Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 8

Урок 2: Прокариотни и еукариотни клетки

Прокариотни клетки

Универсални свойства на клетките. Характеристики на прокариотните клетки. Съотношение повърхностна площ към обем.

Въведение

Спри за малко и се погледни. Колко организми виждаш? Първата ти мисъл може да е, че има само един – ти. Ако обаче погледнеш по-отблизо повърхността на кожата си или вътре в храносмилателния си тракт, ще видиш, че там живеят много организми. Точно така, ти си дом за около 100 трилиона бактериални клетки.

Това означава, че тялото ти е екосистема. Също така, ти си дом и на прокариотни и на еукариотни клетки.

Всички клетки спадат към тези две категории. Само едноклетъчните организми в надцарствата Бактерии и Археи се смятат за прокариотни. Етимологията на думите идва основно от гръцки като про означава преди, карион ядро. Животните, растенията, гъбите и протистите са еукариотни, еус означава добър, истински. Много често обаче, както е и при хората, в еукариотните организми има и някои прокариотни приятели.

Зависи кого питаш! Принципно прокариотните организми са едноклетъчни. Има доказателства, обаче, че някой прокариотни клетки могат да се групират и да наподобяват многоклетъчен организъм. Тук обаче следва и въпросът дали това е "истински" многоклетъчен организъм, или не.

Някой видове цианобактерии създават дълги, наподобяващи на влакна вериги, както на снимката по-долу. В тези вериги клетките продължават да бъдат свързани помежду си дори и след размножаването си и придобиват специални самоличности и функции. Някой от тези клетки са специализирани в извършването на фотосинтеза, синтезирайки въглехидрати с помощта на слънчевата енергия. На снимката можеш да видиш малки, тъмни клетки, които изграждат по-голямата част от веригата. Други са специализирани в производството на азот, превръщайки атмосферния

N_{2}

в други по-полезни форми. На долната снимка е показана само една азотфиксираща клетка и тя изглежда по-кръгла и по-светла от околните клетки.

_Изображение: модификация на "Anabaena circinalis" от BdCarl, CC BY-SA 3.0. Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0._

Прокариотната клетка се състои от :

Има няколко основни неща, които са нужни на клетката, за да бъде клетка, независимо дали прокариотна или еукариотна. Всички клетки споделят четири основни елемента:

Плазмената мембрана е външната обвивка, която разделя вътрешната част на клетката от заобикалящия я свят.
Цитоплазмата се състои от полутечен цитозол в клетката заедно със структурите, разположени в него. В еукариотните клетки под цитоплазма се има предвид всичко извън ядрото, но вътре в клетката.
ДНК е генетичният материал на клетката.
Рибозомите са молекулни машини, синтезиращи белтъци.

Въпреки тези прилики прокариотите и еукариотите се различават по редица важни признаци. Прокариотът е прост едноклетъчен организъм, който няма ядро, нито оградени с мембрани органели. Ще говорим повече за ядрото и за органелите в следващата статия за еукариотните клетки. Засега е важно да запомним, че вътрешността на прокариотните клетки не е разделена чрез мембранни прегради, а се състои от едно общо пространство.

По-голямата част от прокариотната

ДНК

се намира в централната част на клетката, наречена нуклеоид, и обикновено представлява една голяма кръгова хромозома. Нуклеоидът и някои други често срещани характеристики на прокариотите са показани на изображението на сечение на пръчковидна бактерия по-долу.

Бактериите са много разнообразни по форма, така че не всеки вид бактерия притежава всички характеристики, показани на диаграмата.

Все пак повечето бактерии са оградени със здрава клетъчна стена, изградена от пептидогликан, това е полимер, които се състои от въглехидрати и малко белтъци. Клетъчната стена предоставя допълнителен защитен слой, който помага на клетката да поддържа своята форма и я предпазва от дехидратация. Много бактерии имат и външен слой от въглехидрати, наречен капсула. Капсулата е лепкава и помага на клетката да се прикрепя към повърхности от околната среда.

На повърхността си някои бактерии имат специализирани структури, които им помагат да се движат, да се прикрепват към повърхности и дори да обменят генетичен материал с други бактерии. Например флагелите са структури, подобни на камшичета, които извършват въртеливи движения и помагат на бактерията да се придвижва.

Фимбриите са многобройни, подобни на косъм структури, които се използват за прикрепване към клетки гостоприемници и други повърхности. Бактериите могат да имат и пръчковидни структури, наречени пили, които се срещат в много разновидности. Например чрез някои видове пили бактериите обменят

ДНК

молекули с други бактерии, докато други видове пили участват в движението на бактериите - помагат на бактерията да се движи.

Може да срещнеш фимбриите, посочени като вид пили - например някои източници ги наричат адхезивни пили

^{1}

. Тези различни имена отразяват дълга история, в която два различни термина - фимбрии и пили, са били използвани от учените, за да опишат повърхностните структури на бактериалните клетки.

Често терминът фимбрии се използва за клас повърхностни структури, които са многобройни, относително къси и участващи в прикрепянето на клетката към повърхности. От друга страна терминът пили се използва за повърхностни структури, които са по-малко на брой и са по-специализирани. Това са значенията на тези два термина, които използваме в нашата статия.

Археите притежават повечето от тези характеристики на клетъчната повърхност, но техните версии на дадена характеристика обикновено са различни от тези на бактериите. Например, въпреки че археите също имат клетъчна стена, тя не е изградена от пептидогликан, макар и да съдържа въглехидрати и белтъци.

Размер

Обикновено диаметърът на прокариотните клетки варира от 0,1 до 5,0 микрометра (μm). Те са значително по-малки от еукариотните клетки, чийто диаметър е между 10 и 100 μm.

Фигурата по-долу показва размерите на прокариотни бактериални и на еукариотни растителни и животински клетки, както и на други молекули и организми на логаритмична скала. Всяка единица, с която се увеличава логаритмичната скала, представлява 10-кратно увеличение на измерваната величина, така че говорим за големи разлики в размерите!

Има няколко интересни изключения – погледни едноклетъчното водорасло Каулерпа – клетките са доста малки, независимо от това дали са прокариотни, или еукариотни. Защо? Най-простият отговор е това, че с уголемяването си клетките изпитват повече трудности в обмяната на вещества и изхвърлянето на отпадъци. За да видиш как работи това, разгледай съотношението на площ към обем на клетката.

За улеснение да предположим, че имаме клетка с формата на куб. Всъщност някои растителни клетки имат кубична форма. Ако дължината на една от страните на куба е

l

, тогава площта на куба ще бъде

6 l^{2}

, а обемът му ще бъде

l^{3}

. Това означава, че с увеличаване на

l

, площта ще се увеличи много, тъй като се променя с

l

на втора степен. А обемът ще се увеличи още повече, тъй като се променя с

l

на трета степен.

И така, с увеличаване на размера на клетката съотношението площ към обем намалява. Например кубичната клетка отляво има обем 1 mm

^{3}

и площ 6 mm

^{2}

, а съотношението на площта към обема е шест към едно. Докато кубичната клетка отдясно има обем 8 mm

^{3}

и площ 24 mm

^{2}

със съотношение площ към обем - три към едно.

Съотношението на площта към обема е важно, тъй като плазмената мембрана е връзката на клетката с околната среда. Ако клетката се нуждае от хранителни вещества, тя ще ги приеме през мембраната. Ако трябва да изхвърли ненужни вещества, мембраната пак е единственият начин.

Всяка част от мембраната може да обменя ограничени количества от дадено вещество за даден период от време, тъй като има ограничен брой транспортни канали. Ако клетката стане твърде голяма, мембраната няма да може да обменя достатъчно вещества (лице на повърхнина, квадратна функция), за да поддържа темповете на обмяна, необходими за увеличената ѝ метаболитна активност (обем, кубична функция).

Проблемът, свързан със съотношението на площта към обема на клетката, е един от основните, които големите клетки срещат. Друг проблем е, че с увеличаване на размера на клетките, времето необходимо за транспортиране на материали в тях също се увеличава. Тези трудности поставят горна граница на размера на клетката, като еукариотните клетки могат да надминат прокариотните по размер благодарение на структурата и метаболизма си, за тях ще разбереш в следващия раздел.

Някои клетки използват геометрични трикове, за да заобиколят този проблем. За пример можеш да вземеш клетките, които са дълги и тънки или имат много изпъкнали части по повърхността си, което увеличава съотношението на площта спрямо обема

^{2}

Източници

Тази статия е производна модификация на “Прокариотни клетки” от колеж Оупънстакс, Биология, CC BY 3.0). Изтегли оригиналната статия безплатно от http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:17/Biology.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове

Телфорд, Джон Л., Мишел А. Бароки, Имакулада Маргарит, Рино Рапули и Гуидо Гранди. "Пили при грам положителни патогени." Nature Reviews Microbiology Nat Rev Micro 4, no. 7 (2006): 509-19. http://dx.doi.org/10.1038/nrmicro1443. Достъп от https://med.uth.edu/mmg/files/2014/12/Ton-That_Telford_012215.pdf.
Рийс, Дж. Б., Л. А. Юри, М. Л. Кейн, С. А. Васерман, П. В. Минорски и Р. Б. Джаксън, "Разходка из клетката," В Биология на Кембъл,.10-то издание. (Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън, 2011 г.), 98.

Допълнителни препратки

"Бактерии - пили." Cronodon Museum. http://cronodon.com/BioTech/Bacteria_pili.html.

"Каулерпа." Уикипедия. 1-ви декември 2014 г. Достъп на 9-ти август 2015 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Caulerpa.

Еско, Дж. Д., Т. Л. Доринг и К. Р. Х. Рец. "Еубактерии и археи." В Основи на гликобиологията, редакция от А. Варки, Р. Д. Къмингс, Дж. Д. Еско, Х. Х. Фийз, П. Стенли, К. Р. Бертози, Г. У. Харт и М. Е. Ецлер. Колд Спринг Харбър, Ню Йорк: Колд Спринг Харбър лаборатори прес.

Еукариотни клетки. (2014). Scitable. 2014 г. http://www.nature.com/scitable/topicpage/eukaryotic-cells-14023963.

Джарел, К. Ф., Д. Дж. Вандайк и Дж. Ву. "Камшичета и пили при археите." В Пили и камшичета: нови изследвания и бъдещи насоки, редакция от К. Ф. Джарел, 215-234. Норфолк, Великобритания: Кайстър академик прес, 2009 г.

Кайзер, Г. Е. "Клетъчна организация: прокариотни и еукариотни клетки." Курсът по микробиология на д-р Кайзер (BIOL 230). Април 2014 г. http://faculty.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit1/proeu/proeu.html.

"Пили" Уикипедия. 7-ми март 2015 г. Достъп на 9-ти август 2015 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Pilus.

Рейвън, П. Х., Г. Б. Джонсън, К. А. Мейсън, Дж. Б. Лосос и С. Р. Сингър. "Структура на клетката" В Биология, 59-87. 10-то издание. Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill, 2014 г.

Рийс, Дж. Б., Л. А. Юри, М. Л. Кейн, С. А. Васерман, П. В. Минорски и Р. Б. Джаксън. "Разходка из клетката." В Биология на Кембъл, 92-123. 10-то издание. Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън, 2011 г.

Рийс, Дж. Б., Л. А. Юри, М. Л. Кейн, С. А. Васерман, П. В. Минорски и Р. Б. Джаксън. "Структурни и функционални адаптации, които допринасят за успеха на прокариотите", 92-123. 10-то издание. Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън, 2011 г.

"Съотношение на площ към обем." Уикипедия. 1-ви август 2015 г. Достъп на 9-ти август 2015 г. https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio.

Тодар, K. "Структурата и функцията на бактериалните клетки." Онлайн учебникът на Тодар по бактериология. 2012 г. http://textbookofbacteriology.net/structure_3.html.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.