парные хромосомы называются гомологичными хромосомами. Хромосомный набор, образованный парами гомологичных хромосом называется диплоидным (2n).

  В процессе интерфазы происходит удвоение генетической информации, которое заключается в том, что каждая гомологичная хромосома становится состоящей из двух хромосом, соединенных между собой центромерами. Эти соединенные хромосомы называются сестринскими хромосомами или хроматидами.

Митоз

  В процессе митоза выделяют четыре фазы:

1. Профаза. В эту фазу происходит разрушение ядерной оболочки, формирование хромосом и расхождение центриолей клеточного центра к полюсам клетки.

2. Метафаза. Хромосомы выстраиваются на экваторе клетки (экваториальная или метафазная пластинка) и к центромерам сестринских хромосом присоединяются нити веретена деления, которые отходит от центриолей клеточного центра. Эти нити состоят из сократимых трубочек.

3. Анафаза. Происходит сокращение нитей веретена деления, и сестринские хромосомы расходятся к полюсам клетки. Этот процесс называется цитокинезом.

4. Телофаза. На полюсах клетки образуются новые ядра. На экваторе формируется перетяжка, и клетка делится на две дочерние клетки.

  Весь механизм процесса митоза направлен на сохранение диплоидного хромосомного набора у диплоидных клеток. Клетка, приступающая к делению, имеет диплоидный хромосомный набор, в котором гомологичные хромосомы состоят из двух сестринских (т.е. из четырех хромонем). В анафазе к полюсам клетки расходятся сестринские хромосомы, и у дочерних клеток сохраняется диплоидный хромосомный набор, но каждая гомологичная хромосома состоит теперь из двух хромонем.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: