Функционирование гидрогеносом и современные гипотезы их происхождения

 

1.3. Общая характеристика процессов брожения

 

Брожение – это  наиболее древний путь получения  энергии, возможно, существовавший до гликолиза. Доказательством этого могут служить следующие факты:

1. Наличие в составе интермедиатов процессов брожения большого количества органических кислот, которые могли образовываться в больших количествах в условиях первичной атмосферы
2. Практически все типы брожения – это превращение пирувата

В настоящее время выделяют следующие типы брожения:

1. Спиртовое брожение
2. Гомоферментативное молочнокислое брожение
3. Гетероферментативное молочнокислое брожение
4. Пропионовокислое брожение
5. Маслянокислое брожение
6. Смешанное брожение
7. Уксуснокислое брожение

Спиртовое брожение – это один из самых простых видов брожения, один из немногих, освоенный эукариотами. В ходе данного процесса пируват превращается в ацетальдегид, затем ацетальдегид превращается в этанол. Первый организм, у которого был открыт данный процесс – это дрожжи         S. cerevisiae (братья Бюхнеры). Как мы увидим в дальнейшем, подобный процесс встречается у многих анаэробных простейших [4].

Молекула этилового  спирта содержит в себе очень много энергии, а сбраживание пирувата до спирта происходит всего в две стадии. Это позволяет сделать следующие выводы:

1. Спиртовое брожение – это эволюционно очень примитивный и, возможно, самый древний способ получения энергии
2. В связи с тем, что спиртовое брожение обнаружено как у прокариот, так и у эукариот, оно могло быть основным источником энергии у предковых форм, от которых произошли современные прокариоты и эукариоты

 

 

 

1.4. Проблемы систематики  простейших

 

В настоящее время общепринятой мегасистематики эукариот ещё не создано. Это связано с рядом проблем:

1. Неполная изученность низших эукариот, неясность систематического положения многих из них
2. Несоответствие между филогенетическими деревьями, построенными на основе анализа последовательностей 18S рРНК (Sogin et al., 1986) и филогенетическими деревьями, полученными на основе анализа последовательностей генов тубулина и актина (Philippe, Adoutte, 1998). Возможно, эти различия объясняются высокой скоростью эволюции предковых форм.

В настоящее время  к систематике простейших существует несколько подходов:

• Выделение простейших в отдельное царство Protista (система Уиттекера)
• Рассмотрение простейших в составе царства Животные Animalia

Возможно, наиболее обосновано выделять простейших в отдельное  царство по следующим причинам:

1. У простейших имеются уникальные особенности строения клетки, несвойственные никому из животных
2. Рибосомы простейших – переходные по сравнению с рибосомами прокариот, они различаются по субъединичному составу у различных групп простейших, в то время как у животных существует постоянство состава рибосом
3. У простейших существует разнообразие способов питания: существуют формы, способные к фотосинтезу и осуществляющие одновременно гетеротрофное питание (эвглена зелёная), исключительно хищные формы (инфузории)

 

1.5. Обзор энергетического метаболизма простейших.

     1.5.1. Анаэробные эукариоты: пути адаптации. 

 

В анаэробных условиях невозможно полноценное  функционирование электронтранспортных цепей митохондрий: в связи с отсутствием кислорода невозможен сброс электронов на терминальный акцептор, которым кислород выступает. Поэтому у эукариот, живущих в анаэробных условиях, митохондрии отсутствуют. Их функции выполняют другие органоиды.

С тех пор, как были открыты эукариоты, не имевшие митохондрий, распространено мнение, что это примитивные организмы, часть из них были названы археозоями (Cavalier-Smith, 1983). Такие организмы, как Giardia spp. и Entamoeba spp., считались реликтами того периода, когда в эволюции ядерных организмов ещё не было симбиогенного появления митохондрий. В настоящее время появились новые данные, поэтому сейчас многие учёные рассматривают метаболизм безмитохондриальных эукариот как приспособление к анаэробным условиям их среды обитания – тела хозяина, Подавляющее большинство безмитохондриальных эукариот – это эндосимбионты или эндопаразиты.

 

1.5.1.1. Адаптации к анаэробным условиям у Giardia intestinalis

 

Своеобразие метаболизма анаэробных эукариот можно продемонстрировать на примере адаптаций к анаэробным условиям кишечника, обнаруженным у G. intestinalis. Из схемы видно, что у лямблий нет типичного гликолиза и вообще нет окислительного фосфорилирования, осуществляемого на электронтранспортных цепях. АТФ в клетках лямблий образуется в результате субстратного фосфорилирования. Возможно, ряд процессов, происходящих в ходе метаболизма фосфоенолпирувата, направлены на реокисление NADH (восстановительный синтез этанола, восстановление оксалоацетата до малата): у аэробов эту функцию выполняет

Рис. 2. Путь превращения ФЕП у паразитического простейшего G. intestinalis (лямблия) [5]

электронтранспортная  цепь. Также этот путь для лямблий – единственный источник АТФ, поэтому в данном случае видны две реакции, в ходе которых образуется АТФ, и одна реакция, в ходе которой образуется ГТФ. Видно, что энергетический выход такого метаболизма крайне мал: это две молекулы ГТФ и две молекулы АТФ. Такой системы реакций совершенно недостаточно для обеспечения энергией свободноживущего организма, но это может позволить себе обитающий в кишечнике эндопаразит: органические вещества в кишечнике находятся в большом количестве и в легкоусвояемой форме. Метаболизм лямблии – это яркий пример адаптации организма к условиям обитания путём морфофизиологического регресса – часто встречающегося среди паразитов явления.

Довольно интересной выглядит реакция  фиксации углекислого газа с превращением ФЕП в оксалоацетат, она будет встречаться нам и в дальнейшем. Это – пример гетеротрофной фиксации углекислого газа, реакция Вуда-Веркмана. Реакция аналогична связыванию углекислого газа в цикле Хэтч-Слейка у засухоустойчивых С₄-растений. У рассматриваемых в работе простейших, например, у трихомонад, она связана с получением энергии в виде АТФ. Скорее всего, эта реакция является прежде всего реакцией энергетического метаболизма. Данных о том, насколько фиксация углекислоты с превращением ФЕП в оксалоацетат важна для анаболических процессов, не найдено. Однако известно, что оксалоацетат способен превращаться в аспартат под действием аспартатаминотрансферазы, поэтому такая фиксация углекислоты может иметь большую роль в конструктивном метаболизме простейших по углероду.

 

1.6. Общая характеристика гидрогеносом

 

Это встречающиеся у отдельных, не имеющий митохондрии эукариот одно- или двумембранные клеточные органоиды, осуществляющие в анаэробных условиях терминальные реакции клеточного метаболизма [16]. В ходе происходящих в гидрогеносомах процессов ионы водорода используются как акцепторы электронов, выделяется молекулярный водород. Гидрогеносомы имеют вид мембранных пузырьков, содержащих в себе дегидрогеназы и некоторые другие ферменты. Мембрана гидрогеносом, по мнению одних авторов, одинарная, по мнению других – двойная [3, 15, 18].

Гидрогеносомы встречаются у ряда анаэробных эукариот, лишённых митохондрий. Они никогда не сосуществуют с митохондриями.

Наиболее известным  представителем таких эукариот является паразитическое простейшее Trichomonas vaginalis, вызывающее  трихомониоз – заболевание половых путей у человека. Другим примером таких простейших служат некоторые анаэробные инфузории, например, Nyctothreus ovalis – обитателя кишечника жвачных. Также гидрогеносомы имеются у анаэробных хитридий. Большинство эндосимбионтов простейших, содержащих гидрогеносомы, являются метаногенными бактериями: выделяемый в ходе деятельности гидрогеносом молекулярный водород поглощается метаногенами.

Впервые гидрогеносомы были описаны у организма Tritrichomonas foetus [7]. Ряд авторов считает, что имеются только косвенные доказательства гипотезы, подтверждающей, что гидрогеносомы – органы, существовавшие у эукариот до митохондрий. В настоящее время больше доказательств у гипотезы, что гидрогеносомы – это особая адаптация эукариот к бескислородной среде.

Данные о встречаемости гидрогеносом среди эукариот привёл в своей работе Л. Н. Серавин (по [3], с изменениями).

 

1.6.1. Гидрогеносомы трихомонад

 

У анаэробных трихомонад метаболизм ФЕП в цитоплазме повторяет часть стадий цикла трикарбоновых кислот, обращённого в сторону восстановительных реакций. Вторая часть цитоплазматического метаболизма пирувата – это спиртовое брожение.

В гидрогеносоме протекает  процесс окисления пирувата до ацетата. Параллельно в гидрогеносому  закачиваются катионы водорода, которые  проходят через АТФ-синтазу по градиенту концентрации, вызывая синтез АТФ. Также даёт энергию восстановление пирувата: пируват окисляется до ацетил-КоА, ацетил-КоА превращается в ацетат, при этом кофермент А переходит на сукцинат. При распаде молекулы сукцинил-КоА образуется молекула АТФ из АДФ. Восстановление пирувата происходит при участии ферредоксина. Ионы водорода, поступающие в гидрогеносому, восстанавливают ферредоксин, окисленный в ходе восстановления пирувата, выделяется молекулярный водород. Продукты данного процесса (этанол, сукцинат, ацетат) выделяются в окружающую протиста среду – организм хозяина. Электронтранспортная цепь в гидрогеносомах трихомонад

отсутствует, но присутствуют подобные митохондриальным шаперонины. От митохондрий гидрогеносомы трихомонад отличаются отсутствием цитохромов, электротранспортной цепи и кардиолипина. Подобно 

митохондриям, гидрогеносомы  трихомонад транспортируют из цитоплазмы образованный в ходе гликолиза пируват, но, в отличие от митохондрий, при  метаболизме пирувата не используется пируватдегидрогеназа: вместо ПДГ пируват в ацетил-КоА превращает пируватферрредоксиноксидоредуктаза. Данные, касающиеся АДФ/АТФ-антипортера HMP31, противоречивы. По одним данным, этот белок митохондриального типа, по другим – отличается от митохондриальных белков [5, 10, 11, 15, 17].

Анализ отдельных белков гидрогеносом Trichomonas vaginalis привел к следующим результатам:

А. Данные анализа гидрогеносомального ферредоксина [12]:

1. Белок состоит из 93 аминокислот
2. Ферредоксин трихомонад  показывает большее сходство с путидаредоксином аэробных бактерий Pseudomonas putida и меньшее сходство с митохондриальным ферредоксином позвоночных животных, сходство с белком P. putida проявляется в полной первичной структуре и в ориентации цистеинов, формирующих окружение железосерного кластера
3. Первичная структура гидрогеносомального ферредоксина, кроме окружения железосерного кластера, близка к первичной структуре ферредоксина фотосинтезирующих организмов и галобактерий
4. Ген гидрогеносомального ферредоксина лишён интронов

   Б. Данные анализа ацетатсукцинат-КоА-трансферазы [19]:

1.  Ген данного фермента T. vaginalis имеет большое сходство с генами ацетил-КоА-трансферазы Saccharomyces cerevisiae и сукцинил-КоА-трансферазы Clostridium kluyveri
2. Активность фермента зависит от количества сукцината (этот фермент сукцинат-зависимый)

 

Таблица 2.

Наличие гидрогеносом у  различных организмов.

 

Систематическе группы безмитохондриальных простейших	Наличие гидрогеносом
Archezoa (первичнобезмитохондриальные)
Тип Archamoeba класс Mastigamoeba класс Pelobiontea Pelomyxa palustris Entamoeba spp.	+     - +
Тип Metamonada класс Anaxosostylea (отряды Diplomonadida, Oxymonadida) класс Axostylaria	-   +
Тип Parabasalia  класс Trichomonadea класс Hypermastigea     Тип Microsporidia	+ + -
Mitozoa, потерявшие митохондрии
Тип Ciliophora класс Kinetofragminophora  отряд Entodiniomorpha  отряд Trichostomatida   семейство Isotrichidae   семейство Paraisotrichidae    Plagiophyla spp.    Sonderia spp.    Balantidium spp. класс Polyhymenophora  отряд Heterotrichida      Metopus spp.	+ + +   + - -     +
Тип Chytridiomycota  отряд Spizellomycetalis     Caecomyces spp.     Neocallimastix spp. (споры)	+ +

 

Л. Н. Серавин (1992 г.) указывает на существование в гидрогеносомах трихомонад биохимического шунта, способного использовать молекулярный кислород как конечный акцептор электронов. Поэтому трихомонады могут выжить в присутствии в среде небольшого количества кислорода [3].

 

1.6.2. Гидрогеносомы Nyctotherus ovalis

 

 Этот организм –  разноресничная инфузория, обитающая  в кишечнике жвачных. Гидрогеносомы данных организмов очень похожи на митохондрии: они имеют рибосомы и кристы. Именно поэтому многие учёные считают, что эти органоиды произошли от митохондрий, их в некоторых работах называют водородпродуцирующими митохондриями.

Akhmanova et al. (1998) показали, что в гидрогеносомах инфузорий имеется Fe-содержащая гидрогеназа, кодируемая одной из хромосом макронуклеуса. Это Fe-содержащая гидрогеназа необычного типа, осуществляющая формирование молекулярного водорода сопряжено с реокислением главным образом NADH. Было выяснено, что эта [FeFe]-гидрогеназа является химерным белком. Субъединицы этого фермента массой 24 кДа и 51 кДа более близки к гомологичным субъединицам, функционирующим в бактериальных [FeNi]-гидрогеназах.