Кому не нужны митохондрии | Наука и жизнь
В пищеварительном тракте позвоночных животных живёт простейший организм, у которого никогда не было митохондрий.
Вся жизнь делится на три домена: бактерий, архей и эукариот, где эукариоты – это растения, животные, водоросли, грибы и огромная масса мельчайших одноклеточных существ, называемых простейшими.
Разнообразие эукариот, как видим огромно, достаточно сравнить одноклеточную инфузорию или малярийного плазмодия с весьма многоклеточным человеком, однако некоторые особенности неизменно присутствуют у всех эукариотических организмов, и одна из таких особенностей – наличие в клетках митохондрий. Так называют мембранные структуры, которые служат энергетическими станциями – в митохондриях идут биохимические реакции по извлечению энергии из расщепляемых молекул.
У митохондрий есть собственная ДНК, кодирующая ферменты, которые необходимы для энергетических реакций, и у них есть собственный аппарат для синтеза этих белков; кроме того, некоторые гены, нужные для функционирования митохондрий, есть в ядерных хромосомах – основном клеточном хранилище генетической информации.
И вот оказалось, что некоторые эукариоты могут обходиться без митохондрий. Владимир Хампл (Vladimir Hampl) из Карлова университета в Праге вместе с коллегами из Университета Альберты, Университета Далхаузи и Остравского технического университета опубликовал в Current Biology описание простейшего Monocercomonoides из пищеварительного тракта позвоночных животных – у Monocercomonoides, как оказалось митохондрий вообще нет.
Здесь следует уточнить, что на самом деле про безмитохондриальных эукариот известно относительно давно – есть такая группа жгутиковых простейших, как
Считается, однако, что изначально митохондрии у метамонад были, просто они потом в эволюции утратили. Тому есть определённые доказательства: во-первых, у некоторых метамонад остались рудименты митохондрий, называемые митосомами и гидрогеносомами, во-вторых, в геноме таких простейших остались гены, которые когда-то определённо относились к митохондриям, а некоторые из таких генов вообще принадлежали собственной митохондриальной ДНК, переместившись в ядро после того, как митохондрии начали деградировать.
Что до митосом и гидрогеносом, то работать, как митохондрии, они не могут, но при том в них в каком-то виде остаются кластеры атомов железа и серы, которые используются в окислительно-восстановительных реакциях, в частности, в окислительных энергетических реакциях «нормальных» митохондрий. Словом, универсальность митохондрий от присутствия на свете таких вторичнобезмитохондриальных существ ничуть не страдала.
Однако в геноме Monocercomonoides (который, кстати, входит в ту же большую группу метамонад) не нашли никаких следов митохондриальных генов – ни тех, которые были в митохондриальной ДНК, ни тех, которые кодировали белки митохондрий, находясь в ядре.
Те, о ком шла речь выше, кто вторично утратил митохондрии, поступили так потому, что им приходится жить там, где мало кислорода. Митохондрии получают энергию с помощью кислородного окисления, только процесс этот растянут на много этапов и много белков; ну а если кислорода нет, то и вся окислительная кухня митохондрий, получается, не нужна.
Monocercomonoides тоже живут в условиях с низким содержанием кислорода (в желудочно-кишечном тракте), так что отсутствие митохондрий у них объяснимо; более того, у них даже нет белков, которые были бы хоть в чём-то похожи на митохондриальные ферменты. Однако, поскольку у
Митохондрии не только служат энергетическими станциями, они ещё собирают вышеупомянутые железосерные кластеры – комплексы атомов железа и серы, которые могут получать, отдавать, переносить или накапливать электроны и которые используются клеткой много где. Митохондрии их собирают и экспортируют в цитоплазму, а там железосерные кластеры уже встраиваются в какие-то ферменты.
Как выходят из положения
Гены бактериальных белков, очевидно, попали в Monocercomonoides с помощью горизонтального переноса, то есть простейший как-то «съел» бактериальную ДНК (либо в свободном виде, либо вместе с хозяином), а потом встроил её в свой геном.Специалисты пока комментируют новую работу достаточно осторожно, выказываясь в том смысле, что как же мы мало знаем ещё про эволюцию эукариот и сколько всего нового мы можем узнать, если будем уделять больше внимания малоисследованным одноклеточным.
По материалам The Scientist.
Простейший организм Monocercomonoides, у которого никогда не было митохондрий. (Фото Vladimir Hampl / Charles University.)
Кишечная лямблия относится к группе простейших, у которых митохондрии редуцировались за ненадобностью. (Фото AJC ajcann.wordpress.com / https://www.flickr.com/photos/ajc1/4606827436.)
Митохондрии клетки лёгкого в разрезе. (Фото Kallista Images / Visuals Unlimited / Corbis.)
‹
›
Открыть в полном размере
Not Found (#404)
Not Found (#404)
|
Авторизация клиники
gif»>
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gif»>Митохондрии
Митохондрии представляют собой палочковидные органеллы, которые можно считать генераторами энергии клетки, преобразующими кислород и питательные вещества в аденозинтрифосфат ( АТФ ).
АТФ — это химическая энергия «валюты» клетки, которая питает метаболическую активность клетки. Этот процесс называется аэробное дыхание и является причиной того, что животные дышат кислородом. Без митохондрий (в единственном числе, митохондрий) высших животных, скорее всего, не существовало бы, потому что их клетки могли бы получать энергию только за счет анаэробного дыхания (в отсутствие кислорода), процесса, гораздо менее эффективного, чем аэробное дыхание. На самом деле митохондрии позволяют клеткам производить в 15 раз больше АТФ, чем в противном случае, а сложным животным, таким как люди, для выживания требуется большое количество энергии.
Количество митохондрий, присутствующих в клетке, зависит от метаболических потребностей этой клетки и может варьироваться от одной крупной митохондрии до тысяч органелл. Митохондрии, обнаруженные почти у всех эукариот, включая растения, животных, грибы и протистов, достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать в световой микроскоп, и были впервые обнаружены в 1800-х годах.
Название органелл было придумано, чтобы отразить то, как они выглядели для первых ученых, наблюдавших за ними, и произошло от греческих слов, означающих «нить» и «гранулы». В течение многих лет после их открытия считалось, что митохондрии передают наследственную информацию. Только в середине 1950-х годах, когда был разработан метод выделения неповрежденных органелл, было выработано современное понимание митохондриальной функции.
Сложная структура митохондрии очень важна для функционирования органеллы (см. рис. 1). Каждую митохондрию в клетке окружают две специализированные мембраны, разделяющие органеллу на узкое межмембранное пространство и гораздо более крупный внутренний матрикс , каждый из которых содержит высокоспециализированные белки. Наружная мембрана митохондрии содержит множество каналов, образованных белком 9.0134 порин и действует как сито, отфильтровывая слишком большие молекулы. Точно так же внутренняя мембрана, которая сильно извита, так что образуется большое количество складок, называемых кристами , также позволяет проходить через нее только определенным молекулам и является гораздо более избирательной, чем внешняя мембрана.
Чтобы убедиться, что в матрикс допускаются только те материалы, которые необходимы для его внутренней мембраны, используется группа транспортных белков, которые будут транспортировать только нужные молекулы. Вместе различные отделы митохондрии способны работать в гармонии, чтобы генерировать АТФ в сложном многоэтапном процессе.
Митохондрии, как правило, представляют собой продолговатые органеллы, размер которых варьируется от 1 до 10 микрометров в длину, а их количество прямо коррелирует с уровнем метаболической активности клетки. Однако органеллы довольно гибкие, и исследования живых клеток в режиме замедленной съемки показали, что митохондрии быстро меняют форму и почти постоянно перемещаются в клетке. Движения органелл, по-видимому, каким-то образом связаны с микротрубочками, присутствующими в клетке, и, вероятно, транспортируются по сети с моторными белками. Следовательно, митохондрии могут быть организованы в длинные перемещающиеся цепи, плотно упакованы в относительно стабильные группы или появляться во многих других образованиях в зависимости от конкретных потребностей клетки и характеристик ее сети микротрубочек.
На рис. 2 представлено цифровое изображение митохондриальной сети, обнаруженной в ткани яичника родственного горного козла, известного как гималайский тар, через флуоресцентный оптический микроскоп. Обширная переплетенная сеть помечена синтетическим красителем под названием MitoTracker Red (красная флуоресценция), который локализуется в дышащих митохондриях живых клеток в культуре. Редкие близнецовые ядра в этой клетке были контрастно окрашены синим красителем (голубая флуоресценция), чтобы обозначить их централизованное расположение по отношению к митохондриальной сети. Флуоресцентная микроскопия — важный инструмент, который ученые используют для изучения структуры и функций внутренних клеточных органелл.
Митохондрия отличается от большинства других органелл тем, что она имеет собственную кольцевую ДНК (подобную ДНК прокариот) и воспроизводится независимо от клетки, в которой она находится; явный случай эндосимбиоза . Ученые предполагают, что миллионы лет назад маленькие свободноживущие прокариоты были поглощены, но не поглощены более крупными прокариотами, возможно, потому, что они были способны противостоять пищеварительным ферментам организма-хозяина.
Два организма со временем установили симбиотические отношения: более крупный организм обеспечивает меньший достаточным количеством питательных веществ, а меньший организм обеспечивает молекулы АТФ более крупному. В конце концов, согласно этой точке зрения, более крупный организм развился в эукариотическую клетку, а меньший организм — в митохондрию.
Митохондриальная ДНК локализована в матрице, которая также содержит множество ферментов, а также рибосомы для синтеза белка. Многие из критических метаболических стадий клеточного дыхания катализируются ферментами, способными диффундировать через митохондриальный матрикс. Другие белки, участвующие в дыхании, в том числе фермент, генерирующий АТФ, встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Сворачивание крист резко увеличивает площадь поверхности, доступную для размещения ферментов, ответственных за клеточное дыхание.
Митохондрии похожи на хлоропласты растений тем, что обе органеллы способны производить энергию и метаболиты, необходимые клетке-хозяину.
Как обсуждалось выше, митохондрии являются местами дыхания и генерируют химическую энергию в форме АТФ путем метаболизма сахаров, жиров и других химических видов топлива с помощью молекулярного кислорода. Хлоропласты, напротив, встречаются только у растений и водорослей и являются основными местами фотосинтеза. Эти органеллы работают по-другому, преобразовывая энергию солнца в биосинтез необходимых органических питательных веществ с использованием углекислого газа и воды. Подобно митохондриям, хлоропласты также содержат собственную ДНК и способны независимо расти и воспроизводиться внутри клетки.
У большинства видов животных митохондрии, по-видимому, в основном наследуются по материнской линии, хотя некоторые недавние данные свидетельствуют о том, что в редких случаях митохондрии также могут наследоваться по отцовскому пути. Как правило, сперматозоиды несут митохондрии в своем хвосте в качестве источника энергии для своего долгого пути к яйцеклетке. Когда сперматозоид прикрепляется к яйцеклетке во время оплодотворения, хвост отпадает.
Следовательно, единственные митохондрии, которые новый организм обычно получает, происходят из яйцеклетки, предоставленной его матерью. Поэтому, в отличие от ядерной ДНК, митохондриальная ДНК не перемешивается каждое поколение, поэтому предполагается, что она меняется медленнее, что полезно для изучения эволюции человека. Митохондриальная ДНК также используется в криминалистике в качестве инструмента для идентификации трупов или частей тела и связана с рядом генетических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и диабет.
НАЗАД К СТРУКТУРЕ ЖИВОТНЫХ КЛЕТОК
НАЗАД К СТРУКТУРЕ КЛЕТКИ РАСТЕНИЯ
Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав.
Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.Этот веб-сайт поддерживается нашим
Группа графического и веб-программирования
в сотрудничестве с Optical Microscopy в
Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Количество обращений с 1 октября 2000 г.: 2264631
Микроскопы предоставлены:
Отсутствующие митохондрии: странной эукариотической клетке не хватает «электростанции»
Изучая биологию в старшей школе, вы, возможно, узнали, что ключевое различие между эукариотической клеткой и прокариотической клеткой заключается в том, что у одной есть митохондрии, а у другой нет.
Но это уже может быть не так.
Группа ученых обнаружила эукариот без митохондрий.
«Эукариотические клетки определяются наличием митохондрий, поэтому для нас большой сюрприз, что эукариотическая клетка может оставаться жизнеспособной без митохондрий», — говорит Анна Карнковска, научный сотрудник Исследовательского центра биоразнообразия Университета Британской Колумбии. , в интервью The Christian Science Monitor.
Для поиска митохондриального материала доктор Карнковска и его коллеги секвенировали геном Monocercomonoides sp., одноклеточных эукариот, обитающих в кишечнике позвоночных. Они искали белки, которые являются четкими маркерами присутствия митохондрий, но не нашли ни одного, согласно исследованию команды, опубликованному в четверг в журнале Current Biology.
Поскольку война в Украине затягивается, НАТО усиливает боевую готовность
Митохондрии часто называют «электростанцией клетки», потому что они снабжают клетку энергией в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Так как же эукариот выживает без них?
Для производства большей части энергии требуется кислород, но не все эукариоты живут в среде, богатой кислородом.
Этот конкретный организм является анаэробным, а это означает, что он живет в отсутствие кислорода, что не так уж удивительно, учитывая, что это микроб, который живет глубоко внутри других животных.
Так что митохондрии у анаэробов уже не являются классическими митохондриями в том смысле, что они действуют не совсем так, как в наших клетках, объясняет Карнковска. Но митохондрии служат и другим целям.
Митохондрии также участвуют в жизненно важном образовании железо-серных белков. «Эукариотическая клетка в принципе не может существовать без железо-серных белков», — говорит она.
Итак, команда искала доказательства существования митохондриального пути сборки железо-серного кластера. Этот механизм был бы незаменим в эукариотической клетке.
По крайней мере, так думали ученые, пока не нашли доказательств существования такого механизма у этого эукариота.
Это не значит, что организм выживает без железо-серных белков. Однако эта часть головоломки немного сложнее.
Прокариоты могут собирать железо-серные кластеры без митохондрий. Таким образом, Карнковска и ее коллеги подозревают, что этот эукариот подхватил систему прокариот посредством процесса, называемого горизонтальным переносом генов, также известным как латеральный перенос генов. Горизонтальный перенос генов (HGT) происходит, когда организм получает гены непосредственно от другого организма, а не от родителя к потомству.
После того, как Monocercomonoides приобрели эту систему, цитозольную систему мобилизации серы (SUF), от бактерий путем горизонтального переноса генов, предполагает Карнковска, митохондрии, вероятно, стали ненужными для функционирования эукариот, поэтому органелла исчезла в течение поколений.
Среди ученых, изучающих эукариотическую эволюцию, это открытие может не шокировать, говорит Гертрауд Бургер, исследователь из Центра биоинформатики и геномики Роберта-Седергрена в Университете Монреаля, которая не участвовала в исследовании.
Тем не менее, «Я рада, что он был найден», — говорит она The Christian Science Monitor.
Он вписывается в «серию странных эукариот, которых мы видим».
Другие организмы, в том числе многие из того же семейства с Monocercomonoides , были обнаружены с небольшим количеством митохондрий. Так что этот, говорит доктор Бургер, «является конечным пунктом других форм, которые мы видели раньше».
«Обычно мы думаем об эволюции как об эволюции вперед, чтобы расходиться, чтобы стать более сложным или сложным», — говорит она. «Но есть также очень важная тенденция редуктивной эволюции». И этот эукариот подходит.
В этом случае клетка становится более примитивной, теряя свои митохондрии.
Ученые десятилетиями охотились за организмом без митохондрий, говорит Карнковска. Monocercomonoides был хорошим кандидатом в этом поиске, потому что он находится среди организмов с остатками митохондрий на генеалогическом древе эукариот.
Но зачем искать такую странную камеру? Одна из причин может заключаться в том, чтобы помочь объяснить раннюю эволюцию организмов.
Как организмы прошли путь от прокариот, простых одноклеточных организмов, которые в основном представляют собой просто пузырьки ДНК и белка, другими словами, бактерий и архей, к гораздо более сложным эукариотам, которые сегодня варьируются от одноклеточных организмов до крупных животных, таких как как слоны, жирафы, медведи и люди?
Одним из объяснений, предложенных учеными, является гипотеза архезоа, говорит Бургер. В этом сценарии один одноклеточный организм, предок всех эукариот, поглотил прокариот. Этот маленький прокариот начал работать на предкового эукариота, в конечном итоге превратившись в митохондрию.
Теоретически, обнаружение организма, в котором отсутствуют митохондрии, может означать открытие этой родовой клетки. Но этот организм не поддерживает эту гипотезу, говорит Бургер. «Это не предшественник эукариотической клетки, какой мы ее знаем, а скорее очень, очень производная форма».
Понятно, что Monocercomonoides не является предком по нескольким причинам.
Leave A Comment