Клетки прокариоты

Что такое прокариоты

Клеточные организмов делятся на две большие группы по особенностям строения их клеток: эукариоты и прокариоты.
Эукариоты – это организмы, клетки которых содержат четко оформленное ядро, в котором находится вся генетическая информация. В переводе с греческого «эу» – хорошо и «кариот» – ядро. К этой категории относят клетки всех живых организмов, как одноклеточные, так и многоклеточные, кроме клеток второй группы – прокариот.

 

Прокариоты – это так называемые доядерные организмы, не имеющие оформленного ядра. Все ядерное вещество расположено у них в цитоплазме, без какого-либо ограничения оболочкой. Прокариоты – группа самых древних и примитивных одноклеточных организмов. К ним относят бактерии и цианобактерии (или синезелёные водоросли (цианеи) – крупные бактерий, способных к фотосинтезу).

 

Отдельную группу организмов составляют вирусы. Это особая форма – неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри клеток. В 1892 году вирус впервые был описан в статье Дмитрия Ивановского. Вирус (лат. virus – яд) вызывает болезни, как растений, так и животных. На него не действуют антибиотики, хотя сейчас разработаны противовирусные препараты, которые помогают с ними бороться.

 

Признаки клеток прокариот

 

Что же можно назвать основным признаком прокариотических клеток. Конечно же это их очень маленькие размеры и гаплоидность, т.е одинарный набор хромосом.

 

Особенности клеток прокариот

 

Клеточная стенка прокариот состоит из белка, который называется муреин и слизистой капсулы из полисахаридов. Внутри клетки располагается нуклеоид – это бактериальная хромосома, которая представляет собой одиночную кольцевую молекулу ДНК.

 

Также в клетках располагаются рибосомы, с помощью которых происходит синтез белка. У фотосинтезирующих бактерий в клетку встроены фотосинтетические мембраны (о них будет сказано дальше) и органелла дыхания или мезосома.
Оболочка клеток прокариот могут иметь выросты – жгутики и пили. С их помощью клетка передвигается. Прокариоты не содержат митохондрий (своеобразная энергетическая станция). Синтез АТФ (источник энергии для всех биохимических процессов в живых клетках) происходит на плазматической мембране.

 

Обратите внимание! У клеток есть органеллы – это специализированные микроструктуры, которые постоянно есть в клетках и которые выполняют ряд жизненно важных функций (внутриклеточный обмен веществ, энергетический и информационный обмен).

 

Размеры и форма клеток прокариот

 

Впервые бактериальные клетки были описаны в 1683 году А. Левенгуком. Он рассмотрел и смог описать бактерии зубного налета. С помощью микроскопа он смог рассмотреть бактерии, которые были достаточно «крупными».

Размеры бактериальных клеток варьируют в пределах 0,1 – 10 мкм (1 мкм = 10-6м) в длину, а их диаметр в среднем составляет – 1 мкм.

 

Нам сложно ориентироваться в таких размерах. Но поперек клетки можно разместить 200 молекул глобулярных белков. Белков примерно 5 нм в диаметре. Это средний размер.
Глобулярными называются белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные шарообразные структуры (глобулы).

 

А вот форм прокариотических клеток известно несколько. Есть основные четыре формы, каждая из которых имеют свое название. Кроме этого они могут делиться еще на несколько подформ.

 

1. Кокки – это сферическая форма бактерий, напоминающая одинокие шарики. Ее разновидностью являются:
• стафилококки – бактерии, сцепленные вместе и внешне напоминающие виноградную гроздь;
• стрептококки – бактерии, образующие цепочку;
• диплококки – бактерии, сцепленные по двое.

 

2. Бациллы – палочковидная форма бактерий. Они могут быть как одиночными, так и образовывать цепочки. Некоторые бациллы имеют так называемые эндоспоры (особая стадия покоя у бактерий).

 

3. Спириллы – бактерии спиралевидной формы.

 

4. Вибрионы – бактерии, внешне напоминающие запятую.

 

Оболочка клеток прокариот

 

Клеточная стенка бактерий хорошо сохраняет форму клетки, т.к. это довольно прочная структура. Прочность оболочек связана с тем, что в них находятся муреины. Это молекулы, состоящие из параллельных полисахаридных цепей, перекрестно связанных короткими цепями аминокислот через регулярные промежутки. Получается своеобразный сетчатый каркас, окружающий клетку. На самом деле это одна огромная молекула.

 

Клеточная стенка предохраняет клетку от разрыва при поступлении в нее большого количества воды. Все необходимые вещества попадают в клетку через мельчайшие поры в клеточной стенке.

 

С клеточными стенками связан еще один метод классификации бактерий на группы: грамположительные и грамотрицательные.
Название групп связано с разработкой метода окрашивания бактерий. Изобретение метода принадлежит Кристиану Граму – датский биолог. Из-за различия в строении клеточной стенки, некоторые бактерии окрашиваются (грамположительные), а некоторые – нет (грамотрицательные).

 

У грамположительных бактерий в муреиновую сетку в основном встроены полисахариды и белки. Это делает стенку клетки более толстой.

 

Стенки грамотрицательных бактерий тоньше, но структура их более сложная. Муреиновый слой этих клеток покрыт тонким и гладким слоем, который состоит из липидов и полисахаридов. Они выполняют функцию дополнительной защиты для клетки. Он, например, выдерживает воздействие такого антибактериального фермента как лизоцим, который содержится в слезах или слюне.

 

Наличие этого слоя делает грамотрицательные бактерии устойчивыми против пенициллина. Ведь применение именно этого препарата спасло многие жизни от бактериальных инфекций.

 

Рибосомы в клетках прокариот

 

В 1931 и 1932 годах после получения патента и изготовления первого прототипа современного электронного микроскопа, ученые получили возможность приступить к изучение прокариот более детально. Именно после этого, они смогли изучить и описать рибосомы бактерий. Это очень мелкие образования внутри клетки, которые служат местом синтеза белков, как у прокариот, так и у эукариот.

 

Диаметр рибосом в бактериях около 18 нм. Они состоят рибосомальной РНК (рибонуклеиновая кислота) на 65%. Оставшиеся 35% составляют разные по размеру белки.
Например, бактерия Кишечная палочка, содержит около 15 000 рибосом. Это эквивалентно почти ¼ сухой массы клетки).

 

Деление клеток прокариот

 

Размножение всех бактерий происходит только бесполым путем. Если условия существования бактерий благоприятные, то каждые 20 минут происходит прямое деление клетки пополам (амитоз).

 

В 1946 году у бактерий было обнаружено примитивное половое размножение. Но, как у других организмов, бактерии не образуют гамет (половых клеток), а происходит просто обмен генетической информацией.

 

Между клетками в результате прямого контакта происходит перенос ДНК. Причем, одна из клеток становится донором («мужская» клетка), а вторая – реципиентом («женская» клетка).

 

При ухудшении или серьезном изменении условий существования (сокращение количества влаги или пищи, высокой или низкой температуры, давления, химического состава и других) бактерии образуют споры. Каждая одиночная клетка образуется крупную эндоспору. Она покрыта настолько толстой защитной оболочкой, что способна выдержать засуху или наводнение, высокую или низкую температуру.

 

Питание клеток прокариот

 

Питание — это процесс необходимый любому живому организму для получения энергии и веществ. Чтобы синтезировать органические соединения, живые организмы используют либо энергию света, либо энергию химических связей.

 

Организмы, способные к фотосинтезу, используют световую энергию. Они называются фототрофами. Для этого у них есть специфические особенности и способности.

 

Организмы, использующие только химическую энергию, называются хемотрофами.

 

Большая часть организмов относится к гетеротрофам, т.е. к организмам, которые используют готовые органические вещества.

 

Прокариоты, по способу питания делятся на две группы:
• Автотрофы (синтезируют органические вещества из неорганических):
o фотосинтезирующие сине-зеленые или цианобактерии. За счет способности к фотосинтезу, они выделяют кислород. Некоторые из них могут связывать газообразный азот воздуха, и переводить его в состав азотсодержащих органических веществ;
o хемосинтезирующие (железобактерии и нитрифицирующие бактерии) получают энергию в процессе окисление неорганических веществ таких как аммиак и нитраты.
• Гетеротрофы (используют готовые органические вещества):
o сапротрофы – питаются мертвыми органическими веществами. Бактерии выделяют на мертвую органику ферменты, и переваривание пищи у них происходит вне организма. Уже растворимые продукты поступают в тело сапротрофа (бактерии гниения и брожения);

o симбионты (явление мутуализма) – организмы, живущие в симбиозе с другими организмами и получающие органические вещества от них (клубеньковые бактерии, бактерии кишечника человека, которая обеспечивает человеческий организм витаминами групп В и К);

o паразиты питаются органическими веществами живых организмов (хозяев), внутри которых они обитают (болезнетворные бактерии или микробы). Бактерии, вызывающие болезни называются патогенами. Паразиты, которые могут жить только в живых клетках, называются облигатными. Но есть бактерии, которые сначала заражают «хозяина» и вызывают его гибель, а потом живут как сапротрофы.

 

Аэробы – используют для дыхания атмосферный кислород (бактерии гниения); анаэробы живут в отсутствии кислорода (бактерии ботулизма).

 

Примеры прокариотических клеток

 

Бактерий можно обнаружить повсюду. Это обитатели почвы и пыли, воды и воздуха. Они могут жить как внутри, так и на поверхности животных и растений. Некоторые бактерии могут жить в горячих термальных источниках с температурой 78°С и даже выше. Некоторые живут в глубине океана, выдерживая низкие температуры и чудовищное давление. Бактерии могут пережить период замораживания во льду. Именно с них начинаются пищевые цепи в этих сложных для жизни условиях.
С точки зрения биомассы и количества видов, прокариоты являются наиболее представительной формой жизни на Земле. Например, в одном грамме плодородной почвы содержится 2,5 млрд. бактерий; в 1 см³ свежего молока их количество может превышать 3 млрд.

 

Бактерии обеспечивают круговорот веществ в природе. Они участвуют в образовании перегноя (бактерии гниения). Связывая атмосферный азот, они переводят его в доступную для растений форму в виде нитратов и нитритов (клубеньковые бактерии).
Вместе с грибами, бактерии обеспечивают круговорот биогенных элементов в природе, разрушая органические вещества в процессе своей жизнедеятельности.

 

Бактерии используются в производственных процессах. Получение кефира, йогуртов, квашение капусты или приготовление силоса – это заслуга молочнокислых бактерий.
Получение некоторых видов антибиотиков или кормовых белков – это тоже «работа» бактерий.

 

Многие биотехнологические процесс также строятся на том, что в прокариотических клетках протекают очень разнообразные биохимические реакции.

 

Но бактерии, к сожалению, могут принести немало бед.
Разные виды стрептоккоков могут, как придать пикантный вкус йогурту, так и вызвать такие болезни как скарлатина и ангина. Стафилоккоки, попав в носоглотку, могут вызвать фурункулез или воспаление легких. Некоторые формы болезней проявляются в виде пищевых отравлений.
Один из видов диплококков вызывает пневмонию, а спириллы – сифилис.
Разновидности палочковидных бактерий вызывают брюшной тиф, сибирскую язву, столбняк и ботулизм.

 

Холеру вызывает бактерия в форме вибриона.
Но бактерии могут быть опасны не только для людей, но и для растений и животных.