ძირითადი მასალა

კურსი: დამამთავრებელი კლასების ბიოლოგია > თემა 2

გაკვეთილი 5: პროკარიოტები და ეუკარიოტები

პროკარიოტული უჯრედები

უჯრედის უნივერსალური მახასიათებლები. პროკარიოტული უჯრედების დახასიათება. ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის ფარდობა.

შესავალი

ერთი წუთით შეხედე შენს თავს. რამდენ ორგანიზმს ხედავ? პირველი, რაც თავში მოგდის, არის - ერთს: საკუთარ თავს; თუმცა თუ უფრო ახლოდან დააკვირდები, აღმოაჩენ, რომ შენს კანსა და საჭმლის მომნელებელ სისტემაში უამრავი ორგანიზმი სახლობს. დიახ, შენ 100 ტრილიონამდე ბაქტერიული უჯრედის თავშესაფარს წარმოადგენ, რაც ისე შეეფარდება შენი საკუთარი უჯრედების რაოდენობას, როგორც 10 ერთს

^{1}

ეს ნიშნავს, რომ შენი სხეული ფაქტობრივად ეკოსისტემაა. ეს, ასევე, ნიშნავს იმას, რომ შენ უჯრედების ორ მთავარ სახეს მოიცავ: პროკარიოტულსა და ეუკარიოტულს.

ნებისმიერი უჯრედი ამ ორი კატეგორიიდან ერთ-ერთში ხვდება. მხოლოდ ერთუჯრედიანი ორგანიზმები ბაქტერიისა და არქეას დომენებიდან არიან პროკარიოტები - პრო ნიშნავს წინას, ხოლო კარიოს - ბირთვს. ცხოველები, მცენარეები, სოკოები და პროტისტები კი ეუკარიოტები არიან - ეუ ნამდვილს ნიშნავს - და ისინი ეუკარიუტული უჯრედებისგან არიან აგებულნი. ხშირად, როგორც ადამიანების შემთხვევაში, მათ ირგვლივ პროკარიოტული უჯრედებიცაა.

გააჩნია, ვის ჰკითხავ! ზოგადად, პროკარიოტები ერთუჯრედიანი ორგანიზმებია, თუმცა სულ უფრო და უფრო მეტი მტკიცებულება ჩნდება, რომ პროკარიოტული უჯრედების ზოგიერთი ჯგუფი ორგანიზებულად ქმნის მრავალუჯრედიანი ორგანიზმის მსგავს სტრუქტურებს. ითვლება თუ არა ეს „ნამდვილ" მრავალუჯრედიანობად, მკვლევარებს შორის ცხელი განხილვის საგანია.

მაგალითად, ციანობაქტერიების ზოგი ტიპი გრძელ, ბოჭკოსმაგვარ ჯაჭვებს ქმნის, როგორც ქვედა სურათზე ჩანს. ამ ჯაჭვებში უჯრედები ერთმანეთთან დაკავშირებული რჩება გაყოფის შემდეგაც და ისინი უნიკალურ „იდენტობასა" და ფუნქციებს იძენს. ჯაჭვის ზოგ უჯრედს ფოტოსინთეზი ევალება, ანუ, მზის ენერგიის გამოყენებით შაქრების სინთეზი. ქვედა სურათზე ისინი პატარა, მუქი უჯრედებია, რომლებიც ჯაჭვის ძირითად ნაწილს ქმნიან. სხვა უჯრედებს აზოტის ფიქსაცია, ატმოსფერული

N_{2}

-ის ბიოლოგიურად გამოსადეგ ფორმებად გარდაქმნა ევალებათ. ქვედა სურათზე მხოლოდ ერთი აზოტის გარდამქმნელი უჯრედია წარმოდგენილი, უფრო მრგვალი და მეზობლებზე ღიად შეფერილი.

_საცევლილი სურათის წყაროა: „Anabaena circinalis" ავტორი BdCarl, CC BY-SA 3,0. სახეცვლილი სურათი ლიცენზირებულია CC BY-SA 3,0 license ლიცენზიით._

პროკარიოტული უჯრედების კომპონენტები

არსებობს უჯრედის ფუნქციონირებისთვის აუცილებელი კომპონენტები, მიუხედავად იმისა, უჯრედი პროკარიოტულია თუ ეუკარიოტული. ყველა უჯრედი იზიარებს ოთხ ძირითად კომპონენტს:

პლაზმური მემბრანა არის უჯრედის გარე საფარველი, რომელიც მის შიდა ნაწილს გარემოსგან გამოყოფს.
ციტოპლაზმა შედგება ჟელესმაგვარი ციტოზოლისაგან და მასში შეტივტივებული უჯრედული სტრუქტურებისგან. ეუკარიოტებში ციტოპლაზმა ეწოდება კონკრეტულად რეგიონს ბირთვის გარეთ და პლაზმური მემბრანის შიგნით.
დნმ უჯრედის გენეტიკური მასალაა.
რიბოსომები მოლეკულური მანქანებია, რომლებიც ცილებს ასინთეზებენ.

ამ მსგავსებების მიუხედავად, პროკარიოტული და ეუკარიოტული უჯრედები რამდენიმე მნიშვნელოვანი თავისებურებით განსხვავდება. პროკარიოტი მარტივი, ერთუჯრედიანი ორგანიზმია, რომელსაც ბირთვი და მემბრანული ორგანელები არ აქვს. ეუკარიოტული უჯრედის ბირთვსა და ორგანელებზე შემდეგ სტატიაში ვისაუბრებთ, მაგრამ ამჯერად მთავარია, დაიმახსოვროთ, რომ პროკარიოტული უჯრედის შიგნით ერთი მთლიანი სივრცეა და იგი მემბრანული „კედლებით" არაა დაყოფილი კომპარტმენტებად.

პროკარიოტული

დნმ

-ის უდიდესი ნაწილი მოთავსებულია უჯრედის ცენტრალურ ნაწილში, ნუკლეოიდში და იგი ერთი დიდი რგოლური ქრომოსომითაა წარმოდგენილი. პროკარიოტების ნუკლეოიდი და სხვა დამახასიათებელი სტრუქტურები ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი, ჩხირისებური ბაქტერიის ჭრილზე.

ბაქტერიები მრავალი სხვადასხვანაირი სახისაა და ყველა ბაქტერიას არ აქვს დიაგრამაზე წარმოდგენილი თავისებურებები.

თუმცა ბაქტერიების უმრავლესობა მყარი უჯრედის კედლითაა გარშემორტყმული, რომელიც პეპტიდოგლიკანის, ნახშირწყლებისა და პატარა ცილებისგან აწყობილი პოლიმერისგან შედგება. უჯრედის კედელი კიდევ ერთ დამცავ ფენას ქმნის, უნარჩუნებს ბაქტერიას ფორმას და ხელს უშლის წყლის დაკარგვას. ბევრ ბაქტერიას კიდევ ერთი ნახშირწყლოვანი, გარეთა შრე აქვს - კაფსულა. კაფსულა წებოვანია და მისი მეშვეობით ბაქტერიები გარემოში ზედაპირებს ემაგრებიან.

ზოგ ბაქტერიას სპეციალური სტრუქტურებიც აქვს უჯრედის ზედაპირზე, რომელთა მეშვეობითაც ისინი მოძრაობენ, ეწებებიან სხვა ობიექტებს და გენეტიკურ მასალასაც კი ცვლიან სხვა ბაქტერიებთან. მაგალითად, შოლტი მათრახისმაგვარი სტრუქტურაა, რომელიც როტორული ძრავის ფუნქციას ასრულებს და ბაქტერიას მოძრაობაში ეხმარება.

ზოგ ბაქტერიას ასევე აქვს ფიმბრიები, ანუ ფოჩები - თმის ღერის მაგვარი წანაზარდები, რომლითაც ისინი მასპინძელ უჯრედებსა და სხვა ზედაპირებს ემაგრებიან. ბაქტერიას შეიძლება, ჰქონდეს პილუსებიც, ჩხირისმაგვარი სტრუქტურები სხვადასხვანაირი დანიშნულებით. ზოგი პილუსის მეშვეობით ბაქტერიები

დნმ

-ის მოლეკულებს სხვა ბაქტერიებს გადასცემენ, ზოგი პილუსი კი სამოძრაოდ გამოიყენება.

ხანდახან შესაძლოა, გაიგოთ, რომ ფიმბრიებს პილუსების ერთ-ერთ სახედ თვლიან - ზოგ წყაროში მათ საერთო პილუსებად ან მიმაგრების პილუსებად მოიხსენიებენ

^{1}

. ამ სხვადასხვანაირი დასახელების მიზეზი გრძელი ისტორიაა, რომელშიც მეცნიერები ორივე განსხვავებულ ტერმინს, ფიმბრიებსა და პილუსებს, უწოდებდნენ ბაქტერიული უჯრედების ზედაპირულ გამონაზარდებს.

ყველაზე ხშირად ფიმბრიებს უწოდებენ უჯრედის ზედაპირის გამონაზარდებს, რომლებიც მრავალრიცხოვანია, შედარებით მოკლე და მონაწილეობს უჯრედის ზედაპირებზე მიმაგრებაში. ტერმინი პილუსი კი აღნიშნავს ზედაპირის გამონაზარდებს, რომლებიც უფრო ცოტა, გრძელი და სპეციალიზებულია. ამ სტატიაში ჩვენც სწორედ ამ მნიშვნელობით გამოვიყენებთ ტერმინებს.

არქეებს უჯრედის ზედაპირის ამ წარმონაქმნებიდან უმეტესობა აქვთ, მაგრამ მათი თავისებურებები, როგორც წესი, განსხვავდება ბაქტერიული სტრუქტურებისაგან. მაგალითად, არქეებს, მართალია, აქვთ უჯრედის კედელი, მაგრამ იგი პეპტიდოგლიკანისგან არ არის აგებული - თუმცა, ნახშირწყლებისა და ცილებისგან კი შედგება.

უჯრედის ზომა

ტიპური პროკარიოტული უჯრედის დიამეტრი 0,1-5,0 მიკრომეტრია (μm) და ისინი ბევრად უფრო პატარაა, ვიდრე ეუკარიოტული უჯრედები, რომელთა დიამეტრიც 10-100 მიკრომეტრია.

ქვედა სურათზე წარმოდგენილია პროკარიოტული, ბაქტერიული და ეუკარიოტული - მცენარეული და ცხოველური - უჯრედები, სხვა მოლეკულებსა და ორგანიზმებთან ერთად ლოგარითმულ სკალაზე. სკალის თითოეული ერთეული რაოდენობრივი მაჩვენებლის ათჯერად ზრდას შეესაბამება, ამიტომ გასაგებია, თუ ზომებს შორის რამხელა სხვაობაზეა საუბარი!

_სურათის წყარო: „ეუკარიოტული უჯრედები: სურათი 2", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 3,0_

რამდენიმე საინტერესო გამონაკლისის გარდა - იხილეთ ერთუჯრედიანი წყალმცენარე კაულერპა - უჯრედები მაინც საკმაოდ პატარაა ზომაში, მიუხედავად იმისა, პროკარიოტებია თუ ეუკარიოტები. რატომაა ეს ასე? ძირითადად, პასუხი ისაა, რომ რაც უფრო დიდია უჯრედი ზომაში, მით უფრო უძნელდება მას გარემოსთან საკვები ნივთიერებებისა და ნარჩენი პროდუქტების მიმოცვლა. იმისთვის, რომ გავიგოთ, როგორ ხდება ეს, მოდით, გავეცნოთ უჯრედის ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის ფარდობას.

მაგალითისთვის, გამარტივების მიზნით, ავიღოთ უჯრედი, რომელსაც კუბის ფორმა აქვს. ზოგი მცენარეული უჯრედი სინამდვილეშიც კუბის ფორმისაა. თუ კუბის წახნაგის სიგრძე

l

-ია, კუბის ზედაპირის ფართობი

6 l^{2}

იქნება, მოცულობა კი -

l^{3}

. ეს ნიშნავს, რომ

l

-ის ზრდასთან ერთად ზედაპირის ფართობი უფრო მეტად გაიზრდება, რადგან იგი

l

-ის კვადრატში აყვანით მიიღება. თუმცა, რადგანაც უჯრედის მოცულობა

l

-ის მესამე ხარისხთანაა დაკავშირებული, იგი კიდევ უფრო მეტად გაიზრდება.

შესაბამისად, რაც უფრო იზრდება უჯრედი, მით უფრო მცირდება მისი ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის თანაფარდობა. მაგალითად, მარცხენა, კუბის ფორმის უჯრედის მოცულობა 1 მმ

^{3}

-ია, ზედაპირის ფართობი 6 მმ

^{2}

, ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის თანაფარდობა კი 6:1. კუბის ფორმის მარჯვენა უჯრედის მოცულობა 8 მმ

^{3}

-ია, ზედაპირის ფართობი 24 მმ

^{2}

, თანაფარდობა კი 3:1.

_მოდიფიცირებული სურათის წყაროა: „ეუკარიოტული უჯრედები: სურათი 3", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 3,0_

ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის თანაფარდობა მნიშვნელოვანია, რადგან პლაზმური მემბრანა უჯრედისთვის გარემოსთან კავშირის საშუალებაა. თუ უჯრედს საკვები ნივთიერებების შთანთქმა სჭირდება, მან ისინი მემბრანის გავლით უნდა მიიღოს. ამის მსგავსად, ნარჩენი პროდუქტების გარეთ გამოყოფის ერთადერთი გზაც პლაზმური მემბრანაა.

მემბრანის თითოეულ ნაწილს დროის მონაკვეთში ნივთიერებების შეზღუდული რაოდენობის გატარება შეუძლია, მაგალითად, თუნდაც იმიტომ, რომ მასზე შეზღუდული რაოდენობითაა არხები. თუ უჯრედი ძალიან გაიზარდა ზომაში, მემბრანის გავლით ნივთიერებათა მიმოცვლის უნარი (ზედაპირის ფართობი, კვადრატული ფუნქცია) მას აღარ ეყოფა გაზრდილი მეტაბოლური აქტივობისთვის (მოცულობა, კუბური ფუნქცია).

ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის პრობლემა ერთ-ერთია იმ სირთულეებიდან, რომლებიც უჯრედის დიდი ზომის შემთხვევაში წამოიჭრება. რაც უფრო იზრდება უჯრედი, მით უფრო დიდი დრო სჭირდება მასში ნივთიერებების გადატანას. ამ მიზეზების გამო უჯრედების ზომას ზედა ზღვარი აქვს „დაწესებული", თუმცა ეუკარიოტულ უჯრედებს უფრო დიდები შეუძლიათ იყვნენ მათი სტრუქტურული და მეტაბოლური თავისებურებების გამო, რომელთაც შემდეგ სექციაში შევისწავლით.

ზოგი უჯრედი გეომეტრიულ ხერხებსაც იყენებს, რათა დაუძვრეს ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის თანაფარდობის პრობლემას. მაგალითად, ზოგიერთი მათგანი გრძელი და თხელია ან მრავალი გამონაზარდი აქვს ზედაპირზე, რაც ფართობს უფრო მეტად ზრდის მოცულობასთან შედარებით

^{2}

ატრიბუცია

მოდიფიცირებული სტატიის თავდაპირველი ვერსიაა „პროკარიოტული უჯრედები“, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 3,0. ჩამოტვირთეთ ორიგინალი სტატია უფასოდ აქ: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:17/Biology.

სახეცვლილი სტატია ვრცელდება CC BY-NC-SA 4,0 ლიცენზიით.

ციტირებული შრომები

Telford, John L., Michèle A. Barocchi, Immaculada Margarit, Rino Rappuoli, and Guido Grandi. „Pili in Gram-positive Pathogens." Nature Reviews Microbiology Nat Rev Micro 4, no. 7 (2006): 509-19. http://dx.doi.org/10,1038/nrmicro1443. წყარო: https://med.uth.edu/mmg/files/2014/12/Ton-That_Telford_012215.pdf.
Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson, „A tour of the cell," in Campbell biology, 10th ed. (San Francisco, CA: Pearson, 2011), 98.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

"ბაქტერიები - პილუსები." კრონოდონის მუზეუმი. http://cronodon.com/BioTech/Bacteria_pili.html.

"კაულერპა". Wikipedia. 1 დეკემბერი, 2014. მოძიების თარიღი: 9 აგვისტო, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Caulerpa.

Esko, J. D., T. L. Doering, and C. R. H. Raetz. „Eubacteria and Archaea." In Essentials of Glycobiology, edited by A. Varki, R. D. Cummings, J. D. Esko, H. H. Freeze, P. Stanley, C. R. Bertozzi, G. W. Hart, and M. E. Etzler. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

"ეუკარიოტული უჯრედები". Scitable. 2014. http://www.nature.com/scitable/topicpage/eukaryotic-cells-14023963.

Jarrell, K. F., D. J. VanDyke, and J. Wu. „Archael flagella and pili." In Pili and flagella: Current research and future trends, edited by K. F. Jarrell, 215-234. Norfolk, UK: Caister Academic Press, 2009.

Kaiser, G. E. „Cellular organization: prokaryotic and eukaryotic cells." Dr. Kaiser’s microbiology course (BIOL 230). April, 2014. http://faculty.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit1/proeu/proeu.html.

"პილუსი". Wikipedia. 7 მარტი, 2015. მოძების თარიღი: 9 აგვისტო, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Pilus.

Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. „Cell structure." In Biology, 59-87. 10th ed. AP ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. „A tour of the cell." In Campbell biology , 92-123. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. „Structural and functional adaptations contribute to prokaryotic success, 92-123. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

"ზედაპირის ფართობის თანაფარდობა მოცულობასთან". Wikipedia, 1 აგვისტო, 2015. მოძიების თარიღი: 9 აგვისტო, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio.

კ. ტოდარი. „ბაქტერიული უჯრედების სტრუქტურა და ფუნქცია", ტოდარის ბაქტერიოლოგიის ონლაინ სახელმძღვანელო. 2012. http://textbookofbacteriology.net/structure_3.html.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.