Prokariotinės ir eukariotinės ląstelės

Visa gyvybė Žemėje, nuo mažiausios bakterijos iki didžiausio banginio, yra sudaryta iš ląstelių. Tai – fundamentalus biologijos principas, vadinamas ląstelės teorija. Tačiau, nors ląstelė yra universalus gyvybės vienetas, egzistuoja du fundamentaliai skirtingi jos „brėžiniai“.

Visas gyvąsias būtybes galima priskirti vienai iš dviejų didžiųjų imperijų: prokariotams arba eukariotams. Pagrindinis ir svarbiausias skirtumas tarp jų – tikro, membrana apgaubto branduolio buvimas arba nebuvimas. Šis, atrodytų, paprastas skirtumas nulemia milžiniškus ląstelės sandaros, dydžio, sudėtingumo ir galimybių skirtumus.

Šioje pamokoje išsiaiškinsime, kuo skiriasi šie du ląstelių tipai, kokia jų sandara ir kodėl šis pasiskirstymas yra pats svarbiausias visoje biologijos klasifikacijoje.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Kontrastingas mikroskopinis vaizdas, kuriame matyti E. coli bakterijos (prokariotai) ir žmogaus kraujo ląstelės (eukariotai).

Žodis „prokariotas“ kilęs iš graikų kalbos ir reiškia „prieš branduolį“ (pro – „prieš“, karyon – „branduolys“). Tai – seniausios, paprasčiausios ir gausiausios gyvybės formos Žemėje, atsiradusios maždaug prieš 3,5 milijardo metų.

Būdingi bruožai

• Nėra branduolio. Genetinė medžiaga, dažniausiai viena žiedinė DNR molekulė, yra citoplazmoje, koncentruotoje srityje, vadinamoje nukleoidu.
• Nėra membraninių organelių. Prokariotų ląstelėse nėra mitochondrijų, chloroplastų, endoplazminio tinklo, Goldžio aparato ar lizosomų. Visos cheminės reakcijos vyksta citoplazmoje arba ląstelės membranoje.
• Mažas dydis. Prokariotų ląstelės yra labai mažos, paprastai 0,1–5,0 mikrometrų (μm) skersmens.
• Ląstelės sienelė. Beveik visi prokariotai turi tvirtą ląstelės sienelę, esančią išorėje plazminės membranos. Bakterijų sienelė sudaryta iš peptidoglikano. Ji suteikia ląstelei formą ir apsaugo nuo aplinkos poveikio.
• Ribosomos. Turi ribosomas (70S tipo), kurios yra mažesnės nei eukariotų, bet atlieka tą pačią – baltymų sintezės – funkciją.

Prokariotams priskiriamos dvi didelės domenų grupės: bakterijos ir archėjos.

Žodis „eukariotas“ reiškia „tikras branduolys“ (eu – „tikras“). Eukariotinės ląstelės atsirado gerokai vėliau nei prokariotinės, maždaug prieš 1,5–2 milijardus metų. Jos yra gerokai didesnės ir sudėtingesnės.

Būdingi bruožai

• Tikras branduolys. Svarbiausias bruožas – ląstelės branduolys, apgaubtas dvigubos membranos. Jame saugoma genetinė informacija linijinių chromosomų pavidalu.
• Membraninės organelės. Citoplazma yra padalinta į funkcinius skyrius – organeles. Kiekviena organelė (pvz., mitochondrija, endoplazminis tinklas, Goldžio aparatas) turi membraną ir atlieka specifines funkcijas. Šis kompartmentalizacijos principas leidžia procesams vykti efektyviau ir vienu metu.
• Didelis dydis. Eukariotų ląstelės yra 10–100 kartų didesnės už prokariotų (paprastai 10–100 μm skersmens).
• Citoskeletas. Turi sudėtingą baltyminių siūlų tinklą – citoskeletą, kuris palaiko ląstelės formą, leidžia judėti ir transportuoti medžiagas ląstelės viduje.
• Ribosomos. Turi didesnes (80S tipo) ribosomas.

Eukariotams priskiriami visi mums gerai pažįstami organizmai: augalai, gyvūnai, grybai ir protistai.

Ši lentelė padės įtvirtinti ir apibendrinti pagrindinius dviejų ląstelių tipų skirtumus.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas, vizualiai lyginantis prokariotinę ir eukariotinę ląsteles pagal lentelėje nurodytus požymius.

Kaip iš paprastos prokariotinės ląstelės galėjo išsivystyti sudėtinga eukariotinė ląstelė? Vienas plačiausiai pripažintų paaiškinimų yra endosimbiozės teorija, kurią išpopuliarino mokslininkė Lynn Margulis.

Teorija teigia, kad kai kurios eukariotų organelės atsirado simbiotinių santykių pagrindu. Procesas galėjo vykti taip:

1. Didelė ląstelė-šeimininkė (ankstyvasis eukariotas) prarijo mažesnę aerobinę bakteriją (naudojančią deguonį energijai gaminti).
2. Bakterija nebuvo suvirškinta, o liko gyventi šeimininkės viduje. Ji tiekė šeimininkei energiją (ATP), o šeimininkė jai – maisto medžiagas ir apsaugą.
3. Per milijonus metų ši bakterija evoliucionavo į mitochondriją.
4. Panašiu būdu kita ląstelė prarijo fotosintetinančią bakteriją (cianobakteriją), kuri vėliau evoliucionavo į chloroplastą.

Įrodymai, pagrindžiantys teoriją

• Sava DNR: Mitochondrijos ir chloroplastai turi savo žiedinę DNR, panašią į bakterijų DNR.
• Savi ribosomai: Šios organelės turi savo 70S tipo ribosomas, identiškas prokariotų ribosomoms.
• Dviguba membrana: Išorinė membrana panaši į šeimininko ląstelės membraną, o vidinė – į prarytos bakterijos.
• Dauginimasis: Mitochondrijos ir chloroplastai dauginasi dalydamiesi pusiau, nepriklausomai nuo ląstelės branduolio dalijimosi.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schema, aiškiai iliustruojanti endosimbiozės teorijos etapus: 1) didelė ląstelė ryja aerobinę bakteriją; 2) bakterija virsta mitochondrija; 3) kita ląstelė ryja cianobakteriją; 4) cianobakterija virsta chloroplastu.

Nors abu ląstelių tipai atlieka gyvybines funkcijas, jų vidinė organizacija skiriasi kardinaliai. Vizualizuokime pagrindinius skirtumus.

Prokariotinė ląstelė (bakterija)

Įsivaizduokite mažą, vieno kambario butą be jokių pertvarų. Visi daiktai ir baldai yra vienoje erdvėje. Taip atrodo ir prokariotinė ląstelė:

• Genetinė medžiaga (DNR) laisvai plūduriuoja bendroje erdvėje – citoplazmoje (srityje, vadinamoje nukleoidu).
• Nėra vidinių „kambarių“ – membraninių organelių.
• Vieninteliai „baldų“ analogai yra ribosomos, kurios gamina baltymus.
• Viską gaubia plazminė membrana ir tvirta ląstelės sienelė.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Detali prokariotinės ląstelės sandaros schema su aiškiai pažymėtais elementais: nukleoidu, ribosomomis, plazmine membrana, ląstelės sienele, citoplazma, žiuželiu.

Eukariotinė ląstelė (pvz., gyvūno)

Dabar įsivaizduokite didelį, kelių aukštų namą su daugybe specializuotų kambarių: miegamasis, virtuvė, darbo kambarys, katilinė. Tai – eukariotinė ląstelė:

• Genetinė medžiaga (DNR) yra saugiai uždaryta atskirame „kambaryje“ – branduolyje.
• Kiekviena funkcija atliekama specializuotose, membranomis atskirtose patalpose – organelėse (pvz., energija gaminama „katilinėje“ – mitochondrijoje).
• Tai leidžia procesams vykti tvarkingai ir efektyviai, vienu metu atliekant daugybę skirtingų užduočių.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Detali eukariotinės (gyvūno) ląstelės sandaros schema su aiškiai pažymėtais elementais: branduoliu, mitochondrija, ribosomomis, endoplazminiu tinklu, Goldžio aparatu, lizosomomis, plazmine membrana.

Norint iki galo suprasti, kas yra ląstelė, svarbu ją palyginti su struktūra, kuri nėra ląstelė. Tai – virusai.

Virusai yra aceliulinės (neląstelinės) sandaros. Jie yra tarsi informacijos fragmentai, negalintys savarankiškai gyventi. Virusai yra obligatūs viduląsteliniai parazitai – jie gali daugintis tik patekę į gyvą ląstelę (šeimininką) ir pasinaudoję jos resursais.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Mastelio infografikas, kuriame palyginamas viruso, bakterijos ir eukariotinės ląstelės dydis, pvz., ŽIV virusas, E. coli bakterija ir raudonasis kraujo kūnelis.

Skirtumai tarp prokariotinių ir eukariotinių ląstelių nėra tik teorinė žinia. Tai – šiuolaikinės medicinos pagrindas. Būtent šiais skirtumais remiasi antibiotikų veikimas.

Antibiotikai turi pasižymėti selektyviu toksiškumu – gebėjimu sunaikinti ligos sukėlėją (bakteriją – prokariotą), bet nepakenkti paciento organizmo ląstelėms (eukariotams). Tai įmanoma, nes antibiotikai atakuoja struktūras ar procesus, būdingus tik bakterijoms.

Pagrindiniai antibiotikų taikiniai:

Supratimas apie fundamentalius ląstelių skirtumus leido sukurti vaistus, kurie išgelbėjo milijonus gyvybių. Dėl tos pačios priežasties antibiotikai neveikia virusų, nes virusai neturi nei ląstelės sienelės, nei ribosomų, nei savarankiškos medžiagų apykaitos.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schema, iliustruojanti penicilino poveikį: 1) normali bakterija su tvirta sienele; 2) penicilinas blokuoja sienelės sintezę; 3) dėl osmosinio slėgio vanduo plūsta į ląstelę ir ji sprogsta.