Албертс Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. Том 1
Подождите немного. Документ загружается.
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 H
2
S,
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 СО
2
. Это привело к развитию второй фотосистемы, включенной
последовательно с первой, что позволило преодолеть большой разрыв в редокс-потенциалах Н
2
О 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 H
2
S 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 О
2
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 СО
2
и Н
2
О. В результате модификации некоторых компонентов существовавших ранее электронтранспортных
комплексов образовалась цитохромоксидаза, благодаря чему электроны, извлекаемые из органических и неорганических субстратов, могли
передаваться на О
2
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-с
1
) 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-c
l
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 АТР-
синтетазы. Поэтому по мере создания более эффективных электронтранспортных цепей энергия, высвобождаемая при окислительно-
восстановительных 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 СО
2
. 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.
486
Участие двух генетических систем в образовании митохондрий и хлоропластов довольно точно согласовано (разд. 7.5.12). Однако эта
согласованность не абсолютна, и изолированные органеллы продолжают некоторое время синтезировать в пробирке ДНК, РНК и белки, что
позволяет установить, какие белки кодируются ДНК самой органеллы, а какие ядерной ДНК. Другой подход состоит в изучении действия
специфических ингибиторов на интактную клетку. Например, циклогексимид ингибирует белковый синтез в цитозоле, но не влияет на синтез белка
в митохондриях и хлоропластах. Некоторые другие антибиотики, такие как хлорамфеникол, тетрациклин и эритромицин, наоборот, подавляют
синтез белка в энергетических органеллах, но не оказывают заметного влияния на его синтез в цитозоле (рис. 7-64). Подобные ингибиторы широко
используются для изучения функций митохондрий и хлоропластов.
7-33
7.5.1. Число митохондрий и хлоропластов в клетке поддерживается путем их деления [46]
Митохондрии и хлоропласты никогда не возникают de novo, они всегда образуются путем деления уже существующих органелл. Как
показывают наблюдения над живыми клетками, митохондрии не только делятся, но могут и сливаться друг с другом. Однако в среднем каждая
органелла должна удвоить свою массу и затем разделиться пополам один раз за одну клеточную генерацию. Электронные микрофотографии дают
основание полагать, что деление митохондрий начинается с образования кольцевой бороздки на внутренней мембране, подобно тому как это
происходит при делении многих бактериальных клеток (рис. 7-65 и 7-66); таким образом, деление митохондрий - это, по-видимому,
контролируемый процесс, а не случайное расщепление надвое.
В большинстве клеток энергопреобразующие органеллы делятся на протяжении всей интерфазы; таким образом, каждая из них делится
независимо от остальных и от всей клетки. Точно так же репликация ДНК в органеллах происходит не только в период синтеза ядерной ДНК (S-
фаза), но и в другие фазы клеточного цикла. Хотя, по-видимому, индивидуальные молекулы ДНК реплицируются случайным образом (так что в
данном клеточном цикле одни могут удвоиться несколько раз, а другие ни разу), общее число их за каждый клеточный цикл удваивается,
поддерживая постоянство количества этой ДНК в клетке.
Число энергетических органелл может регулироваться в зависимости от потребности клетки в энергии; например, значительное
увеличение (в 5-10 раз) количества митохондрий наблюдается при многократном сокращении скелетной мышцы в течение длительного периода.
Более того, в ряде случаев деление органелл регулируется клеткой: так, хлоропласты некоторых водорослей, содержащих только одну или
несколько таких органелл, делятся непосредственно перед цитокинезом, причем в той же плоскости, в которой будет происходить очередное
деление клетки (рис. 7-67). Но действующие при этом регуляторные механизмы на молекулярном уровне не изучены.
7.5.2. В большинстве случаев геномы хлоропластов и митохондрий представлены кольцевыми молекулами ДНК [47]
Молекулы ДНК органелл относительно просты, невелики и (за исключением митохондриальных геномов некоторых водорослей и
простейших) замкнуты в кольцо. Размеры генома хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, тогда как митохондриальные геномы
Рис. 7-65. Схема деления митохондрии. Представленный здесь ход событий предполагают, основываясь на статичных изображениях, таких как
микрофотография, приведенная на рис. 7-66.
Рис. 7-66. Электронная микрофотография делящейся митохондрии из клетки печени. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.)
487
Рис. 7-67. У примитивной нитчатой водоросли Klebsormidium деление хлоропласта происходит в определенное время на ранней стадии митоза. В
клетке имеется только один хлоропласт, и плоскость его деления совпадает с плоскостью последующего разделения клетки. (Из J. D. Pickett-Heaps,
Cytobios, 1972, 6, 167-183.)
у растений намного больше, чем у животных (табл. 7-2). У многих органелл молекулы ДНК по размерам близки к вирусным ДНК. Например, в
митохондриях млекопитающих геном представлен кольцевой ДНК, содержащей около 16500 пар оснований (более чем в 10000 раз меньше
ядерного генома). У столь различных животных, как дрозофила и морской еж, размеры митохондриальной ДНК почти одинаковы (рис. 7-68). У
растений, однако, кольцевой геном митохондрий в 100-150 раз больше в зависимости от вида растения. Размеры самой большой из этих молекул
ДНК примерно вдвое меньше, чем у бактериальной ДНК, которая тоже замкнута в кольцо.
Все митохондрии и хлоропласты содержат по нескольку копий своей геномной ДНК (табл. 7-3). Эти молекулы ДНК обычно
распределены в виде отдельных групп в матриксе митохондрий и в строме хлоропластов, где, как полагают, они прикреплены к внутренней
мембране. Хотя способ упаковки ДНК неизвестен, геном по своей структуре, вероятно, сходен не с хроматином эукариот, а с бактериальным
геномом. Например, как и у бактерий, здесь нет гистонов.
В клетках млекопитающих митохондриальная ДНК составляет меньше 1% всей клеточной ДНК. Однако в других клетках (например, в
листьях высших растений или в очень крупных яйцах амфибий) доля
Таблица 7-2. Размеры геномов органелл
1)
Тип ДНК Размеры в тысячах пар нуклеотидов
ДНК хлоропластов
Высшие растения 120-200
Chlamydomonas (зеленая водоросль) 180
Митохондриальная ДНК
Животные (включая плоских червей, насекомых и млекопитающих) 16-19
Высшие растения 150-2500
Грибы
Schizosaccharomyces pombe (дрожжи) 17
Aspergillus nidulans 32
Neurospora crassa 60
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) 78
Chlamydomonas (зеленая водоросль) 16 (линейная молекула)
Простейшие
Trypanosoma brucei 22
Paramecium 40 (линейная молекула)
1)
Эти геномы представлены кольцевыми молекулами ДНК, если не указано иное.
Рис. 7-68. Электронная микрофотография кольцевой ДНК из митохондрии млекопитающего во время репликации. Пока реплицировался только
участок между двумя точками, указанными стрелками (цепи, выделенные белым цветом). (С любезного разрешения David Clayton.)
488
Таблица 7-3. Относительное количество ДНК органелл в некоторых клетках и тканях
Организмы Ткань или тип клеток Число молекул ДНК
на 1 органеллу
Число органелл в
клетке
Доля ДНК органелл
во всей ДНК клетки,
%
Митохондриальная
ДНК
Крыса Печень 5-10 1000 1
Мышь Клетки линии L 5-10 100 <1
Дрожжи * Вегетативные 2-50 1-50 15
клетки
Лягушка Яйцеклетка 5-10 10
7
99
ДНК хлоропластов
Chlamydomonas Вегетативные клетки 80 1 7
Кукуруза Листья 20-40 20-40 15
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 РНК-
полимеразы, несколько белков, входящих в состав фотосистем I и II, субъединицы АТР-синтетазы, части ферментных комплексов электрон-
транспортной цепи, одну из двух субъединиц рибулозобисфосфат-карбоксилазы и 30 тРНК (рис. 7-69). Кроме того, последовательность ДНК, по-
видимому, 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, по-
видимому, 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
с геномами 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.