Отличия прокариот от эукариот. Прокариоты и эукариоты — что это за клетки и чем они отличаются друг от друга Рибосомы прокариот и эукариот сходства и различия
Древнейшие на Земле организмы, не имеющие клеточного ядра, появившиеся около четырех миллиардов лет тому назад, называются прокариотами , то есть доядерными. В настоящее время они тоже распространены, обитают в воде, почве, воздухе, на покровах животных и растений, а также внутри них. Прокариоты освоили экстремальные места обитания (Рис. 2): горячие источники (они выживают и живут при температуре 70 0 и выше), моря и соленые озера (галобактерии живут при солености около 30 %).
Рис. 2. Места обитания прокариот ()
Форма бактерий чрезвычайно разнообразна: шаровидная, палочковидная и изогнутая (Рис. 3).
Рис. 3. Формы бактерий ()
Размеры клеток большинства прокариот - от 0,2 до 10 микрометров, встречаются и карлики (нанобактерии и микоплазмы), размер которых - от 0,05 до 0,1 микрометра. Кроме этого, существуют и гиганты (макромонусы) с размерами до 10 микрометров. Средний размер клетки бактерии - около 1 микрометра. Размеры прокариот меньше размеров эукариот.
По сравнению с эукариотической, клетка прокариот выглядит гораздо проще (Рис. 4).
Рис. 4. Клетка прокариот и эукариот ()
У прокариот нет ядра, единственная кольцевая молекула ДНК, находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не имеет оболочки и располагается непосредственно в цитоплазме.
Рассмотрим строение прокариотической клетки (Рис. 5).
Рис. 5. Строение прокариотической клетки ()
Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной. Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки - мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами - пектином и муреином. В цитоплазме прокариотических клеток нет мембранных органоидов: митохондрий, пластидов, ЭПС, комплекса Гольджи, лизосом. Их функции выполняют складки и впячивания наружной мембраны - мезосомы. В цитоплазме прокариот беспорядочно располагаются мелкие рибосомы. Цитоскелета в прокариотических клетках тоже нет, но иногда встречаются жгутики, которые способствуют передвижению бактерий. На поверхности бактериальной клетки находятся пили - белковые нити, с помощью которых бактерии присоединяются к субстрату или поверхности. Половые пили служат для обмена генетического материала между различными бактериями.
Фотосинтезирующие бактерии - цианобактерии, имеют в клетках фотосинтезирующие мембраны или тилакоиды, в которых содержатся пигменты, участвующие в процессе фотосинтеза (Рис. 6), такие как хлорофилл.
Рис. 6. Цианобактерия ()
На тилакоидах содержатся пигменты, являющиеся вспомогательными при процессе фотосинтеза - фикобилины: аллофикоцианин, фикоэритрин и фикоцианин. Фикобилины образуют прочные соединения с белками (фикобилинпротеиды). Связь между фикобилинами и белками разрушается только кислотой.
В клетках прокариот откладываются и запасные питательные вещества, отложение или запас происходит в результате избытка питательных веществ, а потребление при недостатке питательных веществ. К запасным питательным веществам относятся полисахариды (крахмал, гликоген, гранулеза), липиды (гранулы или капли жира), полифосфаты (источник фосфора и энергии).
Большинство эукариот являются аэробами, то есть используют в энергетическом обмене кислород воздуха. Напротив, многие прокариоты являются анаэробами, и кислород для них вреден. Некоторые бактерии, называемые азотфиксирующими, способны усваивать азот воздуха, чего эукариоты делать не могут. Те виды прокариот, которые получают энергию благодаря фотосинтезу, содержат особую разновидность хлорофилла, который может располагаться на мезосомах.
В неблагоприятных условиях (холод, жара, засуха) многие бактерии образуют споры. При спорообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется особая плотная оболочка, а остальное содержимое клетки отмирает. Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из нее снова прорастает активная бактерия (Рис. 7).
Рис. 7. Схема образования спор у бактерий ()
Чаще всего прокариоты размножаются бесполым путем: ДНК удваивается, и далее клетка делится в поперечной плоскости пополам (Рис. 8). В благоприятных условиях бактерии способны делиться каждые 20 минут; при этом потомство от одной клетки через трое суток теоретически имело бы массу 7500 тонн! К счастью, таких условий в принципе быть не может.
Рис. 8. Размножение прокариот ()
Половое размножение у прокариот наблюдается гораздо реже, чем бесполое, однако оно очень важно, так как при обмене генетической информацией бактерии передают друг другу устойчивость к неблагоприятным воздействиям (например, к лекарствам). При половом процессе бактерии могут обмениваться как участками бактериальной хромосомы, так и особыми маленькими кольцевыми двуцепочечными молекулами ДНК - плазмидами. Обмен может происходить через цитоплазматический мостик между двумя бактериями или с помощью вирусов, усваивающих участки ДНК одной бактерии и переносящих их в другие бактериальные клетки, которые они заражают.
Мы рассмотрели прокариотическую клетку, которая организована достаточно просто по сравнению с эукариотической клеткой, основным отличием которой является отсутствие оформленного ядра, кольцевая молекула ДНК располагается в цитоплазме свободно и не окружена ядерной оболочкой. В прокариотической клетке нет мембранных органелл, которые свойственны эукариотическим клеткам.
Список литературы
- Беляев Д.К. Общая биология. Базовый уровень. - 11 издание, стереотипное. - М.: Просвещение, 2012.
- Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Общая биология, 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2005.
- Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010.
- Biobib.ru ().
- Cat.convdocs.org ().
- Bio-faq.ru ().
Домашнее задание
- Каково основное различие между прокариотическими и эукариотическими клетками?
- Что такое бактериальная хромосома?
- Как происходит половое размножение прокариот?
Прокариоты – древнейшие организмы, образующие самостоятельное царство. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые «водоросли» и ряд других мелких групп.
Клетки прокариот не обладают, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов – линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли). Также к ним можно условно отнести постоянные внутриклеточные симбионты эукариотических клеток – митохондрии и пластиды.
Эукариоты (эвкариоты) (от греч. eu– хорошо, полностью иkaryon– ядро) – организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочечных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикрепленных изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты – митохондрии, а у водорослей и растений – также и пластиды.
2. Клетки эукариот. Строение и функции
К эукариотам относятся растения, животные, грибы.
Клеточной стенки у клеток животных нет. Она представлена голым протопластом. Пограничный слой клетки животных – гликокаликс – это верхний слой цитоплазматической мембраны, «усиленный» молекулами полисахаридов, которые входят в состав межклеточного вещества.
Митохондрии имеют складчатые кристы.
В клетках животных есть клеточный центр, состоящий из двух центриолей. Это говорит о том, что любая клетка животных потенциально способна к делению.
Включение в животной клетке представлено в виде зерен и капель (белки, жиры, углевод гликоген), конечных продуктов обмена, кристаллов солей, пигментов.
В клетках животных могут быть сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли небольших размеров.
В клетках нет пластид, включений в виде крахмальных зерен, крупных вакуолей, заполненных соком.
3. Сопоставление прокариотической и эукариотической клеток
Наиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970 – 1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий. (Таблица 16).
Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот – обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеткок организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот. Например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних.
Так, размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5 – 5 мкм, размеры эукариотических – в среднем от 10 до 50 мкм. Кроме того, только среди эукариот попадаются поистине гигантские клетки, такие как массивные яйцеклетки акул или страусов (в птичьем яйце весь желток – это одна огромная яйцеклетка), нейроны крупных млекопитающих, отростки которых, укрепленные цитоскелетом, могут достигать десятков сантиметров в длину.
По своей структуре организмы могут одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты преимущественно одноклеточны, за исключением некоторых цианобактерий и актиномицетов. Среди эукариот одноклеточное строение имеют простейшие, ряд грибов, некоторые водоросли. Все остальные формы многоклеточны. Считается, что одноклеточными были первые живые организмы Земли.
2.4. Строение про– и эукариотной клеток. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности
Основные термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе: аппарат
Голъджи, вакуоль, клеточная мембрана, клеточная теория, лейкопласты, митохондрии, органоиды клетки, пластиды, прокариоты, рибосомы, хлоропласты, хромопласты, хромосомы, эукариоты, ядро.
Любая клетка представляет собой систему. Это означает, что все ее компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимодействуют друг с другом. Это также означает, что нарушение деятельности одного из элементов данной системы ведет к изменениям и нарушениям работы всей системы. Совокупность клеток образует ткани, различные ткани образуют органы, а органы, взаимодействуя и выполняя общую функцию, образуют системы органов. Эту цепочку можно продолжить дальше, и вы можете сделать это самостоятельно. Главное, что нужно понять, – любая система обладает определенной структурой, уровнем сложности и основана на взаимодействии элементов, которые ее составляют. Ниже даются справочные таблицы, в которых сравнивается строение и функции прокариотических и эукариотических клеток, а также разбирается их строение и функции. Внимательно проанализируйте эти таблицы, ибо в экзаменационных работах достаточно часто задаются вопросы, требующие знания этого материала.
2.4.1. Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток. Сравнительные данные
Сравнительная характеристика эукариотических и прокариотических клеток.
Строение эукариотичеких клеток.
Функции эукариотических клеток . Клетки одноклеточных организмов осуществляют все функции, характерные для живых организмов – обмен веществ, рост, развитие, размножение; способны к адаптации.
Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению, в зависимости от выполняемых ими функций. Эпителиальные, мышечные, нервные, соединительные ткани формируются из специализированных клеток.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А
А1. К прокариотическим организмам относится 1) бацилла 2) гидра 3) амеба 4) вольвокс
А2. Клеточная мембрана выполняет функцию
1) синтеза белка
2) передачи наследственной информации
3) фотосинтеза
4) фагоцитоза и пиноцитоза
А3. Укажите пункт, в котором строение названной клетки совпадает с ее функцией
1) нейрон – сокращение
2) лейкоцит – проведение импульса
3) эритроцит – транспорт газов
4) остеоцит – фагоцитоз
А4. Клеточная энергия вырабатывается в
1) рибосомах 3) ядре
2) митохондриях 4) аппарате Гольджи
А5. Исключите из предложенного списка лишнее понятие
1) лямблия 3) инфузория
2) плазмодий 4) хламидомонада
А6. Исключите из предложенного списка лишнее понятие
1) рибосомы 3) хлоропласты
2) митохондрии 4) крахмальные зерна
А7. Хромосомы клетки выполняют функцию
1) биосинтеза белка
2) хранения наследственной информации
3) формирования лизосом
4) регуляции обмена веществ
В1. Выберите из предложенного списка функции хлоропластов
1) образование лизосом 4) синтез АТФ
2) синтез глюкозы 5) выделение кислорода
3) синтез РНК 6) клеточное дыхание
В2. Выберите особенности строения митохондрий
1) окружены двойной мембраной
2) содержат хлорофилл
3) есть кристы
4) наружная мембрана складчатая
5) окружены одинарной мембраной
6) внутренняя мембрана богата ферментами ВЗ. Соотнесите органоид с его функцией
В4. Заполните таблицу, отметив знаками « + » или «- » наличие указанных структур в про– и эукариотических клетках
С1. Докажите, что клетка является целостной биологической, открытой системой.
2.5. Метаболизм: энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле
Термины, проверяемые в экзаменационной работе: автотрофные организмы,
анаболизм, анаэробный гликолиз, ассимиляция, аэробный гликолиз, биологическое окисление, брожение, диссимиляция, биосинтез, гетеротрофные организмы, дыхание, катаболизм, кислородный этап, метаболизм, пластический обмен, подготовительный этап, световая фаза фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, фотолиз воды, фотосинтез, энергетический обмен.
2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его на пластический (анаболизм ) и энергетический обмены (катаболизм ), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.
Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:
Анаболизм (ассимиляция ) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
Катаболизм (диссимиляция ) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.
Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы , – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода. Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно ) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.
Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме . Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».
Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.
2.5.2. Энергетический обмен в клетке (диссимиляция)
Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается
многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков
до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов,
нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.
Второй этап – бескислородный (гликолиз ). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением .
Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
Третий этап – кислородный , состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.
Окислительное фосфорилирование или клеточное дыхание происходит, на
внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А
А1. Способ питания хищных животных называется
1) автотрофным 3) гетеротрофным
2) миксотрофным 4) хемотрофным
А2. Совокупность реакций обмена веществ называется:
1) анаболизм 3) диссимиляция
2) ассимиляция 4) метаболизм
А3. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит образование:
1) 2 молекул АТФ и глюкозы
2) 36 молекул АТФ и молочной кислоты
3) аминокислот, глюкозы, жирных кислот
4) уксусной кислоты и спирта
А4. Вещества, катализирующие биохимические реакции в организме, – это:
1) белки 3) липиды
2) нуклеиновые кислоты 4) углеводы
А5. Процесс синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования происходит в:
1) цитоплазме 3) митохондриях
2) рибосомах 4) аппарате Гольджи
А6. Энергия АТФ, запасенная в процессе энергетического обмена, частично используется для реакций:
1) подготовительного этапа
2) гликолиза
3) кислородного этапа
4) синтеза органических соединений А7. Продуктами гликолиза являются:
1) глюкоза и АТФ
2) углекислый газ и вода
3) пировиноградная кислота и АТФ
4) белки, жиры, углеводы
В1. Выберите события, происходящие на подготовительном этапе энергетического обмена у человека
1) белки распадаются до аминокислот
2) глюкоза расщепляется до углекислого газа и воды
3) синтезируются 2 молекулы АТФ
4) гликоген расщепляется до глюкозы
5) образуется молочная кислота
6) липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот
В2. Соотнесите процессы, происходящие при энергетическом обмене с этапами, на которых они происходят
ВЗ. Определите последовательность превращений куска сырого картофеля в процессе энергетического обмена в организме свиньи:
А) образование пирувата Б) образование глюкозы
В) всасывание глюкозы в кровь Г) образование углекислого газа и воды
Д) окислительное фосфорилирование и образование Н2О Е) цикл Кребса и образование СО2
С1. Объясните причины утомляемости спортсменов-марафонцев на дистанциях, и как она преодолевается?
2.5.3. Фотосинтез и хемосинтез
Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.
Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл . Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ – никотинамиддифосфат ). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой
и темновой фазами.
Самое очевидное отличие прокариот от эукариот заключается в наличии у последних ядра , что отражено в названии этих групп: «карио» с древнегреческого переводится как ядро, «про» - до, «эу» - хорошо. Отсюда прокариоты - это доядерные организмы, эукариоты - ядерные.
Однако это далеко не единственное и возможно не главное отличие прокариотических организмов от эукариот . В клетках прокариот вообще нет мембранных органоидов (за редким исключением) - митохондрий, хлоропластов, комплекса Гольджи, эндоплазматической сети, лизосом. Их функции выполняют выросты (впячивания) клеточной мембраны, на которых располагаются различные пигменты и ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности.
У прокариот нет характерных для эукариот хромосом. Их основной генетический материал - это нуклеоид , обычно имеющий форму кольца. В эукариотических клетках хромосомы представляют собой комплексы ДНК и белков-гистонов (играют важную роль в упаковке ДНК). Эти химические комплексы называются хроматином . Нуклеоид прокариот не содержит гистонов, а форму ему придают связанные с ним молекулы РНК.
Хромосомы эукариот находятся в ядре. У прокариот нуклеоид находится в цитоплазме и обычно крепится в одном месте к мембране клетки.
Кроме нуклеоида в прокариотических клетках бывает разное количество плазмид - нуклеоидов существенно меньшего размера, чем основной.
Количество генов в нуклеоиде прокариот на порядок меньше, чем в хромосомах. У эукариот есть множество генов, выполняющих регуляторную функцию по отношению к другим генам. Это дает возможность эукариотическим клеткам многоклеточного организма, содержащим одну и ту же генетическую информацию, специализироваться; изменяя свой метаболизм, более гибко реагировать на изменения внешней и внутренней среды. Отличается и структура генов. У прокариот гены в ДНК располагаются группами - оперонами. Каждый оперон транскрибируется как единое целое.
Отличия прокариот от эукариот есть и в процессах транскрипции и трансляции. Самое главное заключается в том, что в прокариотических клетках эти процессы могут протекать одновременно на одной молекуле матричной (информационной) РНК: в то время как она еще синтезируется на ДНК, на готовом ее конце уже «сидят» рибосомы и синтезируют белок. В эукариотических клетках мРНК после транскрипции претерпевает так называемое созревание. И только после этого на ней может синтезироваться белок.
Рибосомы прокариот меньше (коэффициент седиментации 70S), чем у эукариот (80S). Отличается количество белков и молекул РНК в составе субъединиц рибосом. Следует отметить, что рибосомы (а также генетический материал) митохондрий и хлоропластов схожи с прокариотами, что может говорить об их происхождении от древних прокариотических организмов, оказавшихся внутри клетки-хозяина.
Прокариоты отличаются обычно более сложным строением своих оболочек. Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки у них также имеется капсула и другие образования, в зависимости от типа прокариотического организма. Клеточная стенка выполняет опорную функцию и препятствует проникновению вредных веществ. В состав клеточной стенки бактерий входит муреин (гликопептид). Среди эукариот клеточная стенка есть у растений (ее основной компонент - целлюлоза), у грибов - хитин.
Прокариотические клетки делятся бинарным делением. У них нет сложных процессов клеточного деления (митоза и мейоза) , характерных для эукариот. Хотя перед делением нуклеоид удваивается, так же как хроматин в хромосомах. В жизненном цикле эукариот наблюдается чередование диплоидной и гаплоидной фаз. При этом обычно преобладает диплоидная фаза. В отличие от них у прокариот такого нет.
Клетки эукариот различны по размерам, но в любом случае существенно крупнее прокариотических (в десятки раз).
Питательные вещества в клетки прокариот поступают только с помощью осмоса. У эукариотических клеток кроме этого может также наблюдаться фаго- и пиноцитоз («захват» пищи и жидкости с помощью цитоплазматической мембраны).
В целом отличие прокариот от эукариот заключается в однозначно более сложном строении последних. Считается, что клетки прокариотического типа возникли путем абиогенеза (длительной химической эволюции в условиях ранней Земли). Эукариоты появились позже от прокариотов, путем их объединения (симбиотическая, а также химерная гипотезы) или эволюции отдельно взятых представителей (инвагинационная гипотеза). Сложность клеток эукариот позволила им организовать многоклеточный организм, в процессе эволюции обеспечить все основное разнообразие жизни на Земле.
Таблица отличий прокариот от эукариот
| Признак | Прокариоты | Эукариоты |
|---|---|---|
| Клеточное ядро | Нет | Есть |
| Мембранные органоиды | Нет. Их функции выполняют впячивания клеточной мембраны, на которых располагаются пигменты и ферменты. | Митохондрии, пластиды, лизосомы, ЭПС, комплекс Гольджи |
| Оболочки клетки | Более сложные, бывают различные капсулы. Клеточная стенка состоит из муреина. | Основной компонент клеточной стенки целлюлоза (у растений) или хитин (у грибов). У клеток животных клеточной стенки нет. |
| Генетический материал | Существенно меньше. Представлен нуклеоидом и плазмидами, которые меют кольцевую форму и находятся в цитоплазме. | Объем наследственной информации значительный. Хромосомы (состоят из ДНК и белков). Характерна диплоидность. |
| Деление | Бинарное деление клетки. | Есть митоз и мейоз. |
| Многоклеточность | Для прокариот не характерна. | Представлены как одноклеточными, так и многоклеточными формами. |
| Рибосомы | Мельче | Крупнее |
| Обмен веществ | Более разнообразный (гетеротрофы, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие различными способами автотрофы; анаэробное и аэробное дыхание). | Автотрофность только у растений за счет фотосинтеза. Почти все эукариоты аэробы. |
| Происхождение | Из неживой природы в процессе химической и предбиологической эволюции. | От прокариот в процессе их биологической эволюции. |
Все живые организмы подразделяются на доклеточные и клеточные. К доклеточным относятся вирусы и фаги. Вторая группа, клеточные, делится на прокариоты и эукариоты, которые представляют собой предъядерные и ядерные организмы.
Прокариоты
Первые клеточные, прокариоты, возникли на Земле более 3 миллиардов лет тому назад. Это было величайшим скачком в развитии жизни. Прокариоты представляют собой бактерии. Строение у них относительно простое. Наследственная информация, ДНК, находится у них в примитивной, содержащей мало белка кольцевидной хромосоме. Она располагается в особом участке цитоплазмы, нуклеоиде, не отделенном от остальной клетки мембраной. Основное, чем отличаются прокариоты и эукариоты друг от друга, это то, что в клетках первого типа настоящее ядро отсутствует.
Цитоплазма предъядерных клеток имеет намного меньше клеточных структур. Из них известны рибосомы, более мелкие по сравнению с рибосомами эукариоидных клеток. Роль митохондрий в прокариотах принадлежит простым мембранным структурам. Отсутствует в них и хлоропласт. Прокариоты имеют плазматическую мембрану, над которой находится клеточная оболочка. Они отличаются от эукариот значительно меньшими размерами.В некоторых случаях в прокариотах могут быть так называемые плазмиды - небольшие, в виде кольца,
Эукариоты
Все ядерные клетки отличаются общим планом строения и общим происхождением. Они возникли из предъядерных клеток 1,2 млрд. лет назад. Строение их значительно сложнее. И прокариоты, и эукариоты имеют клеточную мембрану. Но в остальном их структурные и биохимические особенности во многом отличаются. Самое главное отличие - то, что в ядерных клетках имеется истинное ядро, в котором хранится их генетическая информация.
Ядро отграничено от цитоплазмы специальной мембраной, состоящей из наружного и внутреннего слоев. Она похожа на плазматическую мембрану, но содержит поры. Благодаря им осуществляется обмен между цитоплазмой и ядром. Геном клетки состоит из целого набора хромосом, этим прокариоты и эукариоты также отличаются друг от друга. ДНК в хромосомах эукариот связана с белками-гистонами.
В находятся ядрышки, в которых образуются рибосомы. Бесструктурная масса, кариоплазма, окружает хромосомы и ядрышки. Каждому виду животных и растений свойственен свой, строго определенный набор хромосом. При делении клеток они удваиваются и затем распределяются по дочерним клеткам
Если рассматривать прокариоты и эукариоты, различия у них видны и в цитоплазме клеток.
Для клеток растений свойственно наличие крупной центральной вакуоли и пластид. может отодвигать ядро к периферии клетки. Питательный резервный углевод растительной клетки - крахмал. Снаружи растительные клетки покрыты состоящей из целлюлозы. В клеточном центре нет центриоли, которую можно увидеть только у водорослей.
Животные клетки не имеют центральной вакуоли, пластид и плотной клеточной оболочки. В центре клетки имеется центриоль. Резервный углевод в животных клетках - гликоген.
У клеток грибов центриоль бывает не всегда. Стенка клеток состоит из хитина, в цитоплазме пластидов нет, но в центре клетки центральная вакуоль имеется. Резерв углеводов у них ‑ тоже гликоген.
В цитоплазме эукариот имеются митохондрии, лизосомы, эндоплазматическая сеть, органоиды движения. Рибосомы у них значительно крупнее, чем рибосомы прокариот. Цитоплазма клетки разделена на отдельные отсеки, компартменты, при помощи специальных оболочек, состоящих из липидов. В каждом из них протекают свои биохимические процессы. Это почти не встречается у прокариот.
В целом прокариоты и эукариоты выражают законы эволюции, для которой характерно движение от более простых форм к более сложным.
Однако предъядерным клеткам свойственна большая пластичность и многообразие обменных процессов. Многие бактерии могут получать энергию за счет света или химических реакций, существовать в среде, лишенной кислорода (анаэробные бактерии). Благодаря этому они вписываются в картину современного мира.