Прокариотами называются организмы, чьи клетки не имеют ядра, то есть доядерные. Именно такими были первые живые существа на Земле. Особенности строения прокариотической клетки позволили этим организмам дожить до современности. Эти микроорганизмы и сегодня проживают по соседству с человечеством, поэтому и уделяется так много внимания изучению строения прокариотической клетки на биологии в 10 классе.
Особенности строения
Для прокариотической клетки характерны небольшие размеры — менее 10 микрон. Форма таких микроорганизмов овальная, округлая. Характерно, что доядерные клеточные структуры имеют большое разнообразие физиологических свойств и отличаются способностью к быстрому размножению. Зафиксировано, что некоторые бактерии способны делиться один раз в 20 минут.
Прокариотическая клетка, по сравнению с эукариотической, имеет меньшие размеры и несколько упрощенное строение. Она имеет 3 основных компонента:
- Клеточная оболочка.
- Цитоплазма.
- Генетический материал, расположенный непосредственно в цитоплазме.
Каждая из частей прокариотического микроорганизма имеет свои особенности, позволяющие ему приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды, защищаться от внешних воздействий и передавать признаки потомству.
Оболочка клетки
Клеточная оболочка прокариотического микроорганизма неоднородна. В её структуре выделяют 3 основных слоя:
- Плазмолемма. Слой представляет собой тонкую мембрану, которая окружает внутреннее содержимое клеточной структуры — цитоплазму.
- Клеточная стенка представляет собой жесткую структуру, содержащую белок муреин. Это наружная оболочка прокариотической клетки.
- Капсула. Эта структура несёт на себе защитную функцию и представляет собой дополнительный барьер между клеточной стенкой и внешней средой. Это необязательный компонент микроорганизма. Он образуется из белков и полисахаридов для защиты от неблагоприятных воздействий извне. Этот оборонительный барьер способен защитить прокариотическую клетку от гибели в результате замораживания или высыхания, а также предохраняет от внедрения вирусов и бактериофагов (вирусов). Известно, что у некоторых видов бактерий капсула, помимо этого, выполняет запасающую функцию — содержит резервное количество питательных веществ.
Для лучшего понимания, чем отличается эукариотическая клеточная структура от прокариотной, текст описания в соответствующих параграфах учебных пособий по биологии снабжён рисунками с подписями, отражающими основные органоиды.
Внутренний мир прокариот
Цитоплазма, являющаяся внутренней средой прокариотического микроорганизма, представляет собой гелеобразное вещество. При химическом анализе в ней выделяются классы веществ:
- Полисахариды.
- Белки.
- Неорганические вещества.
- Продукты обмена веществ микроорганизма.
Нуклеоид, расположенный непосредственно в цитоплазме, представляет собой кольцевую нить ДНК, содержащую генетическую информацию организма. Ядра (структуры, отграниченной при помощи ядерной мембраны) цитоплазма прокариотической клетки не содержит. Это является основополагающим отличием прокариотических организмов от эукариотических.
Оболочка, окружающая генетический материал доядерной клеточной структуры, появляется при попадании микроорганизма в крайне неблагоприятные условия, грозящие гибелью клетки. Импульсами к началу процесса могут стать засуха, экстремально низкие или чрезмерно высокие температуры. Бактериальная хромосома окружается плотной оболочкой, очень устойчивой к внешним воздействиям. Остальные части бактериальной клетки отмирают.
Спора (скопление генетического материала в оболочке) может десятилетиями сохраняться в окружающей среде в неактивном состоянии; генетический материал при этом сохраняет все свойства исходного организма. Споры не размножаются и не проявляют других признаков жизни. Это только способ сохранить генетический материал. При наступлении благоприятных для жизни условий из споры вновь развивается активная форма микроорганизма — начинается новый жизненный цикл.
Клеточная цитоплазма
Однако некоторые из органоидов, имеющихся у ядерных организмов, присущи и прокариотам. Клеточная цитоплазма микроорганизмов содержит следующие органоиды:
- Рибосомы. Эти структуры ответственны за синтез белка, необходимого клетке для её жизнедеятельности. Рибосомы состоят из двух субъединиц. Их количество обусловлено генетическими особенностями микроорганизма.
- Мезосома. Эта структура не является отдельным органоидом. Она представляет собой складку плазмолеммы (внутреннего слоя клеточной оболочки). Функцией лизосомы является репликация нити ДНК, клеточное дыхание. Участие мезосомы в процессе клеточного дыхания позволяет называть её аналогом митохондрии — органоида эукариотической клетки, отвечающего за дыхание и энергообмен.
- Органоиды, отвечающие за передвижение. Они представлены длинными и короткими жгутиками, состоящими из специфических белков флагилина и пилина соответственно. Как видно из названия, их функция заключается в обеспечении передвижения клетки.
Помимо органоидов, клеточная цитоплазма содержит в себе включения следующих веществ. Они обеспечивают питание микроорганизма. К ним относятся:
- гликоген;
- крахмал (он и другие полисахариды откладываются в цитоплазме в случае избыточного поступления, а в последующем используются организмом в качестве питательных веществ);
- мнетахроматин;
- капли липидов (как и углеводы, выполняют функцию запаса питательных веществ);
- хлорофилл (содержится в фотосинтезирующих прокариотических организмах; локализуется чаще всего на мезосомах);
- сера.
Присутствуют в цитоплазме прокариотических организмов и так называемые плазмиды. Это непостоянные структуры, характерные для цитоплазмы доядерных организмов. Они состоят из небольших молекул ДНК. Именно эти скопления нуклеиновой кислоты бактерии способны передавать друг другу в ходе горизонтального переноса генов. Это явление позволяет бактериальным микроорганизмам очень быстро приспосабливаться к любым изменениям окружающей среды.
Процесс размножения
Прокариотические организмы размножаются при помощи бинарного деления, называемого амитозом, то есть бесполым путём. Какая-либо подготовка клеточной структуры к этому процессу отсутствует. Процесс размножения прокариотических клеток при помощи амитоза можно условно разделить на 2 фазы:
- Кариокинез. На этом этапе происходит репликация ДНК (удвоение молекулы) и отделение этих цепочек друг от друга — расхождение. Именно с удвоения ДНК на мезосоме и начинается процесс размножения прокариот. Образования хромосом при этом не происходит.
- Цитокинез. Процесс разделения одной клетки на 2 дочерние. Он осуществляется путём образования перетяжки, в результате вместо материнской клетки образуются 2 дочерние. Всё содержимое клетки при этом распределяется по двум образовавшимся клеточным структурам (однако не всегда равномерно).
Деление прокариотических клеток всех биологических видов происходит по одной и той же схеме в несколько этапов. Исследователи выделяют следующие стадии этого процесса:
- Прикрепление кольцевой хромосомы к мембране — там, где плазмалемма образует мезозосому.
- Удвоение кольцевой ДНК на мезосоме.
- Удлинение клетки, в результате чего происходит расхождение 2 молекул кольцевой ДНК.
- Образование поперечной перетяжки на клеточной оболочке, которая в последующем отделяет друг от друга 2 дочерних клеточных организма.
- Расхождение дочерних клеток.
Каждой из дочерних клеток, образовавшихся в результате деления, достается в результате по одному кольцу ДНК. Остальные структуры, как правило, распределяются неравномерно.
Существенно реже у прокариотических организмов отмечается половой путь размножения. Он является объектом тщательного изучения учеными, так как имеет большое значение. В частности, велика его роль в передаче бактериями из поколения в поколение приобретённых свойств. По этому механизму, например, образуются поколения микроорганизмов, устойчивых к неблагоприятным влияниям. В качестве примера можно привести выработку у патогенных бактерий резистентности к антибиотикам.
Распространение прокариот
Примером прокариотических организмов могут служить повсеместно распространённые микроорганизмы, которые образуют царство бактерий. Все они относятся к доядерным организмам.
Освоили прокариотные организмы и экстремальные места обитания: горячие источники, мерзлоту, соленые озёра, высокогорье. Выживать в неблагоприятных условиях внешней среды микроорганизмам позволяет способность образовывать споры — особую форму, которая характеризуется повышенной устойчивостью. Даже в агрессивных условиях генетический материал внутри спор остаётся сохранным.
Несмотря на упрощенное строение, доядерные организмы обитают практически везде, даже там, где условия не позволяют жить более высокоорганизованным существам. Это стало возможным благодаря способности микроорганизмов защищаться от различных видов внешней агрессии при помощи образования капсулы, выработки определенных ферментов и спорообразования.
