Информация

4.3: Прокариоты и эукариоты - Биология

4.3: Прокариоты и эукариоты - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Чему вы научитесь: сравнивать прокариот и эукариот

Во «Введении в биологию» мы обсудили разнообразие жизни на Земле и упомянули, что сегодня на Земле существует более 1,9 миллиона видов живых организмов. В этом разделе мы сравним два типа клеток: прокариотические и эукариотические.

Внутри этих двух широких категорий клеток существует множество разнообразных форм жизни. Например, как животные, так и растительные клетки классифицируются как эукариотические клетки, тогда как все многие бактериальные клетки классифицируются как прокариотические.

Цели обучения

  • Определите особенности, общие для всех ячеек
  • Сравните и сопоставьте прокариотические клетки и эукариотические клетки
  • Перечислите объединяющие характеристики эукариот
  • Обсудите происхождение эукариотической жизни

Сравнение прокариотических и эукариотических клеток

Клетки делятся на две большие категории: прокариотические и эукариотические. Преимущественно одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи классифицируются как прокариоты (профи- = раньше; -карион- = ядро). Клетки животных, клетки растений, грибы и простейшие являются эукариотами (ЕС- = верно).

Компоненты прокариотических клеток

Все клетки имеют четыре общих компонента: 1) плазматическую мембрану, внешнее покрытие, отделяющее внутреннюю часть клетки от окружающей среды; 2) цитоплазма, состоящая из желеобразной области внутри клетки, в которой находятся другие клеточные компоненты; 3) ДНК, генетический материал клетки; и 4) рибосомы, частицы, синтезирующие белки. Однако прокариоты несколько отличаются от эукариотических клеток.

Прокариотическая клетка - это простой одноклеточный (одноклеточный) организм, в котором отсутствует ядро ​​или любая другая мембраносвязанная органелла. Вскоре мы увидим, что у эукариот это значительно отличается. Прокариотическая ДНК находится в центральной части клетки: затемненная область, называемая нуклеоидом (рис. 1).

В отличие от архей и эукариот, бактерии имеют клеточную стенку из пептидогликана, состоящую из сахаров и аминокислот, а многие из них имеют полисахаридную капсулу (рис. 1). Клеточная стенка действует как дополнительный слой защиты, помогает клетке сохранять свою форму и предотвращает обезвоживание. Капсула позволяет клетке прикрепляться к поверхностям в окружающей среде. У некоторых прокариот есть жгутики, пили или фимбрии. Жгутики используются для передвижения. Пили используются для обмена генетическим материалом во время типа воспроизводства, называемого конъюгацией. Фимбрии - это белковые придатки, которые бактерии используют для прикрепления к другим клеткам.

Эукариотические клетки

В природе взаимосвязь между формой и функцией очевидна на всех уровнях, включая уровень клетки, и это станет ясно, когда мы исследуем эукариотические клетки. Принцип «форма следует за функцией» встречается во многих контекстах. Например, птицы и рыбы имеют обтекаемые тела, которые позволяют им быстро перемещаться в среде, в которой они живут, будь то воздух или вода. Это означает, что, в общем, можно вывести функцию структуры, глядя на ее форму, потому что они совпадают.

Эукариотическая клетка - это клетка, которая имеет связанное с мембраной ядро ​​и другие связанные с мембраной компартменты или мешочки, называемые органеллами, которые выполняют специализированные функции. Слово эукариотическое означает «истинное ядро» или «истинное ядро», имея в виду присутствие в этих клетках связанного с мембраной ядра. Слово «органелла» означает «маленький орган», и, как уже упоминалось, органеллы обладают специализированными клеточными функциями, так же как органы вашего тела имеют специализированные функции.

Размер ячейки

При диаметре 0,1–5,0 мкм прокариотические клетки значительно меньше эукариотических клеток, диаметр которых варьируется от 10 до 100 мкм (рис. 2). Небольшой размер прокариот позволяет ионам и органическим молекулам, которые входят в них, быстро распространяться в другие части клетки. Точно так же любые отходы, образующиеся в прокариотической клетке, могут быстро уйти. Однако более крупные эукариотические клетки развили различные структурные адаптации для улучшения клеточного транспорта. Действительно, большой размер этих клеток был бы невозможен без этих приспособлений. В общем, размер ячейки ограничен, потому что объем увеличивается намного быстрее, чем площадь поверхности ячейки. По мере того, как ячейка становится больше, ячейке становится все труднее и труднее получать достаточное количество материалов для поддержки процессов внутри ячейки, потому что относительный размер площади поверхности, через которую должны транспортироваться материалы, уменьшается.

Цели обучения

Прокариоты - это преимущественно одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи. Все прокариоты имеют плазматические мембраны, цитоплазму, рибосомы, клеточную стенку, ДНК и не имеют мембраносвязанных органелл. У многих также есть полисахаридные капсулы. Прокариотические клетки имеют диаметр от 0,1 до 5,0 мкм.

Подобно прокариотической клетке, эукариотическая клетка имеет плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы, но эукариотическая клетка обычно больше прокариотической клетки, имеет истинное ядро ​​(то есть ее ДНК окружена мембраной) и имеет другие мембраны - связанные органеллы, которые позволяют разделить функции. Эукариотические клетки обычно в 10-100 раз больше прокариотических клеток.

Эукариотическое происхождение

Живые существа делятся на три большие группы: археи, бактерии и эукарии. В первых двух есть прокариотические клетки, а в третьем - все эукариоты. Доступна относительно немногочисленная летопись окаменелостей, чтобы помочь определить, как выглядели первые представители каждой из этих линий, поэтому вполне возможно, что все события, которые привели к появлению последнего общего предка современных эукариот, останутся неизвестными. Однако сравнительная биология существующих организмов и ограниченная летопись окаменелостей дают некоторое представление об истории Эукарии.

Самые ранние найденные окаменелости, по-видимому, являются бактериями, скорее всего, цианобактериями. Им около 3,5 миллиардов лет, и они узнаваемы из-за их относительно сложной структуры и, для прокариот, относительно больших клеток. Большинство других прокариот имеют маленькие клетки, размером 1 или 2 мкм, и их трудно выделить как ископаемые. Большинство живых эукариот имеют клетки размером 10 мкм и более. Структуры такого размера, которые могли быть окаменелостями, появились в геологической летописи около 2,1 миллиарда лет назад.

Характеристики эукариот

Данные по этим окаменелостям привели биологов-сравнителей к выводу, что все живые эукариоты являются потомками одного общего предка. Картирование характеристик, обнаруженных во всех основных группах эукариот, показывает, что следующие характеристики должны были присутствовать в последнем общем предке, потому что эти характеристики присутствуют по крайней мере у некоторых членов каждой основной линии.

  1. Клетки с ядрами, окруженными ядерной оболочкой с ядерными порами. Это единственная характеристика, которая необходима и достаточна для определения организма как эукариота. У всех существующих эукариот есть клетки с ядрами.
  2. Митохондрии. Некоторые современные эукариоты имеют очень редкие остатки митохондрий в своих клетках, тогда как другие члены их клонов имеют «типичные» митохондрии.
  3. Цитоскелет, содержащий структурные и подвижные компоненты, называемые актиновыми микрофиламентами и микротрубочками. Все современные эукариоты имеют эти цитоскелетные элементы.
  4. Жгутики и реснички, органеллы, связанные с подвижностью клеток. У некоторых современных эукариот отсутствуют жгутики и / или реснички, но они произошли от предков, владевших ими.
  5. Хромосомы, каждая из которых состоит из линейной молекулы ДНК, намотанной вокруг основных (щелочных) белков, называемых гистонами. Немногочисленные эукариоты с хромосомами без гистонов явно произошли от предков, у которых они были.
  6. Митоз, процесс деления ядра, при котором реплицированные хромосомы разделяются и разделяются с использованием элементов цитоскелета. Митоз встречается у эукариот повсеместно.
  7. Пол, процесс генетической рекомбинации, уникальный для эукариот, в котором диплоидные ядра на одной стадии жизненного цикла подвергаются мейозу с образованием гаплоидных ядер и последующей кариогамии, стадии, на которой два гаплоидных ядра сливаются вместе, образуя диплоидное ядро ​​зиготы.
  8. У некоторых есть клеточные стенки. Было бы разумно заключить, что последний общий предок мог создавать клеточные стенки на каком-то этапе своего жизненного цикла. Однако о клеточных стенках эукариот и их развитии известно недостаточно, чтобы знать, насколько между ними существует гомология. Гомология - это наличие общих предков между парой структур в разных организмах (сходство, вытекающее из эволюции). Если последний общий предок мог создавать клеточные стенки, очевидно, что эта способность должна была быть утеряна во многих группах (наиболее очевидно, в клетках животных).

Эндосимбиоз и эволюция эукариот

Чтобы полностью понять эукариотические организмы, необходимо понять, что все живые эукариоты являются потомками химерного организма, который был составной частью клетки-хозяина и клетки (клеток) альфа-протеобактерии, которая «поселилась» внутри нее. . Эта главная тема в происхождении эукариот известна как эндосимбиоз, когда одна клетка поглощает другую, так что поглощенная клетка выживает, и обе клетки получают выгоду. На протяжении многих поколений симбиотические отношения могут привести к появлению двух организмов, которые настолько зависят друг от друга, что ни один из них не может выжить сам по себе. Эндосимбиотические события, вероятно, способствовали происхождению последнего общего предка современных эукариот и более позднему разнообразию определенных линий эукариот.

Эндосимбиотическая теория

По мере развития клеточной биологии в двадцатом веке стало ясно, что митохондрии - это органеллы, ответственные за производство АТФ с помощью аэробного дыхания. В 1960-х годах американский биолог Линн Маргулис разработала эндосимбиотическую теорию, согласно которой эукариоты могли быть продуктом одной клетки, поглощающей другую, одной живущей внутри другой и эволюционировавшей с течением времени до тех пор, пока отдельные клетки перестали распознаваться как таковые. В 1967 году Маргулис представила новую работу по теории и подтвердила свои выводы микробиологическими данными. Хотя работа Маргулиса поначалу встретила сопротивление, эта некогда революционная гипотеза теперь широко (но не полностью) принята, и работа над раскрытием этапов, вовлеченных в этот эволюционный процесс, и ключевых участников, вовлеченных в него, продолжается. Еще многое предстоит узнать о происхождении клеток, которые сейчас составляют клетки всех живых эукариот.

В целом стало ясно, что многие из наших ядерных генов и молекулярных механизмов, ответственных за репликацию и экспрессию, по-видимому, тесно связаны с таковыми у архей. С другой стороны, метаболические органеллы и гены, ответственные за многие процессы сбора энергии, произошли от бактерий. Еще многое предстоит выяснить о том, как возникли эти отношения; это продолжает оставаться захватывающей областью открытий в биологии. Например, неизвестно, произошло ли эндосимбиотическое событие, которое привело к митохондриям, до или после того, как у клетки-хозяина появилось ядро. Такие организмы будут среди вымерших предшественников последнего общего предка эукариот.

Митохондрии

Одним из основных отличий прокариот от эукариот является наличие митохондрий. Эукариотические клетки могут содержать от одной до нескольких тысяч митохондрий, в зависимости от уровня потребления энергии клеткой. Каждая митохондрия имеет длину от 1 до 10 или более микрометров и существует в клетке в виде органеллы, которая может быть яйцевидной, червеобразной или сложно разветвленной (рис. 3).

Митохондрии возникают в результате разделения существующих митохондрий; они могут сливаться вместе; и они могут перемещаться внутри клетки за счет взаимодействия с цитоскелетом. Однако митохондрии не могут выжить вне клетки. Поскольку атмосфера была насыщена кислородом за счет фотосинтеза и по мере развития успешных аэробных прокариот, данные свидетельствуют о том, что предковая клетка с некоторой компартментализацией мембран поглотила свободноживущие аэробные прокариоты, в частности, альфа-протеобактерии, тем самым дав клетке-хозяину возможность использовать кислород для высвобождают энергию, хранящуюся в питательных веществах.

Митохондрии делятся независимо друг от друга в результате процесса, который напоминает деление на бинарное у прокариот. В частности, митохондрии не образуются с нуля (de novo) эукариотической клеткой; они воспроизводятся в нем и распределяются по цитоплазме при делении клетки или слиянии двух клеток. Следовательно, хотя эти органеллы сильно интегрированы в эукариотическую клетку, они все же воспроизводятся, как если бы они были независимыми организмами внутри клетки. Однако их размножение синхронизировано с активностью и делением клетки. Митохондрии имеют свою собственную (обычно) кольцевую хромосому ДНК, которая стабилизируется прикреплением к внутренней мембране и несет гены, аналогичные генам, экспрессируемым альфа-протеобактериями. Митохондрии также имеют особые рибосомы и передающие РНК, которые напоминают эти компоненты у прокариот. Все эти особенности подтверждают, что митохондрии когда-то были свободноживущими прокариотами.

Митохондрии, осуществляющие аэробное дыхание, имеют свои собственные геномы с генами, подобными генам альфа-протеобактерий. Однако многие гены респираторных белков расположены в ядре. Когда эти гены сравниваются с генами других организмов, оказывается, что они имеют альфа-протеобактериальное происхождение. Кроме того, в некоторых группах эукариот такие гены находятся в митохондриях, тогда как в других группах они находятся в ядре. Это было интерпретировано как доказательство того, что гены были перенесены из хромосомы эндосимбионта в геном хозяина. Эта потеря генов эндосимбионтом, вероятно, является одним из объяснений того, почему митохондрии не могут жить без хозяина.

Пластиды

Некоторые группы эукариот фотосинтезируют. Их клетки содержат, помимо стандартных эукариотических органелл, органеллы другого типа, называемые пластидами. Когда такие клетки осуществляют фотосинтез, их пластиды богаты пигментом хлорофиллом. а и ряд других пигментов, называемых вспомогательными пигментами, которые участвуют в сборе энергии света. Фотосинтетические пластиды называются хлоропластами (рис. 4).

Как и митохондрии, пластиды, по-видимому, имеют эндосимбиотическое происхождение. Эту гипотезу также поддержала Линн Маргулис. Пластиды происходят от цианобактерий, которые жили в клетках предковых, аэробных, гетеротрофных эукариот. Это называется первичным эндосимбиозом, и пластиды первичного происхождения окружены двумя мембранами. Лучшее свидетельство того, что это происходило дважды в истории эукариот. В одном случае общий предок основной линии / супергруппы Archaeplastida взял цианобактериальный эндосимбионт; в другом - предок небольшого таксона амебоидных ризариев, Паулинелла, взял другой цианобактериальный эндосимбионт. Почти все фотосинтезирующие эукариоты произошли от первого события, и только пара видов произошла от другого.

Цианобактерии - это группа бактерий со всеми обычными структурами группы. Однако, в отличие от большинства прокариот, у них есть обширные внутренние мембранные мешочки, называемые тилакоидами. Хлорофилл является компонентом этих мембран, как и многие белки световых реакций фотосинтеза. Цианобактерии также имеют пептидогликановую стенку и липополисахаридный слой, связанные с бактериями.

Хлоропласты первичного происхождения имеют тилакоиды, кольцевую хромосому ДНК и рибосомы, аналогичные таковым у цианобактерий. Каждый хлоропласт окружен двумя мембранами. В группе Archaeplastida называют глаукофитами, а в Паулинелламежду внешней и внутренней пластидными мембранами присутствует тонкий слой пептидогликана. У всех остальных пластид эта реликтовая цианобактериальная стенка отсутствует. Считается, что внешняя мембрана, окружающая пластиду, происходит из вакуоли хозяина, а внутренняя мембрана, как полагают, происходит из плазматической мембраны симбионта.

Также, как и в случае с митохондриями, имеются убедительные доказательства того, что многие из генов эндосимбионта были перенесены в ядро. Пластиды, как и митохондрии, не могут жить независимо вне хозяина. Кроме того, как и митохондрии, пластиды являются производными от других пластид и никогда не строятся на пустом месте. Исследователи предположили, что эндосимбиотическое событие, которое привело к появлению Archaeplastida, произошло от 1 до 1,5 миллиардов лет назад, по крайней мере, через 5 сотен миллионов лет после того, как летопись окаменелостей предполагает присутствие эукариот.

Практический вопрос

Какие существуют доказательства того, что митохондрии были включены в предковую эукариотическую клетку раньше, чем хлоропласты?

[ряды области практики = ”2 ″] [/ область практики]
[раскрыть-ответ q = ”444404 ″] Показать ответ [/ раскрыть-ответ]
[hidden-answer a = ”444404 ″] Все эукариотические клетки имеют митохондрии, но не все эукариотические клетки имеют хлоропласты. [/ hidden-answer]

Попытайся

Эндосимбиоз вовлекает одну клетку в захват другой, чтобы со временем произвести коэволюционирующие отношения, в которых ни одна клетка не могла бы выжить в одиночку. Например, хлоропласты красных и зеленых водорослей образуются в результате поглощения фотосинтетической цианобактерии ранним прокариотом.

Это приводит к вопросу о возможности поглощения клетки, содержащей эндосимбионт, в результате вторичного эндосимбиоза. Молекулярные и морфологические данные свидетельствуют о том, что простейшие хлорарахниофиты являются производными вторичного эндосимбиотического события. Хлорахниофиты - это редкие водоросли, обитающие в тропических морях и песках, которые можно отнести к супергруппе ризариев. Хлорарахниофиты расширяют тонкие цитоплазматические нити, соединяясь с другими хлорарахниофитами в цитоплазматической сети. Считается, что эти протисты возникли, когда эукариот поглотил зеленую водоросль, последняя из которых уже установила эндосимбиотические отношения с фотосинтетической цианобактерией (рис. 6).

Несколько линий доказательств подтверждают, что хлорарахниофиты произошли от вторичного эндосимбиоза. Хлоропласты, содержащиеся в эндосимбионтах зеленых водорослей, все еще способны к фотосинтезу, заставляя хлорарахниофиты фотосинтезировать. Эндосимбионт зеленых водорослей также демонстрирует низкорослое рудиментарное ядро. Фактически, кажется, что хлорахниофиты являются продуктами эволюционно недавнего вторичного эндосимбиотического события.

Пластиды хлорахниофитов окружены четырьмя мембранами: первые две соответствуют внутренней и внешней мембранам фотосинтетической цианобактерии, третья соответствует зеленой водоросли, а четвертая соответствует вакуоли, окружавшей зеленую водоросль, когда она была поглощена. предок хлорарахниофитов. В других клонах, вовлеченных во вторичный эндосимбиоз, можно идентифицировать только три мембраны вокруг пластид. В настоящее время это исправляется последовательной потерей мембраны в ходе эволюции.

Процесс вторичного эндосимбиоза характерен не только для хлорарахниофитов. Фактически, вторичный эндосимбиоз зеленых водорослей также привел к появлению простейших эвгленид, тогда как вторичный эндосимбиоз красных водорослей привел к эволюции динофлагеллят, апикомплексанов и страменопилов.

Цели обучения

Самым древним ископаемым свидетельствам эукариот около 2 миллиардов лет. Окаменелости более древнего возраста, по всей видимости, являются прокариотами. Вполне вероятно, что современные эукариоты произошли от предка, имевшего прокариотическую организацию. Последний общий предок сегодняшней эукарии обладал несколькими характеристиками, включая клетки с ядрами, которые делятся митотически и содержали линейные хромосомы, где ДНК была связана с гистонами, цитоскелет и эндомембранную систему, а также способность образовывать реснички / жгутики в течение по крайней мере части своего жизненного цикла. жизненный цикл. Он был аэробным, потому что в нем были митохондрии, возникшие в результате деятельности аэробных альфа-протеобактерий, обитавших внутри клетки-хозяина. Было ли у этого хозяина ядро ​​во время начального симбиоза, остается неизвестным. Последний общий предок мог иметь клеточную стенку, по крайней мере, часть своего жизненного цикла, но для подтверждения этой гипотезы необходимы дополнительные данные. Современные эукариоты очень разнообразны по своей форме, организации, жизненным циклам и количеству клеток на человека.

Практические вопросы

Вернитесь к рисунку 3. Какие есть доказательства того, что митохондрии были включены в предковую эукариотическую клетку раньше, чем хлоропласты?

[ряды области практики = ”2 ″] [/ область практики]
[раскрыть-ответ q = ”773915 ″] Показать ответ [/ раскрыть-ответ]
[hidden-answer a = ”773915 ″] Все эукариотические клетки имеют митохондрии, но не все эукариотические клетки имеют хлоропласты. [/ hidden-answer]

Опишите предполагаемые этапы происхождения эукариотических клеток.

[ряды области практики = ”4 ″] [/ область практики]
[раскрыть-ответ q = ”351826 ″] Показать ответ [/ раскрыть-ответ]
[hidden-answer a = ”351826 ″] Эукариотические клетки возникли в результате эндосимбиотических событий, которые дали начало органеллам, производящим энергию, в эукариотических клетках, таких как митохондрии и хлоропласты. Ядерный геном эукариот наиболее близок к архее, поэтому, возможно, это был ранний архей, который поглотил бактериальную клетку, которая превратилась в митохондрию. Митохондрии, по-видимому, произошли от альфа-протеобактерий, тогда как хлоропласты произошли от цианобактерий. Есть также данные о вторичных эндосимбиотических событиях. Другие компоненты клетки также могли возникнуть в результате эндосимбиотических событий. [/ Hidden-answer]

Проверьте свое понимание

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. Эта короткая викторина делает нет учитывайте свою оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, нужно ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.


Смотреть видео: Строение бактериальной клетки (February 2023).