Протисты / Карпов С.А. Строение клеток протистов

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Таблица 4. Особенности строения митохондрий и иных энергетиячыеских центров у протистов

Обозначения: "-" - нет, "+" – есть, он - в кристах осевая нить

230

4.3. МИТОХОНДРИИ И ДРУГИЕ ЭНЕРГОДАЮЩИЕ ОРГАНЕЛЛЫ

Примерно до 1996 года считалось, что среди современных форм можно обнаружить первично безмитохондриальных протистов. Было выделено даже отдельное царство Archezoa, вклю- чающее наиболее «примитивных» протистов, которые еще не приобрели митохондрии (дипломонады, оксимонады, микроспоридии и пелобионтиды) (Cavalier-Smith, 1993). Однако в последнее время у представителей каждой из этих групп были обнаружены гены митохондриальных хитшоковых белков в ядре. Эти факты позволяют считать, что все ныне живущие эукариоты являются потомками организмов, которые имели митохондрии (см. Philippe, Adoutte, 1998).

4.3.1. Гидрогеносомы

Эти своеобразные клеточные органеллы были открыты сравнительно недавно (Mьller, 1973), как характерная особенность не имеющих митохондрии протистов. В настоящее время М. Мюллер (Mьller, 1998) делит все амитохондриальные организмы на два типа. К типу I он относит тех эукариот, в клетках которых нет компартментализации метаболитов гликолиза, т.е. нет специальных органелл, где он протекает. К типу II относятся протисты, имеющие специальные компартменты для ферментов гликолитического цикла – гидрогеносомы. Они найдены у многих амитохондриальных протистов (трихомонад, гипермастигин, анаэробных цилиат, некоторых жгутиконосцев и хитридиевых грибов) и представляют собой небольшие пузырьки, ограниченные одной или двумя мембранами, заключающими гомогенное содержимое. В гидрогеносомах содержатся ферменты, окисляющие пируваты и малаты с освобождением молекулярного водорода. Представляя акцептор электронов в цепи реакции окисления пировиноградной кислоты, водород выполняет важную функцию в анаэробном метаболизме.

Организмы с разными типами организации гликолиза различаются и по набору ферментов. Так, протисты, относящиеся к типу I, содержат пируватдикиназу вместо пируваткиназы (характерной для типа II), ацетат-тиокиназу вместо сукцинат-

231

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

тиокиназы и бифункциональную ацетил-КоА/альдегид-редук- тазу вместо алкогольдегидрогеназы. Различия в метаболических путях у амитохондриальных протистов и их организации свидетельствуют о независимом происхождении амитохондриального состояния. Поскольку в настоящее время показано, что отсутствие митохондрий у современных организмов – явление вторичное, то можно предположить, что оба типа амитохондриального обмена так или иначе связаны с редукцией митохондрий. Во всяком случае, известно, что у инфузорий гидрогеносомы появляются из митохондрий при переходе к анаэробным условиям существования. Гидрогеносомы хитридиевых более похожи на пероксисомы анаэробных дрожжей и грибов, и, повидимому, предшественниками гидрогеносом этого типа являются именно пероксисомы. Недавно было показано, что гидрогеносомы трихомонад также происходят из митохондрий. Трихомонады могут существовать и в аэробных условиях, но тогда гидрогеносомы прекращают продуцировать водород и клетка переключается на кислородозависимый метаболизм примитивного типа без митохондрий. Другими словами, большинство гидрогеносом являются производными митохондрий, следовательно, гликолиз второго типа приобретен эукариотами вторично при переходе к анаэробному образу жизни. Гидрогеносомы, как правило, встречаются в клетках, не имеющих митохондрий, однако бесцветный жгутиконосец Psalteriomonas lanterna имеет и митохондрии и гидрогеносомы (Broers et al., 1993). У этого жгутиконосца и у анаэробных инфузорий гидрогеносомам сопутствуют симбиотические метаногенные бактерии, лежащие рядом с ними в цитоплазме.

Наиболее существенной особенностью гидрогеносом следует считать отсутствие собственной ДНК. Таким образом, если они эволюционировали из митохондрий, то надо думать, что процесс этот начался очень давно и к настоящему времени они полностью передали свой геном в ядро. Те же гидрогеносомы, которые, как у хитридиевых, связаны своим происхождением с пероксисомами, по-видимому, никогда не имели собственной ДНК.

232

4.3.МИТОХОНДРИИ И ДРУГИЕ ЭНЕРГОДАЮЩИЕ ОРГАНЕЛЛЫ

4.3.2.Пероксисомы

Óвсех протистов, имеющих митохондрии, встречаются в цитоплазме и пероксисомы. Это тельца округлой формы, ограни- ченные мембраной, в которой заключен компактный гомогенный матрикс. Их размеры обычно не превышают 1 мкм. Пероксисомы отличаются повышенным содержанием оксидаз, которые продуцируют перекись водорода, каталазу и ферменты глиоксилатного цикла. У них отсутствует ДНК и собственный синтез белка.

К пероксисомоподобным структурам относятся и гликосомы, характерные для кинетопластид. Профили гликосом на электроннограммах клеток кинетопластид либо рассредоточены по всей цитоплазме, либо группируются в каком-либо одном месте. Существует точка зрения, что гликосомы, подобно митохондриону, могут формировать в клетке единую ретикулярную структуру. Однако данные по ультратонкой организации трипаносоматид не подтверждают этого. Гликосомы являются органеллами, играющими важную роль в утилизации глюкозы. В них обнаружены ферменты, участвующие в гликолизе, а также ферменты пиримидинового синтеза.

К близким по строению структурам следует отнести, по-ви- димому, и микротельца, встречающиеся у многих бесцветных жгутиконосцев (церкомонад, бикозоецид, пединеллид и некоторых других). Микротельца также ограничены одной мембраной, а их содержимое может быть гомогенным или слабо гетерогенным. Обычно они прилегают к ядру, поэтому иногда их называют парануклеарным телом. У некоторых протистов микротельца весьма крупные, вполне сравнимые по размеру с митохондриями (церкомонады, пединелловые). Биохимический состав микротелец неизвестен.

4.3.3. Проблема симбиотического происхождения митохондрий

Митохондрии давно известны как органеллы, содержащие собственную ДНК и систему белкового синтеза прокариотного

233

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

типа. Вместе с тем, некоторые пурпурные бактерии (из сем. аль- фа-протеобактерий) имеют складчатую поверхностную мембрану, которая напоминает кристы митохондрий. Поскольку бактериальные симбионты широко распространены в самых разных группах современных протистов и обнаруживаются во многих компартментах клетки: в цитоплазме, ядре и перинуклеарном пространстве, – то предполагаемая картина протеобактерии, лежащей в симбионтофорной вакуоли клетки-хозяина, очень напоминает митохондрию. Эти факты и предположения

âсовокупности с данными молекулярной филогении генов 16S рРНК позволяют многим исследователям с большой долей вероятности считать, что свободноживущие фотосинтезирующие протеобактерии, став симбионтами эукариотной клетки, утратили способность к фотосинтезу и стали выполнять функцию аэробного дыхания в клетке, превратившись, таким образом, в митохондрии. Предполагается, что митохондрии появились лишь однажды (т.е. все многообразие митохондрий с различ- ными типами крист произошло от одной предковой формы митохондрии) и почти одновременно с ядром.

Âто же время, геномы современных митохондрий сильно различаются и обладают рядом необычных особенностей, не позволяющих проследить путь эволюции этих органелл. Например, опероны эубактерий, которые обычно обнаруживаются и

âДНК хлоропластов, почти полностью отсутствуют в митохондриальном геноме. Поэтому симбиотическая гипотеза происхождения митохондрий не является общепринятой и многие авторы не исключают их аутогенного происхождения.

4.4. Пластиды

Пластиды имеются у фототрофных и филогенетически близких к ним протистов и представлены хлоропластами и лейкопластами.

4.4.1. Хлоропласты

Хлоропласты – это органеллы, имеющие оболочку из 2–4 мембран, внутри которой находится строма, или матрикс хло-

234

4.4. ПЛАСТИДЫ

ропласта. Внутренняя мембрана оболочки образует впячивания внутрь хлоропласта в виде плоских гребней (тилакоиды), на поверхности которых располагаются светособирающие пигменты. Тилакоиды чаще всего собраны в стопки – ламеллы или граны, – что позволяет им более эффективно осуществлять фотосинтез. В строме находится хлоропластная ДНК и рибосомы прокариотного типа. ДНК организована в виде нуклеоида, который может быть распределен по всей строме пластиды, как у красных водорослей, динофитовых, зеленых водорослей, гаптофитовых, криптофитовых и большинства эустигматофитовых, или имеющего форму кольца, лежащего под опоясывающей ламеллой хлоропласта, что имеет место у большинства охрофитов. Вся система синтеза белка пластид (размер рибосом, чувствительность к антибиотикам) устроена по эубактериальному типу и в значительной степени зависит от генома ядра. Синтез одного из самых важных и обильных ферментов фотосинтети- ческих реакций, проходящих в хлоропласте, контролируется геном Rubisco (rbs) – рибулозо-1,5-бифосфат-карбоксилазы/ оксигеназы. Этот белок состоит из большой и малой субъединиц. У зеленых водорослей и высших растений гены rbs обеих субъединиц локализованы в разных компартментах: большой субъединицы – в пластидном геноме, а малой – в ядерной ДНК. У всех других водорослей rbs-гены в ядре клетки не встречаются и организованы в виде оперонов только пластидного генома.

Хлоропласты различаются по форме, размерам и количеству в клетке. Эти особенности широко варьируют в пределах каждой группы водорослей, поэтому установить какие-либо общие закономерности не представляется возможным. В то же время, электронно-микроскопические исследования пластид выявили существенные особенности их строения, которые используются для характеристики крупных таксонов (рис. 4.72).

Оболочка хлоропластов

Хлоропласты отделены от цитоплазмы клетки оболочкой, образованной мембранами. Их число постоянно для каждого крупного таксона водорослей и обычно считается его характерным признаком. Так, оболочка хлоропластов красных водорослей, хлорофитов и высших растений состоит из 2 мем-

235

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

бран (рис. 4.72). Эти пластиды лежат в цитоплазме клетки и морфологически не связаны с ядром.

У эвгленовых и динофитовых оболочка состоит из 3 мембран, которые очень тесно прилегают друг к другу и поэтому не всегда хорошо различимы на ультратонких срезах (рис. 4.72). Пластиды этих протистов также лежат в цитоплазме, не имея видимой связи с ядром.

Оболочка хлоропластов остальных водорослей (охрофиты, гаптофиты и криптофиты) также состоит из 3 мембран, но они лежат не непосредственно в цитоплазме, а в расширении перинуклеарного пространства, или эндоплазматического ретикулума (рис. 4.72). Поэтому часто пишут, что пластиды водорослей, содержащих хлорофилл ñ, окружены оболочкой из 4 мембран, включая в это число и наружную мембрану, относя-

Рис. 4.72. Организация хлоропластов и связанных с ними органелл у фототрофных протистов. (По: Sleigh, 1989.) А – красные водоросли, Б – зеленые водоросли, В – криптомонады, Г – хризофиты, Д – эвгленовые.

гр – граны, к – крахмал, л – ламелла, ле – лейкозин, нм – нуклеоморф, п – парамилон, пп – перипластидное пространство хлоропласта, ст – стигма, фб – фикобилины внутри сдвоенных тилакоидов криптомонад, фс – фикобилисомы на поверхности одиночных тилакоидов, хл – хлоропласт, я – ядро.

236

4.4. ПЛАСТИДЫ

щуюся к ЭПР. Хлоропласт криптофитовых и многих охрофитов связан с ядром, т.к. лежит в перинуклеарном пространстве. Однако у некоторых охрофитов (рафидофитовые), а также у гаптофитов эта связь с ядром не так очевидна. Создается впе- чатление, что их пластиды находятся в расширении ЭПР на некотором расстоянии от ядра.

Необычное число мембран в оболочке пластид обнаружено у хлорарахниофитов. На некоторых участках видны 4 мембраны, на других – только 2. Некоторые вариации в числе мембран (2–3) были отмечены и у хлоропластов динофитовых.

Перипластидное пространство

По аналогии с перинуклеарным пространством ядра у криптомонад и охрофитов выделяют перипластидное пространство. Оно находится между внутренней парой мембран и наружной мембраной хлоропласта (рис. 4.72). Обычно эти мембраны (2-я и 3-я, если считать от внутренней мембраны) не плотно прилегают друг к другу и между ними заметны участки цитоплазмы с рибосомами. У криптофитовых и хлорарахниофитовых перипластидное пространство представлено обширным компартментом, в котором лежат нуклеоморф, рибосомы эукариотного типа и гранулы полисахаридов.

Нуклеоморф представляет собой редуцированное ядро с ядрышком и типичной ядерной оболочкой, пронизанной порами. В нем имеется функционирующий геном, состоящий всего из 3 хромосом, и он сохранил способность делиться путем амитоза. Считается, что содержимое перипластидного пространства криптофитов и хлорарахниофитов представляет собой остатки цитоплазмы и ядра фототрофного эукариота, вступившего в симбиотические отношения с их гетеротрофным предком.

Тилакоиды и ламеллы

Организация тилакоидов в хлоропласте также оказалась существенным признаком для фототрофных протистов. В хлоропластах красных водорослей тилакоиды одиночные и никогда не образуют стопок, или ламелл (рис. 4.72). На их поверхности хорошо заметны мелкие шаровидные тельца – фикобилисомы, образованные особыми белками фикобилипротеинами. Такую

237

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

же организацию тилакоидов имеют цианобактерии и цианеллы глаукофитовых.

Таблица 5. Особенности фотосинтезирующего аппарата водорослей и высших растений

У криптофитовых тилакоиды собраны в стопки попарно, формируя ламеллы (рис. 4.72). Внутреннее пространство тилакоидов заполнено фикобилипротеинами, которые уже не образуют фикобилисом, а находятся в дисперсном состоянии.

Все охрофиты, динофитовые и эвгленовые формируют ламеллы из 3 и более тилакоидов (рис. 4.72). Тилакоиды в ламелле имеют примерно одинаковую длину, их внутреннее пространство электронно прозрачно и легко отличается от более плотной стромы пластиды. Ламеллы обычно тянутся вдоль продольной оси хлоропласта, упираясь концами в его оболочку. В некоторых классах охрофитов (хризофитовые, ксантофитовые,

238

4.4. ПЛАСТИДЫ

бурые водоросли, рафидофитовые и диатомовые) под внутренней мембраной оболочки располагаются периферические, или опоясывающие, ламеллы, которые кольцом окружают содержимое пластиды. Эта особенность постоянна в пределах того или иного класса и служит его диагностическим признаком.

Хлоропласты зеленых водорослей резко отличаются по внутреннему строению от пластид других водорослей. Их тилакоиды также собраны в стопки, но они разной длины и их количе- ство не постоянно. В результате формируются не ламеллы, а неправильные мембранные структуры, подобные гранам высших растений (рис. 4.72).

Пиреноиды

В хлоропластах имеются центры синтеза полисахаридов – пиреноиды, - которые не всегда морфологически выражены. Их строение довольно разнообразно и, по-видимому, может харак-

Рис. 4.73. Схематическое изображение основных типов пиреноидов. (По: Dodge, 1973.) А – простой внутрипластидный пиреноид (пи), Б – сложный внутрипластидный пиреноид, В – простой стебельчатый пиреноид с обкладкой из крахмала (к), Г – многостебельчатый пиреноид, пронизанный ламеллами (л) хлоропласта, Д – пиреноид с инвагинациями.

239