12. Прокариотическая клетка

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относятся бактерии и археи. Поэтому их клеточное содержимое устроено проще, чем у эукариот, но в нём всё равно происходят основные процессы жизнедеятельности.

Нуклеоид — область цитоплазмы, в которой расположена основная ДНК прокариотической клетки. У нуклеоида нет оболочки, отделяющей его от остальной цитоплазмы. Это название помогает отличать участок с ДНК от ядра эукариотической клетки.

Плазмида — небольшая молекула ДНК, обычно кольцевая и способная копироваться независимо от основной хромосомы. Она может содержать гены, не обязательные для повседневной работы клетки, но полезные в определённых условиях. Например, некоторые плазмиды несут гены устойчивости к антибиотикам.

Клеточная стенка — наружная структура, которая поддерживает форму клетки и защищает её. У бактерий и архей стенки различаются по химическому составу, поэтому их нельзя считать одинаковыми. Понимание этого различия важно, когда сравнивают группы прокариот и объясняют их свойства.

Как это устроено

У прокариот нет ядерной оболочки, поэтому основная ДНК не заключена в отдельное ядро, а находится в нуклеоиде. На ДНК записана наследственная информация, по которой клетка производит необходимые молекулы. Транскрипция — создание РНК-копии участка ДНК — и трансляция, то есть сборка белка по этой РНК, могут происходить в одной области клетки. Поэтому синтез белка способен начинаться ещё до того, как копирование РНК полностью завершилось.

Снаружи цитоплазму ограничивает клеточная мембрана: она отделяет внутреннюю среду от внешней и регулирует поступление и выход веществ. Над мембраной у прокариот обычно находится клеточная стенка, которая помогает сохранять форму и не даёт клетке разрушиться под действием внешних условий. У некоторых видов поверх стенки образуется капсула, дополнительный защитный слой. Она может также помогать клетке удерживаться на поверхности, но есть не у всех прокариот.

Рибосомы — клеточные структуры, на которых по информации РНК собираются белки. У прокариот нет мембранных органоидов, однако рибосомы не относятся к ним: у них отсутствует мембранная оболочка. Белки нужны клетке для построения структур и выполнения химических реакций. Помимо основной ДНК, у некоторых прокариот имеются плазмиды, которые несут дополнительные гены и могут копироваться отдельно от хромосомы.

У некоторых прокариот имеются жгутики и пили, но эти структуры выполняют разные задачи и встречаются не у всех видов. Жгутик помогает клетке перемещаться, например в сторону благоприятных условий. Пили — тонкие выросты на поверхности; с их помощью клетка может прикрепляться к поверхности или взаимодействовать с другой клеткой. При определённых условиях через специальные пили бактерии передают друг другу генетический материал.

Перед делением прокариотическая клетка увеличивается и копирует основную ДНК. Затем копии наследственного материала распределяются по клетке, а мембрана и стенка формируют перетяжку, разделяющую её на две дочерние клетки. Такой способ размножения называют делением надвое, или бинарным делением. Это не митоз: митозом называют деление ядра эукариотической клетки, а у прокариот ядра нет.

Сравнение прокариотической и эукариотической клеток

Чтобы определить тип клетки, сравнивайте сразу несколько признаков, прежде всего наличие ядра и мембранных органоидов. Клеточная стенка сама по себе не отличает прокариот от эукариот: она есть и у растений. Строка о делении показывает, почему термины «митоз» и «деление надвое» нельзя использовать как синонимы.

Разбор задач

Задача 1. На схеме клетки обозначены ДНК в цитоплазме и рибосомы, но нет ядра и мембранных органоидов. Определите тип клетки и назовите два признака, подтверждающих вывод.

1. Сначала ищем основные признаки прокариот: у них отсутствуют оформленное ядро и мембранные органоиды. В условии указано отсутствие обеих структур. Значит, оба признака согласуются с прокариотическим строением.
2. Затем учитываем, что ДНК в цитоплазме соответствует расположению основной ДНК в нуклеоиде. Рибосомы встречаются и у прокариот, и у эукариот, поэтому сами по себе не решают задачу. Ответ подтверждают отсутствие ядра и мембранных органоидов.

Ответ: это прокариотическая клетка; признаки — отсутствие оформленного ядра и мембранных органоидов.

Задача 2. У бактерии обнаружена небольшая дополнительная кольцевая молекула ДНК с геном устойчивости к антибиотику. Назовите эту структуру и объясните, чем она отличается от основной ДНК.

1. В условии говорится о небольшой дополнительной молекуле ДНК, которая несёт отдельный ген. Такой набор признаков указывает на плазмиду. Кольцевая форма для неё типична, хотя главное здесь — её дополнительный характер.
2. Основная ДНК хранит большую часть наследственной информации и находится в нуклеоиде. Плазмида значительно меньше и может копироваться независимо от основной хромосомы. Ген устойчивости может помочь бактерии выжить при воздействии соответствующего антибиотика.

Ответ: это плазмида; она меньше основной ДНК, расположена отдельно от неё и может нести дополнительные гены.

Задача 3. Сравните клетку бактерии и клетку растения по наличию ядра, мембранных органоидов и клеточной стенки. Объясните, почему наличие стенки само по себе не позволяет отнести клетку к прокариотам.

1. У бактерии нет оформленного ядра и мембранных органоидов, а клеточная стенка обычно есть. У растительной клетки есть ядро и мембранные органоиды, например митохондрии; также есть клеточная стенка. Следовательно, по двум первым признакам клетки различаются.
2. Теперь проверяем стенку: она присутствует и у бактерии, и у растения. Поэтому этот признак не может сам по себе определить, прокариотическая перед нами клетка или эукариотическая. Для вывода нужно учитывать наличие ядра и мембранных органоидов.

Ответ: бактерия — прокариот, растение — эукариот; клеточная стенка есть у обеих клеток и не служит достаточным признаком для их классификации.

Типичные ошибки

Называть нуклеоид ядром. Это неверно, потому что нуклеоид не окружён ядерной оболочкой, а ядро представляет собой отдельную структуру. Путаница возникает из-за того, что в обоих случаях рядом с названием упоминают ДНК. Проверка простая: спросите, отделён ли участок с ДНК оболочкой; если нет, это нуклеоид.

Считать, что у прокариот вообще нет ДНК. Отсутствие ядра не означает отсутствия наследственного материала: основная ДНК находится в нуклеоиде. Ошибку допускают, когда смешивают понятия «нет ядра» и «нет ДНК». Проверяйте себя вопросом: где располагается основная ДНК прокариот? Ответ — в цитоплазме, в области нуклеоида.

Утверждать, что у каждой прокариотической клетки есть капсула, жгутики или плазмиды. Это дополнительные структуры, которые присутствуют лишь у некоторых видов. Ошибка возникает, если пример одного организма принимают за правило для всех. В описании конкретной клетки нужно опираться на данные о ней, а не приписывать ей все возможные структуры прокариот.

Называть деление прокариот митозом. Митоз — деление ядра, а у прокариот оформленного ядра нет. Термины могут путать, потому что и митоз, и деление надвое приводят к появлению дочерних клеток. Чтобы проверить себя, выясните, делится ли ядро: если его нет, говорить о митозе нельзя.

Связь с другими темами

Для понимания строения прокариот нужны знания о мембране, цитоплазме, ДНК и рибосомах: это помогает проследить, где клетка хранит наследственную информацию и как производит белки. Сравнение прокариот и эукариот опирается на те же признаки — наличие ядра, органоидов и особенности деления. Тема помогает изучать бактерии и объяснять распространение устойчивости к антибиотикам: соответствующие гены могут находиться на плазмидах и передаваться между клетками.

Что запомнить

• У прокариот нет оформленного ядра.
• Основная ДНК находится в нуклеоиде.
• У некоторых прокариот есть плазмиды.
• Рибосомы прокариот участвуют в синтезе белка.
• Мембранных органоидов у прокариот нет.
• Прокариотическая клетка обычно делится надвое, а не митозом.