2.9. Прокариотическая клетка

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относятся бактерии и археи. Их клетка при этом не пустая: в ней есть цитоплазма, мембрана и рибосомы. По отсутствию ядра и мембранных органоидов прокариот отличают от эукариот.

Нуклеоид — область цитоплазмы, где расположена основная молекула ДНК прокариотической клетки. Это не отдельный органоид: у него нет собственной мембраны. В нуклеоиде хранится основная наследственная информация, необходимая клетке для жизнедеятельности. Термин помогает говорить о месте расположения ДНК, не называя его ядром.

Плазмида — небольшая кольцевая молекула ДНК, способная существовать отдельно от основной ДНК клетки. В ней могут находиться дополнительные гены, которые не заменяют генетический материал нуклеоида. Плазмиды важны тем, что некоторые из них дают клетке дополнительные свойства, например устойчивость к антибиотикам. Они есть не у каждой прокариотической клетки.

Клеточная стенка — прочная оболочка над плазматической мембраной, которая придаёт клетке форму и защищает её. Она находится снаружи мембраны и не заменяет её. Стенка помогает клетке сохранять форму и противостоять воздействиям среды. Её строение различается у разных прокариот, а у некоторых групп она отсутствует.

Как это устроено

У прокариот нет оформленного ядра, потому что основная ДНК не заключена в ядерную оболочку. Она находится непосредственно в цитоплазме, в области нуклеоида. Поэтому наследственная информация отделена от остального содержимого клетки не мембранным барьером, а только занимает определённую область. Называть нуклеоид ядром неправильно: решающий признак ядра — наличие окружающей его оболочки.

Генетический материал прокариот обычно представлен кольцевой молекулой ДНК, расположенной в нуклеоиде. Такая молекула содержит основную информацию, по которой клетка строит и регулирует свою работу. Помимо неё, у клетки могут быть плазмиды — отдельные небольшие кольцевые молекулы ДНК. Их гены дополняют основную наследственную информацию и могут помогать клетке приспосабливаться к определённым условиям.

Плазматическая мембрана и клеточная стенка выполняют разные задачи, потому что устроены по-разному и занимают разное положение. Мембрана непосредственно окружает содержимое клетки и регулирует поступление веществ внутрь и их выход. Стенка расположена снаружи мембраны, придаёт клетке форму и защищает её от внешних воздействий. Поэтому стенка не может заменить мембрану: сама по себе она не обеспечивает избирательный обмен веществ.

Клетка прокариот проще эукариотической по набору внутренних структур: в её цитоплазме нет мембранных органоидов, например митохондрий. Однако отсутствие таких органоидов не означает отсутствия клеточных процессов. В цитоплазме есть рибосомы — структуры, на которых синтезируются белки. Таким образом, важная работа клетки выполняется, хотя она не разделена между многочисленными мембранными отсеками.

Дополнительные структуры помогают прокариотам взаимодействовать со средой, но нужны не каждой клетке. Капсула, расположенная снаружи клеточной стенки, может давать дополнительную защиту. Жгутики могут обеспечивать движение, а выросты поверхности — участвовать во взаимодействии с другими клетками или окружающей средой. Наличие таких структур зависит от конкретного организма и его образа жизни, поэтому их нельзя считать обязательными признаками всех прокариот.

Строение прокариотической и эукариотической клеток

Сначала сравните наличие ядра и мембранных органоидов: эти признаки помогают прежде всего различить два типа клеток. Затем проверьте, где расположена основная ДНК и есть ли рибосомы. Учитывайте, что клеточная стенка и плазмиды характерны не для каждой клетки соответствующего типа.

Разбор задач

Задача 1. Обозначения на схеме

Условие. На схеме клетки нужно обозначить нуклеоид, плазматическую мембрану, клеточную стенку и рибосомы. Требуется распознать структуры по их расположению. Важно не принять основную ДНК за плазмиду или клеточную оболочку.

1. Найдите основную ДНК: она расположена внутри цитоплазмы, обычно в виде крупной кольцевой молекулы. Обозначьте область её расположения как нуклеоид, а не ядро, поскольку ядерной оболочки вокруг неё нет.
2. Проследите границу клетки изнутри наружу. Плазматическая мембрана непосредственно окружает цитоплазму, а клеточная стенка, если она показана, находится снаружи мембраны.
3. Найдите в цитоплазме небольшие частицы, не ограниченные мембраной. Это рибосомы; их не следует путать с молекулами ДНК.

Ответ. Нуклеоид отмечают в цитоплазме по основной молекуле ДНК, рибосомы — как мелкие частицы в цитоплазме. Мембрана ограничивает цитоплазму, а стенка расположена снаружи неё. Если схема условная, ориентируйтесь на относительное расположение структур, а не на их масштаб.

Задача 2. Определение типа клетки

Условие. В клетке обнаружены кольцевая ДНК в цитоплазме, рибосомы и клеточная стенка, но нет ядра и мембранных органоидов. Нужно объяснить, почему её относят к прокариотам. Отдельные признаки следует оценить вместе, а не рассматривать по одному.

1. Сначала проверьте наиболее важный признак: у клетки нет оформленного ядра. Значит, её ДНК не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой.
2. Затем учтите, что мембранных органоидов тоже нет. Это соответствует устройству прокариотической клетки.
3. Кольцевая ДНК в цитоплазме согласуется с наличием нуклеоида, а рибосомы не противоречат этому выводу: они есть и у прокариот. Клеточная стенка сама по себе тип клетки не определяет, но дополняет описание.

Ответ. Клетку относят к прокариотам, потому что у неё отсутствуют оформленное ядро и мембранные органоиды, а основная ДНК расположена в цитоплазме. Рибосомы и клеточная стенка не делают её эукариотической. Решение основано на совокупности характерных признаков.

Задача 3. Плазмида и устойчивость к антибиотику

Условие. У бактерии обнаружена плазмида с геном устойчивости к антибиотику. Нужно сравнить плазмиду с основной ДНК и объяснить возможную роль этого гена. Не следует путать расположение молекул ДНК с их значением для клетки.

1. Определите, где находится основная ДНК: она расположена в нуклеоиде и содержит основную наследственную информацию клетки. Плазмида — отдельная небольшая кольцевая молекула ДНК в той же клетке.
2. Установите, какой признак кодирует ген плазмиды. В условии указан ген устойчивости, значит, при его работе клетка может переносить воздействие данного антибиотика лучше, чем без такого гена.
3. Не делайте вывод, что плазмида заменяет основную ДНК или гарантирует защиту от любых антибиотиков. Речь идёт о дополнительном гене и конкретном свойстве.

Ответ. Плазмида отличается от основной ДНК тем, что представляет собой отдельную небольшую молекулу, не входящую в состав нуклеоида. Ген на ней может обеспечивать устойчивость бактерии к определённому антибиотику. Это свойство может повысить вероятность выживания бактерии при воздействии такого препарата.

Типичные ошибки

Ошибка: называть нуклеоид ядром. Так говорят, потому что в нуклеоиде находится ДНК, как и в ядре эукариот. Но нуклеоид не окружён ядерной оболочкой. Проверьте себя вопросом: есть ли у этой структуры собственная оболочка? Если нет, это не оформленное ядро.

Ошибка: считать, что у прокариот вообще нет внутренних структур. Это заблуждение возникает из-за фразы об отсутствии мембранных органоидов. В прокариотической клетке есть цитоплазма, рибосомы и плазматическая мембрана. Проверяйте формулировку: отсутствуют именно мембранные органоиды, а не все компоненты клетки.

Ошибка: путать клеточную стенку с плазматической мембраной. Обе структуры располагаются на границе клетки, поэтому их функции иногда смешивают. Мембрана отделяет содержимое клетки и регулирует обмен веществ, а стенка поддерживает форму и защищает. Чтобы проверить себя, определите, какая структура непосредственно окружает цитоплазму: это мембрана.

Ошибка: считать плазмиду частью нуклеоида. Обе структуры содержат ДНК и находятся внутри одной клетки, поэтому их можно спутать. Однако плазмида — отдельная небольшая молекула, а нуклеоид связан с основной ДНК. Проверьте, спрашивается ли в условии об основной или дополнительной молекуле наследственного материала.

Связь с другими темами

Для понимания устройства прокариот нужны знания о цитоплазме, плазматической мембране, ДНК и рибосомах. Эти понятия помогают определить, где находятся наследственная информация и структуры, выполняющие клеточную работу. Если различать мембрану и стенку, легче понять границы и защиту клетки.

Сравнение прокариот и эукариот пригодится при изучении разнообразия клеток и организмов. Оно позволяет связывать особенности строения клетки с тем, к какой группе организмов она относится. При сравнении полезно отдельно проверять ядро, ДНК и мембранные органоиды.

Плазмиды связаны с темами наследственности бактерий и распространения устойчивости к антибиотикам. Дополнительные гены могут давать клеткам новые свойства. Поэтому понимание различий между плазмидой и основной ДНК помогает объяснять, откуда берутся такие особенности.

Что запомнить

• У прокариот нет оформленного ядра.
• Основная ДНК расположена в цитоплазме в области нуклеоида.
• Плазмиды — отдельные небольшие молекулы ДНК.
• У прокариот есть рибосомы, но нет мембранных органоидов.
• Клеточная стенка и плазматическая мембрана выполняют разные функции.
• Капсула и жгутики встречаются у некоторых прокариот, но не являются обязательными для всех.