5.1. Прокариотическая клетка

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относятся бактерии и археи. Их клетка устроена без внутренних мембранных отсеков, но в ней есть необходимые для жизни структуры. Это понятие помогает отличать такие клетки от эукариотических.

Нуклеоид — участок цитоплазмы, где расположена основная молекула ДНК прокариотической клетки. ДНК содержит наследственную информацию, необходимую клетке. Нуклеоид не является ядром: вокруг него нет ядерной оболочки, поэтому он не отделён от остальной цитоплазмы. Название указывает на область расположения ДНК, а не на отдельный органоид.

Плазмида — небольшая молекула ДНК, способная существовать отдельно от основной ДНК клетки. Она может нести дополнительные гены, например связанные с устойчивостью к антибиотикам или использованием определённых веществ. Плазмиды есть не у всех прокариот и не заменяют основную ДНК. Они расширяют набор наследственных признаков клетки.

Клеточная стенка — структура, расположенная снаружи от клеточной мембраны. Она помогает клетке сохранять форму и защищает её от воздействий среды. Стенка и мембрана — не одно и то же: они находятся рядом, но имеют разное строение и функции. Стенка также помогает клетке выдерживать изменения внешних условий.

Как это устроено

Отсутствие ядра не означает отсутствия наследственного материала. Для хранения и передачи наследственной информации клетке достаточно молекулы ДНК, которая у прокариот находится в цитоплазме, в области нуклеоида. Эта область не окружена оболочкой, поэтому вещества цитоплазмы не отделены от неё ядерной мембраной. Следовательно, на схеме прокариота ДНК может быть показана внутри клетки, но не внутри ядра.

Генетический аппарат прокариота включает основную молекулу ДНК и, у некоторых клеток, плазмиды. Основная ДНК несёт сведения, необходимые для основных свойств и жизнедеятельности клетки. Плазмиды меньше и содержат дополнительную наследственную информацию, которая может оказаться полезной в определённых условиях. Такое разделение позволяет отличать основной набор генов от дополнительных, не считая плазмиду ядром или заменой основной ДНК.

Слои клеточной оболочки располагаются последовательно: сначала цитоплазму окружает мембрана, снаружи от неё обычно находится клеточная стенка, а у некоторых видов ещё дальше располагается капсула. Мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от внешней и участвует в избирательном обмене веществ. Стенка поддерживает форму и защищает клетку, а капсула может обеспечивать дополнительную защиту и помогать взаимодействовать с окружающей средой. Капсула есть не у всех прокариот, потому что её наличие связано с особенностями конкретного организма.

Белки синтезируются на рибосомах — клеточных структурах, которые собирают белковую молекулу по информации, содержащейся в РНК. У прокариот рибосомы находятся непосредственно в цитоплазме, а не внутри мембранных органоидов. Поэтому синтез белка может идти в общей внутренней среде клетки, рядом с другими процессами. Если работа рибосом нарушена, клетка теряет возможность нормально производить белки.

Жгутики у некоторых прокариот служат для перемещения в жидкой среде. Другие поверхностные структуры могут помогать прикрепляться к поверхностям или взаимодействовать с другими клетками. Такие приспособления полезны не каждому организму: способы передвижения и взаимодействия зависят от образа жизни и условий обитания. Поэтому отсутствие жгутика не мешает определить клетку как прокариотическую.

Сравнение прокариотической и эукариотической клеток

Сравнивайте клетки по нескольким признакам, а не только по размеру: размеры могут различаться даже внутри одной группы. Самый надёжный признак прокариот — отсутствие оформленного ядра и расположение основной ДНК в нуклеоиде. Сведения о стенке и плазмидах следует трактовать с учётом того, что эти признаки бывают не у всех клеток.

Разбор задач

Задача 1. ДНК, рибосомы и мембрана без ядра

На схеме обозначены ДНК, рибосомы и клеточная мембрана, но не показано ядро. Нужно определить, может ли так выглядеть прокариотическая клетка. Для ответа важно выяснить не только, есть ли ДНК, но и где она находится. Условие сообщает, что оформленное ядро на схеме отсутствует.

1. Прокариотические клетки не имеют оформленного ядра.
2. ДНК у них при этом есть: основная молекула располагается в нуклеоиде, то есть в цитоплазме.
3. Рибосомы и клеточная мембрана также характерны для прокариот, поэтому перечисленные обозначения не противоречат такому варианту.

Ответ: да, это может быть прокариотическая клетка. Обосновывающий признак — отсутствие оформленного ядра при наличии ДНК в цитоплазме.

Задача 2. Небольшая кольцевая молекула ДНК

У бактерии обнаружили небольшую кольцевую молекулу ДНК, отличную от основной. Нужно назвать её и объяснить отличие от основной ДНК клетки. Условие подчёркивает, что молекула небольшая и существует отдельно. Эти признаки помогают распознать дополнительный элемент генетического аппарата.

1. Основная ДНК находится в нуклеоиде и несёт важную наследственную информацию клетки.
2. Небольшая отдельная молекула ДНК, существующая помимо основной, называется плазмидой.
3. Плазмида может нести дополнительные гены, например гены устойчивости к антибиотикам, но не заменяет основную молекулу.

Ответ: это плазмида. Она меньше основной ДНК, существует отдельно от неё и несёт дополнительную, а не основную наследственную информацию.

Задача 3. Нарушена работа рибосом

Вещество нарушило работу рибосом бактерии, но не повредило её клеточную стенку. Требуется объяснить, какой процесс пострадает и почему это не равнозначно разрушению стенки. Сначала нужно связать каждую структуру с её функцией. Затем можно определить, что именно изменилось в клетке, а что осталось неповреждённым.

1. Рибосомы участвуют в синтезе белка, поэтому при нарушении их работы клетке становится трудно или невозможно производить белки.
2. Клеточная стенка не синтезирует белки: она поддерживает форму клетки и защищает её.
3. Значит, нарушение работы рибосом само по себе не означает, что стенка разрушена; это разные структуры с разными функциями.

Ответ: будет нарушен синтез белка. Стенка при этом не обязательно повреждена, потому что рибосомы работают внутри клетки, а стенка выполняет защитную и опорную функции.

Типичные ошибки

Называть нуклеоид ядром — ошибка: у нуклеоида нет оболочки, которая отделяла бы его от цитоплазмы. Так путают область, где расположена ДНК, с мембранным органоидом. Проверьте себя: если вокруг ДНК не обозначена ядерная оболочка, это не оформленное ядро. Правильно говорить, что ДНК находится в нуклеоиде.

Считать, что у прокариот нет ДНК, неверно: у клетки есть основная молекула наследственного материала, а иногда и плазмиды. Ошибка возникает из-за смешения понятий «нет ядра» и «нет ДНК». Чтобы проверить ответ, задайте вопрос: отсутствует ли именно оболочка ядра или сама наследственная информация? Для прокариот верно первое, но не второе.

Приравнивать клеточную стенку к мембране нельзя, потому что это разные структуры. Их путают из-за того, что обе окружают клетку, но мембрана расположена под стенкой и регулирует обмен веществ, а стенка обеспечивает опору и защиту. Проверьте себя по расположению и функции каждой структуры. Если в ответе обе выполняют одну и ту же задачу, описание нужно уточнить.

Утверждать, что капсула или жгутики есть у всех прокариот, неправильно: это признаки отдельных видов. Такое обобщение появляется, если особенность изученного примера переносят на всю группу. Проверяйте формулировки «у всех» и «всегда» по плану строения: оболочка и наследственный материал относятся к основным признакам, а капсула и жгутики встречаются не повсеместно. Их наличие зависит от конкретного организма.

Связь с другими темами

Для понимания строения прокариот нужны знания о мембране, цитоплазме, ДНК и рибосомах. Полезно также различать организм и клетку: прокариоты — это организмы, а прокариотическая клетка — тип их клеточного строения. Сравнение прокариот и эукариот помогает изучать бактерии, клеточную теорию и разнообразие живых организмов. Представление о ДНК и плазмидах пригодится при изучении наследственности, размножения бактерий и распространения устойчивости к антибиотикам.

Что запомнить

• Прокариотическая клетка не имеет оформленного ядра.
• Основная ДНК прокариот находится в нуклеоиде.
• Плазмиды — дополнительные молекулы ДНК, которые есть не у всех прокариот.
• Рибосомы прокариот находятся в цитоплазме и участвуют в синтезе белка.
• Клеточная мембрана и клеточная стенка — разные структуры.
• Капсула и жгутики встречаются только у некоторых прокариот.