3: Клітинна структура I

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6653

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

Традиційно клітинні організми поділяються на дві великі категорії, виходячи з їх типу клітин. Вони бувають або прокаріотичними, або еукаріотичними. Загалом, прокаріоти менші, простіші, з набагато меншою кількістю речей, що зробило б еукаріоти більшими, складнішими та більш захаращеними. Суть їх ключової відмінності можна вивести з їх назв: «каріоза» - це грецьке слово, що означає «горіх» або «центр», посилання на ядро клітини. «Pro» означає «раніше», тоді як «Eu» означає «правда», вказуючи на те, що прокаріоти не мають ядра («перед ядром»), тоді як еукаріоти мають справжнє ядро. Зовсім недавно мікробіологи бунтували проти терміна прокаріот, оскільки він грудовує як бактерії, так і зовсім недавно виявлені археї в тій же категорії. Обидві клітини є прокаріотичними, оскільки їм не вистачає ядра та інших органел (таких як мітохондрії, апарат Гольджі, ендоплазматичний ретикулум тощо), але вони не тісно пов'язані генетично. Отже, щоб вшанувати ці відмінності, цей текст буде називати групи архей, бактеріями та еукаріотами і намагатися залишити прокаріотичне посилання поза ним.

Морфологія клітин

Морфологія клітин - це посилання на форму клітини. Це може здатися тривіальним поняттям, але для клітини це не так. Форма диктує, як ця клітина буде рости, відтворюватися, отримувати поживні речовини, рухатися, і важливо, щоб клітина підтримувала цю форму, щоб функціонувати належним чином. Морфологія клітин може бути використана як характеристика для допомоги у виявленні певних мікробів, але важливо зазначити, що клітини з однаковою морфологією не обов'язково пов'язані між собою. Бактерії, як правило, відображають найбільш репрезентативні морфології клітин, з найпоширенішими прикладами, перерахованими тут:

Морфологія клітин бактерій.

Coccus (pl. cocci) — кок являє собою клітку сферичної форми.
Bacillus (pl. bacilli) — паличка є паличкоподібною клітиною.
Вигнуті стрижні — очевидно, це стрижень з певним типом кривизни. Існує три підкатегорії: вібріон, який є стрижнями з єдиною кривою і спірили/спірохети, які є стрижнями, що утворюють спіральні форми. Спірили та спірохети диференціюються за типом моторики, яку вони проявляють, а це означає, що їх важко розділити, якщо ви не дивитеся на мокру гору.
Плеоморфні — плеоморфні організми проявляють мінливість своєї форми.

Існують додаткові форми, помічені для бактерій, і ще ширший масив для археї, які навіть були знайдені як зірки або квадратні форми. Еукаріотичні мікроби також мають тенденцію демонструвати широкий спектр форм, особливо тих, у яких відсутня клітинна стінка, наприклад найпростіші.

Розмір комірки

Розмір клітини, як і морфологія клітин, теж не є тривіальною справою для клітини. Є причини, чому більшість археологічних/бактеріальних клітин набагато менше, ніж еукаріотичні клітини. Значна частина цього пов'язана з перевагами, отриманими від невеликого розміру. Ці переваги відносяться до співвідношення поверхні до об'єму клітини, співвідношення зовнішнього клітинного шару, що контактує з навколишнім середовищем в порівнянні з рідиною всередині. Це співвідношення змінюється в міру збільшення клітини в розмірах. Давайте розглянемо клітинку 2 мкм в порівнянні з клітиною, яка в два рази більше при 4 мкм.

r = 1 мкм площа
поверхні = 12,6 мкм2
об'єм = 4,2 мкм3

r = 2 мкм площа
поверхні = 50,3 мкм2
об'єм = 33,5 мкм3

Відношення поверхні до обсягу меншої осередку становить 3, тоді як відношення поверхні до обсягу більшої осередку зменшується до 1,5. Подумайте про клітинну поверхню як про здатність клітини приносити поживні речовини і випускати продукти життєдіяльності. Чим більше площа поверхні, тим більше можливостей для заняття цими видами діяльності. Виходячи з цього, більша клітина мала б перевагу. Тепер подумайте про обсяг як про те, що має підтримувати клітина. Оскільки співвідношення поверхні до обсягу знижується, це вказує на те, що клітина має меншу можливість внести поживні речовини, необхідні для підтримки діяльності клітини - таких видів діяльності, як ріст та розмноження. Так, дрібні клітини ростуть і розмножуються швидше. Це також означає, що вони еволюціонують швидше з часом, надаючи їм більше можливостей адаптуватися до навколишнього середовища.

Майте на увазі, що різниця в розмірах (бактеріальні/архейні клітини = менше, еукаріотичні клітини = більше) в середньому. Типова бактеріальна/архейна клітина має розмір кілька мікрометрів, тоді як типова еукарітотична клітина приблизно в 10 разів більша. Є кілька бактерій монстери, які виходять за межі норми в розмірах і все ще встигають дуже швидко рости і розмножуватися. Одним з таких прикладів є Thiomargarita namibiensis, яка може вимірювати від 100-750 мкм в довжину, в порівнянні з більш типовою довжиною 4 мкм кишкової палички. T. namibiensis вдається підтримувати свою швидку швидкість розмноження, виробляючи дуже великі вакуолі або бульбашки, які займають велику частину клітини. Ці вакуолі зменшують обсяг клітини, збільшуючи співвідношення поверхні до обсягу. Інші дуже великі бактерії використовують гофровану мембрану для зовнішнього поверхневого шару. Це збільшує площу поверхні, що також збільшує співвідношення поверхні до об'єму, дозволяючи клітці підтримувати свою швидку швидкість розмноження.

Компоненти клітин

Всі клітини (бактеріальні, археальні, еукаріотичні) поділяють чотири загальні компоненти:

Цитоплазма — цитоплазма - це гелеподібна рідина, яка заповнює кожну клітину, забезпечуючи водне середовище для хімічних реакцій, що відбуваються в клітині. Він складається в основному з води, з деякими солями і білками.
ДНК — дезоксирибонуклеїнова кислота або ДНК є генетичним матеріалом клітини, інструкцією щодо здібностей і характеристик клітини. Цей повний набір генів, іменованих геном, локалізується в області неправильної форми, відомій як нуклеоїд в бактеріальних і архейних клітині, і укладений в мембранно пов'язане ядро в еукаріотичних клітині.
Рибосоми — білковими фабриками клітини є рибосоми. Складається як з РНК, так і з білка, існують деякі чіткі відмінності між тими, що містяться у бактерії/архей, та тими, що містяться у еукаріотів, особливо з точки зору розміру та розташування. Рибосоми бактерій та археї виявляються плаваючими в цитоплазмі, тоді як багато еукаріотичних рибосом організовані уздовж ендоплазматичної ретикулума, еукаріотичної органели. Вимірюють рибосоми за допомогою блоку Сведберга, що відповідає швидкості осідання при центрифугуванні. Бактеріальні/археальні рибосоми мають вимірювання 70S як значення осідання, тоді як еукаріотичні рибосоми мають вимірювання 80S, що свідчить як про їх більший розмір, так і масу.
Плазмові мембрани — одна із зовнішніх кордонів кожної клітини є плазматична мембрана або клітинна мембрана. (Плазмову мембрану можна знайти і в іншому місці, наприклад, мембрану, яка межує з еукаріотичним ядром, тоді як термін клітинна мембрана стосується саме цієї межі клітини). Плазмова мембрана відокремлює внутрішній вміст клітини від навколишнього середовища. Хоча плазмова мембрана не є сильним шаром, бере участь у кількох важливих процесах для клітини, особливо для бактерій та архей, які, як правило, мають лише одну мембрану:
- Діє як напівпроникний бар'єр, щоб забезпечити вхід і вихід вибраних молекул. Він функціонує, щоб пропускати поживні речовини, виділяти продукти життєдіяльності та, можливо, утримувати небезпечні речовини, такі як токсини або антибіотики.
- Виконує обмінні процеси, беручи участь у перетворенні світлової або хімічної енергії в легко придатну для використання форму, відому як АТФ. Це енергозбереження передбачає розвиток рушійної сили протона (PMF), заснованої на поділі зарядів через мембрану, подібно до батареї.
- «Спілкується» з навколишнім середовищем, зв'язуючи або приймаючи дрібні молекули, які діють як сигнали і надають важливу для клітини інформацію. Інформація може стосуватися поживних речовин або токсинів у цій місцевості, а також інформації про інші організми.

Типова прокаріотична клітина.

Типова еукаріотична клітина. Медіран (Власна робота) [CC BY-SA 3.0], через Вікісховище

Еукаріоти мають численні додаткові компоненти, які називаються органелами, такі як ядро, мітохрондрії, ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі тощо Це все мембранно-зв'язані відсіки, в яких розміщена різна діяльність для клітини. Оскільки кожна структура обмежена власною плазматичною мембраною, вона забезпечує клітині кілька місць для виникнення мембранних функцій.

Структура плазми мембрани

Говорячи про деталі плазматичної мембрани, це трохи ускладнюється, оскільки бактерії та еукаріоти мають однакову основну структуру, тоді як архей мають помітні відмінності. Поки що давайте розглянемо основну структуру, тоді як архейні модифікації та варіації будуть розглянуті в главі про архей.

Плазмову мембрану часто описує рідинно-мозаїчна модель, на яку припадає рух різних компонентів всередині самої мембрани. Загальна будова пояснюється поділом окремих речовин на основі їх тяжіння або відштовхування води. Мембрана зазвичай складається з двох шарів (двошарових) фосфоліпідів, які утворюють основну структуру. Кожен фосфоліпід складається з полярної області, яка є гідрофільною («водолюблячою») та неполярної області, яка є гідрофобною («боязнь води»). Фосфоліпіди будуть спонтанно збиратися таким чином, щоб тримати полярні області в контакті з водним середовищем поза клітиною і цитоплазмою всередині, тоді як неполярні області секвеструються посередині, так само, як желе в бутерброді.

Самі фосфоліпіди складаються з негативно зарядженої полярної головки, яка є фосфатною групою, з'єднаною гліцериновим зв'язком з двома хвостами жирних кислот. Фосфатна група гідрофільна, тоді як хвости жирних кислот гідрофобні. Хоча мембрана не вважається особливо сильною, вона дещо посилюється наявністю додаткових ліпідних компонентів, таких як стероїди в еукаріотів і стероїлоподібні гопаноїди у бактерій. Вбудованими і пов'язаними з фосфоліпідним бішаром є різні білки, з безліччю функцій. Білки, які вбудовані в сам бішар, називаються інтегральними білками, тоді як білки, які асоціюються на зовнішній стороні мембрани, називаються периферичними білками. Деякі з периферичних білків закріплені на мембрані через ліпідний хвіст, і багато хто асоціюється зі специфічними інтегральними білками для виконання клітинних функцій. Інтегральні білки є домінантним типом, що становить близько 70-80% білків, пов'язаних з плазматичною мембраною, в той час як периферичні білки представляють решту 20-30%.

Структура плазматичної мембрани.

Кількість білка, що становить плазматичну мембрану, в порівнянні з фосфоліпідним, відрізняється організмом. Бактерії мають дуже високе співвідношення білка до фосфоліпідів, близько 2, 5:1, тоді як еукаріоти виявляють співвідношення 1:1, принаймні в їх клітинній мембрані. Але пам'ятайте, що еукаріоти мають кілька плазматичних мембран, по одній на кожну органелу. Співвідношення білка до фосфоліпідів для їх мітохондріальної мембрани становить 2, 5:1, як і бактеріальна плазмова мембрана, надаючи додаткові докази ідеї, що еукаріоти еволюціонували від бактеріального предка.

Ключові слова

прокаріот, еукаріот, морфологія, кок, паличка, вібріон, спірилла, спірохета, плеоморфний, поверхнево-об'ємний (S/V) співвідношення, цитоплазма, ДНК, геном, нуклеоїд, ядро, рибосома, блок Сведберга, плазматична мембрана, клітинна мембрана, протонна рушійна сила (ПМФ), рідинно-мозаїчна модель, фосфоліпідна, гідрофільні, гідрофобні, полярна голова, фосфатна група, гліцериновий зв'язок, хвіст жирної кислоти, стероїди, гопаноїди, фосфоліпідний бішар, інтегральний білок, периферичний білок.

Основні питання/цілі

Чому мікробіологи ставлять під сумнів традиційні способи мислення про «прокаріотів»?
Які 3 основні форми бактерій?
Як мікроби, що належать до категорій еукаріотів проти бактерій/археї, зазвичай відрізняються за розміром? Як розмір впливає на клітину? Яку роль відіграє співвідношення поверхні: об'єм? Як клітини можуть обійти обмеження, накладені співвідношенням поверхні:об'єм?
Якими двома способами бактерії можуть адаптуватися до великих розмірів? Наведіть конкретні приклади.
Які основні компоненти будь-якої клітини?
Які ролі відіграє плазматична мембрана?
Що таке модель рідкої мозаїки?
Зрозумійте основну будову фосфоліпідів плазматичної мембрани і роль, яку вона відіграє в конструкції мембрани.
Які ще ліпіди містяться в плазматичній мембрані?
Які 2 категорії білків знаходяться в плазматичній мембрані і чим вони відрізняються?
Як фосфоліпіди і білок об'єднуються, утворюючи робочу плазмову мембрану?
Яке значення співвідношення білка до фосфоліпідів з точки зору еволюції?

Дослідницькі питання (НЕОБОВ'ЯЗКОВО)

Яка найбільша бактерія або архея коли-небудь виявлена? Який найменший еукаріот коли-небудь виявлений?