Особенности развития и строения эукариотических клеток. Основные гипотезы происхождения эукариотической клетки и её

Нижегородский государственный  университет им. Н.И. Лобачевского

                (Национальный исследовательский университет)

 

                           Биологический факультет

454048, Челябинск, Энтузиастов, 37, 38

                                      Направление: биология

 

 

                       Проект по дисциплине: цитология

 

      Особенности развития и строения эукариотических клеток.

Основные гипотезы происхождения эукариотической клетки и её  

                                       компартментов.                             

 

 

 

                                                                    Выполнили:

                                                      Студентка 1 курса группы 0113-5 Старкова Мария

                                                                        (подготовила информацию по теме)

                                                        Студентка 1 курса группы 0113-5 Травникова Дарья

                                                          (подготовила доклад темы)

                                                            Студентка 1 курса группы 0113-5 Чиркунова Анастасия

                                                        (подготовила презентацию)

 

 

 

                                                  

                                                        Н.Новгород, 2012

Содержание:

1. Введение

2. Основные гипотезы  происхождения эукариотической  клетки

3.Строение эукариотической клетки

4. Заключение

5.Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Все живые организмы на Земле обычно делят на прокариот и эукариот.Главной  особенностью прокариот является отсутствие у них в отличие от полноценного клеточного ядра, покрытого мембраной. Кроме того, прокариотические клетки обладают единой мембранной системой, включающей как цитоплазматическую мембрану, или плазмалемму, так и  различные выросты из нее, зачастую выполняющие специфические функции. Клетки прокариот имеют очень  небольшие размеры, порядка 1 мкм.

Объем эукариотических клеток, содержащих полноценное ядро, в 800-1000 раз больше объема клеток прокариот. В связи  с этим для нормального выполнения жизненных функций клеткам эукариот необходим гораздо больший мембранный аппарат. Действительно, в эукариотической  клетке выявлены разнообразные субклеточные структуры, окруженные независимыми от плазмалеммы и друг от друга мембранами. Эти структуры называются органеллами. Каждой органелле - митохондрии, хлоропласту (у растительных клеток), ядру, лизосомам, аппарату Гольджи и т.д. - присущи  свои специфические функции в  жизни клетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Основные гипотезы происхождения эукариотической клетки

Ископаемые останки клеток эукариотического типа обнаружены в  породах, возраст которых не превышает 1,0-1,4 млрд. лет. Более позднее возникновение, а также сходство в общих чертах их основных биохимических процессов (самоудвоение ДНК, синтез белка на рибосомах) заставляют думать о том, что эукариотические клетки произошли  от предка, имевшего прокариотическое строение.

Наиболее  популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток, согласно которой (рис. 3) основой, или клеткой-хозяином, в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот, способный лишь к амебоидному движению. Переход к аэробному дыханию связан с наличием в клетке митохондрии, которые произошли путем изменений симбионтов - аэробных бактерий, проникших в клетку-хозяина и сосуществовавших с ней.

Происхождение эукариотической клетки согласно симбиотической (I) и инвагинационной (II) гипотезам:

 

1 - анаэробный прокариот (клетка-хозяин), 2 - прокариоты, имеющие митохондрии, 3 - сине-зеленая водоросль (презумптивный хлоропласт), 4 - сиирохетообразная бактерия (презумптивный жгутик), 5 -примитивный эукариот со жгутиком, 6 - растительная клетка, 7 - животная клетка со жгутиком, 8 - аэробный прокариот (презумптивная митохондрия), 9 - аэробный прокариот (клетка-родоначальница согласно гипотезе II), 10 - инвагинации клеточной оболочки, давшие ядро и митохондрии, 11 - примитивный эукариот 12 - впячивание клеточной оболочки, давшее хлоропласт, 13 - растительная клетка; а-ДНК прокариотической клетки, б - митохондрия, в - ядро эукариотической клетки, г - жгутик, д - хлоропласт

 

Сходное происхождение предполагают для жгутиков, предками которых служили  симбионты-бактерии, имевшие жгутик и напоминавшие современных спирохет. Приобретение клеткой жгутиков имело  наряду с освоением активного  способа движения важное следствие  общего порядка. Предполагают, что базальные  тельца, которыми снабжены жгутики, могли  эволюционировать в центриоли в  процессе возникновения механизма  митоза.

Способность зеленых растений к  фотосинтезу обусловлена присутствием в их клетках хлоропластов. Сторонники симбиотической гипотезы считают, что  симбионтами клетки-хозяина, давшими  начало хлоропластам, послужили прокариотические синезеленые водоросли.

Серьезным доводом в пользу симбиотического  происхождения митохондрий, центриолей и хлоропластов является то, что  перечисленные органеллы имеют  собственную ДНК. Вместе с тем  белки бациллин и тубулин, из которых  состоят жгутики и реснички соответственно современных прокариот и эукариот, имеют различное строение. У бактерий не найдено также структур со свойственной жгутикам, ресничкам, базальным тельцам  и центриолям эукариотических клеток комбинацией микротрубочек: «9 + 2»  или «9 + 0».

Внутриклеточные мембраны гладкой  и шероховатой цитоплазматической сети, пластинчатого комплекса, пузырьков  и вакуолей рассматривают как  производные наружной мембраны ядерной  оболочки, которая способна образовывать впячивания.

Центральным и трудным для ответа является вопрос о происхождении  ядра. Предполагают, что оно также  могло образоваться из симбионта-прокариота. Увеличение количества ядерной ДНК, во много раз превышающее в  современной эукариотической клетке ее количество в митохондрий или  хлоропласте, происходило, по-видимому, постепенно путем перемещения групп  генов из геномов симбионтов. Нельзя исключить, однако, что ядерный геном  формировался путем наращивания  генома клетки-хозяина (без участия  симбионтов).

Согласно инвагинационной гипотезе, предковой формой эукариотической клетки был аэробный прокариот (рис. 1.4). Внутри такой клетки-хозяина находилось одновременно несколько геномов, первоначально прикреплявшихся к клеточной оболочке. Органеллы, имеющие ДНК, а также ядро, возникли путем впячивания и отшнуровывания участков оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрий, хлоропласты. В процессе дальнейшей эволюции произошло усложнение ядерного генома, появилась система цитоплазматических мембран.

Инвагинационная гипотеза хорошо объясняет  наличие в оболочках ядра, митохондрий, хлоропластов, двух мембран. Однако она  не может ответить на вопрос, почему биосинтез белка в хлоропластах и митохондриях в деталях соответствует таковому в современных прокариотических клетках, но отличается от биосинтеза белка в цитоплазме эукариотической клетки.

История показала, что эволюционные возможности клеток эукариотического типа несравнимо выше, чем прокариотического. Ведущая роль здесь принадлежит ядерному геному эукариот, который во много раз превосходит по размерам геном прокариот. Количество генов у бактерии и в клетке человека, например, соотносится как 1: (100-1000). Важные отличия заключаются в диплоидности эукариотических клеток благодаря наличию в ядрах двух комплектов генов, а также в многократном повторении некоторых генов. Это расширяет масштабы мутационной изменчивости без угрозы резкого снижения жизнеспособности, эволюционно значимым следствием чего является образование резерва наследственной изменчивости.

При переходе к эукариотическому типу усложняется механизм регуляции жизнедеятельности клетки, что на уровне генетического материала проявилось в увеличении относительного количества регуляторных генов, замене кольцевых «голых» молекул ДНК прокариот хромосомами, в которых ДНК соединена с белками. В итоге стало возможным считывать биологическую информацию по частям с разных групп генов в разном их сочетании в различных типах клеток и в разное время. В бактериальной клетке, напротив, одновременно считывается до 80—100% информации генома. В клетках взрослого человека в разных его органах транскрибируется от 8—10% (печень, почка) до 44% (головной мозг) информации.

Использованию биологической  информации частями принадлежит исключительная роль в эволюции многоклеточных организмов, так как именно это позволяет разным группам клеток специализироваться по различным функциональным направлениям.

Большое значение при переходе к  многоклеточности имело наличие  у эукариотических клеток эластичной оболочки, что необходимо для образования устойчивых клеточных комплексов.

Среди цитофизиологических особенностей эукариот, увеличивающих их эволюционные возможности, необходимо назвать аэробное дыхание, которое также послужило предпосылкой для развития многоклеточных форм. Интересно, что сами эукариотические клетки появились на Земле после того, как концентрация O₂ в атмосфере достигла 1% (точка Пастера). Названная концентрация является необходимым условием аэробного дыхания.

В условиях усложнения генетического  аппарата эукариот, увеличения суммарного количества ДНК и распределения  ее по хромосомам трудно переоценить  значение возникновения в эволюции митоза как механизма воспроизведения в поколениях генетически сходных клеток.

Появление вследствие эволюционных преобразований митоза такого способа деления клеток, как мейоз, дающего возможность сохранить постоянство хромосом в ряду поколений, наилучшим образом решило проблему размножения многоклеточных организмов. Связанный с мейозом переход к половому размножению усилил эволюционную роль комбинативной изменчивости, способствовал увеличению скорости эволюции.

 

Строение эукариотической  клетки

Клетки, образующие ткани  животных и растений, значительно  различаются по форме, размерам и  внутреннему строению. Однако все  они обнаруживают сходство в главных  чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Клетки всех типов содержат два основных компонента, тесно связанных  между собой, — цитоплазму и ядро. Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный  сок, хроматин и ядрышко. Полужидкая цитоплазма заполняет всю клетку и пронизана многочисленными  канальцами. Снаружи она покрыта  цитоплазматической мембраной. В ней  имеются специализированные структуры-органоиды, присутствующие в клетке постоянно, и временные образования —  включения. Мембранные органоиды: наружная цитоплазматическая мембрана (HЦM), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии и пластиды. В основе строения всех мембранных органоидов лежит биологическая мембрана. Все  мембраны имеют принципиально единый план строения и состоят из двойного слоя фосфолипидов, в который с  различных сторон ива разную глубину  погружены белковые молекулы. Мембраны органоидов отличаются друг от друга  лишь наборами входящих в них белков.

 

  Цитоплазматическая мембрана. У всех клеток растений, многоклеточных животных, у простейших и бактерий клеточная мембрана трехслойна: наружный и внутренний слои состоят из молекул белков, средний — из молекул липидов. Она ограничивает цитоплазму от внешней среды, окружает все органоиды клетки и представляет собой универсальную биологическую структуру. В некоторых клетках наружная оболочка образована несколькими мембранами, плотно прилегающими друг к другу. В таких случаях клеточная оболочка становится плотной и упругой и позволяет сохранить форму клетки, как, например, у эвглены и инфузории туфельки. У большинства растительных клеток, помимо мембраны, снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка — клеточная стенка. Она хорошо различима в обычном световом микроскопе и выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму.

На поверхности клеток мембрана образует удлиненные выросты  — микроворсинки, складки, впячивания и выпячивания, что во много раз  увеличивает всасывающую или  выделительную поверхность. С помощью  мембранных выростов клетки соединяются  друг с другом в тканях и органах  многоклеточных организмов, на складках мембран располагаются разнообразные  ферменты, участвующие в обмене веществ. Отграничивая клетку от окружающей среды, мембрана регулирует направление диффузии веществ и одновременно осуществляет активный перенос их внутрь клетки (накопление) или наружу (выделение). За счет этих свойств мембраны концентрация ионов калия, кальция, магния, фосфора  в цитоплазме выше, а концентрация натрия и хлора ниже, чем в окружающей среде. Через поры наружной мембраны из внешней среды внутрь клетки проникают  ионы, вода и мелкие молекулы других веществ. Проникновение в клетку относительно крупных твердых частиц осуществляется путем фагоцитоза. При  этом наружная мембрана в месте контакта с частицей прогибается внутрь клетки, увлекая частицу в глубь цитоплазмы, где она подвергается ферментативному  расщеплению. Аналогичным путем  в клетку попадают и капли жидких веществ; их поглощение называется пиноцитозом. Наружная клеточная мембрана выполняет  и другие важные биологические функции.

  Цитоплазма на 85 % состоит из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. Коллоидное вещество клетки в зависимости от ее физиологического состояния и характера воздействия внешней среды имеет свойства и жидкости, и упругого, более плотного тела. Цитоплазма пронизана каналами различной формы и величины, которые получили название эндоплазматической сети. Их стенки представляют собой мембраны, тесно контактирующие со всеми органоидами клетки и составляющие вместе с ними единую функционально-структурную систему для осуществления обмена веществ и энергии и перемещения веществ внутри клетки.