5.3. Доказательства генетической связи между про- и эукариотами

У анаэробных организмов распад глюкозы происходит в результате брожения: каждая молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пирувата в процессе, который называют гликолизом, при этом клетка получает две фосфатные связи. При бактериальном брожении пируват в результате процесса, пируват в результате процесса, не поставляющего клетке энергию в пригодной для использования форме, превращается в такие продукты как молочная кислота или этиловый спирт, плюс двуокись углерода. Все эти продукты выделяются в виде отходов (рис. 5.2).

Метаболизм аэробных организмов осуществляется при помощи дыхания. Он начинается с гликолиза глюкозы, но пируват выступает при этом как субстрат для дальнейшего ряда реакций, составляющих цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты или цикл Кребса) (рис. 5.3). Сходство первого этапа дыхания эукариот с бактериальным гликолизом столь велико, что невозможно считать это простым совпадением. Предположение же о эволюционной связи этими группами организмов позволяет легко объяснить это сходство.

Дополнительные аргументы в пользу такого предположения дает изучение метаболизма эукариотических клеток в бескислородных условиях. Например, мышечным клеткам при продолжительном напряжении может потребоваться больше кислорода, чем могут поставить легкие и кровь. В условиях кислородной задолженности клетка получает энергию в процессе гликолиза, а молочная кислота транспортируется в печень, где восстанавливается до глюкозы (рис. 5.4). Такое использование молочной кислоты, возможно, представляет собой рудимент более раннего бактериального пути. В сущности, мышечная клетка, оказавшись в состоянии кислородного голодания, возвращается к более примитивной, полностью анаэробной форме метаболизма.

В настоящее время синтез большей части органического вещества на земном шаре обеспечивается зелеными растениями, цианобактериями и некоторыми простешими, осуществляющими процесс фотосинтеза при котором высвобождается кислород. При этом на Земле, существуют и другие формы фотосинтеза. Они встречаются у нескольких групп бактерий, и их значение в настоящее время невелико. Однако, возможно, что в прошлом они играли гораздо более важную роль. Эти несколько групп отличаются друг от друга составом пигментов, но их объединяет одно общее свойство - процесс фотосинтеза не сопровождается выделением кислорода и не может происходить в его присутствии. И если для синтеза хлорофилла "а" эукариот кислород необходим, то синтез бактериального хлорофилла он подавляет. Такой тип фотосинтеза мог возникнуть у примитивных бактерий только при отсутствии атмосферного кислорода. Аэробный фотосинтез является более поздним продуктом эволюции фотосинтетиков.

5.4. Особенности строения эукариотической клетки

.

Клеточные мембраны играют важную роль в силу того, что

- отделяют клеточное содержимое от внешней среды,

- регулируют обмен между клеткой и внешней средой,

- делят клетку на отсеки (компартменты), где происходят различные те или иные метаболические процессы,

- на мембранах протекают многие биохимические процессы, например, световые реакции фотосинтеза или реакции окислительного фосфолирования при дыхании),

- на мембранах располагаются рецепторные участки для распознавания внешних стимулов.

Липиды в мембранах представлены фосфолипидами (большая часть) (рис. 5.5), гликолипидами и стеролами (из последних чаще всего встречается холистерол, молекулы которого неполярны).

Современная жидкостно-мозаичную модель строения клеточной мембраны была предложена в 1972 г. Сингер и Николсон (Singer, Nicolson), работавшие в Калифорнийском университете. Согласно их представлениям белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нем как бы своеобразную мозаику (рис. 5.6). Картина приобрела динамичность: вместо застывшего трехслойного пирога появились белки-айсберги свободно плавающие в липидном море и иногда удерживаемые на месте микрофибриллами. Предполагается, что в белковых молекулах или между соседними белковыми молекулами имеются гидрофильные каналы или поры. Некоторые мембранные белки лишь частично погружены в мембрану, тогда как другие пронизывают всю его толщу.

Кроме белков-ферментов, специфических рецепторов, переносчиков электронов и т.п. в мембранах имеются гликопротеины (рис. 5.6.E). Их гликозильные группы имеют определенную конфигурацию, а основная их функция - распознавание внешних сигналов. Распознающие участки соседних клеток могут связываться друг с другом, обеспечивая тем самым сцепление клеток. С распознаванием связана деятельность и различных регуляторных систем, а также иммунный ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов.

Современная гипотеза строения клеточной мембраны суммирует следующие известные факты (Грин и др., 1990):

1) Различные типы мембран различаются по своей толщине, чаще всего встречаются мембраны 5-10 нм,

2) Мембрана - это липопротеиновые структуры. К некоторым липидным и белковым молекулам на внешней поверхности присоединены углеводные компоненты (гликозильные группы); углеводов в мембране от 2 до 10%.

3) Липиды спонтанно образуют бислой.

4) Мембранные белки выполняют различные функции.

5) Гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.

6) Две стороны одной мембраны могут отличаться друг от друга и по составу, и по свойствам.

7) Мембранные липиды и белки способны быстро диффундировать в латеральном направлении (в плоскости мембраны), если только они как-нибудь не закреплены. Липидные молекулы меняют своих соседей в среднем 106 раз в секунду.

Карион (Ядерный аппарат). Для всех эукариотных клеток характерно наличие ядра, состоящего из ядерной двухслойной оболочки, пронизанной порами, отделяющей кариоплазму от цитоплазмы, ядрышка, ядерного матрикса и хроматина, состоящего из ДНК, упакованного с помощью белков-гистонов в суперспирализованные структуры - хромосомы. Впрочем в интерфазе цикла деления клетки хроматин находится в частично диспергированном состоянии. Как правило в эукариотической клетке имеется одно ядро. Однако встречаются и многоядерные клетки (некоторые амебы, плазмодии, мышечные клетки многоклеточных животных). Однако ядра многоядерных форм морфологически и биохимически идентичны друг другу. Исключение составляет явление ядерного гетероморфизма, известное у трех групп одноклеточных: некоторые фораминиферы, динофлагеллаты и инфузории. Большинство протистологов явление гетероморфизма ядер относит к прогрессивной эволюции.

Форма ядер весьма разнообразна. Встречаются ядра шаровидные, элипсовидные, лопастные, веретенообразные, колпачковидные, продолговатые, ветвистые, колбасовидные и т.д.

Ядрышко - округлая структура внутри ядра, в которой происходит синтез рРНК. В ядрышке имеется особая область - плотная, с фибриллярной консистенцией. Такие участки ДНК называются ядрышковыми организаторами. В них содержится большое количество копий генов кодирующих рРНК. Центральную область ядрышка окружает менее плотная периферическая область содержащая гранулы. Здесь начинается сворачивание рРНК и сборка рибосом. Полностью этот процесс завершается в цитоплазме.

Цитоплазма состоит из гелеобразного основного вещества и находящихся в нем органелл. Кроме того, в ней присутствуют различные включения - запасные вещества и нерастворенные отходы метаболических процессов.

Основное вещество цитоплазмы - цитозоль содержит систему микрофиламентов, в остальном же он представляется прозрачным и бесструктурным. На долю воды в цитозоле приходится около 90%. Крупные молекулы - белки и в меньшей степени РНК, образуют коллоидные растворы: невязкие золи и соответственно вязкие гели. Например, эндоплазма Amoeba по своей консистенции ближе всего к гелю.

Одним из самых важных открытий, сделанных с помощью электронного микроскопа, было обнаружение сложной системы мембран, пронизывающей цитоплазму всех эукариотических клеток - эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Он состоит из уплощенных мембранных мешочков - цистерн, и подразделяется на шероховатый и гладкий (строение последнего больше напоминает трубочки, чем цистерны). Имея различное строение различные участки ЭПР выполняют различные функции.

В связи с чем мы снова возвращаемся к рассмотрению механизма трансляции. Белки, не имеющие специфической последовательности в начале полипептида, синтезируются свободными рибосомами в цитозоле для использования в этой клетке. В других случаях, когда имеется специфическая сигнальная последовательность, соответствующая специфическому рецептору на мембране шероховатого ЭПР, рибосома буквально "пришивается" к мембране (рис. 5.7). Рецептор образует канал по которому белок поступает в цистерны ЭПР. Внутри сигнальная последовательность отделяется от пептидной цепи, а белок приобретает свою третичную структуру. Транспортируются потом по ЭПР белок обычно претерпевает существенные изменения (фосфорилируется, превращается в гликопротеин). Обычный для белка путь - через шероховатый ЭПР в аппарат Гольджи.

Одной из главных функций гладкого ЭПР является синтез липидов. Так в эпителии кишечника в гладком ЭПР синтезируются липиды из жирных кислот и глицерола, всасывающихся в кишечнике, а затем передаются в аппарат Гольджи для экспорта.

Аппарат Гольджи - система цистерн и связанных с ними пузырьков. Основная функция - транспорт веществ и химическая модификация поступающих продуктов. На одном из концов стопки постоянно образуются новые цистерны путем слияния пузырьков, отпочковывающихся, вероятно, от ЭПР. Обычно белки, поступающие в аппарат Гольджи, являются гликопротеинами. Углеводные "антенны" служат маркерами, с помощью которых белки направляются строго по-своему назначению. Однако, каким образом аппарат Гольджи сортирует и распределяет молекулы в точности неизвестно.

Примером синтеза нужного организму вещества может служить работа ацинарной клетки поджелудочной железы (рис. 5.8).

Аппарат Гольджи участвует иногда и в секреции углеводов, например, при синтезе материала клеточной стенки у растений. В специализированных клетках аппарат Гольджи участвует в секреции слизи, воска, камеди и растительного клея. Кроме всего прочего в нем формируются лизосомы - мембранные мешочки, наполненные гидролитическими ферментами.

Микротрубочки - полые цилиндрические неразветвленные органеллы, диаметром около 24 нм. Их стенки построены из спирально уложенных глобулярных субъединиц белка тубулина. Растут микротрубочки с одного конца путем добавления тубулиновых субъединиц. Рост, по-видимому, может начаться лишь при наличии матрицы.

Центриоли - мелкие полые цилиндры расположенные парами. Каждая центриоль состоит из 9 триплетов микротрубочек. В начале деления ядра центриоли удваиваются, служа центрами организации веретена деления. Последнее также состоит из микротрубочек, которые регулируют расхождение хромосом.

Центриолям по структуре идентичны базальные тельца обнаруживаемые в основании ресничек и жгутиков. Вероятно, базальные тельца тоже действуют как центры организации роста микротрубочек, потому что ресничкам и жгутикам свойственно характерное расположение микротрубочек (9+2).

Микротрубочки участвуют так же в перемещении клеточных органелл. Причем, перемещения приостанавливаются, если повреждена система микротрубочек (например, колхицином).

Помимо перечисленных выше функций микротрубочки выполняют в клетке еще и пассивную структурную роль - эти длинные трубчатые, достаточно жесткие структуры образуют опорную систему клетки, своего рода цитоскелет. Отмечено, что животные клетки, в которых повреждена система микротрубочек, приобретают сферическую форму.

Микрофиламентами называются очень тонкие белковые нити (диаметром 5-7 нм), состоящие из белка актина. Нередко микрофиламенты образуют сплетения непосредственно под плазматической мембраной, а так же на поверхности раздела между подвижной и неподвижной цитоплазмой. Есть все основания считать, что микрофиламенты участвуют в эндо- и экзоцитозе. Одно не вызывает сомнения - микрофиламенты в клетке связаны с движением. Примером может служить относительно хорошо изученная сократительная система микроворсинок. В каждой микроворсинке содержатся пучки актиновых нитей, связанных с миозиновыми нитями в основании микроворсинки. Сокращение длины микроворсинок происходит в результате скольжения актиновых нитей вдоль миозиновых, т.е. при помощи механизма, напоминающего работу мышц.

Хондрион (Митохондриальный аппарат). Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках. Эти органеллы - главное место аэробной дыхательной активности клетки. Числи митохондрий в клетке, их размеры и форма сильно варьируют. Они могут быть округлыми, спиральными, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными. Митохондрии являются чрезвычайно лабильными органеллами, их структура зависит от функционального состояния клеток. У многоклеточных животных выявлена корреляция ультраструктуры митохондрий (количество крист, плотность матрикса и содержимого крист) с интенсивностью дыхания и окислительного фосфорилирования.

Каждая митохондрия окружена двумя мембранами (рис. 5.9). Кристы - выпячивания внутренней мембраны, весьма существенно увеличивают ее поверхность, обеспечивая место для размещения мультиферментных систем и облегчая доступ к ферментам находящимся в митохондриальном матриксе. На внутренней стороне внутренней мембраны обнаружены особые "элементарные частицы", состоящие из головки, ножки и основания, полностью погруженного в мембрану. Головка частицы ответственная за синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщину мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Механизм сложной и слаженной работы ферментов дыхательной цепи до конца не выяснен. Наибольшее число сторонников имеет хемиосмотическая гипотеза сопряжения окисления и фосфорилирования, известная как гипотеза Митчела. Согласно этой гипотезе на мембранах митохондрий имеется два потока протонов. Энергия окисления, сопровождаясь переносом электронов по цепи дыхательных ферментов, приводит к выкачиванию протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство и возникновению разности потенциала на внутренней митохиндриальной мембране. Химическая энергия переходит в электрическую из-за трансмембранного градиента протонов. Синтез АТФ происходит на другой ферментной системе, локализованной в АТФ-синтетазном комплексе "грибовидного тела". При этом выравнивается градиент протонов и выделяется энергия, идущая на синтез АТФ из АДФ и фосфата. Хотя многое в механизме окислительного фосфорилирования остается пока непонятным, хемиосмотическая гипотеза объяснила основные факты митохондриальной биохимии.

Ультраструктура митохондриальных крист является их наиболее стабильной морфологической характеристикой. Выделяют два основных типа крист: пластинчатые и трубчатые. В клетках многоклеточных растений и животных, как правило, пластинчатые кристы. Трубчатые кристы свойственны диатомовым и бурым водорослям, миксомицетам, большинству амеб и инфузориям.

Характерной особенность митохондрий является наличие в этих органеллах митохондриальной ДНК, РНК и рибосом, а также ряда не очень крупных белков. Митохондриальная ДНК несет информацию о структуре приблизительно 30 белков. Этого однако недостаточно для функционирования митохондрий. Современные представления о взаимодействии между митохондрией и геномом ядра клетки в процессе сборки митохондрий суммированы на рисунке 5.10.

Пластидон (Фотосинтетический аппарат). У эукариотических организмов фотосинтез происходит в особых органеллах - хлоропластах. Они рассеяны в цитоплазме и их число варьирует от одного (у Chlorella) примерно до ста (в полисадных клетках мезофилла).

Зрелые хлоропласты образуются из небольших недифференцированных телец, окруженных двойной мембраной и называемых пропластидами. Внутри хлоропластов находится разветвленная система мембран, погруженных в строму. Вся эта система состоит из множества плоских, заполненных жидкостью мешков, называемых тилакоидами, которые местами уложены в стопки - граны, соединенные друг с другом ламеллами (рис. 5.10). В мембранах находятся хлорофилл и другие пигменты, ферменты и переносчики электронов. Здесь на мембранах протекает световая реакция фотосинтеза.

В строме происходит темновая реакция фотосинтеза. По своему строению строма напоминает гель. В ней находятся растворенные ферменты, в том числе все ферменты цикла Кальвина.

Одной из интереснейших особенностей хлоропластов является наличие у них белоксинтезирующего аппарата, а с 60-ых годов нам известно и о наличие в них собственной ДНК.

Список литературы

Вилли К., Детье В. Биология. - М.: Мир, 1974. - 823 с.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. - М.: Мир, 1982. - Т. 2. - 440 с.

Основы общей биологии. - М.: Мир, 1982. - 440 с.

Лекция 6

Происхождение эукариотических организмов