Науки о жизни
0

Симбиогенез. В начале была клетка.

by editorИюнь 7, 2015

 

Вот они движутся в моей цитоплазме, дышат для нужд моего тела, но они — чужие. Мне жаль, что я не могу познакомиться с моими митохондриями поближе. Когда я сосредоточусь, я могу представить, что ощущаю их; не то чтобы я чувствовал, как они извиваются, но время от времени я воспринимаю какой-то трепет. Я не могу отделаться от мысли, что если бы я знал больше о том, как они достигают такой гармонии, я бы по-другому понимал музыкуЛ.Томас

Вот она клетка, обычная эукариотическая клетка. Перед вами, во всем своем многообразии, но неизменная в своей сути. Вы, я, ваши близкие и прошедшие мимо незнакомцы, 13 рыбок и 5 хомяков из вашего детства, плавающие в луже инфузории и зеленеющий на подоконнике куст алоэ, все они состоят из этих клеток. Мы говорим об эукариотах на уроках биологии в школе, говорим в универе, но не слишком часто задумываемся, как же клетки эти в той самой, привычной для нас комплектации появились на свет.
На данный момент, основополагающей теорией, дающей на это ответ, является теория эндосимбиогенеза. Впервые, эндосимбиотическое происхождение хлоропластов, предположил в 1883 году А. Шимпер, который проследил и продемонстрировал их саморепликацию внутри клетки. Сам же термин, в 1905 году, предложил отечественный ученый К. С. Мережковский. А в 1907 году Фамицин представил первую, детально сформулированную теорию эндосимбиогенеза и основанную на ней принципиально новую концепцию органического мира. Затем, на несколько десятков лет о теории забыли, а вторую жизнь она получила в 1960х годах, благодаря Линн Маргулис.

Margulis, Lynn (hi-res)

Линн Маргулис ( 1938-2011), американский биолог, создатель теории симбиогенеза

По словам Линн Маргулис, в процессе эндосимбиогенеза «все наборы генов, даже целые организмы со своим геномом, принимаются и сливаются в другой». То есть, сливаясь, две клетки формируют качественно отличную разновидность. Это и заставляет эволюционистов предполагать, что симбиогенез явился одним из основных процессов видообразования.

Принято считать, что много миллионов лет назад, в докембрии обитали примитивные прокариоты, энергетические запасы которых пополнялись в процессе брожения. Предположительно, клеточные стенки их были очень тонкими, либо отсутствовали вовсе, а имели они лишь плазматическую мембрану. Это и поспособствовало проникновению аэробных бактерий-симбионтов. Цитоплазма клеток-хозяев обеспечивала им питательную среду, те в ответ обеспечивали клетку энергией, увеличивая эффективность клеточного дыхания во много раз. Со временем клетки-симбионты и превратились в клеточные органеллы – митохондрии в том виде, в котором мы их знаем. В настоящее время, предполагается, что и клеточное ядро, и пластиды автотрофов имеют подобное происхождение. Ранее считалось, что и жгутики имеют симбиотическую природу, происходя от спирохет. Но никаких специфичных белков, общих со спирохетами не было найдено. На сегодняшний день, наиболее обоснованным является симбиотическое происхождение митохондрий, поэтому речь сейчас пойдет о них.

На чем же основаны подобные, меняющие концепцию возникновения жизни, взгляды? Для того чтобы в этом разобраться, стоит вспомнить некоторые основы цитологии.

От бактерий до органелл

image2

 

Прежде всего, немного поговорим о различиях прокариот и эукариот. Представителями первых являются бактерии, архебактерии и цианобактерии. К эукариотам принято относить царства растений, животных и грибов. Главным особенностью, которая и позволяет разделить эти два царства, является ядро. Прокариоты, или доядерные организмы, как уже ясно из названия, ядра не имеют. Их кольцевая ДНК расположена прямо в цитоплазме и практически не имеет связей с белками. Эукариоты ядро имеют, а линейные молекулы ДНК, в нем расположенные, в совокупности с белками-гистонами формируют хромосомы. Другой важной особенностью является различие процессов размножения. Так, прокариоты  обычно размножаются бинарным делением, а эукариоты в процессе мейоза или митоза. Набор органелл первых представлен мелкими рибосомами (70s), в то время как клетки имеющие ядро содержат и другие компоненты. Одними из самых важных составных частей эукариотической клетки, обеспечивающими ее энергетические нужды, являются митохондрии.

Митохондрии в клетке. Изображение: http://synapses.clm.utexas.edu/atlas/7_1_16.STM

Митохондрии в клетке. Изображение: http://synapses.clm.utexas.edu/atlas/7_1_16.STM

Митохондрии – двумембранные сферические органеллы, характерные как для автотрофов, так и для гетеротрофов. Количество их в клетке может варьироваться от единичных органелл до нескольких тысяч. Они имеют внутреннюю и наружную мембраны, между которыми расположено межмембранное пространство. Внутренняя мембрана формирует кристы, за счет которых, значительно увеличивается площадь ее поверхности, и ограничивает митохондриальный матрикс. В матриксе располагаются ферментные системы, а так же митохондриальные ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат. ДНК митохондрий представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, которая кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи. Репликация ее происходит в интерфазе, часто этот процесс синхронизирован с репликацией ядерной ДНК. Белоксинтезирующий аппарат представлен маленькими рибосомами, константа седиментации которых равна 70s. Основной функцией митохондрий является образование основной энергетической «валюты» клетки – АТФ в результате ряда химических преобразований. Так, поступающий в митохондрию ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, где образуется кофермент НАДН+. Последний транспортируется в дыхательную цепь, конечным продуктом которой и является АТФ.

Доисторический мир

Иллюстрация Don Dixon

Иллюстрация Don Dixon

Какие же бактерии могли быть предками митохондрий? На сегодняшний день, доказано, что филогенетически к ним ближе всего пурпурные альфа-протеобактерии. Выпячивания их мембран, напоминают кристы митохондрий. В анаэробной среде, их предки, скорее всего, выживали, обитая в аэробных карманах. Вступив в симбиоз с клеткой-предшественником эукариот, они утратили способность к фотосинтезу, ведь новый хозяин в обмен на защиту от кислорода, обеспечивал их питательными веществами. И, таким образом, из симбионтов факультативных, они превратились в облигатных, начав зависеть от ядерного генома.

image4

Существует ряд доказательств подобного происхождения митохондрий, основанных на схожести их строения с прокариотами.

Во-первых, особенность строения их мембран. Наружная мембрана имеет сходство с мембранами вакуолей, что лишний раз указывает на внешнее происхождение митохондрий. А внутренняя мембрана, как упоминалась ранее, имеет сходство с мембраной бактерий. Кристы имеют общие черты с мезосомной мембраной многих прокариот.

Во-вторых, митохондрии, как и прокариоты размножаются бинарным делением, которое может происходить независимо от деления клетки. Они никогда не синтезируются de novo, возникая в покоящихся клетках из протомитохондрий. Пока неизвестно, откуда берутся последние. Предполагается, что затравкой для них служит высвобождающаяся в цитоплазму ДНК постмитохондрий.
В-третьих, генетический материал митохондрий представлен кольцевой, несвязанной с гистонами молекулой ДНК, размером в 120 000 – 150 000 пар оснований. Их рибосомные и транспортные РНК отличаются от ядерных, но имеют определенное сходство с аналогичными молекулами некоторых эубактерий.

Еще одним пунктом является наличие у митохондрий собственного белоксинтезирующего аппарата. При этом, как уже сказано выше, константа седиментации их рибосом равна 70s. Это является еще одним доводом в пользу их симбиотического происхождения.

Помимо этого, некоторые лекарственные препараты, действие которых направлено на бактерии, могут воздействовать и на митохондрии. Например – антибиотик Рифампицин. Он воздействует на РНК-полимеразы бактерий, ингибируя их. Хотя аналогичный митохондриальный фермент кодируется ядром клетки, данный препарат влияет на него так же. Антибиотики, блокирующие синтез белка у бактерий, не воздействуют на рибосомы эукариотических клеток, но при этом «выключают» белоксинтезирующий аппарат митохондрий.

В настоящее время, еще сохранились организмы, представляющие собой промежуточные формы на пути образования митохондрий из бактерий. Так, примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии.

Признание симбиотического происхождения митохондрий, делает эволюционный разрыв еще более явным. Ведь биохимически прокариотическая клетка устроена гораздо сложнее, а морфологически – проще. Этот парадокс впервые, в середине прошлого века, заметил Р. Стейниер и указал на возможность его разрешения. Все дело в том, что эндосимбионты характерны лишь для эукариотической клетки. Дело в том, что прокариоты не способны к фагоцитозу, цитоплазма их неподвижна. Ученый предположил, что биохимическая примитивность протоэукариот была обусловлена фаготрофным механизмом их питания, который обеспечивал поступление энергии и всех необходимых веществ с пищей и не вынуждал самостоятельно вырабатывать новые биохимические механизмы. Таким образом, различия прокариот и эукариот объясняются направлениями их дальнейшего развития.

Существует мнение, что царства эукариот возникли от разных предков в результате эндосимбиоза на различных этапах эволюции. Об этом говорят и различия митохондриальных геномов простейших, грибов, растений и животных. Как бы то ни было, потомки прокравшихся миллионы лет назад в наши клетки свободно живущих бактерий обитают в них, по сей день. Наши давние-давние предки защитили их от агрессивных воздействий внешней среды, а те, в свою очередь, обеспечили эукариотам полноценную жизнь в насыщенной кислородом среде. Так и началась история великого симбиоза.

Автор: Елена Лисицына

Источники:

http://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis

http://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion

http://en.wikipedia.org/wiki/Eukaryote

http://www.amgpgu.ru/Evolution/Lectures/Cell/Dymshitz.html

http://eureka-info.ru/2013/06/22/linn/

 

About The Author
editor