25. Прокариотическая клетка

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относятся бактерии, строение которых проще, чем у клеток растений и животных. Это понятие помогает отличать прокариот от эукариот, чья ДНК находится внутри ядра.

Нуклеоид — область цитоплазмы, где расположена основная кольцевая молекула ДНК бактерии. Он не окружён мембраной и не отделён от остальной цитоплазмы. Термин нужен, чтобы обозначить место наследственного материала, не называя его ядром.

Клеточная стенка бактерий — прочный наружный слой, расположенный над плазматической мембраной. Она поддерживает форму клетки и защищает её; стенка большинства бактерий содержит муреин — особое прочное вещество. Так стенка помогает клетке сохранять целостность при воздействиях внешней среды.

Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК с дополнительными генами, которые способны копироваться независимо от основной ДНК. Они могут нести, например, ген устойчивости к антибиотику. Плазмиды помогают объяснить различия между бактериями, но не заменяют основную ДНК и есть не у каждой клетки.

Как это устроено

У прокариот нет оформленного ядра, но наследственная информация у них есть. Основная ДНК собрана в кольцевую молекулу и находится в нуклеоиде, прямо среди содержимого клетки. Поскольку вокруг нуклеоида нет оболочки, его нельзя считать отдельным мембранным отсеком. Так бактерия хранит инструкции для своей жизнедеятельности, хотя устроена иначе, чем клетка с ядром.

Плазматическая мембрана отделяет цитоплазму от внешней среды. Она избирательно пропускает вещества: одни могут проникать в клетку, а другие задерживаются или переносятся с участием клеточных механизмов. Это позволяет бактерии получать нужные вещества и поддерживать условия для работы клетки. В мембране также происходят процессы, связанные с обменом веществ и превращением энергии, поэтому её роль не сводится к простому ограждению.

Клеточная стенка находится снаружи мембраны и придаёт бактерии устойчивую форму. Её прочность связана, в частности, с муреином: этот слой защищает клетку и помогает ей выдерживать воздействие внешней среды. У некоторых бактерий поверх стенки есть капсула. Она может дополнительно защищать клетку и помогать ей прикрепляться к поверхностям, но присутствует не у всех.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки, где расположены её структуры и протекают многие химические реакции. В ней находятся рибосомы — места синтеза белка: по наследственной инструкции на рибосомах собираются белковые молекулы. У прокариот нет митохондрий и других мембранных органоидов, характерных для эукариот. При этом отсутствие таких органоидов не мешает бактерии выполнять необходимые клеточные процессы.

При размножении бактериальная клетка копирует ДНК, затем клетка разделяется надвое и образуются две дочерние клетки. Если наследственный материал скопирован и распределён, каждая новая клетка получает инструкции для самостоятельной жизни. Наследственные различия возникают, когда меняется ДНК, а также когда бактерии обмениваются генетическим материалом. Поэтому потомки могут приобрести признаки, которых не было у исходной клетки, например устойчивость к антибиотику.

Строение прокариотической клетки и функции её частей

Сначала определите, где находится структура: внутри клетки, на мембране или снаружи неё. Затем свяжите её строение с функцией: например, рибосомы собирают белки, а оболочки защищают клетку. Последний столбец помогает не принимать капсулу и плазмиды за обязательные части каждой бактерии.

Разбор задач

Задача 1

На схеме бактериальной клетки найдите область с основной ДНК и объясните, почему её нельзя назвать ядром. На такой схеме важно отличить наследственный материал от оболочек клетки. Решение можно построить по расположению ДНК и наличию или отсутствию окружающей её мембраны.

1. Найдите внутри цитоплазмы область, где сосредоточена основная кольцевая молекула ДНК.
2. Назовите эту область нуклеоидом: у него нет ядерной оболочки, которая отделяла бы его от цитоплазмы.
3. Сравните с ядром эукариотической клетки: у ядра есть собственная оболочка, поэтому термины не взаимозаменяемы.

Ответ: основная ДНК находится в нуклеоиде. Называть его ядром нельзя, потому что он не окружён ядерной оболочкой и не отделён мембраной от цитоплазмы. Отсутствие ядра не означает, что у бактерии нет наследственного материала.

Задача 2

У бактерии обнаружены клеточная стенка, мембрана и рибосомы. Укажите функции этих структур и объясните, какая из них синтезирует белок. Не следует считать, что все три части выполняют одну и ту же работу. Чтобы ответить точно, сопоставьте каждую структуру с её положением и строением.

1. Мембрана ограничивает цитоплазму и избирательно регулирует перенос веществ между клеткой и средой.
2. Стенка расположена снаружи мембраны, помогает сохранять форму и защищает клетку.
3. Рибосомы находятся в цитоплазме и собирают белки по наследственной инструкции; они не являются защитной оболочкой.

Ответ: белок синтезируют рибосомы. Мембрана отвечает за границу клетки и обмен веществами, а стенка поддерживает форму и защищает. Значит, синтез белка нельзя приписывать ни мембране, ни стенке.

Задача 3

У одной бактериальной клетки обнаружена плазмида с геном устойчивости к антибиотику, а у другой такой плазмиды нет. Объясните возможное значение различия и роль плазмиды. При ответе не смешивайте дополнительную ДНК с основной и не считайте плазмиду обязательной частью бактерии. Нужно связать ген с признаком и учесть, что он передаётся при сохранении плазмиды.

1. Уточните, что плазмида — дополнительная кольцевая молекула ДНК, а не основная молекула в нуклеоиде.
2. Ген на плазмиде может обеспечивать устойчивость к определённому антибиотику, поэтому клетка с таким геном может иметь преимущество при воздействии этого вещества.
3. Если плазмида передаётся дочерним клеткам или другим бактериям, признак устойчивости может распространяться; у клетки без неё этого конкретного дополнительного гена нет.

Ответ: плазмида может нести ген устойчивости и тем самым влиять на свойства бактерии. Она не заменяет основную ДНК и необязательна для каждой клетки. Наличие плазмиды объясняет различие между бактериями и может иметь значение для распространения устойчивости.

Типичные ошибки

Ошибка: называть нуклеоид ядром. Так говорят, потому что в обоих случаях речь идёт о расположении наследственного материала. Проверьте себя: у ядра есть оболочка, а нуклеоид от цитоплазмы мембраной не отделён.

Ошибка: считать, что у прокариот нет ДНК. Отсутствие ядра иногда ошибочно принимают за отсутствие наследственности. Проверьте ответ вопросом: где расположена основная ДНК бактерии? Она находится в нуклеоиде.

Ошибка: приписывать бактерии митохондрии и другие мембранные органоиды эукариот. Путаница возникает из-за того, что в бактериальной клетке есть плазматическая мембрана. Чтобы проверить себя, различайте мембрану, окружающую клетку, и мембранные органоиды внутри эукариотической клетки.

Ошибка: считать плазмиды обязательными и одинаковыми у всех бактерий. Плазмиды принимают за часть основной ДНК или за универсальную структуру. Проверьте формулировку: это дополнительные молекулы, которые есть не у каждой клетки и могут содержать разные гены.

Связь с другими темами

Для изучения прокариот нужны знания о частях клетки и различиях между мембраной и клеточной стенкой. Роль ДНК помогает понять, как бактерия хранит наследственную информацию, а роль рибосом — как в клетке образуются белки. Строение прокариот удобно сравнивать с эукариотической клеткой: так заметнее значение ядра и мембранных органоидов. Эта тема также связана с размножением, наследственностью бактерий и распространением устойчивости к антибиотикам.

Что запомнить

• Прокариоты не имеют оформленного ядра.
• Основная ДНК прокариот находится в нуклеоиде.
• Плазмиды — дополнительные молекулы ДНК; они есть не у всех клеток.
• Рибосомы прокариот синтезируют белок.
• Клеточная стенка защищает клетку и помогает сохранять её форму.
• Бактерии размножаются делением клетки надвое.
• У прокариот нет мембранных органоидов, характерных для эукариот.