§ 19. Особенности строения клеток прокариот

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. К ним относятся бактерии и археи. Их клеточная организация устроена проще, чем у эукариот, однако это не означает, что они неспособны к сложным жизненным процессам.

Прокариотическая клетка — клетка с нуклеоидом, рибосомами, плазматической мембраной и обычно клеточной стенкой. Внутри неё находятся структуры, нужные для хранения наследственной информации, получения энергии и синтеза белков. Слово «обычно» важно: у некоторых прокариот, например микоплазм, клеточной стенки нет.

Нуклеоид — участок цитоплазмы, содержащий основную кольцевую молекулу ДНК прокариотической клетки. Это не отдельная оболочечная структура, а область, где сосредоточен основной генетический материал. По ДНК клетка получает инструкции для синтеза белков и передачи наследственных признаков.

Плазмида — небольшая кольцевая молекула ДНК, способная самостоятельно удваиваться и несущая дополнительные гены. Обычно она не заменяет основную ДНК, а дополняет её информацией, которая может быть полезна в определённых условиях. Например, плазмида может содержать ген устойчивости к антибиотику.

Как это устроено

У прокариот ДНК не заключена в ядро, потому что вокруг неё нет ядерной оболочки. Она располагается в нуклеоиде и непосредственно связана с цитоплазмой, где находятся рибосомы и другие клеточные компоненты. У эукариот ядро отделено оболочкой с порами, а внутри часто заметно ядрышко; у нуклеоида нет ни такой оболочки, ни оформленного ядрышка. Поэтому называть нуклеоид ядром неправильно, хотя обе структуры содержат генетическую информацию.

Внешние покровы расположены слоями: плазматическая мембрана окружает цитоплазму, снаружи от неё у большинства прокариот находится клеточная стенка, а у некоторых видов есть ещё капсула или слизистый слой. Мембрана избирательно пропускает вещества и участвует в обмене с окружающей средой. Стенка придаёт клетке форму и помогает ей не разрушиться из-за поступления воды, а капсула уменьшает воздействие неблагоприятных факторов и может облегчать прикрепление. Слои выполняют разные задачи, поэтому их нельзя считать одним и тем же.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки, в котором находятся растворённые вещества, ДНК, рибосомы и клеточные включения. Мембранных органоидов, таких как митохондрии, у прокариот нет, поэтому многие процессы идут в цитоплазме или на плазматической мембране. Рибосомы — немембранные структуры, состоящие из РНК и белков; они считывают информацию с молекул РНК и собирают белки. Без белков клетка не могла бы строить свои структуры и поддерживать химические реакции, поэтому рибосомы жизненно необходимы.

Жгутики — длинные выросты, которые помогают многим прокариотам перемещаться. Пили и другие короткие выросты могут обеспечивать прикрепление к поверхности, а некоторые пили участвуют в передаче ДНК от одной клетки к другой. Включения — скопления запасных веществ, например питательных соединений; они не окружены мембраной и используются, когда ресурсов вокруг становится мало. Наличие и количество этих структур различаются у разных видов и зависят от условий.

Отсутствие мембранных органоидов не означает отсутствия функций, которые у эукариот связаны с такими органоидами. У прокариот дыхательные реакции могут проходить на плазматической мембране, где расположены необходимые белки. У фотосинтезирующих видов фотосинтетические мембраны находятся внутри клетки, но не образуют самостоятельных хлоропластов. Синтез белка выполняют рибосомы, а другие химические реакции идут в цитоплазме или на мембране, поэтому клетка сохраняет все необходимые процессы.

Строение прокариотической клетки и функции её компонентов

При чтении таблицы сначала отделяйте постоянные для клетки структуры от тех, которые встречаются лишь у некоторых видов. Затем сопоставляйте строение компонента с его функцией: оболочки защищают и регулируют обмен, а выросты помогают взаимодействовать со средой. Такая проверка помогает не путать похожие по расположению, но разные по назначению структуры.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Распределите признаки между прокариотической и эукариотической клетками: наличие ядра, нуклеоида, митохондрий, рибосом, клеточной стенки. Нужно учесть, что некоторые структуры встречаются в обеих группах, а клеточная стенка есть не у всех клеток эукариот. Решим задачу, сравнивая не отдельные слова, а характерные сочетания признаков.

1. Ядро с оболочкой и митохондрии характерны для эукариотической клетки.
2. Нуклеоид характерен для прокариот: в нём находится основная ДНК, не отделённая ядерной оболочкой.
3. Рибосомы есть у обеих групп, потому что и прокариоты, и эукариоты синтезируют белки.
4. Клеточная стенка встречается у большинства прокариот, но может быть и у некоторых эукариот, например у растений и грибов.

Ответ. Ядро и митохондрии относят к признакам эукариот, нуклеоид — к прокариотам, а рибосомы есть у обеих групп. Клеточная стенка не является признаком только прокариот: важно уточнять, о каком организме идёт речь. Решающий признак прокариот в этом списке — нуклеоид при отсутствии оформленного ядра.

Задача 2

Условие. Объясните, почему повреждение клеточной стенки бактерии может привести к разрушению клетки, даже если её плазматическая мембрана остаётся неповреждённой. Чтобы ответить, надо различить роли мембраны и стенки, а затем связать эти роли с движением воды через мембрану. Вода может перемещаться через мембрану в зависимости от концентрации растворённых веществ внутри и снаружи клетки.

1. Мембрана отделяет цитоплазму от внешней среды и регулирует проникновение веществ, но сама по себе не всегда способна сохранять форму бактерии.
2. Стенка служит прочным наружным каркасом и противодействует осмотическому давлению — давлению, возникающему при движении воды через мембрану.
3. Если стенка повреждена, вода может поступать внутрь, а мембрана растягиваться под давлением цитоплазмы.
4. При сильном повреждении мембрана разрывается, и содержимое клетки выходит наружу.

Ответ. Неповреждённая мембрана не всегда спасает бактерию, потому что утрата стенки лишает её опоры и защиты от осмотического давления. Поэтому клетка может набухнуть и разрушиться. Эффект зависит от условий среды и выраженности повреждения, но именно стенка помогает выдерживать разницу давлений.

Задача 3

Условие. У бактерии обнаружены основная кольцевая ДНК, плазмида, рибосомы, жгутик и капсула. Определите функции каждой структуры и объясните, какие признаки позволяют отнести клетку к прокариотам. Важно не приписывать плазмиде роль всей наследственной информации и не считать необязательные структуры обязательными для каждой бактерии.

1. Основная кольцевая ДНК хранит главную наследственную информацию и находится в нуклеоиде.
2. Плазмида несёт дополнительные гены и может самостоятельно удваиваться; она не заменяет основную ДНК.
3. Рибосомы синтезируют белки, жгутик помогает перемещаться, а капсула обеспечивает дополнительную защиту и может облегчать прикрепление.
4. Для вывода о принадлежности учитываем тип организации генетического материала: основная ДНК находится в нуклеоиде, а оформленного ядра у прокариот нет.

Ответ. Клетку относят к прокариотам по отсутствию оформленного ядра и расположению основной ДНК в нуклеоиде. Плазмида, рибосомы, жгутик и капсула выполняют дополнительные, разные функции; при этом жгутики и капсулы есть не у всех прокариот. Совокупность названных структур помогает описать клетку, но именно отсутствие ядра служит главным отличительным признаком.

Типичные ошибки

Ошибка: называть нуклеоид ядром. Так говорят, потому что в обеих структурах находится ДНК. Но у нуклеоида нет ядерной оболочки и оформленного ядрышка, поэтому проверьте себя вопросом: отделена ли ДНК мембраной от цитоплазмы? Если нет, это нуклеоид, а не ядро.

Ошибка: утверждать, что у прокариот отсутствуют все органоиды. Часто слово «органоид» ошибочно связывают со всеми клеточными структурами. У прокариот есть рибосомы и другие немембранные структуры, хотя мембранных органоидов нет. Для самопроверки уточните, о каком типе структуры идёт речь: наличии мембраны или выполнении клеточной функции.

Ошибка: считать клеточную стенку и плазматическую мембрану одним и тем же. Их путают, потому что обе находятся на границе клетки. Мембрана регулирует обмен веществ, а стенка поддерживает форму и защищает от давления; спросите себя, какой слой пропускает вещества избирательно, а какой служит опорой. Кроме того, стенка есть не у всех прокариот.

Ошибка: считать, что плазмида содержит всю наследственную информацию клетки. Такое впечатление возникает из-за того, что плазмида тоже состоит из ДНК и несёт гены. Основные жизненно важные гены находятся в основной хромосоме, а плазмида обычно добавляет отдельные признаки. Проверьте себя: если убрать плазмиду, основная наследственная информация не исчезает, хотя клетка может потерять полезное свойство.

Связь с другими темами

Для понимания строения прокариот нужны знания о клетке, функциях плазматической мембраны и цитоплазмы, рибосомах и ДНК. Сравнение прокариот с эукариотами помогает объяснить особенности строения и жизнедеятельности бактерий, в том числе их размножение. Позже знания о плазмидах пригодятся при изучении генетики бактерий и биотехнологии, а клеточная стенка связана с темой действия некоторых антибиотиков. При этом антибиотики воздействуют на определённые структуры или процессы, а не на все клетки одинаково.

Что запомнить

• Прокариоты не имеют оформленного ядра.
• Их основная ДНК расположена в нуклеоиде.
• Плазмиды содержат дополнительные наследственные признаки.
• Рибосомы прокариот обеспечивают синтез белка.
• Клеточная стенка поддерживает форму и защищает клетку.
• Жгутики обеспечивают движение, а пили помогают прикрепляться и могут участвовать в обмене генетическим материалом.
• Прокариоты не имеют мембранных органоидов, но способны выполнять основные жизненные процессы.