Страница 12 из 84
Я д р ы ш к и имеют вид округлых телец размером около
1 мкм. Обычно их в ядре несколько. Это — «мастерские» по производству субъединиц рибосом. В ядрышках происходит синтез рРНК, поэтому они находятся на участках хромосом, несущих гены, кодирующие эти РНК. Ядрышки не являются самостоятельной структурой, а состоят из скоплений рРНК и субъединиц рибосом. В процессе клеточного деления хромосомы спирализуются и уплотняются, субъединицы рибосом выходят в цитоплазму, и ядрышки исчезают. После деления они образуются вновь.
1. В чем состоит главная функция ядра? Каково строение ядра эукариотической клетки?
2. Как изменяется внешний вид хромосом перед делением клетки?
3. Как изменяется состав ядрышек в процессе деления клетки?
4. Что называют хроматином?
§ 12. Прокариоты
К наиболее примитивной группе организмов — прокариотам — относят бактерии. Отличительным признаком этих одноклеточных существ считается отсутствие ограниченного мембранной оболочкой ядра. Бактериальная хромосома (кольцевая ДНК примерно из 10е пар нуклеотидов — в тысячу и более раз короче ДНК эукариот) прикреплена к мембране с помощью специальных белков и находится в хорошо очерченной области цитоплазмы, называемой нуклеоидом. В состав нуклеоида входят также РНК и белки. В клетках цианобактерий обычно 8—10 нуклеоидов с копиями хромосом. Прокариотические клетки по размерам (1 —10 мкм) существенно меньше эукариотических (20—30 мкм и более). В цитоплазме многих прокариот содержатся небольшие автономные самореплицирующиеся кольцевые ДНК — плазмиды.
В клетках прокариот отсутствуют все мембранные органеллы: митохондрии, пластиды, ЭПС и аппарат Гольджи. Их мелкие рибосомы рассеяны по цитоплазме или прикреплены к наружной мембране. Поверхность прокариот покрыта настолько плотной клеточной стенкой, что фаго- и пиноцитоз для них невозможен. Они получают питательные вещества путем диффузии через оболочку или активного транспорта и не содержат вакуолей (пищеварительных, накопительных).
Бактерии имеют самую различную форму: кокки (<греч. kokkos зерно) — шаровидную, палочки и бациллы (<лат. bacillum палочка) — продолговатую, спириллы — извитую. В клетках бактерий отсутствует клеточный центр, и поэтому их жгутики сформированы особым образом. Они прикреплены к оболочке белковым комплексом, способным вращать жгутик, сообщая движение клетке. Жгутики бактерий не покрыты мембраной.
Схема строения клетки типичной бактерии (слева) и цианобактерии
Бактерии обладают протонным микродвигателем гениальной конструкции: в двигателе есть ротор, статор, подшипники, молекулярная смазка и карданный вал.
Скорость вращения поразительна — до 1 700 об/с. Всего за 103 с двигатель способен сменить направление вращения. Наличие столь совершенной органеллы движения, и притом у самых простых организмов, убеждает многих ученых в созданности нашего мира
Вследствие отсутствия центриолей прокариоты не имеют цитоскелета, поэтому их цитоплазма практически неподвижна; соответственно нет необходимости и в ядерной оболочке.
Прокариоты размножаются делением. Дочерние клетки бактерий могут оставаться связанными в характерные группы. Стрептококки образуют длинные цепочки из нескольких клеток; стафилококки формируют скопление клеток, похожее на грозди винограда. Многие из них патогенны для человека. Наличие подобных образований облегчает выявление бактериальной инфекции.
При недостатке пищи или избытке ядовитых продуктов обмена в клетке некоторые бактерии способны образовывать споры (например, бациллы, к которым относятся возбудители сибирской язвы, ботулизма, столбняка). Меньшая часть цитоплазмы с хромосомой отделяется двойной мембраной, а затем покрывается многослойной оболочкой. Жизнедеятельность бактерии практически прекращается. Споры выдерживают сильные колебания температур, интенсивные химические и радиационные воздействия и сохраняются сотни лет. Попадая в благоприятную среду водоемов, они переходят к активной жизнедеятельности.
Разнообразие биохимических процессов у прокариотов велико: необходимую для жизни энергию различные бактерии получают или окисляя неорганические соединения, или используя для питания готовые органические вещества, или посредством фотосинтеза. Некоторые бактерии являются паразитами животных или растений.
Бактериальная клетка со спорой
Жизнеспособность бактерий поразительна. Есть виды, которые населяют океанические впадины и вершины гор, обитают в арктическом холоде и в кипятке горячих источников, и даже в ядерных реакторах.
Несмотря на установившееся мнение об эволюционном происхождении эукариотических организмов от прокариотических, в строении их рРНК обнаружены весьма значительные различия, и современным биохимикам эволюция от прокариотической клетки к эукариотической представляется невероятной.
1. Сравните строение клеток прокариот и эукариот.
2. Как устроен протонный микродвигатель бактерий?
3. Расскажите о спорах бактерий.
4. Удалось ли ученым объяснить происхождение эукариот от прокариот?
§ 13. Неклеточные формы жизни — вирусы
В 1892 г. русский микробиолог и ботаник Д. И. Ивановский описал необычные свойства возбудителя одной из болезней листьев растений — табачной мозаики (у растений разрушаются лейкопласты и обесцвечиваются участки листьев). Возбудитель этой болезни проникал сквозь фильтр, задерживающий бактерии.
Похожее открытие сделали французские ученые Ф. Леффлер и П. Фрош, изучая возбудителя болезни животных ящура. Нидерландский ботаник М. Бейеринк предложил называть эти фильтрующиеся возбудители вирусами (<лат. virus яд). Отечественный микробиолог и эпидемиолог Н. Ф. Гамалея обнаружил вирус, разрушающий бактерии. Канадский бактериолог Ф. де Эр-рель назвал такие вирусы бактериофагами.
Как теперь известно, вирусную природу имеют возбудители многих болезней, поражающих человека: оспы, гепатита, свинки, кори, бешенства, клещевого энцефалита, краснухи, полиомиелита, герпеса, гриппа.
Размеры вирусов составляют всего 15—100 нм, поэтому рассмотреть их можно только с помощью электронного микроскопа. Вирусы являются неклеточными формами жизни. В них отсутствуют практически все характерные для живой клетки органеллы. Вирусные частицы (вирионы) состоят из молекулы РНК или ДНК и оболочки (капсида). Капсид вирусов образован капсомерами — белковыми субъединицами (у вируса табачной мозаики их свыше 1000) или липопротеиновой мембраной. Вирусы не питаются и вне клеток не размножаются, многие имеют вид кристаллов. В клетках «хозяев» вирусы активи-руются и проявляют такие свойства живых систем, как воспроизведение, регуляция и самосохранение.
РНК-вирусы любопытны тем, что в них роль генетического материала выполняет не ДНК, а РНК. Количество генов в наследственном материале вирусов невелико: от 3 у вируса табачной мозаики до 240 у вируса оспы (в ДНК человека более 30 тыс. генов). Бактериофаги, как правило, содержат ДНК, а в клетках растений и животных чаще паразитируют РНК-вирусы (например, вирус гепатита В, однако вирус гепатита А содержит ДНК).
Вирусы:
1 — табачной мозаики,
2 — герпеса, 3 — гриппа
Паразитизм вирусов носит особый, генетический характер. В отличие от клеточных организмов вирусы не имеют собственной белоксинтезирующего аппарата (рибосом, тРНК). ДНК вируса, проникая в клетку, начинает управлять клеточными процессами, заставляя клетку синтезировать строительные материалы для вируса.
Сначала вирус присоединяется к поверхности клетки, затем погружается в цитоплазму и там освобождается от оболочек. Бактериофаги не в состоянии проникнуть сквозь прочные стенки бактерий. Они впрыскивают свою ДНК в клетку бактерии, «раздеваясь» уже на стадии проникновения. В зависимости от дальнейшего поведения различают вирулентные и умеренные бактериофаги. Вирулентные бактериофаги (например, Т4 — фаг кишечной палочки) размножаются, только разрушая (лизируя) клетку бактерии. Пораженные клетки вместо собственных ДНК и белков синтезируют ДНК и белки вируса. Накопившиеся вирусы покидают клетку путем ее лизиса (разрушения). Умеренные бактериофаги (например, фаг X) помимо
Бактериофаг (Т4) вводит ДНК в бактерию: фаг прикрепляется к поверхности клетки нитями-фибриллами, далее специальные белки сокращают чехол, обнажая стержень, прокалывающий клеточную стенку с помощью
особых ферментов «Прокалывающий» стержень
Активация
профага
Фаг вводит
Клетка живет
и размножается с профагом
\ /" ДНК «хозяина» \ / \/
дятся и разрушают клетку
Жизненный цикл умеренных бактериофагов
литического пути развития способны к так называемой лизогении. Их ДНК встраивается в хромосому бактерии и реплицируется вместе с ней.
Вирусы растений попадают в клетки через повреждения клеточных стенок. Накопившиеся вирусы покидают клетку путем лизиса или выходят постепенно через аппарат Гольджи.