5.2: Порівняння прокаріотичних та еукаріотичних клітин

Last updated
Save as PDF

Page ID: 8309

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Клітини діляться на одну з двох широких категорій: прокаріотичні і еукаріотичні. Переважно одноклітинні організми доменів Бактерії та Археї класифікуються як прокаріоти (pro — = перед; — каріон — = ядро). Тваринні клітини, рослинні клітини, гриби та протести є еукаріотами (eu - = true).

Всі клітини мають чотири загальні компоненти: 1) плазмову мембрану, зовнішнє покриття, яке відокремлює внутрішню частину клітини від навколишнього її середовища; 2) цитоплазма, що складається з гелеподібної області всередині клітини, в якій знаходяться інші клітинні компоненти; 3) ДНК, генетичний матеріал клітини; і 4) рибосоми, частинки, які синтезують білки.

Компоненти прокаріотичних клітин

Прокаріоти відрізняються від еукаріотичних клітин декількома важливими способами. Прокаріотична клітина - це простий одноклітинний (одноклітинний) організм, якому не вистачає ядра, або будь-якої іншої органели, пов'язаної з мембранами. Незабаром ми побачимо, що це значно відрізняється у еукаріотів. Прокаріотична ДНК знаходиться в центральній частині клітини: затемнена область, яка називається нуклеоїдом (рис.\(\PageIndex{1}\)).

На цій ілюстрації прокаріотична клітина має овальну форму. Кругова хромосома зосереджена в області, яка називається нуклеоїдом. Рідина всередині клітини називається цитоплазмою. Рибосоми, зображені у вигляді невеликих кіл, плавають в цитоплазмі. Цитоплазма укладена плазматичною мембраною, яка в свою чергу укладена клітинною стінкою. Капсула оточує клітинну стінку. Зображена бактерія має джгутик, що виступає з одного вузького кінця. Пілі - це невеликі виступи, які виступають з капсули в усі боки. — **Малюнок\(\PageIndex{1}\):** Цей малюнок показує узагальнену будову прокаріотичної клітини.

На відміну від архей і еукаріотів, бактерії мають клітинну стінку, виготовлену з пептидоглікану, що складається з цукрів і амінокислот, а багато з них мають полісахаридну (вуглеводну) капсулу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Клітинна стінка діє як додатковий шар захисту, допомагає клітині підтримувати свою форму, запобігає зневодненню. Капсула дозволяє клітині прикріплюватися до поверхонь у своєму середовищі. Деякі прокаріоти мають джгутики, пілі або бахромки. Джгутики використовуються для локомоції, тоді як більшість пілі використовуються для обміну генетичним матеріалом під час типу розмноження, який називається кон'югацією.

Компоненти клітин еукаріотів

У природі взаємозв'язок між формою і функцією очевидна на всіх рівнях, включаючи рівень клітини, і це стане зрозумілим, коли ми досліджуємо еукаріотичні клітини. Принцип «форма слідує за функцією» зустрічається у багатьох контекстах. Наприклад, птахи та риби мають обтічні тіла, які дозволяють їм швидко переміщатися через середовище, в якому вони живуть, будь то повітря або вода. Це означає, що, як правило, можна вивести функцію структури, дивлячись на її форму, оскільки вони збігаються.

Еукаріотична клітина - це клітина, яка має пов'язане з мембраною ядро та інші мембранно-зв'язані відділення або мішечки, звані органелами, які мають спеціалізовані функції. Решта цієї глави буде обговорювати функції різних органел. Слово еукаріот означає «справжнє ядро» або «справжнє ядро», натякаючи на наявність в цих клітині зв'язаного з мембранами ядра. Слово «органела» означає «маленький орган», і, як уже згадувалося, органели мають спеціалізовані клітинні функції, так само як органи вашого тіла мають спеціалізовані функції.

малювання клітини — **Малюнок\(\PageIndex{2}\):** Узагальнена еукаріотична клітина, що показує деякі органели. (Фото: Медіран, Вікімедіа. 14 серпня 2002 р.)

І тварини, і рослини - еукаріоти. Незважаючи на їх принципову схожість, між клітинами тварин і рослин є деякі разючі відмінності. Клітини тварин мають центриоли, центросоми (обговорюються під цитоскелетом) і лізосоми, тоді як рослинні клітини цього не роблять. Клітини рослин мають клітинну стінку, хлоропласти, плазмодесмати і пластиди, що використовуються для зберігання, і велику центральну вакуоль, тоді як клітини тварин цього не роблять.

Частина a: На цій ілюстрації показана типова еукаріотична клітина, яка має яйцеподібну форму. Рідина всередині клітини називається цитоплазмою, а клітина оточена клітинною мембраною. Ядро займає близько половини ширини клітини. Усередині ядра знаходиться хроматин, який складається з ДНК і пов'язаних з ним білків. Область хроматину конденсується в ядерце - структуру, в якій синтезуються рибосоми. Ядро укладено в ядерну оболонку, яка перфорована порами, викладеними білками, що дозволяють потрапляти матеріалу в ядро. Ядро оточене шорсткою і гладкою ендоплазматичної сіткою, або ER. Гладка ЕР є місцем синтезу ліпідів. Груба ER має вбудовані рибосоми, які надають йому вибоїстий вигляд. Він синтезує мембранні і секреторні білки. Крім ЕР, всередині цитоплазми плавають багато інших органел. До них відноситься апарат Гольджі, який модифікує білки і ліпіди, синтезовані в ER. Апарат Гольджі виконаний з шарів плоских мембран. Мітохондрії, які виробляють енергію для клітини, мають зовнішню мембрану і сильно складену внутрішню мембрану. Інші, менші органели включають пероксисоми, які метаболізують відходи, лізосоми, які перетравлюють їжу, і вакуолі. Рибосоми, що відповідають за синтез білка, також вільно плавають в цитоплазмі і зображуються у вигляді дрібних точок. Останнім показаним клітинним компонентом є цитоскелет, який має чотири різних типи компонентів: мікрофіламенти, проміжні нитки, мікротрубочки та центросоми. Мікрофіламенти - це волокнисті білки, які вистилають клітинну мембрану і складають клітинну кору. Проміжні нитки - це волокнисті білки, які утримують органели на місці. Мікротрубочки утворюють мітотичний веретено і підтримують форму клітин. Центросоми виконані з двох трубчастих структур під прямим кутом один до одного. Вони утворюють мікротрубочки організуючий центр.

Частина b: На цій ілюстрації зображена типова еукаріотична рослинна клітина. Ядро рослинної клітини містить хроматин і ядерце, такі ж, як і в тваринній клітині. Інші структури, які рослинна клітина має спільну з тваринною клітиною, включають грубу і гладку ЕР, апарат Гольджі, мітохондрії, пероксисоми та рибосоми. Рідина всередині рослинної клітини називається цитоплазмою, так само, як і в клітині тварини. Рослинна клітина має три з чотирьох цитоскелетних компонентів, що містяться в клітині тварин: мікротрубочки, проміжні нитки та мікрофіламенти. Рослинні клітини не мають центросом. Рослини мають п'ять структур, не знайдених в клітині тварин: плазмодесмати, хлоропласти, пластиди, центральна вакуоль і клітинна стінка. Плазмодезмати утворюють канали між сусідніми клітинами рослин. Хлоропласти відповідають за фотосинтез; вони мають зовнішню мембрану, внутрішню мембрану і стек мембран всередині внутрішньої мембрани. Центральна вакуоль - це дуже велика, наповнена рідиною структура, яка підтримує тиск на клітинну стінку. Пластмаси зберігають пігменти. Клітинна стінка локалізується поза клітинної мембрани.

Запит\(\PageIndex{1}\)

Activity

Запит\(\PageIndex{2}\)

Activity

Розмір комірки

При діаметрі 0,1-5,0 мкм прокаріотичні клітини значно менше еукаріотичних клітин, які мають діаметри в межах 10-100 мкм (рис.\(\PageIndex{3}\)). Невеликий розмір прокаріотів дозволяє іонам і органічним молекулам, які потрапляють в них, швидко поширюватися на інші частини клітини. Подібним чином будь-які відходи, що утворюються в прокаріотичній клітині, можуть швидко виходити назовні. Однак більші еукаріотичні клітини розвинули різні структурні пристосування для посилення клітинного транспорту. Дійсно, великий розмір цих клітин був би неможливий без цих пристосувань. Загалом, розмір клітини обмежений, оскільки обсяг збільшується набагато швидше, ніж площа поверхні клітини. Коли клітина стає більшою, клітині стає все важче придбати достатню кількість матеріалів для підтримки процесів всередині клітини, оскільки відносний розмір площі поверхні, через яку необхідно транспортувати матеріали, зменшується.

Показані відносні розміри за логарифмічною шкалою, від 0,1 нм до 1 м. Об'єкти відображаються від найменшого до найбільшого. Найменший показаний об'єкт, атом, має розмір близько 1 нм. Наступними найбільшими показаними об'єктами є ліпіди та білки; ці молекули знаходяться між 1 і 10 нм. Бактерії близько 100 нм, а мітохондрії - близько 1 мкм. Рослинні та тваринні клітини знаходяться між 10 і 100 мкм. Яйце людини становить від 100 мкм до 1 мм. Жаб'яче яйце близько 1 мм, куряче яйце і страусине яйце - між 10 і 100 мм, але страусине яйце більше. Для порівняння, людина приблизно 1 м заввишки. — **Малюнок\(\PageIndex{3}\):** На цьому малюнку показані відносні розміри різних видів клітин і клітинних компонентів. Доросла людина показана для порівняння.

Невеликий розмір, в общем-то, необхідний всім клітинам, будь то прокаріотичні або еукаріотичні. Давайте розберемося, чому це так. Для початку розглянемо площу і обсяг типової клітини. Не всі клітини мають сферичну форму, але більшість, як правило, наближаються до сфери. Ви можете згадати з вашого курсу геометрії, що формула площі поверхні сфери становить 4πr ², тоді як формула для її об'єму - 4πr ^{3 /3}. Таким чином, зі збільшенням радіуса осередку площа її поверхні збільшується з квадратом її радіуса, але її об'єм збільшується у міру збільшення куба її радіуса (набагато швидше). Тому, коли клітина збільшується в розмірах, її співвідношення площі поверхні до об'єму зменшується. Цей же принцип застосовувався б, якби клітина мала форму куба (рис.\(\PageIndex{4}\)). Якщо клітина росте занадто великою, плазмова мембрана не матиме достатньої площі поверхні для підтримки швидкості дифузії, необхідної для збільшеного об'єму. Іншими словами, у міру зростання клітини вона стає менш ефективною. Одним із способів стати більш ефективним є поділ; інший спосіб - розробка органел, які виконують конкретні завдання. Ці пристосування призводять до розвитку більш складних клітин, які називаються еукаріотичними клітинами.

клітинки куба — **Малюнок\(\PageIndex{4}\):** Об'єм збільшується швидше, ніж площа поверхні. Площа поверхні дрібної клітини становить 1 мм х 1 мм х 6 сторін = 6 мм ². Обсяг дрібної клітини становить 1 мм х 1 мм х 1 мм = 1 мм ³. Це дає співвідношення площі поверхні до об'єму 6:1. Площа поверхні більшої клітини становить 2 мм х 2 мм х 6 сторін = 24 мм ². Обсяг великої клітини становить 2 мм х 2 мм х 2 мм = 8 мм ³. Це дає співвідношення площі поверхні до об'єму 3:1 (24:8 зменшується до 3:1).

Запит\(\PageIndex{3}\)

Activity

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

Текст адаптований з: OpenStax, Концепції біології. OpenStax CNX. Травень 18, 2016 http://cnx.org/contents/b3c1e1d2-839...9a8aafbdd@9.10