Прокариоты

Формы размножения

Прокариоты, строение которых представлено одной клеткой, размножаются путем ее деления на две части или почкованием. Эта особенность обусловлена и структурой их генетического аппарата. Процессу бинарного деления предшествует удвоение, или репликация ДНК. При этом молекула нуклеиновой кислоты сначала раскручивается, после чего каждая нить дублируется по принципу комплементарности. Образовавшиеся в результате этого хромосомы расходятся к полюсам. Клетки увеличиваются в размерах, между ними образуется перетяжка и далее происходит их окончательное обособление. Некоторые бактерии также способны к образованию клеток бесполого размножения — спор.

Особенности поверхностного аппарата

Поверхностный аппарат прокариот состоит из мембраны и клеточной стенки. Каждая из этих частей имеет свои особенности. Их мембрана образована двойным слоем липидов и белков. Прокариоты, строение которых достаточно примитивно, имеют два типа строения клеточной стенки. Так, у граммположительных бактерий она состоит в основном из пептидогликана, имеет толщину до 80 нм и плотно прилегает к мембране. Характерной чертой этой структуры является и наличие в ней пор, через которые проникает ряд молекул. Клеточная стенка граммотрицательных бактерий очень тонкая — максимум до 3 нм. Она прилегает к мембране не плотно. У некоторых представителей прокариот снаружи находится еще и слизистая капсула. Она защищает организмы от высыхания, механических повреждений, создает дополнительный осмотический барьер.

Сравнительная характеристика клеток растений, животных бактерий и грибов

Если сравнить между собой бактериальную, грибную, растительную и животную клетки, то можно найти в их строении ряд характерных особенностей.

Бактериальная клетка
Снаружи такая структура покрыта муреиновой оболочкой с многочисленными ворсинками, которой нет у других живых организмов. Роль основного запасного вещества у таких структур выполняют молекулы волютина или гликогена.
Грибная клетка
Молекулы гликогена выполняют роль запасного вещества у грибов, а наружной стенкой является оболочка, содержащая хитин. В редких случаях такая структура может содержать вакуоли с клеточным соком.
Растительная клетка
Основным отличием таких структур является наличие хлоропластов, обусловливающих протекание фотосинтеза. Внутри растительных клеток большую часть цитоплазмы занимают заполненные клеточным соком объемные вакуоли. В качестве основного запасного вещества у растений выступает полисахарид — крахмал. Дополнительную прочность структурным звеньям растений придает покрывающая плазматическую мембрану клеточная стенка, состоящая их целлюлозных волокон.
Животная клетка
Клетки животных лишены клеточной стенки, сверху их покрывает тонкий гликокаликс. Такая особенность связана со способом питания данных организмов (фагоцитарный захват). Внутри таких клеток имеются различные вакуоли – сократительные (удаление избытка воды и вредных продуктов обмена веществ) и пищеварительные (переваривание пищи).

Анализируя приведенные особенности строения клеток разных организмов, можно сделать вывод об их питании. Так, наличие в клетках растений хлорофилла, делает их автотрофами (синтезируют сами необходимые органические соединения), а его отсутствие – гетеротрофами (получают органические соединения в готовом виде). К гетеротрофам относят все остальные живые организмы. Часть бактерий способна к автотрофному питанию (хемосинтез), только этот способ несколько отличается от такового у растений.

Смотри также:

Современная клеточная теория, ее основные положения
Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ, входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека
Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности

Литература

Галицкий В. А. Возникновение эукариотических клеток и происхождение апоптоза // Цитология. 2005. Т. 47. Вып. 2. С. 103—120.
Малахов В. В. Основные этапы эволюции эукариотных организмов. — 2003[]
Марков А. В. Проблема происхождения эукариот // Палеонтологический журнал. 2005. № 2. С. 3—12.
Мирабдуллаев И. М. Проблема происхождения эукариот // Успехи совр. биол. 1989. Т. 107. С. 341—356.
Розанов А. Ю., Федонкин М. А. Проблема первичного биотопа эвкариот. — 1994[]
Сергеев В. Н., Нолл Э.X., Заварзин Г. А. Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам // Природа. 1996. № 6. С. 54-67.
Сергеев В. Н., Сень-Джо Ли. Первые находки остатков несомненных эукариот и преципитатов в стратотипе среднего рифея, Южный Урал // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2006. Т. 14. № 1. С. 3-21.
Федонкин М. А. Сужение геохимического базиса жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь. — 2003[]
Шестаков С. В. О ранних этапах биологической эволюции с позиции геномики. — 2003[]

Литературу на иностранных языках см. в языковых разделах этой статьи в википедии.

Многообразие клеток

Одно из положений клеточной теории определяет клетку, как наименьшую структурно-функциональную единицу живого организма. В зависимости от количества таких структур все живые организмы делятся на «одноклеточных» и «многоклеточных».

Одноклеточным организмам свойственно выполнение функций целого организма. В данную категорию относят:

бактерий;
грибы;
водоросли;
простейших животных.

В многоклеточных структурах клеткам свойственна специализация выполняемых функций, за счет чего последние могут формировать ткани и органы.

Клеточные структуры обладают различными формами:

звезда (нейрон);
сфера (яйцеклетка);
цилиндр (эпителий);
куб (эпителий);
веретено (мышечное волокно);
диск (эритроцит);
призма (коньюктива глаза).

А лейкоциты крови вообще лишены постоянной формы! Параметры размера клеток разняться в диапазоне 0,2-100 мкм.

Основными структурными единицами строения клеток являются:

Цитоплазма – полужидкое содержимое клетки, в которой расположены внутриклеточные структуры.

Органоиды – обязательные клеточные компоненты, имеющие постоянную форму и выполняющие жизненно важные функции.

Мембрана – оболочка клетки, образованная двойным слоем фосфолипидов, пронизанным белковыми комплексами.

Тип питания

Бактерии и археи — это прокариоты, строение которых позволяет им осуществлять и разные способы питания. Часть из них является автотрофами. Эти организмы сами синтезируют органические вещества в ходе фотосинтеза. В клетках таких прокариот находится хлорофилл. Некоторые бактерии получают энергию за счет расщепления некоторых органических соединений. Их тип питания называется хемотрофным. Представителями этой группы являются железо — и серобактерии. Другие же поглощают только готовые соединения. Их называют гетеротрофами. Большинство из них ведет паразитический образ жизни и обитают только внутри клеток других существ. Разновидностью этой группы являются и сапротрофы. Они питаются продуктами жизнедеятельности или разлагающейся органикой. Как видите, способы питания прокариот достаточно разнообразны. Этот факт и способствовал их широкому распространению во всех средах обитания.

Что такое нуклеоид

Но самое существенное отличие имеет строение гена прокариот и эукариот. Наследственной информацией обладают все эти организмы. У эукариот она находится внутри оформленного ядра. Эта двумембранная органелла имеет собственный матрикс, который называется нуклеоплазма, оболочку и хроматин. Здесь осуществляется не только хранение генетической информации, но и синтез молекул РНК. В ядрышках из них в последующем формируются субъединицы рибосом — органелл, отвечающих за синтез белка.

Строение генов прокариот проще. Их наследственный материал представлен нуклеоидом или ядерной областью. ДНК у прокариот не упакованы в хромосомы, а имеют кольцевую замкнутую структуру. В состав нуклеоида также входят молекулы РНК и белка. Последние по функциям напоминают гистоны эукариот. Они участвуют в удвоении ДНК, синтезе РНК, восстановлении химической структуры и разрывов нуклеиновых кислот.

Строение эукариотической клетки

См. также категорию: Структуры эукариотической клетки

Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органеллы (другое название, реже употребляемое в научной литературе, — органоиды), из которых многие отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами (в прокариотических клетках внутренние органоиды, окруженные мембраной, встречаются редко). Ядро — это часть клетки, окружённая у эукариот двойной мембраной (двумя элементарными мембранами) и содержащая генетический материал: молекулы ДНК, «упакованные» в хромосомы. Ядро обычно одно, но бывают и многоядерные клетки.

Вооружившись микроскопом

Клетки прокариот не только гораздо меньше, нежели эукариоты, они значительно разнятся своими структурными особенностями.

Слизистая капсула. Функции капсулы сводятся к защите клетки: она предохраняет от высыхания и действия антител. Состоит в основном из полисахаридов, с полипептидными включениями.
Стенка клетки. Благодаря муреину, из которого состоит данная оболочка, этот структурный компонент отличается жесткостью. Выполняет тройную функцию: защитную, транспортную, надежно фиксирует форму и целостность клетки.
Клеточный протопласт. Из-за разности в росте протопласта и наружной клеточной мембраны случаются инвагинации — внутренние прогибы. Такие процессы позволяют образовывать органоиды, называемые мезосомами. Они выполняют необходимые клеточные функции. В то время как на рибосомы возложена миссия синтезирования белка.
Нуклеоид. Вытянутая, эллипсоидная структура, выполняющая роль ядра. Она никак не отделена от цитоплазмы, поэтому ученые не классифицируют ее как полноценное ядро. Дополнительную ДНК-информацию могут нести очень мелкие частицы – плазмиды.
Необязательные органеллы. Представлены различными вкраплениями: серы, полифосфатов, масла, гликогена, полисахаридных зерен. Также к органоидам относят жгутики, которые помогают клетке двигаться, и пили – белковые включения, выполняющие функцию прикрепления.

Если можно говорить о простоте строения применимо к такой сложной живой конструкции, как клетка, то, безусловно, прокариоты – это простые структуры.

Дилемма: польза или вред

Значение эукариотов не подвергается сомнениям: благодаря им появились разнообразные формы жизни. А вот с бактериями не все так однозначно. С одной стороны, благодаря микроорганизмам, находящимся в кишечнике, люди могут успешно переваривать пищу, синтезировать и усваивать витамины. Также прокариоты, покрывающие кожу или слизистые человека, выполняют защитную функцию.

Некоторые бактерии необходимы для производства сыров, сметаны, кислой капусты. Интересно, что выделили бактерии, которые обладают действием, сходным с антибиотиками.

С другой стороны, определенные виды безъядерных могут вызывать болезни или портить продукты. Они способны не только выделять токсины, но и разрушать клетки оккупированного организма.

Поэтому наверняка говорить о пользе или вреде прокариотов нельзя: все зависит от их типов. Но в любом случае этим мельчайшим клеткам человечество обязано своим существованием.

Прокариоты и эукариоты

Наличие оформленного ядра в клеткеопределяет ее отношение к следующим группам:

прокариотические (лишены ядерной оболочки);
эукариотические (имеют оформленное ядро).

Оформленное оболочкой ядерное вещество погружено в цитоплазму, включающую в себя постоянные клеточные компоненты (органоиды) и основное содержимое (гиалоплазму). Помимо них, внутри клеточных структур имеются включения, представляющие собой исчезающие и вновь появляющиеся составляющие, играющие выделительную и запасающую функции.

У прокариот нет оформленного ядра, поэтому их генетическую информацию называют нуклеоидом. Цитоплазма таких клеточных структур содержит рибосомы. Все бактерии являются прокариотами.

Эукариотам свойственно наличие оформленного ядра — специальной структуры, содержащей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В цитоплазме таких организмов много органоидов, имеющих немембранное и мембранное строение. Эукариотические клетки свойственны животным, человеку, грибам и растениям. Клетки эукариот крупнее соответствующих структур у прокариот.

Деление на царства

Существует несколько вариантов деления надцарства эукариот на царства. Первыми были выделены царства растений и животных. Затем было выделено царство грибов, которые, по мнению большинства биологов, не могут быть причислены ни к одному из этих царств из-за биохимических особенностей. Также некоторые авторы выделяют царства протистов или простейших и хромистов. Некоторые системы насчитывают до 20 царств. По системе Томаса Кавалье-Смита, все эукариоты подразделяются на два монофилетических таксона (поддомена) — униконтов (Unikonta) и биконтов (Bikonta). Положение таких эукариот, как Collodictyon и Diphylleia rotans, на данный момент не определено.

Признаки эукариотической клетки

Считается, что ядерные клеточные организмы появились около 1,5 миллиардов лет назад. Хотя в прошлые времена ученые слабо понимали суть явлений на клеточном уровне, но в своих трудах у них часто стали появляться приблизительные рисунки этой единицы организма.

Подписи в каждом утверждают об одной отличительной особенности клеток данного типа – наличие ядра, покрытого двойным слоем мембраны.

Именно в ядре хранится основной генетический материал этих организмов. Кроме того в нем есть несколько ядрышек с большей частью объема всех типов РНК.

Также в такой клетке есть другие образования – органеллы, которые находятся в ее цитоплазме. К ним относят:

митохондрии – напоминают своей структурой белки, также содержат ДНК,
лизосомы – являются пузырьками, помогающими общему метаболизму этой клетки,
хлоропласты.

Эти соединения также разделены мембранами, основная роль которых является связь различных элементов единицы организма с внешней средой. Чтобы все элементы состава хорошо функционировали, для полного «скелета» в этой клетке есть нити и микротрубочки.

Процесс дыхания более распространен среди живых организмов, образованных этими клетками.

Строение истинно ядерных

Эукариоты, напротив, имеют сложное строение. Возникшие, по предположениям ученого мира, на основе прокариот, они содержат в своем составе более совершенные структуры.

Мембрана. Выполняет избирательно-защитную функцию.
Клеточная стенка, или гликоликс (у животных). У грибов и растений она играет стабилизирующую и сохраняющую форму роль. Состоит из хитина и целлюлозных волокон, соответственно. Животные обходятся без клеточной стенки по причине действия иных механизмов.
Цитоплазма. Состоит из раствора неорганических и органических веществ под общим названием гиалоплазма. Главный компонент, способный осуществлять химические реакции, – это белок.
Ядро. Самая важная составляющая клетки. Оно хранит генетическую информацию в хромосомах. Защищено ядро двумя мембранами.
Органоиды. Находятся на территории гиалоплазмы и представлены множеством наименований. Наиважнейшие составляющие: митохондрии, комплекс Гольджи, хлоропласты, лизосомы, рибосомы.

Ядро эукариот может делиться двумя способами: митозом и мейозом

Это чрезвычайно важно для развития и работы клетки

История открытия

Особенности строения и жизнедеятельности прокариот стали известны ученым только в 17 веке. И это несмотря на то, что эти существа существовали на планете с момента ее зарождения. В 1676 году их впервые рассмотрел в оптический микроскоп его создатель Антони ван Левенгук. Как и всех микроскопических организмов, ученый назвал их «анималикулами». Термин «бактерии» появился только в начале 19 столетия. Его предложил известный немецкий естествоиспытатель Христиан Эренберг. Понятие «прокариоты» возникло позже, в эпоху создания электронного микроскопа. Причем сначала ученые установили факт различия в строении генетического аппарата клеток разных существ. Э. Чаттон в 1937 году предложил объединить по этому признаку организмы в две группы: про- и эукариоты. Это деление существует и по сегодняшний день. Во второй половине 20 века было открыто различие среди самих прокариот: архей и бактерий.

Органеллы прокариот

Строение клетки прокариот и эукариот имеет свои существенные отличия, которые прежде всего заключаются в наличии определенных органелл. Эти постоянные структуры определяют уровень развития организмов в целом. У прокариот большинство из них отсутствует. Синтез белка в данных клетках происходит рибосомах. У водных прокариот содержатся аэросомы. Это газовые полости, которые обеспечивают плавучесть и регулируют степень погружения организмов. Только в клетках прокариот содержатся мезосомы. Эти складки цитоплазматической мембраны возникают только во время использования химических методов фиксации во время подготовки прокариотических клеток к микроскопии. Органеллами движения бактерий и архей являются реснички или жгутики. А прикрепление к субстрату осуществляют пили. Эти структуры, образованные белковыми цилиндрами, еще называют ворсинками и фимбриями.

Флагман эволюции

Доказано, что прокариоты появились первыми. Если перевести слово с греческого языка, то «прокариоты» – это клетки, в которых отсутствует ядро.

Но в столь категоричное определение необходимо внести некоторые поправки. Прокариоты содержат структуры, подобные ядру, не имеющие мембран, которые находятся в цитоплазматической жидкости. Такие неоформленные ядра получили название нуклеоиды. Именно в них находится скромное количество генетической информации клетки.

Возникли простейшие клетки около 35 миллионов веков тому назад. Следуя этой фантастической цифре, можно утверждать, что прокариоты – это первая живая материя на тогда еще юной Земле.

Особенности прокариотов

После того как появился электронный микроскоп, стало возможным дифференцировать эукариоты и прокариоты, а также изучить их подробнее.

Главное отличие доядерных клеток в том, что прокариоты – это бактерии, которые присутствуют повсеместно: в организме человека, воде, воздухе, растениях. Очень много бактерий находится в почве. Они живут даже в атомных реакторах!

Несмотря на мелкие размеры, прокариоты являются хранителями закодированной генетической информации, влияющей на жизнедеятельность организмов. Например, в плазмидах, которые находятся в свободном плавании среди вод цитоплазматического коктейля, может содержаться ген, влияющий на устойчивость бактерии к медикаментам.

Кроме того, простота организации не мешает бактериям процветать, активно множась, наряду с более сложными эукариотами.

Особенности строения клеток прокариот

Прокариотами называют все живые организмы, клетки которых не содержат ядра. Из представителей пяти современных Царств живой природы к ним принадлежат только одно — Бактерии. Прокариоты, строение которых мы рассматриваем, также включают представителей сине-зеленых водорослей и архей.

Несмотря на отсутствие в их клетках оформленного ядра, генетический материал они содержат. Это позволяет хранить и передавать наследственную информацию, но ограничивает разнообразие способов размножение. Воспроизведение всех прокариот происходит путем деления их клетки надвое. К митозу и мейозу они не способны.

Бактерии и археи: отличительные признаки

Долгое время археи вместе с бактериями являлись представителями Царства Дробянки. И действительно, у них много сходных черт строения. Это прежде всего размеры и форма их клеток. Однако биохимические исследования показали, что у них есть ряд сходных черт с эукариотами. Это природа ферментов, под действием которых происходят процессы синтеза РНК и белковых молекул.

По способу питания большинство из них является хемотрофами. Причем вещества, которые расщепляют в процессе получения энергии археи, более разнообразны. Это и сложные углеводы, и аммиак, и металлические соединения. Есть среди архей и автотрофы. Очень часто они вступают в симбиотические отношения. Паразитов среди архей нет. Чаще всего в природе встречаются комменсалы и мутуалисты. В первом случае археи питаются за счет веществ организма хозяина, но не приносят ему никакого вреда. В отличие от этого вида симбиоза, при мутуалистических взаимоотношениях выгоду получают оба организма. Некоторые из них являются метагенами. Такие археи обитают в пищеварительной системе человека и жвачных млекопитающих животных, вызывая избыточное образование газов в кишечнике. Размножаются эти организмы бинарным делением, почкованием или с помощью фрагментации.

Археи освоили практически все среды обитания. Особенно они разнообразны в составе планктона. Первоначально всех архей относили к группе экстремофилов, поскольку они способны обитать и в горячих источниках, и в водоемах с повышенной соленостью, и на глубинах со значительным давлением.

Микромир среди нас

Сейчас люди живут в большом мире, зная, что рядом находится маленькая вселенная, кишащая различными микроорганизмами: некоторые из них лояльны к человеку, другие – представляют опасность.

царств: растения,

Бактерии (прокариоты) отличаются следующими признаками:

единичная, безъядерная клетка (образование нуклеоида);
бинарное деление;
различие форм, величин;
наличие или отсутствие органелл.

Бактерии-прокариоты подразделяются на извитые (вибрионы), палочковидные (бациллы), похожие на штопор (спириллы) и шарообразные (кокки). Передвигаются клетки либо с помощью слизи, либо используя жгутики.

Особенности жизнедеятельности

Прокариоты, строение которых не отличается сложностью, осуществляют довольно сложные процессы жизнедеятельности. Это питание, дыхание, воспроизведение себе подобных, движение, обмен веществ… И на все это способна лишь одна микроскопическая клетка, размеры которой колеблются в пределах от до 250 мкм! Так что говорить о примитивности можно только относительно.

Особенности строения прокариот обусловливают и механизмы их физиологии. К примеру, они способны получать энергию тремя способами. Первым является брожение. Его осуществляют некоторые бактерии. В основе этого процесса лежат окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых синтезируются молекулы АТФ. Это химическое соединение, при расщеплении которого в несколько этапов выделяется энергия. Поэтому его не зря называют «клеточным аккумулятором». Следующим способом является дыхание. Суть этого процесса заключается в окислении органических веществ. Некоторые прокариоты способны к фотосинтезу. Их примерами являются сине-зеленые водоросли и пурпурные бактерии, которые содержат в клетках пластиды. А вот археи способны к бесхлорофильному фотосинтезу. В ходе этого процесса не происходит фиксация углекислого газа, а непосредственно образуются молекулы АТФ. Поэтому, по сути, это настоящее фотофосфорилирование.

Сходства и различия прокариот и эукариот

Сравнительная таблица «Характеристика надцарств» показывает признаки, по которым нетрудно выявить основные отличия.

Признаки	Надцарство Прокариоты	Надцарство Эукариоты
Размер	D = 0,5 – 5 мкм	D = 40 мкм
Наследственность	ДНК в цитоплазме	ДНК в ядре
Структура	Мало образований, мембран практически нет.	Есть внешние и внутренние мембраны, различные структуры, позволяющие проводить реакции пищеварения, дыхания и размножения.
Оболочка	В состав входят полисахариды, аминокислоты и муреин.	Основой оболочки растений является целлюлоза, а у грибов – хитин.
Фотосинтез	Нет хлоропластов, но он протекает в мембранах.	Протекает в специальных образованиях – пластидах.
Обмен азота	У некоторых он есть.	Он не происходит.

Значение прокариот в природе и жизни человека

Роль прокариот в природе значительна. Прежде всего они являются первыми живыми организмами, которые возникли на планете. Ученые установили,что бактерии и археи возникли около 3,5 млрд лет назад. Теория симбиогенеза предполагает, что от них произошли и некоторые органеллы эукариотических клеток. В частности, речь идет о пластидах и митохондриях.

Многие прокариоты находят свое применение в биотехнологии с целью получения лекарственных средств, антибиотиков, ферментов, гормонов, удобрений, гербицидов. Человек издавна использует полезные свойства молочнокислых бактерий для изготовления сыра, кефира, йогурта, квашеных продуктов. С помощью этих организмов осуществляется очистка водоемов и почв, обогащение руд различных металлов. Бактерии формируют микрофлору кишечника человека и многих животных. Наряду с археями они осуществляют круговорот многих веществ: азота, железа, серы, водорода.

С другой стороны, многие бактерии являются возбудителем опасных заболеваний, регулируя численность многих видов растений и животных. К ним относятся чума, сифилис, холера, сибирская язва, дифтерия.

Итак, прокариотами называют организмы, клетки которых лишены оформленного ядра. Их генетический материал представлен нуклеоидом, состоящим из кольцевой молекулы ДНК. Из современных организмов к прокариотам относятся бактерии и археи.