Читать книгу Цитология - Н. С. Стволинская - Страница 6

Живые клетки появились на Земле, видимо, около 3,5–4 миллиардов лет тому назад. Одно из наиболее удивительных свидетельств общности происхождения всех клеток и совместной ранней эволюции – это универсальность генетического кода: организация триплетов нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот, которые кодируют аминокислоты, входящие в состав белков. Генетический код почти не различается у всех современных организмов, следовательно, такой способ кодирования генетической информации появился и закрепился на ранних стадиях эволюции.

Ранние этапы клеточной эволюции связаны с распространением в разных средах обитания небольших клеток размером 1–2 мкм с простой внутренней организацией. Это клетки прокариот, к ним относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, иначе их называют цианобактериями, и микоплазмы. Форма клеток может быть сферической, удлиненной или более сложной (извилистой). Они имеют плазматическую мембрану, которая служит барьером для транспорта молекул между внутренней средой клетки и ее окружением. В клетке имеется цитоплазма, в центральной части клетки находится одна двуспиральная молекула ДНК, обычно замкнутая в кольцо. В цитоплазме расположены рибосомы – мельчайшие органоиды, способные синтезировать белок из аминокислот по заданной программе, записанной в матричных РНК (мРНК). В цитоплазме таких клеток могут храниться вещества запаса. Отличительной особенностью клеток прокариот является наличие сложной, объемной (до 30 % сухого веса) защитной оболочки, которая иначе называется клеточной стенкой (рис. 1.1). Поскольку в этих клетках происходят активные синтетические процессы, требующие больших затрат энергии, то клетке необходимы молекулы – носители энергии. Такими молекулами являются АТФ, они образуются в процессе дыхания на складчатых выростах плазматической мембраны, направленных внутрь клетки, называемых мезосомами.

Рис. 1.1. Схема строения клетки прокариот: а) микоплазма; б) бактерия; в) цианобактерия (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978). 1 – ДНК; 2 – рибосомы; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – мезосома; 5 – клеточная стенка; 6 – тилакоид; 7 – секретируемые и запасные вещества.

Бактерии – это наиболее простые одноклеточные организмы, обнаруженные в самых разнообразных средах обитания. Они легко приспосабливаются к окружающей среде, очень быстро размножаются. Каждые 20–30 минут после удвоения кольцевой молекулы ДНК клетка делится надвое, если в среде обитания достаточно веществ, способных обеспечить все эти процессы энергией. Бактерии живут на Земле дольше других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток. В настоящее время хорошо изучен генетический материал бактериальных клеток, и показано, что в составе кольцевой ДНК находится около 5000 генов, кодирующих разнообразные белки бактерий.

Цианобактерии, в ботанической литературе их называют сине-зелеными водорослями, сходны по простоте организации с бактериями и обитают в водной среде. Они имеют клеточную стенку, сходную по химическому составу с бактериями, аналогично бактериям у них организован генетический аппарат и все клеточные структуры. Цианобактерии в несколько раз крупнее обычных бактериальных клеток. Главная их особенность – способность к фотосинтезу, который происходит на особых мембранных образованиях внутри прокариотической клетки.

Микоплазмы – мельчайшие клеточные организмы прокариотического типа. Их размер примерно 0,3 мкм, что соответствует среднему размеру митохондрий, имеющихся в эукариотической клетке. Чаще всего микоплазмы являются паразитами, обитающими в растительных или животных клетках. Паразитический образ жизни привел к упрощению их организации: они утратили клеточную стенку, границей клетки служит плазматическая мембрана; их молекула ДНК в несколько раз меньше ДНК обычной бактериальной клетки, в ней закодировано всего несколько сот белков, обеспечивающих жизнедеятельность микоплазм. Большинство необходимых молекул микоплазмы получают из клетки, в которой они паразитируют. Примером может служить микоплазма, паразитирующая в эпителиальных клетках половых путей человека, являясь причиной хронических воспалений половых путей.

На эволюционном пути клеточного развития имеется важная веха. Приблизительно 1,5 миллиарда лет тому назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой организацией – прокариот, к бо́льшим по размерам и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам – клеткам растений, грибов и животных.

Главные отличия эукариотических клеток:

1. Имеют оформленное ядро со сложной структурой организации.

2. Они гораздо крупнее прокариотических клеток, их средний размер несколько десятков микрометров.

3. В цитоплазме имеются органоиды, окруженные мембраной, и цитоскелет белковой природы, обеспечивающий движение органелл и самой клетки.

4. Деление эукариотических клеток – это сложный процесс, связанный с образованием хромосом, веретена деления и распределением хромосом между дочерними клетками. Основной тип деления эукариотической клетки – митоз.

5. Оболочки эукариотических клеток отличаются по химическому составу и строению от клеточной стенки прокариот.

Рассмотрим схему строения растительной и животной клетки с учетом данных электронной микроскопии (рис. 1.2). Анализ схемы показывает, как много общего между этими клетками: организация и структура ядра, наличие плазматической мембраны, цитоплазмы, органоидов цитоплазмы, таких как эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы, микротрубочки. Следовательно, даже если рассматривать только морфологию растительной и животной клетки, не учитывая функции органоидов, можно говорить о гомологии этих клеток. Однако в их организации есть и различия, они объясняются прежде всего тем, что растительные и животные клетки характеризуются разным типом питания. Животные клетки являются гетеротрофами, они получают большинство органических молекул из окружающей среды в процессе питания, это – сахара, аминокислоты, органические кислоты. Растительные клетки – автотрофы. Они могут аккумулировать солнечную энергию, превращая ее в энергию химических связей. За счет фотосинтеза в растительной клетке образуются сахара, аминокислоты, жиры, белки и углеводы. Для этого в растительной клетке есть специальные органоиды – хлоропласты, которые функционально связаны и с другими пластидами. Кроме того, у нее присутствует прочная твердая оболочка поверх плазматической мембраны. Особенности жизненной организации привели к образованию большой центральной вакуоли, которая представляет собой резервуар для воды, обеспечивает напряженность клетки и является местом отложения продуктов обмена веществ. Особенности жизнедеятельности растительной клетки объясняют и особенности в организации цитоскелета.

Рис. 1.2. Схема строения клетки животных (а) и растений (б) с учетом данных электронной микроскопии (по Ченцову, 1988). 1 – плазматическая мембрана; 2 – клеточная стенка; 3 – плазмодесмы; 4 – микроворсинки; 5 – ядро; 6 – хроматин; 7 – ядерная оболочка; 8 – ядрышко; 9 – ядерная пора; 10 – рибосомы; 11 – гранулярный эндоплазматический ретикулум; 12 – аппарат Гольджи; 13 – секреторные вакуоли; 14 – первичные лизосомы; 15 – вторичные лизосомы; 16 – пиноцитозные вакуоли; 17 – гладкий эндоплазматический ретикулум; 18 – отложение гликогена; 19 – митохондрии; 20 – хлоропласты; 21 – вакуоли; 22 – капли липидов; 23 – центриоль; 24 – микротрубочки; 25 – микрофиламенты.

Анализ сходства и различия в организации эукариотических и прокариотических клеток показал, что эти клетки устроены по-разному. Но, тем не менее, можно говорить о гомологии и между этими клетками. Общие черты их организации состоят в следующем: все типы клеток имеют плазматическую мембрану и цитоплазму; наследственная информация однотипно закодирована в молекулах ДНК; реализация наследственной информации происходит в процессе синтеза белка на рибосомах с помощью молекул РНК; носителем энергии во всех типах клеток являются молекулы АТФ. Таким образом, первое положение клеточной теории, говорящее о том, что клетка – это элементарная единица всего живого и все клетки гомологичны между собой, опирается на общую основу принципов организации клеток прокариот и эукариот.

Вопросы

1. Приведите примеры представителей прокариот.

2. Опишите организацию прокариотической клетки.

3. В чем особенности организации цианобактерий и микоплазм?

4. Какие размеры имеет прокариотическая клетка?

5. Чем эукариотические клетки отличаются от прокариотических?

6. Что общего между клетками растений и животных?

7. Какие особенности есть в организации растительной клетки и с чем это связано?

8. Почему мы говорим о гомологии всех типов клеток?