3.1.1: Структура клітин
- Page ID
- 6977
Цілі навчання
- Поясніть відмінні характеристики прокаріотичних клітин
- Опишіть загальні морфології клітин і клітинні композиції, характерні для прокаріотичних клітин, і поясніть, як клітини підтримують свою морфологію
- Охарактеризуйте внутрішні та зовнішні структури прокаріотичних клітин з точки зору їх фізичної структури, хімічної структури та функції
- Порівняйте відмінні характеристики бактеріальних і архейських клітин
Клітинна теорія стверджує, що клітина є фундаментальною одиницею життя. Однак клітини значно різняться за розміром, формою, структурою та функцією. На найпростішому рівні побудови всі клітини володіють декількома основними складовими. До них відносяться цитозол (гелеподібна речовина, що складається з води та розчинених хімічних речовин, необхідних для росту), який міститься в плазматичній мембрані (також називається клітинною мембраною або цитоплазматичною мембраною); одна або кілька хромосом (конденсована ДНК та білки), які містять генетичні креслення клітини; і рибосоми, органели, використовувані для синтезу білків.
Крім цих основних компонентів, клітини можуть сильно відрізнятися між організмами і навіть в межах одного і того ж багатоклітинного організму. Дві найбільші категорії клітин - прокаріотичні клітини та еукаріотичні клітини - визначаються основними відмінностями в декількох клітинних структурах. Прокаріотичні клітини (рис.\(\PageIndex{1}\)) не мають ядра, оточеного складною ядерною мембраною і, як правило, мають єдину кругову хромосому, розташовану в нуклеоїді. Прокаріотичні мікроорганізми класифікуються в межах доменів Archaea і Bacteria.
Структури всередині клітини аналогічні органам всередині людського тіла, з унікальними структурами, придатними для конкретних функцій. Деякі структури, знайдені в прокаріотичних клітині, схожі на ті, що містяться в деяких еукаріотичних клітині; інші унікальні для прокаріотів. Хоча є деякі винятки, еукаріотичні клітини, як правило, більші за прокаріотичні клітини. Порівняно більший розмір еукаріотичних клітин диктує необхідність компартменталізації різних хімічних процесів в межах різних областей клітини, використовуючи складні мембранно-зв'язані органели. На відміну від цього, прокаріотичним клітинам, як правило, не вистачає мембрано-зв'язаних органел; однак вони часто містять включення, які компартментують їх цитоплазму. Малюнок\(\PageIndex{1}\) ілюструє структури, зазвичай пов'язані з прокаріотичними клітинами. Більш докладно ці конструкції описані в наступному розділі.
Загальні морфології та розташування клітин
Окремі клітини конкретного прокаріотичного організму, як правило, схожі за формою, або морфологією клітин. Хоча тисячі прокаріотичних організмів були ідентифіковані, лише жменька морфології клітин зазвичай спостерігається мікроскопічно. Малюнок\(\PageIndex{2}\) називає і ілюструє морфологію клітин, які зазвичай зустрічаються в прокаріотичних клітині. На додаток до клітинної форми, прокаріотичні клітини одного виду можуть групуватися в певних відмітних розташуваннях залежно від площини поділу клітин. Деякі загальні домовленості показані на малюнку\(\PageIndex{3}\).
Прокаріотичні клітинні структури
Нуклеоїд
Вся клітинна життя має геном ДНК, організований в одну або кілька хромосом. Прокаріотичні хромосоми, як правило, кругові, гаплоїдні (непарні) і не пов'язані складною ядерною мембраною. Прокаріотична ДНК і ДНК-асоційовані білки зосереджені всередині нуклеоїдної області клітини (рис.\(\PageIndex{4}\)). Взагалі прокаріотична ДНК взаємодіє з нуклеоїдно-асоційованими білками (НПД), які допомагають в організації та упаковці хромосоми. У бактерій НПД функціонують подібно до гістонів, які є дНК-організовуючими білками, що містяться в еукаріотичних клітині. В архей нуклеоїд організовується або НПД, або гістоноподібними ДНК організовуючими білками.
Плазміди
Прокаріотичні клітини також можуть містити екстрахромосомну ДНК, або ДНК, яка не входить до складу хромосоми. Ця екстрахромосомна ДНК міститься в плазмідах, які є невеликими, круговими, дволанцюговими молекулами ДНК. Клітини, які мають плазміди, часто мають сотні їх в межах однієї клітини. Плазміди частіше зустрічаються в бактеріях; однак плазміди були виявлені в архей та еукаріотичних організмах. Плазміди часто несуть гени, які надають вигідні риси, такі як стійкість до антибіотиків; таким чином, вони важливі для виживання організму.
Рибосоми
Вся клітинна життя синтезує білки, а організми у всіх трьох областях життя володіють рибосомами, структурами, відповідальними за синтез білка. Однак рибосоми в кожній з трьох областей структурно різні. Самі рибосоми побудовані з білків разом з рибосомальною РНК (рРНК). Прокаріотичні рибосоми виявляються в цитоплазмі. Їх називають рибосомами 70S, оскільки вони мають розмір 70S (рис.\(\PageIndex{5}\)), тоді як еукаріотичні цитоплазматичні рибосоми мають розмір 80S. (S означає одиницю Сведберга, міру осідання в ультрацентрифузі, яка базується на розмірі, формі та поверхневих якостях аналізованої структури). Хоча вони однакового розміру, бактеріальні та архейні рибосоми мають різні білки та молекули рРНК, а архейні версії більше схожі на їх еукаріотичні аналоги, ніж ті, що містяться у бактерій.
Плазмові мембрани
Структури, що охоплюють цитоплазму і внутрішні структури клітини, відомі в сукупності як клітинна оболонка. У прокаріотичних клітинок структури клітинної оболонки змінюються в залежності від типу клітини і організму. Всі клітини (прокаріотичні та еукаріотичні) мають плазматичну мембрану (також звану цитоплазматичною мембраною або клітинною мембраною), яка проявляє селективну проникність, дозволяючи деяким молекулам потрапляти або залишати клітину, одночасно обмежуючи прохід інших.
Структура плазматичної мембрани часто описується з точки зору моделі рідкої мозаїки, яка відноситься до здатності мембранних компонентів рухатися по рідини в площині мембрани, а також мозаїчний склад компонентів, які включають різноманітний масив ліпідних і білкових компонентів ( Малюнок\(\PageIndex{6}\)). Структура плазматичної мембрани більшості типів бактерій та еукаріотичних клітин являє собою бішар, що складається в основному з фосфоліпідів, утворених з ефіровими зв'язками та білками. Ці фосфоліпіди та білки мають здатність рухатися латерально всередині площини мембран, а також між двома фосфоліпідними шарами.
Археальні мембрани принципово відрізняються від бактеріальних і еукаріотичних мембран кількома значними способами. По-перше, фосфоліпіди архейної мембрани утворюються з ефірними зв'язками, на відміну від ефірних зв'язків, виявлених в мембранах бактерій або еукаріотичних клітин. По-друге, архейні фосфоліпіди мають розгалужені ланцюги, тоді як у бактеріальних та еукаріотичних клітин прямі ланцюги. Нарешті, хоча деякі архейні мембрани можуть бути сформовані з бішарів, подібних до бактерій та еукаріотів, інші архейні плазматичні мембрани є ліпідними моношарами.
Білки на поверхні клітини важливі для різних функцій, включаючи зв'язок між клітиною та клітиною та зондування умов навколишнього середовища та патогенних факторів вірулентності. Мембранні білки і фосфоліпіди можуть мати вуглеводи (цукру), пов'язані з ними і називаються глікопротеїнами або гліколіпідами відповідно. Ці глікопротеїнові і гліколіпідні комплекси виходять з поверхні клітини, дозволяючи клітці взаємодіяти із зовнішнім середовищем (рис.\(\PageIndex{6}\)). Глікопротеїни і гліколіпіди в плазматичній мембрані можуть значно відрізнятися за хімічним складом серед архей, бактерій та еукаріотів, що дозволяє вченим використовувати їх для характеристики унікальних видів.
Плазмові мембрани з різних типів клітин також містять унікальні фосфоліпіди, які містять жирні кислоти. Профілі аналізу жирних кислот, отриманих фосфоліпідів (PLFA), можуть бути використані для ідентифікації унікальних типів клітин на основі відмінностей в жирних кислотах. Археї, бактерії та еукаріоти мають унікальний профіль PFLA.
Фотосинтетичні мембранні структури
Деякі прокаріотичні клітини, а саме ціанобактерії, мають мембранні структури, які дозволяють їм виконувати фотосинтез. Ці структури складаються з вбудовування плазматичної мембрани, яка охоплює фотосинтетичні пігменти, такі як зелені хлорофіли та бактеріохлорофіли. У ціанобактерій ці мембранні структури називаються тілакоїдами; у інших фотосинтетичних бактерій їх називають хроматофорами, ламелями або хлоросомами.
Клітинна стінка
Основна функція клітинної стінки полягає в захисті клітини від суворих умов у зовнішньому середовищі. Більшість (але не всі) прокаріотичні клітини мають клітинну стінку, але склад цієї клітинної стінки різниться.
Основний компонент клітинних стінок бактерій називається пептидоглікан (або муреїн); він міститься лише в бактеріях. Конструктивно пептидоглікан нагадує шар сітки або тканини. Оскільки пептидоглікан унікальний для бактерій, багато антибіотичні препарати призначені для втручання в синтез пептидоглікану, послаблюючи клітинну стінку і роблячи клітини бактерій більш сприйнятливими до впливу осмотичного тиску. Крім того, певні клітини імунної системи людини здатні «розпізнавати» бактеріальні збудники шляхом виявлення пептидоглікану на поверхні бактеріальної клітини; ці клітини потім поглинають і руйнують бактеріальну клітину, використовуючи такі ферменти, як лізоцим, який розщеплює і перетравлює пептидоглікан в їх клітині стіни.
Ниткоподібні придатки
Багато бактеріальних клітин мають білкові придатки, вбудовані в їх клітинні оболонки, які поширюються назовні, дозволяючи взаємодіяти з навколишнім середовищем. Ці придатки можуть прикріплюватися до інших поверхонь, переносити ДНК або забезпечувати рух. Ниткоподібні придатки включають фімбрії, пілі та джгутики.
Фімбрії і Пілі
Fimbriae і pili структурно схожі, і, оскільки диференціація між ними проблематична, ці терміни часто використовуються взаємозамінно. Термін fimbriae зазвичай відноситься до коротких щетиноподібних білків, що виступають з поверхні клітини сотнями. Fimbriae дозволяють клітині прикріплюватися до поверхонь і до інших клітин. Для патогенних бактерій прихильність до клітин господаря важлива для колонізації, інфекційності та вірулентності. Прилипання до поверхонь також має важливе значення при формуванні біоплівки.
Термін пілі (сингулярний: pilus) зазвичай відноситься до довших, менш численних білкових придатків, які допомагають у прикріпленні до поверхонь (рис.\(\PageIndex{7}\)). Конкретний тип пілуса, який називається F pilus або sex pilus, важливий для передачі ДНК між бактеріальними клітинами, що відбувається між членами одного покоління, коли дві клітини фізично переносять або обмінюються частинами відповідних геномів (див. Як безстатеві прокаріоти досягають генетичної різноманітності).
джгутики
Джгутики - це структури, використовувані клітинами для переміщення у водних середовищах. Бактеріальні джгутики діють як пропелери. Вони являють собою жорсткі спіральні нитки, що складаються з субодиниць білка джгутиків, які виходять назовні від клітини і обертаються в розчині. Різні види рухомих бактерій демонструють різне розташування джгутиків (рис.\(\PageIndex{8}\)).
Резюме
- Прокаріотичні клітини відрізняються від еукаріотичних клітин тим, що їх генетичний матеріал міститься в нуклеоїді, а не мембранно-зв'язаному ядрі. Крім того, прокаріотичним клітинам, як правило, не вистачає мембранно-зв'язаних органел.
- Прокаріотичні клітини одного виду зазвичай мають схожу морфологію клітин і клітинне розташування.
- Більшість прокаріотичних клітин мають клітинну стінку, яка допомагає організму підтримувати клітинну морфологію і захищає його від змін осмотичного тиску.
- Поза нуклеоїда прокаріотичні клітини можуть містити екстрахромосомну ДНК в плазмідах.
- Прокаріотичні рибосоми, які знаходяться в цитоплазмі, мають розмір 70S.
- Бактеріальні мембрани складаються з фосфоліпідів з інтегральними або периферичними білками. Жирні кислотні компоненти цих фосфоліпідів пов'язані з ефіром і часто використовуються для ідентифікації конкретних типів бактерій. Білки виконують різноманітні функції, включаючи транспорт, зв'язок між клітинами та клітиною та зондування умов навколишнього середовища. Археальні мембрани відрізняються тим, що вони складаються з жирних кислот, які пов'язані ефіром з фосфоліпідами.
- Прокаріотичні клітинні стінки можуть складатися з пептидоглікану (бактерій) або псевдопептидоглікану (архей).
- Деякі прокаріотичні клітини мають fimbriae або pili, ниткоподібні придатки, які допомагають прикріплюватися до поверхонь. Пілі також використовуються при перенесенні генетичного матеріалу між клітинами.
- Деякі прокаріотичні клітини використовують один або кілька джгутиків для переміщення по воді.
Атрибуція
Куратор і автор Марія Морроу з використанням наступних джерел:
- 3.3 Унікальні характеристики прокаріотичних клітин з мікробіології OpenSTAX (ліцензований CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.