Строение эукариотической клетки

Клетки эукариот организованы гораздо сложнее, чем прокариотические. Внутреннее пространство клетки разделено на ряд полостей, окруженных своей мембраной и называемых органеллами. Снаружи клетка одета клеточной стенкой, которая состоит не из пептидогликана, как у бактерий, а из целлюлозы. Под клеточной стенкой есть цитоплазматическая мембрана, состоящая из двух слоев фосфолипидов со встроенными в липидный бислой белками. Вещество наследственности заключено в ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Это уже не голая ДНК, а сложный комплекс нуклеиновых кислот с белками, собранный в хромосомы, число и морфология которых специфичны для каждого вида. В ядре можно увидеть ядрышко - округлое темно-окрашенное тельце, место образования рибосом.

Вся цитоплазма пронизана сетью мембранных каналов – эндоплазматическим ретикулумом. К внешней поверхности мембраны прикреплены рибосомы. Они синтезируют белок, который поступает в полость ретикулума. В мембрану встроены ферменты, которые регулируют синтез и распад веществ в клетке. Каналы эндоплазматического ретикулума соединены со всеми органеллами. Эндоплазматический ретикулум играет очень важную роль в синтезе и переносе веществ в клетке. Другой органеллой, предназначенной для транспорта веществ по клетке и выведения их наружу, является комплекс Гольджи - система плоских мембранных мешочков, сложенных наподобие стопки тарелок, и ассоциированных с ними пузырьков. Такая стопка называется диктиосомой. Их в клетке может быть от 1 до сотни. Пузырьки могут отшнуровываться и отходить. Содержимое пузырьков может использоваться, например, при синтезе цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. 

В цитоплазме клеток эукариот находятся также вакуоли – мешочки, заполненные водянистым раствором и окруженные мембраной – тонопластом. В вакуоли поступает избыточная вода, неметаболизируемые вещества, в том числе и токсичные. Вакуоли являются резервуарами запасных веществ, которые по мере надобности могут выходить в цитоплазму. Мешочки меньшего размера, окруженные мембраной – лизосомы и пероксисомы – выполняют функции утилизации отходов. Внутри лизосом находятся гидролитические ферменты, разрушающие макромолекулы — белки, углеводы и жиры до низкомолекулярных продуктов, которые могут через мембрану диффундировать в цитозоль. Внутри лизосом поддерживается кислая рН, так как ферменты активны в кислой среде.

Очень важными органеллами являются митохондрии.Это силовые установки клетки, в митохондриях химическая энергия углеводов и жиров превращается в такие формы, которые могут использоваться клеткой. Митохондрии представляют собой мешочки округлой или вытянутой формы, стенка которых состоит из двух мембран. Наружная мембрана гладкая, обладает обычной проницаемостью. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью, в ней есть впячивания — кристы, в нее встроены ферменты энергетического метаболизма. Полость митохондрии заполнена матриксом, который состоит из множества ферментов, рибосом, ДНК, РНК, промежуточных продуктов распада жирных кислот и углеводов.

Клетки зеленых водорослей улавливают энергию солнечного света и превращают ее в химическую энергию при помощи хлоропластов. Хлоропласт окружен оболочкой из двойной мембраны и содержит сложную внутреннюю систему мембран. Внутренние мембраны, имеющие вид уплощенных мешочков, называются тилакоидными мембранами. Они погружены в водянистую строму. Иногда тилакоиды упакованы в пачки – граны. На мембранах хлоропластов закреплены молекулы хлорофилла и ферменты, участвующие в процессе фотосинтеза. В результате их слаженной работы из углекислого газа и воды под действием энергии солнца образуются молекулы глюкозы и выделяется кислород. Глюкоза может в дальнейшем использоваться клеткой или полимеризоваться в крахмал и откладываться в пластидах.

Митохондрии и хлоропласты присутствуют в клетке в большом количестве. Они имеют собственную ДНК и рибосомы, способны к самостоятельному воспроизведению. На основании структурных и функциональных признаков хлоропластов и митохондрий (ДНК, РНК и рибосомы бактериального типа) считается, что они происходят от прокариотических клеток, поглощенных чужими клетками в процессе эволюции и приспособившихся к симбиотическому существованию.

Строение клетки эукариот значительно более совершенно, чем бактерий. Разделение клетки на отдельные полости обеспечивает одновременное протекание многих физиологических процессов, иногда даже несовместимых между собой. Закрепление ферментных комплексов на мембранах делает обмен веществ более эффективным, повышает энергетический и биосинтетический потенциал клетки.

В таблице приведены сравнительные характеристики прокариотных и эукариотных клеток.

2. Микробная биотехнология. Значение биотехнологии для различных областей человеческой деятельности.

К одним из самых древних областей человеческой деятельности относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, которые в основе своей имеют не что иное, как жизнедеятельность микроорганизмов – хлебопекарных и винных дрожжей. Сюда же можно отнести получение кисломолочных продуктов, сыров с помощью молочнокислых бактерий, пищевого уксуса с помощью уксуснокислых бактерий. Следы такого рода деятельности были обнаружены у древних народов, живших 8 тысяч лет назад. С тех пор как были открыты микроорганизмы и определены их физиологические особенности, практическое использование микробов стало осознанным, было поставлено на промышленную основу и получило бурное развитие.

Промышленное использование микроорганизмов потребовало разработки специальной аппаратуры и технологий. Технология это совокупность способов, приемов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта.

Все основные технологии можно разделить на три основных класса.

1. Физико-механические технологии – исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Примерами могут служить изготовление досок из бревен или отливка металлических изделий.

2. Химические технологии – в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава. Примеры: производство из природного газа спирта, полиэтилена, синтетического каучука, производство из природного газа и воздуха удобрения аммиачной селитры, получение красителей и многих лекарств из простых химических соединений (кислоты, щелочи, бензола и др.).

3. Биотехнологии в отличие от физико-механических и химических технологий предполагают использование живых организмов или их компонентов.

По определению Европейской Биотехнологической Федерации (ЕБФ) биотехнология является такой интеграцией естественных и инженерных наук, при помощи которой использование клеток, клеточных структур и отдельных биомолекул дает возможность получения качественно улучшенных и дешевых продуктов медицинского и промышленного назначения или проведения других полезных манипуляций.

Современная биотехнология родилась на стыке нескольких наук. Она опирается на теоретические и методические положения микробиологии, биохимии, генетики, молекулярной биологии, а также использует достижения органической, неорганической и аналитической химии, процессы и аппараты химической и пищевой промышленности.

Условно можно выделить несколько направлений полезной для человека деятельности микроорганизмов.

1. Наращивание клеточной массы, которая представляет собой продукт (получение пекарских дрожжей, производство белково-витаминного концентрата, многих вакцин).

2. Производство продуктов микробного биосинтеза, к числу которых относятся антибиотики, гормоны, ферменты, аминокислоты, витамины красители и др.

3. Биотрансформация – процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или их ферментов происходит изменение химического состава исходного вещества (получение стероидных гормонов).

4. Очистка окружающей среды от загрязняющих ее веществ (очистка воды, переработка твердых и жидких отходов, нейтрализация химических стоков и газовых выбросов и т.д.).

5. Производство энергоносителей (биогаза, этанола).

6. Выщелачивание, то есть перевод в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых телах (выщелачивание из руд ценных металлов - меди, цинка, урана и др.).

По сравнению с химическими технологиями биотехнологии имеют следующие основные преимущества:

- возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, часть из которых (белки, ДНК) еще не удается получить путем химического синтеза;

- проведение биотехнологических процессов при относительно невысоких температурах и давлениях;

- высокая скорость роста микроорганизмов, во много раз превышающая скорость роста животных и растений;

- в качестве сырья в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

- биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;

- как правило технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дешевы.

  Производство аминокислот и белка

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60-120 г полноценного белка, в рационе сельскохозяйственных животных на каждую кормовую единицу нужно не менее 110 г белка.По прогнозам к2050 году население Земли возрастет до 10 млд человек, и для обеспечения его потребности в продукции сельского хозяйства нужно будет увеличить объемы производства на 75%. Традиционными методами этого достичь нельзя. Потребности в белковых продуктах можно удовлетворить, используя микроорганизмы, которые на 50% состоят из белка. Например, в ферментере объемом 300 м³ за сутки можно выработать 1 т микробного белка (365 т в год). Чтобы такое же количество белка выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь 30000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например, горох, то потребуется иметь поле площадью 5400 га. Для производства белка можно выращивать бактерии, дрожжи и микроводоросли. Известны попытки использования биомассы мицелиальных грибов рода Fusarium, на основе которых производят пищевой продукт микопротеин. Для вкуса и цвета в него вводят специальные пищевые добавки. В качестве пищевых добавок используются препараты из пивных и пищевых дрожжей. Белок микробного происхождения добавляется в пищу человека только в очищенном от примесей виде.

Требования к белкам микробного происхождения, добавляемым в корм животным, не такие высокие. Белки хорошего состава можно получить из культивируемых дрожжей. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат, содержащий до 60% белковых веществ. Вместе с тем в кормовых дрожжах встречаются вредные примеси, поэтому дрожжевой белок добавляется в корма животных ограниченно – не более 5-10% от сухой массы корма. Известно более 30 видов бактерий, которые также могут быть использованы в качестве источника полноценного кормового белка. За счет высокого содержания белка добавление 1 т БВК в корма обеспечивает экономию 7 т фуражного зерна и дополнительное производство 800 кг свинины или 5 т мяса птицы. Микробы-производители белка могут расти на различных достаточно дешевых средах (метанол, этанол, природный газ, нефтепродукты). Наиболее продуктивным сырьем для получения микробного белка следует считать клетчатку, причем преимущественно используются отходы сельского хозяйства: подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки, солома и др.

В рационе человека и животных имеет большое значение не только количество белка, но и его состав. Белки состоят из отдельных звеньев – аминокислот. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все составляющие белок аминокислоты из углекислоты, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут производить некоторые аминокислоты, которые называются незаменимыми. Это валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Эти аминокислоты должны поступать в организм в готовом виде с пищей, их отсутствие вызывает тяжелые заболевания у человека и снижение продуктивности сельскохозяйственных животных. Например, в зерне пшеницы недостаточно лизина, а в зерне кукурузы – лизина, триптофана и треонина. Внесение в корма лизина высвобождает фураж и увеличивает объем мясной продукции: на 1 т лизина высвобождается 40-50 т фуражного зерна и получается дополнительно более 10 т мяса.

Найдены микроорганизмы, в которых синтез отдельных аминокислот происходит достаточно активно. На их основе разработаны технологии производства незаменимых аминокислот. Среди соединений, получаемых биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства (более 500 тыс.т в год). Больше всего производится глутаминовой кислоты (глутамат натрия) и лизина. Помимо применения в качестве пищевых добавок аминокислоты используются в медицине для лечения ряда заболеваний, а также в пищевой промышленности. В таблице 1 указаны области применения некоторых производимых микроорганизмами аминокислот.

Таблица 1. Практическое использование некоторых аминокислот.