Строение клетки протистов

4.4. ПЛАСТИДЫ

фоторецептор и позволяет клетке осуществлять фототакси сы (детальнее о строении фоторецептора см. стр. 290). Глазки могут располагаться и вне хлоропласта, однако и в этом случа е они находятся у основания жгутика, как у эустигматофитовы х.

4.4.4. Пигменты

Основными пигментами хлоропластов являются хлорофиллы7 à, b è ñ, которые находятся на мембране тилакоидов. Хлорофилл c (или хлорофиллид) встречается в трех формах: c1, c2 è c3. Для разных групп фототрофных протистов характерны определенные наборы хлорофиллов. В хлоропластах зеленых во - дорослей и эвгленовых содержатся хлорофиллы a+b, у красных водорослей – только хлорофилл à, подавляющее большинство остальных фототрофных протистов имеет хлорофиллы a+c.

Вторичные пигменты у водорослей гораздо более многообразны. Они располагаются в пластидах, часто бывают связан ы с основными пигментами, принимая активное участие в фотосинтезе. В больших концентрациях вторичные пигменты могут маскировать зеленый хлорофилл и придавать хлороплас там разнообразную окраску – от желто-зеленой до красновато-ко - ричневой. Все многообразие вторичных пигментов может быт ь распределено по трем группам: фикобилины, каротины и ксан - тофиллы (табл. 6). Фикобилины встречаются только у криптомонад, красных водорослей, глаукофитовых и цианобактерий (прокариоты). Наиболее полный набор их имеется у цианобактерий и родофитовых. У глаукофитовых отсутствует фикоэритрин, а у криптофитовых – аллофикоцианин. Эти пигменты встречаются в двух формах – в виде фикобилисом на поверхности тилакоидов (цианобактерии, красные водоросли и глаукофиты) и в дисперсном состоянии внутри собранных попарн о тилакоидов (криптофитовые).

7Факт обнаружения у красных водорослей хлорофилла d, который вошел в учебную литературу, в дальнейшем не подтвердился. Этот ти п хлорофилла обнаружен пока только у прокариот.

241

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Обозначения к таблице 6 (стр. 242-243): ++ - важные пигменты, + - пигмент присутствует, +- - встречается редко, ? - данные отсутствуют, Dinophyta I – типичные динофитовые, Dinophyta II – динофитовые с эукариотичес кими симбионтами (преимущественно бурыми водорослями), Prochloroph yta включают только род Prochloron, который относится в настоящее время к Cyanobacteria. 1 – неизвестно, какой именно хлорофилл ñ, 2 –пигмент, подобный хлорофиллу ñ, обнаружен у 5 видов празинофитовых, 3 - встречается только у морских представителей таксона, 4 – отмечен у Pavlova.

4.4.5. Лейкопласты

Многие протисты, утратившие способность к фотосинтезу, со - хранили пластиды в измененном виде и часть пластидного ге - нома. Такие редуцированные пластиды называют лейкопластами. Наличие в них функционирующей ДНК указывает на то, что она содержит немало генов, которые не связаны напряму ю с биосинтезом белков фотосинтетических реакций.

Лейкопласты характерны для бесцветных (гетеротрофных) хризомонад. Они располагаются обычно в перинуклеарном

Рис. 4.74. Схема строения бесцветного хризофита

Anthophysa vegetans ñ

лейкопластом в перинуклеарном пространстве. (По: Belcher, Swale, 1972.) В лейкопласте (ле) видны глобулы глазка

(г). вз – вздутие в основании короткого жгутика, кж – короткий жгутик, м – митохондрия, пв – пищеварительная вакуоль, пн – перинуклеарное пространство, ож – опушенный жгутик, я – ядро.

244

4.4. ПЛАСТИДЫ

пространстве ядра, ограничены 1–2 мембранами, содержат иногда внутренние мембраны и пигментные гранулы, которые преставляют собой, по-видимому, остатки тилакоидов и глаз - ка (рис. 4.74).

Одним из вариантов лейкопласта следует считать, вероятно, так называемый апикопласт. Эта структура в виде довольно крупной вакуоли с гетерогенным содержимым была обнаружена у спорозоитов споровиков и долгое время не привлекала внимания. Однако сравнительно недавно в ядерной ДНК споровиков был обнаружен ген rbs, кодирующий малую субъединицу этого фермента. Кроме того, более детальные ультраструктурные исследования показали, что в оболочке апикопласта имеется 4 мембраны. Таким образом, предполагается, что апикопласт Apicomplexa – это редуцированный хлоропласт, близкий по последовательности нуклеотидов гена rbsS (малой субъединицы RUBISCO) к хлоропласту зеленых водорослей.

В последнее время, однако, больший вес при выяснении филогении хлоропластов имеют данные по последовательност и нуклеотидов у рибосомальных генов хлоропластной ДНК. Так, секвенирование генов АТФазы показывает, что апикопласт эволюционировал из пластид красных водорослей, а анализ полной последовательности нуклеотидов ДНК апикопласта позволяет предполагать, что он эволюционировал вне линии ра з- вития зеленых пластид и предположительно связан своим происхождением с хлоропластами динофитовых. Это предположение, однако, противоричит тому общеизвестному факту, что обе субъединицы гена rbs находятся в пластидном геноме у всех водорослей, за исключением зеленых, у которых ген ма - лой субъединицы находится в ядерном геноме. Поэтому, если бы апикопласт был связан своим происхождением с хлоропластами динофитовых, то его гены не были бы обнаружены в ядре.

По-видимому, хлоропласт мог редуцироваться во многих группах автотропных протистов и утратил способность к фо тосинтезу. Однако, несмотря на это, его гены все еще необходим ы клетке, т.к. они регулируют такие существенные процессы, как синтез аминокислот и утилизация липидов.

245

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

4.4.6. Проблема происхождения пластид

Происхождение пластид путем симбиогенеза в настоящее время общепризнано. В литературе идет обсуждение конкрет - ных путей приобретения пластид в той или иной группе авто - трофных эукариот.

На морфологическом уровне первая догадка о приобретении пластид в эволюции путем симбиогенеза возникает при срав - нении ультратонкого строения цианобактерий и хлоропластов красных водорослей (рис. 4.72). Действительно, легко представить, что сине-зеленые водоросли могут быть заглочены эук а- риотным гетеротрофом и перейти к симбиозу, находясь при э том в симбионтофорной вакуоли. Затем цианобактерия утрачивает клеточную стенку, интегрируется в клетке хозяина на биохи - мическом уровне и становится хлоропластом. Таким образом, наружную мембрану хлоропласта красных водорослей можно рассматривать как мембрану симбионтофорной вакуоли, а вн утреннюю мембрану – как бывшую плазмалемму цианобактерии. Внутреннее содержимое цианобактерии и хлоропласта крас ных водорослей почти идентично. Этот путь происхождения плас - тид подтверждается существованием современных глаукофитовых, в цитоплазме которых мы находим цианеллы – цианобактерии, находящиеся на разных стадиях интеграции в клет ку хозяина. На примере цианелл можно буквально проследить эт а- пы редукции клеточной стенки цианобактерий в разных вида х глаукофитовых.

Таким образом эукариоты, по-видимому, приобрели фотосинтезирующий аппарат, содержащий хлорофилл à. Приобретение других хлорофиллов объясняется двумя основными ги - потезами. 1) После обнаружения хлорофилла b у цианобактерии Prochloron (Lewin, 1986) был предложен путь приобретения хлорофилла b путем независимого симбиоза гетеротрофного предка зеленых водорослей и прохлорона. У зеленых водорослей в оболочке хлоропласта имеется всего 2 мембраны, поэтому ве сь процесс мог происходить так же, как у предков красных водо - рослей. Содержащие хлорофилл b эвгленовые водоросли могли получить его вступив в симбиоз с клеткой зеленых водоросл ей

246

4.4. ПЛАСТИДЫ

247

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

зеленых водорослей на основе генов 16S рРНК и некоторых белков.

Сравнительные исследования пластидного генома у водоро с- лей показывают, что он гораздо меньше бактериального, и большинство генов, отвечающих за синтез специфических белков фотосинтеза, находятся в ядерной ДНК. Таким образом, в процессе становления хлоропластов первоначальные симбионт ы оказывались все более зависимыми от хозяина и постепенно теряли способность жить вне клетки хозяина. К настоящему вр е- мени накопилось немало экспериментальных свидетельств передачи генов из пластид в ядро. Например, уже упоминавшийс я ген rbcS зеленых водорослей находится в ядре, тогда как у других водорослей – в пластидной ДНК; ген tufA, кодирующий фактор элонгации белкового синтеза хлоропластов, у всех в одорослей входит в состав пластидного генома, а у харофитовы х – в состав ядерной ДНК; у Cyanidium caldarium (одноклеточная эукариотная водоросль, близкая к родофитам) ген одной из субъединиц пластидной ДНК-полимеразы локализован в ядре ; а у глаукофита Cyanophora в ядерном геноме находится ген одного из важнейших белков фотосинтетических реакций ферр е- доксин-НАДФ-редуктазы.

Продукты биосинтеза этих генов образуются в цитоплазме и должны быть перенесены в конечном итоге в хлоропласт. Для этого необходимы специальные «направляющие» белки, которые бы транспортировали их из цитоплазмы именно в пластиды, а не в другие органеллы. Таким образом, процесс переноса генов из хлоропластов в ядро требует формирования в проце с- се эволюции дополнительных генов для этих направляющих белков, а также изменения самой системы импорта белков в х лоропласт. В настоящее время известно, что по меньшей мере часть пластидной системы импорта является модификацией систе мы мембранного транспорта цианобактерий.

Цианобактерии довольно часто заселяют цитоплазму эукри - отных клеток в качестве эндобионтов. Они обеспечивают фик - сацию углерода и азота, а также участвуют в метаболизме кл етки. Интересно, что азот-фиксирующие цианобактерии (иногда сильно видоизмененные) встречаются в цитоплазме имеющих

248

4.4. ПЛАСТИДЫ

пластиды клеток, например, диатомовых водорослей. Помимо протистов, цианобактериальные эндобионты найдены в клет - ках губок и некоторых грибов.

Поэтому неудивительно, что существует целый класс пресно - водных протистов (глаукофиты), содержащих в цитоплазме от 2 до нескольких клеток цианобактерий (цианелл). Фактически, цианеллы являются пластидами глаукофитов, однако они сохранили тонкую пептидогликановую клеточную стенку, ха - рактерную для свободноживущих цианобактерий. Строение и биохимические особенности клеточной оболочки цианелл, а также их внутреннее содержимое настолько сходны с этими х а- рактеристиками цианобактерий, что практически не возник а- ет сомнений, что цианеллы были приобретены в результате первичного акта симбиоза гетеротрофных предков глаукофитовых с цианобактериями. В то же время, цианеллы не культивируются отдельно от клетки хозяина, как это показано и для дру - гих пластид, а 90% белков цианелл Cyanophora кодируется в ядре. Таким образом, цианеллы все-таки являются хлоропластами. По ядерно-цитоплазматическим характеристикам глаукофиты близки криптомонадам. Об этом свидетельствуют дан - ные молекулярной филогении по последовательностям нуклеотидов генов 18S рРНК и хитшоковых белков.

По-видимому, в результате первичного эндосимбиоза с цианобактериями были приобретены пластиды глаукофитовыми и красными водорослями, причем, судя по полному отсутствию жгутиков у родофитов, эти события могли произойти независимо. Менее однозначно выглядит гипотеза приобретения пл а- стид таким же образом зелеными водорослями, т.к. их хлоропласты значительно отличаются от цианобактерий. Вполне вероятно, однако, что их пластиды являются производными ц и- анелл глаукофитовых.

4.4.7. Приобретение пластид в результате вторичного эндосимбиоза

Предположение о приобретении пластид в результате вторич- ного эндосимбиоза основано на том, что в оболочке пластид мно-

249

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

гих водорослей насчитывается более 2 мембран. Такие пластиды называются сложными и они, как было показано в предыдущей главе, характерны для динофитовых и эвгленовых, име - ющих 3 мембраны в оболочке пластиды, а также для всех охрофитов, хлорарахниофитов и криптофитовых, имеющих 4 мембраны. Наружная мембрана таких пластид обычно считается принадлежащей самой клетке, и интерпретируется как мембрана бывшей симбионтофорной вакуоли.

Редкие авторы относят к сложным пластидам также хлоропласты красных и зеленых водорослей, считая их результатом вторичного эндосимбиоза, в процессе эволюции утративших одну или 2 мембраны.

Наиболее веским доказательством приобретения сложных пластид путем эндосимбиоза с эукариотными водорослями считается наличие нуклеоморфа в перипластидном простра н- стве криптофитовых, хлорарахниофитовых и некоторых динофитовых.

Ультраструктурные исследования нуклеоморфа стимулировали его углубленное изучение молекулярными методами. Бы ло показано, что нуклеоморф криптомонад и Chlorarachnion содержит ДНК, организованную в 3 хромосомы. Хромосомы очень короткие (всего 380 000 оснований) и содержат несколько генов, кодирующих рРНК малой субъединицы, сплайсинговые белки, которые обеспечивают процесс считывания ДНК, некоторые рибосомальные белки и протеазы. Наличие этих генов и процесса считывания информации позволило предположить, что нуклеоморф является сильно редуцированным ядром эук а- риотной клетки. Другие гены, необходимые для функционирования пластид, были перенесены в ядро клетки хозяина. Таким образом, синтезируемые в цитоплазме клетки белки пластид должны преодолеть 4 мембраны, чтобы попасть в хлоропласт на место своей окончательной локализации.

Сравнение сиквенсов генов нуклеоморфа, ядра клетки и пластид, а также состав пигментов и морфологические данные показывают, что сложные пластиды хлорарахниофитов и криптомонад приобретены независимо. Пластиды хлорарахн и- офитов получены в результате симбиоза амебы с зелеными во-

250