Молекулярная биология клетки. Том 1

481

Рис. 7-60. Поток электронов в относительно примитивной схеме нециклического фотосинтеза у современных зеленых серных бактерий. Фотосистема зеленых бактерий сходна с фотосистемой I растений и цианобактерий тем, что в ней тоже используется ряд железо-серных центров, которые служат первичными акцепторами электронов и затем отдают свои высокоэнергетические электроны ферредоксину (Ф).

на NADP+ , создавая тем самым восстановительную силу, необходимую для фиксации углерода (рис. 7-60). Так как электроны, отнятые от H2S, обладают гораздо более отрицательным редокс-потенциалом, чем электроны в молекуле воды ( — 230 и +820 мВ соответственно), одного кванта света, поглощенного единственной имеющейся у этих бактерий фотосистемой, достаточно, чтобы достигнуть редокс-потенциала, необходимого для образования NADPH при участии сравнительно простой электронтранспортной цепи.

7.4.4. Первый атмосферный кислород был, вероятно, продуктом более сложных фотосинтетических электронтранспортных цепей цианобактерий [44]

На следующем этапе, который, как полагают, начался примерно 3 млрд. лет назад с появления цианобактерий, возникли организмы, способные использовать воду как источник водорода для восстановления СО2. Это привело к развитию второй фотосистемы, включенной последовательно с первой, что позволило преодолеть большой разрыв в редокс-потенциалах Н2О и NADPH. Структурные гомологии между современными фотосистемами дают основание предполагать, что здесь объединились две фотосистемы, одна из которых ведет свое происхождение от зеленых бактерий (фотосистема I), а другая - от пурпурных бактерий (фотосистема II). Этот эволюционный шаг имел далеко идущие биологические последствия. Впервые появились организмы, обладавшие минимальными потребностями в химических веществах окружающей среды, и эти организмы могли распространяться и эволюционировать по путям, недоступным для более примитивных фотосинтезирующих бактерий, которые нуждались в H2S и органических кислотах как донорах электронов. В результате накопилось большое количество восстановленного органического материала, синтезированного живыми клетками. Кроме того, впервые в атмосферу стал поступать молекулярный кислород.

Кислород весьма токсичен, так как он может инактивировать ферменты, окисляя их. Например, многие из ныне существующих анаэробных бактерий быстро погибают при контакте с воздухом. Поэтому организмы древней Земли должны были выработать средства защиты от возрастающих концентраций О2 в окружающей среде. Существа, по-

482

Рис. 7-61. Связь между содержанием кислорода в атмосфере и некоторыми из важнейших гипотетических этапов эволюции жизни на Земле. Судя по геологическим данным, между возникновением цианобактерий (которые, видимо, были первыми организмами, выделявшими кислород) и началом быстрого повышения концентрации кислорода в воздухе прошло больше миллиарда лет. Такая «задержка» объясняется главным образом наличием большого запаса растворенных в океане ионов закисного (двухвалентного) железа, которые вступали в реакцию с выделявшимся кислородом, что привело к образованию огромных отложений железа в окисной форме.

явившиеся на поздних этапах эволюции, обладают многочисленными механизмами, предохраняющими их ферменты от вредного воздействия кислорода.

Вначале уровень кислорода в атмосфере повышался очень медленно. Первобытные моря содержали большие количества ионов двухвалентного железа (Fe II), и почти весь кислород, выделяемый ранними фотосинтезирующими бактериями, использовался на превращение Fe II в Fe III. что привело к осаждению огромного количества окислов железа. Обширные «полосчатые железные формации», образование которых началось примерно 2,7 млрд. лет назад, помогают определить время интенсивного развития цианобактерий. Около 2 млрд. лет назад запасы двухвалентного железа истощились и отложение железосодержащих осадков прекратилось, после чего, судя по геологическим данным, содержание кислорода в атмосфере стало повышаться и достигло современного уровня где-то в период от 0,5 до 1,5 млрд. лет назад (рис. 7-61).

Наличие кислорода сделало возможным возникновение бактерий, способных синтезировать АТР за счет аэробного метаболизма; эти бактерии могли использовать большое количество энергии, высвобождаемое при полном расщеплении углеводов и других восстановленных органических молекул до СО2 и Н2О. В результате модификации некоторых компонентов существовавших ранее электронтранспортных комплексов образовалась цитохромоксидаза, благодаря чему электроны, извлекаемые из органических и неорганических субстратов, могли передаваться на О2 как конечный акцептор электронов. Многие из современных пурпурных фотосинтезирующих бактерий способны переключать метаболизм с фотосинтеза на дыхание и обратно в зависимости от того, какой источник энергии более доступен - свет или кислород; такое переключение связано у них с поразительно малыми изменениями в электронтранспортной цепи.

По мере накопления органического материала в результате фотосинтеза некоторые фотосинтезирующие бактерии (в том числе предшественники Е. coli) утратили способность существовать только за счет лучистой энергии и полностью перешли на дыхательный метаболизм. Полагают, что митохондрии впервые появились 1,5 млрд. лет назад, когда такие «дышащие» бактерии стали эндосимбионтами в примитивных эукариотических клетках (см. разд. 7.5.16). Позднее потомки ранних аэробных эукариотических клеток поглотили путем эндоцитоза какую-то фотосинтезирующую бактерию, которая и стала предшествен-

483

Рис. 7-62. Филогенетическое древо возможной эволюции митохондрий, хлоропластов и их бактериальных предков. Полагают, что кислородное дыхание стало развиваться примерно 2 млрд. лет назад. Как видно из рисунка, такое дыхание, вероятно, независимо возникло в трех линиях фотосинтезирующих прокариот - у зеленых, пурпурных и синезеленых бактерий. По-видимому, какая-то форма аэробных пурпурных бактерий, утратившая способность к фотосинтезу, дала начало митохондриям, тогда как несколько различных синезеленых бактерий были предками хлоропластов. Детальный анализ нуклеотидных последовательностей показывает, что митохондрии скорее всего произошли от бактерий, напоминающих современные ризобактерии, агробактерии и риккетсии - три родственные группы, представители которых вступают в тесные ассоциации с современными эукариотическими клетками (см. разд. 20.3.2 и 20.3.3).

ником хлоропластов. Однако уникальность хлоропластов у различных водорослей указывает на независимую эволюцию хлоропластов у разных групп организмов. На рис. 7-62 показаны некоторые из предполагаемых эволюционных путей, рассмотренных выше.

Эволюция всегда консервативна - все новое создается на основе какой-то части уже существующего. Например, некоторые участки электронтранспортной цепи, служившей анаэробным бактериям три миллиарда лет назад, вероятно, вошли в измененном виде в соответствующие цепи митохондрий и хлоропластов высших эукариот. Примером может служить поразительная гомология между структурой и функцией ферментных комплексов в среднем участке митохондриальной дыхательной цепи (комплекс b-с1) и определенными участками электронтранспортной цепи бактерий и хлоропластов (рис. 7-63).

Заключение

Как полагают, древнейшие клетки представляли собой организмы, сходные с бактериями, и жили в среде, богатой восстановленными органическими молекулами, образовавшимися в ходе геохимических процессов на протяжении сотен миллионов лет. Эти организмы, вероятно, получали почти весь свой АТР путем превращения восстановленных соединений в различные органические кислоты, которые выводились, как отходы, в окружающую среду. Процессы брожения привели к закислению среды, в связи с чем, возможно, и возник первый протонный насос, связанный с мембраной, при помощи которого внутри клетки поддерживалась нейтральная реакция. Особенности современных бактерий указывают на

484

Рис. 7-63. Сравнительные схемы трех электронтранспортных цепей, подробно рассмотренных в этой главе. Бактерии и хлоропласты содержат связанный с мембраной ферментный комплекс, очень сходный с аналогичным комплексом b-cl митохондрий. Все эти комплексы принимают электроны от хинона (Q) и перекачивают протоны через соответствующие мембраны. Более того, в системах, реконструированных in vitro, различные комплексы могут заменять друг друга, а анализ аминокислотных последовательностей их белковых компонентов показывает, что эти белки эволюционно родственны.

то, что протонный насос, использующий энергию переноса электронов, и протонный насос, функционирующий за счет энергии гидролиза АТР, возникли в этих анаэробных условиях. Обратимость функционирования позволила АТР-зависимому протонному насосу действовать в роли АТРсинтетазы. Поэтому по мере создания более эффективных электронтранспортных цепей энергия, высвобождаемая при окислительновосстановительных реакциях между неорганическими молекулами, могла использоваться для синтеза АТР.

Размножение бактерий, использовавших в качестве источника углерода и восстановителей предобразованные органические молекулы, не могло продолжаться долго, так как этот источник пополнялся в результате геохимических процессов очень медленно. Истощение запасов сбраживаемых органических веществ, вероятно, привело к возникновению бактерий, способных создавать углеводы из СО2. Используя уже имевшиеся у них части электронтранспортной цепи, фотосинтезирующие бактерии улавливали с помощью своей единственной фотосистемы лучистую энергию и направляли ее на синтез NADPH, необходимый для фиксации углерода. Последующее появление более сложной фотосинтезирующей цепи переноса электронов у цианобактерий дало возможность использовать в качестве донора электронов при образовании

NADPH воду,

485

а не другие более редкие доноры электронов, необходимые остальным фотосинтезирующим бактериям. При этом в результате распространения жизни на обширных пространствах снова аккумулировались восстановленные органические вещества. Кислород, высвобождаемый благодаря фотосинтезу цианобактерий, стал накапливаться в атмосфере примерно 2 млрд. лет назад. При обилии кислорода и органических молекул электронтранспортные цепи адаптировались для переноса электронов с NADH на кислород и у многих бактерий выработался эффективный аэробный метаболизм. Точно такой же аэробный метаболизм характерен для митохондрий эукариотических клеток, и уже есть убедительные данные в пользу того, что митохондрии и хлоропласты - это потомки аэробных бактерий, поглощенных примитивными эукариотическими клетками путем эндоцитоза.

7.5. Геномы митохондрий и хлоропластов [45]

По мере роста и деления клеток в их цитоплазме должны образовываться новые органеллы. В неделящихся клетках тоже происходит непрерывное обновление органелл - вместо распадающихся образуются новые. Для этого требуется регулируемый синтез необходимых белков и липидов с последующей доставкой каждого компонента в надлежащий участок органеллы. В гл. 8 уже рассматривался перенос определенных белков и липидов, синтезированных вне органелл, в митохондрии и хлоропласты, а здесь речь пойдет о вкладе этих органелл в их собственный биосинтез.

В биосинтезе белков митохондрий и хлоропластов участвуют две различные генетические системы. Хотя большая часть этих белков кодируется ядерной ДНК и переходит в органеллу после того, как они были синтезированы на рибосомах цитозоля, некоторые белки кодируются собственной ДНК органеллы и синтезируются на рибосомах внутри самой органеллы. Видимо, перенос белков осуществляется только в одном направлении - из цитозоля в органеллы; во всяком случае такие белки, которые переходили бы в цитозоль из митохондрий или хлоропластов, не известны.

Рис. 7-64. Обобщенная схема синтеза белков, содержащихся в митохондриях и хлоропластах. Толстыми стрелками указаны места воздействия ингибиторов, специфически подавляющих белковый синтез либо в митохондриях, либо в цитозоле.

488

Таблица 7-3. Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях

ДНК энергетических органелл может быть намного больше (табл. 7-3); в них осуществляется также и большая доля всего клеточного синтеза РНК и белков.

7.5.3. Митохондрии и хлоропласты обладают полноценной генетической системой [48]

Несмотря на небольшое число белков, кодируемых генами митохондрий и хлоропластов, эти органеллы осуществляют репликацию и транскрипцию своей ДНК и белковый синтез. Эти процессы протекают в матриксе митохондрий и строме хлоропластов. Хотя белки, участвующие во всех этих процессах, специфичны для органелл, большая часть их кодируется ядерным геномом (разд. 7.5.17). Это тем более удивительно в связи с тем, что весь аппарат белкового синтеза в органеллах сходен с бактериальным, а не с эукариотическим. У хлоропластов это сходство особенно велико:

1.Рибосомы хлоропластов очень напоминают рибосомы Е. coli как по своей чувствительности к различным антибиотикам (хлорамфениколу, стрептомицину, эритромицину, тетрациклину и др.), так и по структуре. При этом не только поразительно сходны нуклеотидные последовательности рибосомных РНК хлоропластов и Е. coli, но рибосомы хлоропластов способны использовать тРНК бактерий при синтезе белка. Во всех этих отношениях рибосомы хлоропластов отличаются от рибосом, находящихся в цитозоле растительных клеток.

2.Синтез белка в хлоропластах начинается с N-формилметионина, как и у бактерий, а не с метионина, как в цитозоле эукариотических

клеток.

3.ДНК хлоропластов в отличие от ядерной ДНК может транскрибироваться с помощью РНК-полимеразы из Е. coli с образованием хлоропластных мРНК, которые эффективно транслируются белок-синтезирующей системой Е. coli.

Хотя у митохондрий генетические системы гораздо менее сходны с аналогичными системами современных бактерий, чем у хлоропластов,

489

митохондриальные рибосомы тоже чувствительны к противобактериальным антибиотикам, а белковый синтез в митохондриях начинается с N- формилметионина.

7.5.4. Геном хлоропластов высших растений содержит около 120 генов [49]

Гены хлоропластов наиболее изучены у растений и зеленых водорослей, у которых эти органеллы очень сходны. Геном хлоропласта представляет собой кольцевую молекулу ДНК; в настоящее время определена его полная нуклеотидная последовательность у табака и одного печеночника. Полученные данные говорят о том, что гены хлоропластов этих очень отдаленно родственных высших растений практически идентичны. Помимо четырех рибосомных РНК эти геномы кодируют около 20 рибосомных белков, некоторые субъединицы хлоропластной РНКполимеразы, несколько белков, входящих в состав фотосистем I и II, субъединицы АТР-синтетазы, части ферментных комплексов электронтранспортной цепи, одну из двух субъединиц рибулозобисфосфат-карбоксилазы и 30 тРНК (рис. 7-69). Кроме того, последовательность ДНК, повидимому, кодирует еще по меньшей мере 40 белков с невыясненной функцией. Удивительно, что все известные белки, кодируемые в хлоропластах, входят в состав больших ферментных комплексов, которые содержат также одну или несколько субъединиц, кодируемых ядерным геномом. Возможные причины этого будут рассмотрены позже (разд. 7.5.17).

Поражает сходство хлоропластного и бактериального геномов. Основные регуляторные последовательности, такие как промоторы и терминаторы транскрипции, в обоих геномах фактически идентичны. Белки, кодируемые в хлоропластах, очень похожи на бактериальные, а некоторые группы генов с близкими функциями (например, кодирующие белки рибосом) организованы одинаково в геномах хлоропластов, Е. coli и цианобактерий.

Для того чтобы проследить цепь эволюции от бактерий до хлоро-

Рис. 7-69. Организация генома хлоропласта у печеночника. Для этого генома определена полная нуклеотидная последовательность. У всех высших растений организация хлоропластных геномов очень сходна, размеры кольцевой молекулы ДНК варьируют от вида к виду в зависимости от того, какая часть ДНК вокруг генов, кодирующих рибосомные РНК 16S и 23S, представлена двумя копиями.

490

пластов, потребуются детальные сравнения гомологичных нуклеотидных последовательностей, но некоторые выводы можно сделать уже сейчас:

1)хлоропласты высших растений произошли от фотосинтезирующих бактерий;

2)геном хлоропластов остается почти неизменным уже по меньшей мере несколько сот миллионов лет (именно столько лет назад, повидимому, разошлись пути эволюции печеночников и табака);

3)многие из генов исходной бактерии можно сейчас идентифицировать в ядерном геноме, в который они были перенесены и сохранились до настоящего времени. Например, хотя у высших растений белки рибосом в хлоропластах родственны бактериальным белкам и сами эти рибосомы сходны с рибосомами бактерий, две трети из примерно 60 белков хлоропластных рибосом кодируются в ядре клетки.

7-34

7.5.5. Геном митохондрий имеет ряд поразительных особенностей [50]

Геном хлоропластов не был первым полностью расшифрованным геномом органелл. Первым оказался митохондриальный геном человека: относительно малые размеры сделали его особенно привлекательным объектом для молекулярных генетиков, вооруженных новейшей методикой секвенирования ДНК (см. разд. 4.6.6), и в 1981 г. была опубликована полная последовательность этого генома, состоящая из 16569 пар нуклеотидов. Сопоставляя ее с известными нуклеотидными последовательностями тРНК и частичными аминокислотными последовательностями белков, кодируемых генами митохондрий, удалось определить на кольцевой молекуле ДНК локализацию всех этих генов (рис. 7-70). По сравнению

сгеномами ядра, хлоропластов и бактерий митохондриальный геном человека имеет несколько поразительных особенностей:

1)здесь в отличие от других геномов практически каждый нуклеотид входит в состав кодирующей последовательности либо для белка, либо для одной из рРНК или тРНК. Поскольку эти кодирующие последовательности переходят непосредственно одна в другую, для регуляторных последовательностей ДНК остается очень мало места;

2)если в цитозоле имеется по меньшей мере 31 тРНК для различных аминокислот, а в хлоропластах - 30 тРНК, то в митохондриях для осуществления белкового синтеза используются всего 22 тРНК. В митохондриях обычные правила спаривания кодонов с антикодонами со-

Рис. 7-70. Организация митохондриального генома человека, установленная в результате определения полной нуклеотидной последовательности ДНК. Геном содержит два гена рРНК, 22 гена тРНК и 13 участков, кодирующих белки. Определены также полные последовательности молекул ДНК митохондриальных геномов коровы и мыши, которые содержат те же гены и организованы сходным образом.