Сходства и различия в строении прокариотических и эукариотических клеток
1. Вспомните примеры многоядерных клеток.
2. Какую форму могут иметь бактерии?
Прокариоты.
Древнейшие на Земле организмы не имеют клеточного ядра и называются прокариотами, т. е, доядерными. Они объединяются в отдельное царство - Дробянки, к которому относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.
Каковы же отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?
Клетки прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот - их размеры редко превышают 10 мкм, а бывают размером даже 0,3 X 0,2 мкм. Правда, есть и исключения - описана огромная бактериальная клетка размером 100 х 10 мкм.
Строение и обмен веществ прокариот. Прокариоты, как следует из их названия, не имеют оформленного ядра.
Единственная кольцевая молекула ДНК , находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не имеет оболочки и располагается непосредственно в цитоплазме (рис. 36).
Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной . Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки - мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами - пектином и муреином.
Среди встречаются 2 типа организации клеток: прокариотические (доядерные) клетки и эукариотические (ядерные) клетки.
Строение эукариотической клетки
Клетка эукариот состоит из трех основных частей: ядра, цитоплазмы и клеточной стенки. К эукариотам относятся простейшие, беспозвоночные и позвоночные животные, высшие растения, грибы и водоросли (без сине-зеленых и прохлорофитовых). Клетки животных и растений отличаются по следующим параметрам. В клетках высших растений отсутствуют центриоли, они имеют жесткую клеточную стенку, плазмодесмы, вакуоль с клеточным соком, пластиды. В клетках водорослей, относящихся к разным таксонам, могут присутствовать или отсутствовать центриоли, клеточная стенка, пластиды и вакуоль с клеточным соком. Клетки грибов объединяют в себе некоторые признаки животных и растительных клеток. Как и клетки растений, они имеют жесткую клеточную стенку, но в ее состав входит хитин, как в наружном скелете у членистоногих. В клетках грибов отсутствуют пластиды, в обмене веществ у них присутствует мочевина, и запасают они не крахмал, а, как в клетках печени животных, гликоген.
Строение прокариотической клетки
Прокариотическая клетка устроена следующим образом. Главная особенность этих клеток - это отсутствие морфологически выраженного ядра, но имеется зона, в которой расположена ДНК (нуклеоид). В цитоплазме расположены рибосомы, цитоплазматические мембраны, но у них отсутствует набор других органелл, имеющихся в клетках эукариот, таких, как эндоплазматический ретикулюм, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды, центриоли, микротрубочки. Снаружи содержимое клетки прокариот одето цитоплазматической мембраной, которая играет барьерную функцию между собственно цитоплазмой клетки и внешней средой. Поверх цитоплазматической мембраны расположена клеточная стенка (оболочка). В то же время клетки прокариот и эукариот имеют и общие черты строения:
Одеты цитоплазматической мембраной, функционирующей как система для активного транспортирования веществ из клетки в клетку;
Синтез белка идет на рибосомах;
Сходны процессы синтеза РНК и репликации ДНК;
Похожи биоэнергетические процессы.
Прокариотическое строение клеток имеют все бактерии, включая архебактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Клетки прокариот могут отличаться друг от друга по строению клеточной стенки, складчатости цитоплазматических мембран, количеству и свойствам внутриклеточных вакуолей, количеством и структурой цитоплазматических выростов и т. д., но общий план строения остается постоянным.
2.4. Строение про– и эукариотной клеток. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности
Основные термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе: аппарат
Голъджи, вакуоль, клеточная мембрана, клеточная теория, лейкопласты, митохондрии, органоиды клетки, пластиды, прокариоты, рибосомы, хлоропласты, хромопласты, хромосомы, эукариоты, ядро.
Любая клетка представляет собой систему. Это означает, что все ее компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимодействуют друг с другом. Это также означает, что нарушение деятельности одного из элементов данной системы ведет к изменениям и нарушениям работы всей системы. Совокупность клеток образует ткани, различные ткани образуют органы, а органы, взаимодействуя и выполняя общую функцию, образуют системы органов. Эту цепочку можно продолжить дальше, и вы можете сделать это самостоятельно. Главное, что нужно понять, – любая система обладает определенной структурой, уровнем сложности и основана на взаимодействии элементов, которые ее составляют. Ниже даются справочные таблицы, в которых сравнивается строение и функции прокариотических и эукариотических клеток, а также разбирается их строение и функции. Внимательно проанализируйте эти таблицы, ибо в экзаменационных работах достаточно часто задаются вопросы, требующие знания этого материала.
2.4.1. Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток. Сравнительные данные
Сравнительная характеристика эукариотических и прокариотических клеток.
Строение эукариотичеких клеток.
Функции эукариотических клеток . Клетки одноклеточных организмов осуществляют все функции, характерные для живых организмов – обмен веществ, рост, развитие, размножение; способны к адаптации.
Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению, в зависимости от выполняемых ими функций. Эпителиальные, мышечные, нервные, соединительные ткани формируются из специализированных клеток.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А
А1. К прокариотическим организмам относится 1) бацилла 2) гидра 3) амеба 4) вольвокс
А2. Клеточная мембрана выполняет функцию
1) синтеза белка
2) передачи наследственной информации
3) фотосинтеза
4) фагоцитоза и пиноцитоза
А3. Укажите пункт, в котором строение названной клетки совпадает с ее функцией
1) нейрон – сокращение
2) лейкоцит – проведение импульса
3) эритроцит – транспорт газов
4) остеоцит – фагоцитоз
А4. Клеточная энергия вырабатывается в
1) рибосомах 3) ядре
2) митохондриях 4) аппарате Гольджи
А5. Исключите из предложенного списка лишнее понятие
1) лямблия 3) инфузория
2) плазмодий 4) хламидомонада
А6. Исключите из предложенного списка лишнее понятие
1) рибосомы 3) хлоропласты
2) митохондрии 4) крахмальные зерна
А7. Хромосомы клетки выполняют функцию
1) биосинтеза белка
2) хранения наследственной информации
3) формирования лизосом
4) регуляции обмена веществ
В1. Выберите из предложенного списка функции хлоропластов
1) образование лизосом 4) синтез АТФ
2) синтез глюкозы 5) выделение кислорода
3) синтез РНК 6) клеточное дыхание
В2. Выберите особенности строения митохондрий
1) окружены двойной мембраной
2) содержат хлорофилл
3) есть кристы
4) наружная мембрана складчатая
5) окружены одинарной мембраной
6) внутренняя мембрана богата ферментами ВЗ. Соотнесите органоид с его функцией
В4. Заполните таблицу, отметив знаками «+ » или «- » наличие указанных структур в про– и эукариотических клетках
С1. Докажите, что клетка является целостной биологической, открытой системой.
2.5. Метаболизм: энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле
Термины, проверяемые в экзаменационной работе: автотрофные организмы,
анаболизм, анаэробный гликолиз, ассимиляция, аэробный гликолиз, биологическое окисление, брожение, диссимиляция, биосинтез, гетеротрофные организмы, дыхание, катаболизм, кислородный этап, метаболизм, пластический обмен, подготовительный этап, световая фаза фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, фотолиз воды, фотосинтез, энергетический обмен.
2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его на пластический (анаболизм ) и энергетический обмены (катаболизм ), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.
Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:
Анаболизм (ассимиляция ) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
Катаболизм (диссимиляция ) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.
Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы , – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессехемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода.Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно ) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.
Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме . Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».
Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.
2.5.2. Энергетический обмен в клетке (диссимиляция)
Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений уаэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается
многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков
до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов,
нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.
Второй этап –бескислородный (гликолиз ). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называетсяспиртовым брожением .
Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
Третий этап –кислородный , состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.
Окислительное фосфорилирование или клеточное дыханиепроисходит, на
внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А
А1. Способ питания хищных животных называется
1) автотрофным 3) гетеротрофным
2) миксотрофным 4) хемотрофным
А2. Совокупность реакций обмена веществ называется:
1) анаболизм 3) диссимиляция
2) ассимиляция 4) метаболизм
А3. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит образование:
1) 2 молекул АТФ и глюкозы
2) 36 молекул АТФ и молочной кислоты
3) аминокислот, глюкозы, жирных кислот
4) уксусной кислоты и спирта
А4. Вещества, катализирующие биохимические реакции в организме, – это:
1) белки 3) липиды
2) нуклеиновые кислоты 4) углеводы
А5. Процесс синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования происходит в:
1) цитоплазме 3) митохондриях
2) рибосомах 4) аппарате Гольджи
А6. Энергия АТФ, запасенная в процессе энергетического обмена, частично используется для реакций:
1) подготовительного этапа
2) гликолиза
3) кислородного этапа
4) синтеза органических соединений А7. Продуктами гликолиза являются:
1) глюкоза и АТФ
2) углекислый газ и вода
3) пировиноградная кислота и АТФ
4) белки, жиры, углеводы
В1. Выберите события, происходящие на подготовительном этапе энергетического обмена у человека
1) белки распадаются до аминокислот
2) глюкоза расщепляется до углекислого газа и воды
3) синтезируются 2 молекулы АТФ
4) гликоген расщепляется до глюкозы
5) образуется молочная кислота
6) липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот
В2. Соотнесите процессы, происходящие при энергетическом обмене с этапами, на которых они происходят
ВЗ. Определите последовательность превращений куска сырого картофеля в процессе энергетического обмена в организме свиньи:
А) образование пирувата Б) образование глюкозы
В) всасывание глюкозы в кровь Г) образование углекислого газа и воды
Д) окислительное фосфорилирование и образование Н2О Е) цикл Кребса и образование СО2
С1. Объясните причины утомляемости спортсменов-марафонцев на дистанциях, и как она преодолевается?
2.5.3. Фотосинтез и хемосинтез
Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.
Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл . Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ –никотинамиддифосфат ). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называютсветовой
и темновой фазами.