La struttura di una tipica cellula procariotica. Cellula procariota

Cellule procariotiche- questi sono gli organismi più primitivi, strutturati in modo molto semplice che conservano le caratteristiche dell'antichità profonda. A procariotico(o organismi prenucleari) includono batteri e alghe blu-verdi (cianobatteri). In base alla somiglianza della struttura e alle nette differenze rispetto alle altre cellule, i procarioti sono classificati nel regno indipendente delle cellule frantumate.

Diamo un'occhiata alla struttura cellula procariota usando i batteri come esempio. L'apparato genetico di una cellula procariotica è rappresentato dal DNA di un singolo cromosoma circolare, si trova nel citoplasma e non è delimitato da esso da una membrana. Questo analogo del nucleo è chiamato nucleoide. Il DNA non forma complessi con le proteine e quindi tutti i geni che fanno parte del cromosoma “lavorano”, cioè le informazioni vengono continuamente lette da loro.

Cellula procariota circondato da una membrana che separa il citoplasma dalla parete cellulare, formata da una sostanza complessa e altamente polimerica. Nel citoplasma sono presenti pochi organelli, ma sono presenti numerosi piccoli ribosomi (le cellule batteriche contengono da 5.000 a 50.000 ribosomi).

La struttura di una cellula procariotica

Il citoplasma di una cellula procariotica è penetrato dalle membrane che formano il reticolo endoplasmatico; contiene ribosomi che effettuano la sintesi proteica.

La parte interna della parete cellulare di una cellula procariotica è rappresentata da una membrana plasmatica, le cui sporgenze nel citoplasma formano mesosomi, che sono coinvolti nella costruzione delle pareti cellulari, nella riproduzione e sono il sito di attacco del DNA. La respirazione nei batteri avviene nei mesosomi e nelle alghe blu-verdi nelle membrane citoplasmatiche.

Molti batteri depositano sostanze di riserva all'interno della cellula: polisaccaridi, grassi, polifosfati. Le sostanze di riserva, se inserite nel metabolismo, possono prolungare la vita di una cellula in assenza di fonti energetiche esterne.

(1 parete cellulare, 2 membrana citoplasmatica esterna, 3 cromosomi (molecola di DNA circolare), 4 ribosomi, 5 mesosomi, 6 invaginazione della membrana citoplasmatica esterna, 7 vacuoli, 8 flagelli, 9 pile di membrane, in cui avviene la fotosintesi)

In genere i batteri si riproducono dividendosi in due. Dopo l'allungamento cellulare, si forma gradualmente una partizione trasversale, che viene disposta nella direzione dall'esterno verso l'interno, quindi le cellule figlie si disperdono o rimangono collegate in gruppi caratteristici: catene, pacchetti, ecc. Il batterio E. coli raddoppia le sue dimensioni ogni 20 minuti.

I batteri sono caratterizzati da sporulazione. Inizia con il distacco di una parte del citoplasma dalla cellula madre. La parte staccata contiene un genoma ed è circondata da una membrana citoplasmatica. Quindi attorno alla spora cresce una parete cellulare, spesso multistrato. Nei batteri, il processo sessuale avviene sotto forma di scambio di informazioni genetiche tra due cellule. Il processo sessuale aumenta la variabilità ereditaria dei microrganismi.

La maggior parte degli organismi viventi sono uniti nel superregno degli eucarioti, che comprende il regno delle piante, dei funghi e degli animali. le cellule eucariotiche sono più grandi cellule procariotiche, sono costituiti da un apparato superficiale, nucleo e citoplasma.

Cellula eucariotica

Eucariotico(eucariotico)le cellule contengono un nucleo coordinando l'attività vitale della cellula, in cui si trova l'apparato ereditario del corpo, e numerosi organoidi svolgendo varie funzioni. La maggior parte degli eucarioti sono aerobi, cioè utilizzano l'ossigeno atmosferico per il metabolismo energetico.

Unità della struttura cellulare.

Il contenuto di qualsiasi cella è separato dall'ambiente esterno da una struttura speciale - membrana plasmatica (plasmalemma). Questo isolamento permette di creare un ambiente molto particolare all'interno della cellula, a differenza di quello che la circonda. Pertanto, nella cella possono verificarsi processi che non si verificano da nessun'altra parte; vengono chiamati processi vitali.

Viene chiamato l'ambiente interno di una cellula vivente, delimitato dalla membrana plasmatica citoplasma. Include ialoplasma(sostanza trasparente di base) e organelli cellulari, nonché varie strutture non permanenti - inclusioni. Includono anche gli organelli presenti in qualsiasi cellula ribosomi, dove succede sintesi proteica.

La struttura delle cellule eucariotiche.

Eucarioti- Questi sono organismi le cui cellule hanno un nucleo. Nucleo- questo è l'organello stesso della cellula eucariotica in cui sono immagazzinate le informazioni ereditarie registrate nei cromosomi e da cui vengono trascritte le informazioni ereditarie. Cromosomaè una molecola di DNA integrata con proteine. Il nucleo contiene nucleolo- il luogo in cui si formano altri importanti organelli coinvolti nella sintesi proteica - ribosomi. Ma i ribosomi si formano solo nel nucleo e funzionano (cioè sintetizzano le proteine) nel citoplasma. Alcuni di essi sono liberi nel citoplasma e altri sono attaccati alle membrane, formando una rete chiamata endoplasmatico.

Ribosomi- organelli non di membrana.

Reticolo endoplasmaticoè una rete di tubuli delimitati da membrana. Ne esistono di due tipi: lisci e granulari. I ribosomi si trovano sulle membrane del reticolo endoplasmatico granulare, quindi le proteine vengono sintetizzate e trasportate lì. E il reticolo endoplasmatico liscio è il sito di sintesi e trasporto di carboidrati e lipidi. Non ci sono ribosomi su di esso.

La sintesi di proteine, carboidrati e grassi richiede energia, che viene prodotta nella cellula eucariotica dalle “stazioni energetiche” della cellula - mitocondri.

Mitocondri- organelli a doppia membrana in cui avviene il processo di respirazione cellulare. I composti organici vengono ossidati sulle membrane mitocondriali e l'energia chimica viene accumulata sotto forma di speciali molecole energetiche (ATP).

C'è anche un posto nella cellula dove i composti organici possono accumularsi e da dove possono essere trasportati: questo è Apparato del Golgi, sistema di sacchi a membrana piatta. È coinvolto nel trasporto di proteine, lipidi e carboidrati. L'apparato del Golgi produce anche organelli per la digestione intracellulare - lisosomi.

Lisosomi- gli organelli a membrana singola, caratteristici delle cellule animali, contengono enzimi in grado di scomporre proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi.

Una cellula può contenere organelli che non hanno una struttura a membrana, come ribosomi e citoscheletro.

Citoscheletro- questo è il sistema muscolo-scheletrico della cellula, comprende microfilamenti, ciglia, flagelli, il centro cellulare, che produce microtubuli e centrioli.

Ci sono organelli caratteristici solo delle cellule vegetali - plastidi. Ci sono: cloroplasti, cromoplasti e leucoplasti. Il processo di fotosintesi avviene nei cloroplasti.

Anche nelle cellule vegetali vacuoli- prodotti di scarto della cellula, che sono serbatoi di acqua e di composti in essa disciolti. Gli organismi eucarioti comprendono piante, animali e funghi.

La struttura delle cellule procariotiche.

Procarioti- organismi unicellulari le cui cellule non hanno un nucleo.

Le cellule procariotiche sono di piccole dimensioni e immagazzinano materiale genetico sotto forma di una molecola circolare di DNA (nucleoide). Gli organismi procarioti includono batteri e cianobatteri, precedentemente chiamati alghe blu-verdi.

Se il processo di respirazione aerobica si verifica nei procarioti, per questo vengono utilizzate speciali sporgenze della membrana plasmatica - mesosomi. Se i batteri sono fotosintetici, il processo di fotosintesi avviene sulle membrane fotosintetiche - tilacoidi.

La sintesi proteica nei procarioti avviene a ribosomi. Le cellule procariotiche hanno pochi organelli.

Ipotesi sull'origine degli organelli delle cellule eucariotiche.

Le cellule procariotiche sono apparse sulla Terra prima di quelle eucariotiche.

1) ipotesi simbiotica spiega il meccanismo di comparsa di alcuni organelli della cellula eucariotica: mitocondri e plastidi fotosintetici.

2) Ipotesi di invaginazione- afferma che l'origine della cellula eucariotica deriva dal fatto che la forma ancestrale era un procariota aerobico. Gli organelli in esso contenuti sono nati a seguito dell'invaginazione e del distacco di parti del guscio, seguito dalla specializzazione funzionale nel nucleo, nei mitocondri, nei cloroplasti di altri organelli.

La cellula procariotica è molto più semplice delle cellule animali e vegetali. All'esterno è ricoperto da una parete cellulare che svolge funzioni protettive, formative e di trasporto. La rigidità della parete cellulare è fornita dalla mureina. A volte la cellula batterica è ricoperta superiormente da una capsula o da uno strato mucoso.

Il protoplasma dei batteri, come quello degli eucarioti, è circondato membrana plasmatica. Le invaginazioni sacculari, tubolari o lamellari della membrana contengono mesosomi coinvolti nel processo di respirazione, batterioclorofilla e altri pigmenti. Il materiale genetico dei procarioti non forma un nucleo, ma si trova direttamente nel citoplasma. Il DNA batterico è una singola molecola circolare, ciascuna delle quali è composta da migliaia e milioni di coppie di nucleotidi. Il genoma di una cellula batterica è molto più semplice di quello delle cellule di creature più sviluppate: in media, il DNA batterico contiene diverse migliaia di geni.

Assente nelle cellule procariotiche reticolo endoplasmatico, UN ribosomi galleggiano liberamente nel citoplasma. Non nei procarioti mitocondri; Le loro funzioni sono parzialmente svolte dalla membrana cellulare.

Procarioti

I batteri sono i più piccoli organismi dotati di struttura cellulare; le loro dimensioni vanno da 0,1 a 10 micron. Un tipico punto di stampa può ospitare centinaia di migliaia di batteri di medie dimensioni. I batteri possono essere visti solo al microscopio, ecco perché vengono chiamati microrganismi o microbi; si stanno studiando i microrganismi microbiologia . La branca della microbiologia che studia i batteri si chiama batteriologia . Questa scienza è iniziata Anthony van Leeuwenhoek nel XVII secolo.

Batteri - gli organismi più antichi conosciuti. Tracce dell'attività vitale di batteri e alghe azzurre (stromatoliti) appartengono all'Archeano e risalgono a 3,5 miliardi di anni.

A causa della possibilità di scambio genetico tra rappresentanti di specie diverse e persino generi, è piuttosto difficile sistematizzare i procarioti. Non è stata ancora costruita una tassonomia soddisfacente dei procarioti; tutti i sistemi esistenti sono artificiali e classificano i batteri in base a qualche gruppo di caratteristiche, senza tener conto della loro relazione filogenetica. In precedenza, i batteri insieme funghi E alghe compreso nel sottoregno delle piante inferiori. Attualmente, i batteri sono classificati come un superregno separato di procarioti. Il sistema di classificazione più comune è Sistema Bergi, che si basa sulla struttura della parete cellulare.

Alla fine del 20° secolo, gli scienziati scoprirono che le cellule di un gruppo di batteri relativamente poco studiato: archeobatteri – contenere rRNA, diverso nella struttura sia dall'r-RNA dei procarioti che dall'r-RNA degli eucarioti. La struttura dell'apparato genetico degli archeobatteri (presenza introni e sequenze ripetute, in lavorazione, modulo ribosomi) li avvicina agli eucarioti; d'altro canto gli archeobatteri presentano anche caratteristiche tipiche dei procarioti (assenza di nucleo nella cellula, presenza di flagelli, plasmidi e vacuoli gassosi, dimensione dell'rRNA, fissazione dell'azoto). Infine, gli archeobatteri differiscono da tutti gli altri organismi per la struttura della parete cellulare, il tipo di fotosintesi e alcune altre caratteristiche. Gli archeobatteri sono in grado di esistere in condizioni estreme (ad esempio, nelle sorgenti termali a temperature superiori a 100 ° C, nelle profondità oceaniche ad una pressione di 260 atm, in soluzioni saline sature (30% NaCl)). Alcuni archeobatteri producono metano, altri utilizzano composti dello zolfo per produrre energia.

A quanto pare gli archeobatteri sono un gruppo di organismi molto antico; Le possibilità “estreme” indicano le condizioni caratteristiche della superficie terrestre in epoca archeana. Si ritiene che gli archeobatteri siano i più vicini alle ipotetiche “pro-cellule” che successivamente hanno dato origine a tutta la diversità della vita sulla Terra.

Recentemente è diventato chiaro che esistono tre tipi principali rRNA, presentati, rispettivamente, il primo - nelle cellule eucariotiche, il secondo - nelle cellule di batteri reali, così come in mitocondri E cloroplasti eucarioti, il terzo - negli archeobatteri. La ricerca nel campo della genetica molecolare ci ha costretto a dare uno sguardo nuovo alla teoria dell'origine degli eucarioti. Si ritiene ora che tre diversi rami di procarioti si siano evoluti simultaneamente sulla Terra antica: archeobatteri, eubatteri e urcarioti , caratterizzato da diverse strutture e diverse modalità di ottenimento dell'energia. Gli urkaryotes, che erano essenzialmente la componente nucleare-citoplasmatica degli eucarioti, furono successivamente inclusi come simbionti rappresentanti di vari gruppi di eubatteri, che si trasformarono in mitocondri e cloroplasti delle future cellule eucariotiche.

Pertanto, il rango di classe precedentemente assegnato agli archeobatteri è chiaramente insufficiente. Attualmente, molti ricercatori tendono a dividere i procarioti in due regni: archeobatteri e batteri veri (eubatteri ) o addirittura separare gli archeobatteri in un superregno separato Archaea.

La classificazione dei batteri reali è riportata in schema.

IN cellula batterica Non c'è nucleo, i cromosomi si trovano liberamente nel citoplasma. Inoltre, la cellula batterica è priva di organelli di membrana: mitocondri, EPS, Apparato del Golgi ecc. L'esterno della membrana cellulare è ricoperto da una parete cellulare.

La maggior parte dei batteri si muove passivamente, utilizzando l'acqua o le correnti d'aria. Solo alcuni di loro hanno organelli di movimento - flagelli . I flagelli procariotici hanno una struttura molto semplice e sono costituiti dalla proteina flagellina, che forma un cilindro cavo con un diametro di 10–20 nm. Si avvitano nel mezzo, spingendo la cellula in avanti. Apparentemente questa è l'unica struttura conosciuta in natura che utilizza il principio della ruota.

In base alla loro forma, i batteri si dividono in diversi gruppi:

cocchi (hanno una forma rotonda);

bacilli (hanno una forma a bastoncino);

spirilla (hanno la forma di una spirale);

vibrioni (hanno la forma di una virgola).

Secondo la modalità di respirazione, i batteri sono suddivisi in aerobi (la maggior parte dei batteri) e anaerobi (agenti causativi del tetano, del botulismo, della cancrena gassosa). I primi hanno bisogno di ossigeno per respirare; per i secondi l’ossigeno è inutile o addirittura velenoso.

I batteri si riproducono dividendosi ogni 20 minuti circa (in condizioni favorevoli). Il DNA viene replicato e ciascuna cellula figlia riceve la propria copia del DNA genitore. È anche possibile il trasferimento del DNA tra cellule che non si dividono (attraverso la cattura del DNA “nudo”, utilizzando batteriofagi o da coniugazione , quando i batteri sono collegati tra loro da fimbrie copulatorie), tuttavia, non si verifica un aumento del numero di individui. La riproduzione è impedita dai raggi del sole e dai prodotti della propria attività vitale.

Il comportamento dei batteri non è particolarmente complesso. I recettori chimici registrano i cambiamenti nell'acidità dell'ambiente e nella concentrazione di varie sostanze: zuccheri, aminoacidi, ossigeno. Molti batteri rispondono ai cambiamenti di temperatura o di luce e alcuni batteri possono percepire il campo magnetico terrestre.

In condizioni sfavorevoli, il batterio si ricopre di un guscio denso, il citoplasma si disidrata e l'attività vitale quasi cessa. In questo stato le spore batteriche possono rimanere per ore nel vuoto profondo e tollerare temperature comprese tra –240 °C e +100 °C.

I procarioti includono batteri e alghe blu-verdi (cyanea). L'apparato ereditario dei procarioti è rappresentato da una molecola di DNA circolare che non forma legami con le proteine e contiene una copia di ciascun gene - organismi aploidi. Il citoplasma contiene un gran numero di piccoli ribosomi; le membrane interne sono assenti o scarsamente espresse. Gli enzimi del metabolismo plastico si trovano diffusamente. L'apparato del Golgi è rappresentato da singole vescicole. I sistemi enzimatici per il metabolismo energetico sono disposti ordinatamente sulla superficie interna della membrana citoplasmatica esterna. L'esterno della cella è circondato da una spessa parete cellulare. Molti procarioti sono capaci di sporulazione in condizioni di vita sfavorevoli; in questo caso una piccola sezione del citoplasma contenente DNA viene isolata e circondata da una spessa capsula multistrato. I processi metabolici all'interno della spora praticamente si fermano. Quando esposta a condizioni favorevoli, la spora si trasforma in una forma cellulare attiva. I procarioti si riproducono per semplice divisione in due.

Cellule procariotiche ed eucariotiche (T.A. Kozlova, V.S. Kuchmenko. Biologia nelle tabelle. M., 2000)

Segni	Procarioti	Eucarioti
1 MEMBRANA NUCLEARE	Assente	Disponibile
MEMBRANA PLASMATICA	Disponibile	Disponibile
MITOCONDRI	Nessuno	Disponibile
EPS	Assente	Disponibile
RIBOSOMI	Disponibile	Disponibile
VACUOLI	Nessuno	Disponibile (particolarmente tipico per le piante)
LISOSOMI	Nessuno	Disponibile
PARETE CELLULARE	Disponibile, è costituito da una sostanza eteropolimerica complessa	Assente nelle cellule animali, nelle cellule vegetali è costituito da cellulosa
CAPSULA	Se presente, è costituito da composti proteici e zuccherini	Assente
COMPLESSO DEL GOLGI	Assente	Disponibile
DIVISIONE	Semplice	Mitosi, amitosi, meiosi

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Quali sono le differenze fondamentali nella struttura delle cellule procariotiche ed eucariotiche?

Qual è il ruolo dei batteri in natura?

Varietà di procarioti. Il regno dei procarioti è rappresentato principalmente dai batteri, gli organismi più antichi del nostro pianeta. Emersi più di 3,5 miliardi di anni fa, i procarioti hanno effettivamente creato la biosfera terrestre, creando le condizioni per l'ulteriore evoluzione degli organismi.

I batteri furono visti per la prima volta al microscopio e descritti nel 1683 dal naturalista olandese A. Leeuwenhoek. Le dimensioni dei batteri variano da 1 a 15 micron. Una singola cellula batterica può essere vista solo con un microscopio abbastanza sofisticato, motivo per cui vengono chiamati microrganismi.

Riso. 34. Alcuni rappresentanti dei batteri moderni: A – streptococco (nel processo di divisione); B - vibrione del colera; B – batterio clostridio a forma di bastoncino; D - micobatterio a forma di bastoncino che causa la tubercolosi

I batteri vivono ovunque: nel suolo, nell'acqua, nell'aria, sulla superficie e all'interno di altri organismi, nel cibo. Alcuni batteri si insediano nelle sorgenti termali, dove la temperatura dell'acqua raggiunge i 78°C o più. Il numero di batteri sul pianeta è enorme; ad esempio, 1 g di terreno fertile contiene circa 2,5 miliardi di cellule batteriche.

La forma delle cellule batteriche è estremamente varia (Fig. 34). Assegnare a forma di bastoncino - bacilli, sferico – cocchi, spirale - spirilla, a forma di virgola - vibrioni.

Molti procarioti sono capaci di formare spore (Fig. 35). Controversia Di regola, si presentano in condizioni sfavorevoli e rappresentano cellule con un livello di metabolismo bruscamente ridotto. Le spore sono ricoperte da un guscio protettivo, rimangono vitali per centinaia e persino migliaia di anni e possono resistere a sbalzi di temperatura da -243 a 140 °C. Quando si verificano condizioni favorevoli, le spore “germinano” e danno origine ad una nuova cellula batterica.

Riso. 35. Formazione di spore nei batteri

Pertanto, la sporulazione nei procarioti è una fase del ciclo vitale che garantisce la sopravvivenza in condizioni ambientali sfavorevoli. Inoltre, allo stato di spore, i microrganismi possono facilmente diffondersi grazie al vento e ad altri mezzi.

Le spore di batteri patogeni che sono rimaste dormienti nel terreno per molti anni, penetrando nei corpi idrici durante vari lavori di scavo, possono causare epidemie di malattie infettive. Ad esempio, le spore dell’antrace rimangono vitali per più di 30 anni.

Scienziati microbiologi hanno coltivato colonie di microrganismi da spore trovate in un campione di ghiaccio vecchio di più di 10mila anni.

La struttura di una cellula procariotica. Consideriamo la struttura fondamentale di una cellula batterica (Fig. 36).

Cella circondata membrana di una struttura normale, al di fuori della quale esiste parete cellulare. Nella parte centrale del citoplasma ce n'è uno molecola di DNA circolare non delimitato da una membrana dal resto del citoplasma. Viene chiamata l'area della cellula contenente materiale genetico nucleoide(dal lat. nucleus - nucleo e dal greco eidos - vista). Oltre al "cromosoma" circolare principale, i batteri contengono solitamente diverse piccole molecole di DNA sotto forma di piccoli anelli disposti in modo lasco, i cosiddetti plasmide, coinvolti nello scambio di materiale genetico tra batteri.

Riso. 36. Struttura di una gabbia procariotica

Le cellule batteriche non hanno organelli di membrana caratteristici degli eucarioti (reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, mitocondri, plastidi, lisosomi). Le funzioni di questi organelli sono eseguite dalle invaginazioni della membrana cellulare.

Gli organelli obbligatori che assicurano la sintesi proteica nelle cellule batteriche sono ribosomi.

Molti batteri secernono muco sulla parte superiore della parete cellulare, formando una sorta di capsula, proteggendo inoltre il batterio dagli influssi esterni.

I batteri si riproducono semplicemente dividendosi in due. Dopo la duplicazione del DNA circolare, la cellula si allunga e in essa si forma un setto trasversale. Successivamente, le cellule figlie si disperdono o rimangono collegate in gruppi.

Confrontando le cellule procariotiche ed eucariotiche, si può notare che la struttura degli organelli a doppia membrana - mitocondri e plastidi, che hanno il proprio DNA circolare e ribosomi che sintetizzano RNA e proteine - ricorda la struttura di una cellula batterica. Questa somiglianza è servita come base per l'ipotesi dell'origine simbiotica degli eucarioti. Diversi miliardi di anni fa, antichi organismi procarioti si invasero a vicenda, dando vita ad un'alleanza reciprocamente vantaggiosa (§).

Gli organismi procarioti includono anche i cianobatteri, spesso chiamati alghe blu-verdi. Questi antichi organismi, sorti circa 3 miliardi di anni fa, sono diffusi in tutto il mondo. Si conoscono circa 2mila specie di cianobatteri. La maggior parte di loro è in grado di sintetizzare tutte le sostanze necessarie utilizzando l'energia luminosa.

Tabella 3. Caratteristiche comparative delle cellule procariotiche ed eucariotiche