Протисты / Карпов С.А. Строение клеток протистов

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

теризовать крупные таксоны водорослей. Пиреноиды бывают внутрипластидные и стебельчатые, которые выступают в цитоплазму (рис. 4.73). Вокруг пиреноидов формируется обкладка из синтезируемых ими полисахаридов. Для всех бурых водорослей характерны стебельчатые пиреноиды. У гаптофитовых, криптофитов и динофитов матрикс пиреноида пересекают ламеллы хлоропласта. У зеленых водорослей пиреноиды обычно расположены внутри пластид, где окружены крахмальными зернами. По-видимому, внутрипластидное запасание крахмала у хлорофитов и является причиной расположения пиреноида внутри хлоропласта.

4.4.2. Запасные углеводы

Полисахариды большинства водорослей откладываются в цитоплазме. Только у зеленых водорослей и у наземных растений они запасаются внутри хлоропласта. Морфологически они представляют собой включения в виде зерен, которые свободно лежат в цитоплазме или строме пластиды. По химическому составу они различаются типом связи димеров сахаров в полимерных цепях (табл. 6). Обычно выделяют 2 группы полисахаридов: α-1,4-глюканы, к которым относятся крахмал и его разновидность – багрянковый крахмал; и β-1,3-глюканы: хризоламинарин, или лейкозин, и парамилон. Крахмал запасают различные группы водорослей, а багрянковый крахмал – только родофиты. Хризоламинарин чаще всего встречается у охрофитов, а парамилон считается характерным признаком эвгленовых.

4.4.3.Стигма

Âхлоропластах многих подвижных клеток водорослей имеется глазок, или стигма, который образован содержащими каротиноиды липидными глобулами. Глазки обычно ассоциированы с особым вздутием в основании жгутика и вместе с ним образуют фоторецептор. Опыты с эвгленовыми и зелеными водорослями показали, что эта система действительно работает как

240

4.4. ПЛАСТИДЫ

фоторецептор и позволяет клетке осуществлять фототаксисы (детальнее о строении фоторецептора см. стр. 290). Глазки могут располагаться и вне хлоропласта, однако и в этом случае они находятся у основания жгутика, как у эустигматофитовых.

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 водорослей 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 связаны с основными пигментами, принимая активное участие в фотосинтезе. В больших концентрациях вторичные пигменты могут маскировать зеленый хлорофилл и придавать хлоропластам разнообразную окраску – от желто-зеленой до красновато-ко- ричневой. Все многообразие вторичных пигментов может быть распределено по трем группам: фикобилины, каротины и ксантофиллы (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 попарно тилакоидов (криптофитовые).

7Факт обнаружения у красных водорослей хлорофилла d, который вошел в учебную литературу, в дальнейшем не подтвердился. Этот тип 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 эукариотическими симбионтами (преимущественно бурыми водорослями), Prochlorophyta 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, сохранили пластиды в измененном виде и часть пластидного генома. Такие редуцированные пластиды называют лейкопластами. Наличие в них функционирующей ДНК указывает на то, что она содержит немало генов, которые не связаны напрямую 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 глазка (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 последовательности 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 развития 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 малой 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 фотосинтезу. Однако, несмотря на это, его гены все еще необходимы 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 конкретных путей приобретения пластид в той или иной группе автотрофных эукариот.

На морфологическом уровне первая догадка о приобретении пластид в эволюции путем симбиогенеза возникает при сравнении ультратонкого строения цианобактерий и хлоропластов красных водорослей (рис. 4.72). Действительно, легко представить, что сине-зеленые водоросли могут быть заглочены эукариотным гетеротрофом и перейти к симбиозу, находясь при этом в симбионтофорной вакуоли. Затем цианобактерия утрачивает клеточную стенку, интегрируется в клетке хозяина на биохимическом уровне и становится хлоропластом. Таким образом, наружную мембрану хлоропласта красных водорослей можно рассматривать как мембрану симбионтофорной вакуоли, а внутреннюю мембрану – как бывшую плазмалемму цианобактерии. Внутреннее содержимое цианобактерии и хлоропласта красных водорослей почти идентично. Этот путь происхождения пластид подтверждается существованием современных глаукофитовых, в цитоплазме которых мы находим цианеллы – цианобактерии, находящиеся на разных стадиях интеграции в клетку хозяина. На примере цианелл можно буквально проследить этапы редукции клеточной стенки цианобактерий в разных видах глаукофитовых.

Таким образом эукариоты, по-видимому, приобрели фотосинтезирующий аппарат, содержащий хлорофилл à. Приобретение других хлорофиллов объясняется двумя основными гипотезами. 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 весь процесс мог происходить так же, как у предков красных водорослей. Содержащие хлорофилл b эвгленовые водоросли могли получить его вступив в симбиоз с клеткой зеленых водорослей

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 водорослей 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 симбионты оказывались все более зависимыми от хозяина и постепенно теряли способность жить вне клетки хозяина. К настоящему времени накопилось немало экспериментальных свидетельств передачи генов из пластид в ядро. Например, уже упоминавшийся 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 водорослей входит в состав пластидного генома, а у харофитовых – 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 ферре- 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 процессе эволюции дополнительных генов для этих направляющих белков, а также изменения самой системы импорта белков в хлоропласт. В настоящее время известно, что по меньшей мере часть пластидной системы импорта является модификацией системы мембранного транспорта цианобактерий.

Цианобактерии довольно часто заселяют цитоплазму эукриотных клеток в качестве эндобионтов. Они обеспечивают фиксацию углерода и азота, а также участвуют в метаболизме клетки. 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 клетках губок и некоторых грибов.

Поэтому неудивительно, что существует целый класс пресноводных протистов (глаукофиты), содержащих в цитоплазме от 2 до нескольких клеток цианобактерий (цианелл). Фактически, цианеллы являются пластидами глаукофитов, однако они сохранили тонкую пептидогликановую клеточную стенку, характерную для свободноживущих цианобактерий. Строение и биохимические особенности клеточной оболочки цианелл, а также их внутреннее содержимое настолько сходны с этими характеристиками цианобактерий, что практически не возникает 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 других 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 данные 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 пластид таким же образом зелеными водорослями, т.к. их хлоропласты значительно отличаются от цианобактерий. Вполне вероятно, однако, что их пластиды являются производными цианелл 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