Митохондрии дрожжей: тонкая структура. Дрожжи и возбудители спиртового брожения

Открытие своеобразной формы полового поведения у митохондрий совместимо с теорией симбиоза. Генетическая рекомбинация у этих органелл гораздо больше напоминает половой процесс у фагов и бактерий, чем у ядер эукариот. Все четкие данные получены на Saccharomyces, так как дрожжи могут размножаться в чистой культуре, на среде определенного состава, как стабильные гаплоиды или диплоиды. В таких митотически делящихся клетках ядерный геном остается неизменным, и это позволяет следить за сегрегацией рекомбинантной ДНК, образующейся при скрещиваниях между маркированными родительскими митохондриями. Рекомбинация митохондриального генетического материала происходит у дрожжей регулярно и часто независимо от мейоза.

Так как большинство других эукариот не переносит серьезных нарушений функционирования митохондрий и не может расти без полового процесса в виде одиночных гаплоидных или диплоидных клеток, генетическое поведение их митохондрий исследовать не удается. Однако если результаты, полученные на дрожжах, можно экстраполировать на другие эукариотические организмы, то рекомбинация митохондрий должна быть обычным явлением. Ваши собственные органеллы, возможно, ведут свою тайную половую жизнь.

Уже построена генетическая карта митохондрий дрожжей. Почти половина охарактеризованных митохондриальных мутаций затрагивает белоксинтезирующую систему этих органелл: они выражаются в изменении резистентности к антибиотикам, изменении транспортных и рибосомных РНК. Другие мутации влияют на комплексы дыхательных белков, связанные с мембраной. Известно около 700 независимо выделенных митохондриальных мутантов. Комментируя половое поведение митохондрий дрожжей, Б. Дюжон (личное сообщение, 1978) писал:

«Я полагаю, что следует с осторожностью применять термин «пол» по отношению к митохондриям, но при том определении, которое Вы ему даете [регулярное образование индивидуумов, имеющих более одного родителя], я полностью согласен с употреблением этого термина. Интактные митохондриальные геномы дрожжей рекомбинируют столь активно, что после недолгого [асексуального] роста [стабильно диплоидных родительских дрожжей, образующихся в результате спаривания] возникают всевозможные множественные рекомбинанты [митохондрий]. Но следует отметить, что рекомбинация может происходить и между разными молекулами митохондриальной ДНК, происходящими от одного родителя, а не только между молекулами от разных родителей. Под словом «пол» часто также понимают половую дифференциацию, и хотя мы всегда говорим о «гомосексуальных» и «гетеросексуальных» скрещиваниях, нет никаких данных о существовании среди митохондрий двух (или нескольких) половых типов. По нашей терминологии «половой тип» - это тип, способный рекомбинировать только с противоположным половым типом. Система омега (ω), контролирующая полярность рекомбинации вблизи самого омега-локуса, вначале была принята за половой тип. Теперь мы знаем, что различие между ω + и ω — связано с включением определенной нуклеотидной последовательности (около 1000 пар) в точно локализованный участок митохондриальной ДНК. Наконец, в сознании многих исследователей существует параллель между митохондриальной наследственностью и материнской наследственностью [митохондриальные генотипы передаются потомству только одним родителем, обычно самкой или родителем, продуцирующим яйца]. Все наши результаты указывают на то, что у дрожжей оба родителя вносят равный вклад в передачу митохондрий потомству независимо от их ядерных половых типов… а, следовательно, нет смысла говорить об эффекте материнской наследственности. У других видов это, очевидно, не так».

Рекомбинацию у митохондрий обычно изучают, используя маркеры резистентности к антибиотикам или мутации белков, участвующих в дыхании и окислительном фосфорилировании. Первые, например резистентность к аминогликозидным антибиотикам, которые, как известно, подавляют рост свободноживущих и патогенных бактерий, присоединяясь к их рибосомам, считаются мутациями, затрагивающими митохондриальные рибосомы. Вторые, называемые мутациями mit — , представляют собой дефекты митохондриальных генов, кодирующих такие белки, как цитохромоксидаза, олигомицин - чувствительная мембранная АТРаза, цитохром b и различные редуктазы. Биологические особенности дрожжей и большое число митохондриальных маркеров обусловили возможность многофакторных скрещиваний, в которых можно одновременно прослеживать передачу многих митохондриальных генетических детерминантов. Более чем десятилетняя работа ряда исследователей позволяет нарисовать интереснейшую картину митохондриального полового процесса. Нижеследующее резюме основано в первую очередь на работе Дюжона и Слонимского.

Митохондриальная генетическая система мультигеномна: каждая дрожжевая клетка содержит несколько идентичных копий функциональной митохондриальной ДНК. Их число не фиксировано. Число генетически активных копий может варьировать в разных клетках одного штамма дрожжей; оно зависит также от внешних условий, таких как температура и присутствие различных веществ, и от скорости роста дрожжей. Межштаммовые различия в числе митохондриальных геномов на клетку по крайней мере частично определяются несколькими взаимодействующими ядерными генами. Спаривание и рекомбинация митохондриальных ДНК, по-видимому, происходит часто и случайным образом. Рекомбинация нереципрокна; действительно, число двойных рекомбинантов в двухфакторных скрещиваниях всегда более чем вдвое (часто намного более) превышает ожидаемое на основании реципрокной модели. Продукты рекомбинации быстро сегрегируют при митотическом делении клеток; клетка, содержавшая вначале по-разному маркированные митохондрии, через несколько делений дает дочерние клетки с митохондриями только одного типа. Причина этой сегрегации, которая происходит без добавления каких-либо селективных агентов, не ясна. В некотором смысле это проявление внутриклеточного отбора, при котором остальная часть клетки - нуклеоцитоплазма - служит для митохондрий внешней средой. Показано, что внутриклеточный отбор может приводить к сегрегации некоторых маркеров резистентности к антибиотикам. По-видимому, небольшое число сегрегирующих митохондриальных генетических единиц, содержащихся в каждой дрожжевой клетке, распределяется при митотическом делении случайно. Каждая сегрегирующая единица, очевидно, состоит из нескольких молекул ДНК. Организация этой ДНК не вполне понятна, но наиболее правдоподобная гипотеза состоит в том, что сегрегирующая единица - это группа молекул митохондриальной ДНК, прикрепленных в определенном месте к внутренней мембране митохондрии. Это согласуется с данными электронной микроскопии.

Можно сформулировать следующие общие правила наследственной передачи и рекомбинации митохондриальных маркеров у Saccharomyces cerevisiae.

1. Передача двух или большего числа аллелей различных локусов, если они получены от одного родителя (дрожжевой клетки), всегда происходит коррелированно. Часто, но отнюдь не всегда, наблюдается линейная корреляция; если корреляция нелинейна, ее вид предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.

2. Верхний предел частоты рекомбинации между двумя маркерами 20-25%. Этот предел может быть превышен только тогда, когда два реципрокных рекомбинанта появляются с существенно разной частотой. Такое явление получило название полярности рекомбинации. Если полярность высока, максимальная частота рекомбинации может достигать 80%, причем в этом случае число типов рекомбинантов намного больше числа родительских типов.

3. Существует нелинейное функциональное отношение между частотой рекомбинации между двумя локусами и передачей аллелей каждого локуса. Вид этого отношения предсказывается моделью Дюжона и Слонимского.

4. В трехфакторных скрещиваниях, когда отсутствует полярность рекомбинации, число двойных рекомбинантов по крайней мере вдвое больше ожидаемого, равного произведению частот появления двух одиночных рекомбинантов.

Эти четыре правила позволяют построить физическую и генетическую карту митохондриальной ДНК дрожжей. Все мутации, подчиняющиеся этим правилам, локализуются в одной группе сцепления, т. е. в одной молекуле митохондриальной ДНК. Митохондриальный геном состоит из уникальных нуклеотидных последовательностей, разделенных повторяющимися последовательностями. Имеется 60-70 уникальных генов со средней длиной 530 нуклеотидов; они чередуются с повторяющимися последовательностями средней длиной 680 нуклеотидов. Каждая повторяющаяся последовательность состоит из спейсера, богатого АТ (около 600 нуклеотидов), короткого кластера примерно из 30 нуклеотидов ж кластера, богатого GC, длиной около 50 нуклеотидов. Спейсеры, богатые АТ, вероятно, играют важную роль в рекомбинации; две другие последовательности в составе повторов могут, помимо прочего, регулировать инициацию синтеза ДНК.

Подводя итоги, можно сказать, что митохондрии дрожжей представляют собой мультигеномную генетическую систему, претерпевающую много циклов спаривания и характеризующуюся высокой эффективностью генетической рекомбинации и случайной, но очень быстрой сегрегацией. Этот своеобразный «промискуитет»» - случайность рекомбинаций и быстрота сегрегации - напоминает генетическое поведение бактериофагов.

Однако в других отношениях митохондриальная ДНК не похожа на фаговую. Например, близко родственные штаммы дрожжей могут сильно различаться по объему, содержанию митохондриальной ДНК, не различаясь при этом по функции митохондрий. У близких штаммов даже нуклеотидный состав митохондриальной ДНК может быть разным, так что значительная часть этой ДНК должна быть избыточной для функционирования генома. Кроме того, как и у эукариот, митохондриальные гены имеют мозаичную организацию. Иначе говоря, генетический материал, кодирующий разные участки одного и того же белка, может находиться в обособленных отрезках ДНК, и соответствующие транскрипты объединяются путем сплайсинга. Эти и другие черты генетической организации митохондрий привели Бернарди к следующему заключению:

«Можно сделать два основных вывода… Во-первых, митохондриальному геному дрожжей свойствен эукариотический, а не прокариотический тип организации… Во-вторых, в такой системе, как митохондриальный геном дрожжей, где чередуются уникальные и повторяющиеся последовательности, чрезвычайно важную роль играют рекомбинации, основанные на гомологии повторяющихся участков. Это основной механизм дивергенции и эволюции геномов, который обеспечивает на несколько порядков величины более высокую скорость этих процессов, чем механизм, основанный на точечных мутациях».

Бернарди, видимо, полагает, что генетическая организация митохондрий сформировалась таким образом, чтобы их эволюция могла происходить быстрее. Однако нам кажется, что, каково бы ни было значение всех этих фактов для симбиотической теории, было бы неразумно объяснять их, наделяя эволюцию способностью к предвидению.

Окислительное фосфорилирование у бактерий

У прокариотических клеток, способных к окислительному фосфорилированию, элементы цикла трикарбоновых кислот локализованы прямо в цитоплазме, а ферменты дыхательной цепи и фосфорилирования связаны с клеточной, плазматической мембраной. Это было вначале показано цитохимическими методами. Так, фермент сукцинатдегидрогеназа связан с плазматической мембраной и с ее выпячиваниями, выступающими внутрь цитоплазмы, с так называемыми мезосомами (рис. 212). Надо отметить, что такие бактериальные мезосомы могут быть связаны не только с процессами аэробного дыхания, но и у некоторых видов участвовать в делении клеток, в процессе распределения ДНК по новым клеткам, в образовании клеточной стенки и т.д. На плазматической мембране в мезосомах некоторых бактерий локализуются также факторы сопряжения окисления и синтеза АТФ. В электронном микроскопе во фракциях плазматических мембран бактерий обнаружены сферические частицы, аналогичные тем, которые были найдены в митохондриях эукариотических клеток. Таким образом, у бактериальных клеток, способных к окислительному фосфорилированию, плазматическая мембрана выполняет роль, аналогичную внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток.

Так же, как и другие органеллы цитоплазмы, митохондрии могут увеличиваться в числе, что особенно заметно при делении клеток или при увеличении функциональной нагрузки клетки, более того, происходит постоянное обновление митохондрий. Так, в печени средняя продолжительность жизни митохондрий составляет около 10 дней. Поэтому закономерно возникает вопрос, каким образом происходит это увеличение числа митохондрий, за счет каких процессов и каких структур образуются новые митохондрии.

Основная масса экспериментальных данных говорит о том, что увеличение числа митохондрий происходит путем роста и деления предшествующих митохондрий. Это предположение было впервые высказано Альтманом (1893), описавшим митохондрии под термином “биобласты”. Позднее с помощью цейтраферной киносъемки удалось наблюдать прижизненно деление, фрагментацию длинных митохондрий на более короткие. Особенно отчетливо виден этот процесс при делении клеток некоторых одноклеточных водорослей и низших грибов, у которых деление митохондрий скоординировано с клеточным делением. В электронный микроскоп часто во многих клетках можно видеть деление митохондрий путем образования перетяжки (рис. 213), например в клетках печени (хотя без доказательств динамичности этого процесса такие наблюдения мало убедительны). Внешне все эти картины очень напоминают бинарный способ деления бактерий.

Реальность увеличения числа митохондрий путем деления были доказаны при изучении поведения митохондрий в живых клетках культуры ткани. Было обнаружено, что в течение клеточного цикла митохондрии могут вырастать до нескольких мкм, а затем фрагментироваться, делиться на более мелкие тельца.

Кроме того, митохондрии могут сливаться друг с другом. Так, в культуре клеток эндотелия сердца головастика ксенопуса наблюдали до 40 случаев слияния и деления митохондрий за 1 час. В клетках культуры почек эмбрионов наблюдали рост и ветвление митохондрий в S-периоде клеточного цикла. Однако уже в G 2 - периоде преобладали в числе мелкие митохондрии, образовавшиеся за счет деления при фрагментации длинных митохондрий.

Таким образом, размножение митохондрий идет по принципу: omnis mitochondrion e mitochondrion.

Интересны наблюдения за судьбой митохондрий в дрожжевых клетках. В аэробных условиях дрожжевые клетки имеют типичные митохондрии с четко выраженными кристами. При переносе клеток в анаэробные условия (например, при их пересеве или при перемещении в атмосферу азота) типичные митохондрии в их цитоплазме не обнаруживаются, и вместо них видны мелкие мембранные пузырьки. Оказалось, что в анаэробных условиях дрожжевые клетки не содержат полную дыхательную цепь (отсутствуют цитохрому b и a). При аэрации культуры наблюдается быстрая индукция биосинтеза дыхательных ферментов, резкое повышение потребления кислорода, а в цитоплазме появляются нормальные митохондрии. Эти наблюдения привели к представлению о том, что у дрожжей в анаэробных условиях в цитоплазме существуют промитохондриальные структуры с редуцированной системой окисления. Такие промитохондрии при переносе клеток в условия аэробной среды начинают перестраиваться, происходит включение в их мембраны элементов полной цепи окисления и фосфорилирования, что сопровождается изменением их морфологии. Так, из примитивных, неактивных промитохондрий путем их достройки и роста образуются обычные функционирующие митохондрии.

Вероятно, сходные процессы протекают и при делении митохондрий: происходит увеличение массы митохондриальных мембран со всеми специфическими компонентами за счет синтеза и включения в них отдельных белков – ферментов и липидов, нарастание массы белков матрикса, а затем происходит деление как бы удвоившейся или многократно увеличившейся структуры.

Эти представления получают поддержку со стороны фактов, касающихся организации и состава митохондриального матрикса или митоплазмы, в которой обнаружены ДНК, разные типы РНК и рибосомы.

Исследования последних лет привели к удивительным открытиям: двумембранные органеллы обладают полной системой авторепродукции. Эта система полная в том смысле, что в митохондриях и пластидах открыта ДНК, на которой в них синтезируются информационные, трансферные и рибосомные РНК и рибосомы, осуществляющие синтез митохондриальных и пластидных белков. Однако, как оказалось, эти системы, хотя и автономны, очень ограничены по своим возможностям.

ДНК в митохондриях представлена циклическими молекулами, не образующими связь с гистонами, в этом отношении они напоминают бактериальные хромосомы. Размер их невелик, около 7 мкм, в одну циклическую молекулу митохондрий животных входит 16-19тыс. нуклеотидных пар ДНК. У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 тыс. н.п., она полностью расшифрована. Найдено, что митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представлены множественными копиями, собранными в группы, кластеры. Так в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около одного процента. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре.

Так же как и у бактерий митохондральная ДНК собрана в отдельную зону – нуклеоид, его размер составляет около 0, 4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях может быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз в зависимости от типа клеток.

Прижизненно нуклеоиды митохондрий можно окрашиваться специальными флуорохромами. Оказалось, что в некоторых культурах в клетках от 6 до 60% митохондрий не имеют нуклеоида, что может объясняться тем, что деление этих органелл скорее связано с фрагментацией, а не с распределением нуклеоидов.

Как уже говорилось, митохондрии могут как делиться, так и сливаться друг с другом. В обычной культуре клеток человека Hela все митохондрии содержат нуклеоиды. Однако одна из мутантных линий этой культуры содержала митохондрии, в которых нуклеоиды с помощью флуорохромов не выявлялись. Но если эти мутантные клетки слить с цитопластами клеток исходного типа, то во всех митохондриях нуклеоиды были обнаружены. Это говорит о том, что при слиянии митохондрий друг с другом может происходить обмен их внутренними компонентами.

Важно подчеркнуть, что рРНК и рибосомы митохондрий резко отличны от таковых в цитоплазме. Если в цитоплазме обнаруживаются 80s рибосомы, то рибосомы митохондрий растительных клеток принадлежат к 70s рибосомам (состоят из 30s и 50s субъединиц, содержат 16s и 23s РНК, характерные для прокариотических клеток), а в митохондриях клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50s).

Рибосомные РНК митохондрий синтезируются на митохондриальных ДНК. В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается, в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах, при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий.

На митохондриальном геноме синтезируются и транспортные РНК, всего синтезируется 22 тРНК. Триплетный код митохондриальной синтетической системы отличен от такового, используемого в гиалоплазме. Несмотря на наличие казалось бы всех компонентов, необходимых для синтеза белков, небольшие молекулы митохондриальной ДНК не могут кодировать все митохондриальные белки, только лишь их небольшую часть. Так ДНК размером 15 тыс.н.п. может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6х10 5 . В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля митохондрии достигает величины около 2х10 6 . Если учесть, что кроме белков окислительного фосфорилирования в митохондрии входят ферменты цикла трикарбоновых кислот, ферменты синтеза ДНК и РНК, ферменты активации аминокислот и другие белки, то видно, что, для того чтобы кодировать эти многочисленные белки и рРНК и тРНК, количества генетической информации в короткой молекуле митохондриальной ДНК явно не хватает. Расшифровка нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК человека показала, что она кодирует всего лишь 2 рибосомные РНК, 22 трансферных РНК и всего 13 различных полипептидных цепей.

В настоящее время имеются убедительные доказательства, что большая часть белков митохондрий находится под генетическим контролем со стороны клеточного ядра и синтезируется вне митохондрий. Так, в частности цитохром с, образуется в гиалоплазме, а из девяти полипептидных цепей в составе АТФ-синтетазы только одна синтезируется в матриксе митохондрий животных. Митохондриальная ДНК кодирует лишь немногие митохондриальные белки, которые локализованы в мембранах и представляют собой структурные белки, ответственные за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных компонентов.

Большинство митохондриальных белков синтезируется на рибосомах в цитозоле. Эти белки имеют специальные сигнальные последовательности, которые узнаются рецепторами на внешней мембране митохондрий. Эти белки могут встраиваться в них (см. аналогию с мембраной пероксисом), а затем перемещаться на внутреннюю мембрану. Этот перенос происходит в точках контакта наружной и внутренней мембран, где такой транспорт отмечен (рис. 214). Большинство липидов митохондрий так же синтезируются в цитоплазме.

Все эти открытия, показывающие относительно независимое строение и функционирование системы белкового синтеза митохондрий, возродили гипотезу о эндосимбиотическом происхождении митохондрий, о том, что митохондрии представляют собой организмы типа бактерий, находящиеся в симбиозе с эукариотический клеткой.

Дожжевая клетка имеет все основные структуры, которые присущи любой эукариотической клетке, но в то же время она обладает особенностями, свойственными грибам, а именно, сочетанием признаков как растительной, так и животной клеток: клеточная стенка у них ригидная, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных.

Компоненты дрожжевой клетки

Ядро

В дрожжевой клетке в фазе между делениями всегда имеется только одно ядро. В световом микроскопе его можно увидеть после специальной окраски или с помощью фазово-контрастного устройства при высоких разрешениях. На электронно-микроскопических снимках ультратонких срезов дрожжевых клеток ядро выглядит как более или менее округлая органелла, окруженная двойной мембраной. В ней есть поры в виде округлых сквозных отверстий, которые образуются в результате слияния двух ядерных мембран. Однако ядерные поры - не просто отверстия, они заполнены сложноорганизованными структурами, которые называют комплексом пор ядра. Считается, что основная функция ядерных пор - транспорт готовых рибосомных субъединиц в цитоплазму. Ядерная оболочка многофункциональна, но в основном играет роль барьера, отделяющего содержимое ядра и регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Основные функциональные единицы ядра - молекулы ДНК, несущие основную генетическую информацию о клетке. ДНК составляет основную часть хроматина - основного компонента ядра. Число хромосом в ядре разных видов дрожжей может быть различным, оно колеблется от 2 до 16.

Митохондрии

В митохондриях имеется собственная митохондриальная ДНК (мДНК), а также весь аппарат белкового синтеза, включая матричную РНК и 70S рибосомы (в отличие от 80S рибосом в цитоплазме). мДНК у дрожжей составляет 5-20% от всей ДНК клетки. Число митохондрий в одной дрожжевой клетке варьирует в пределах 1-20 в разные периоды роста и в зависимости от условий. Как правило, 1-2 митохондрии в клетке более крупные, чем остальные и имеют разветвленную форму. Реконструкция ультратонких срезов клетки позволяет предположить, что в некоторых случаях (в подготовительный период почкования) клетка содержит всего одну вытянутую и сильно разветвленную митохондрию. Митохондрии способны к самовоспроизведению.

Цитоплазаматическая мембрана

На поперечном срезе под электронным микроскопом мембрана у дрожжей выглядит как трехслойная структура. Она представляет собой два слоя фосфолипидов, в которые погружены белковые молекулы, то есть построена по общему для всех клеточных мембран принципу. Однако, имеются различия, касающиеся химического состава. У Saccharomyces cerevisiae основными фосфолипидами мембран являются лецитин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин. На их долю приходится около 90% всех липидов мембраны. В состав мембраны дрожжей входят стероиды - эргостерол, зимостерол и др. Белки представлены в основном ферментами, которые участвуют в трансмембранном переносе веществ, расщеплении полисахаридов и синтезе внеклеточных структур. . Функции цитоплазматической мембраны многообразны: регуляция биосинтеза клеточной стенки, активный транспорт транспорт в клетку специфических молекул органических веществ, транспорт ионов K + и Na + и др.

Вакуоли

В фазово-контрастном микроскопе в клетках дрожжей хорошо видны светлые и прозрачные структуры круглой формы. Это вакуоли (см. приложение 3). Обычно их 1-3 в клетке. Каждая вакуоль окружена одинарной мембраной и содержит различные ферменты, липиды, низкомолекулярные продукты метаболизма (аминокислоты), ионы металлов. В вакуолях сосредоточена большая часть ионов калия. Иногда в вакуоли видны «пляшущие» за счет броуновского движения плотные гранулы. Это так называемые метахроматические гранулы, «пляшущие тельца» (dancing bodies), или волютин. Гранулы эти состоят из полимеризованных остатков фосфатов, а по периферии они покрыты комплексными соединениями из РНК, белков и липидов. Волютин - это резерв полифосфатов в клетке. Основная функция вакуолей - разобщение процессов синтеза и распада белков и нуклеиновых кислот. Они выполняют также роль депо для хранения некоторых запасных веществ и ферментов, участвуют в регуляции тургорного давления. Также в клетке присутствуют: клеточная стенка, которая защищает протопласт от осмотического разрыва и придает клетке определенную форму; капсула (слизистый полисахаридный чехол вокруг клетки), цитоплазма и липиды.

Дрожжи занимают центральное место в исследованиях по генетике митохондрий, поскольку эти органеллы наиболее активны у таких организмов. Половой цикл одного из представителей сахаромицетов Saccharomycescerevisiaeможет быть изображён в виде такой схемы:

Представленная схема отражает существование гаплоидных и диплоидного клонов клеток с образованием гаплоидных аскоспор.

Существование внеядерной наследственности у дрожжей впервые было показано в работах Эфрусси с соавт., описавших мутацию petite. Мутантные клетки, выращенные на глюкозе, обладали пониженным дыханием и почти не содержали цитохромов а 1 ,a 3 ,b.

Генетичекий анализ показал, что мутация petiteимеет цитоплазматическую природу. Позднее было установлено, что митохондриальная ДНК цитоплазматических мутантовpetiteотличается по плавучей плотности и содержанию ГЦ-пар от ДНК митохондрий нормальных клеток этих дрожжей.

Позднее были получены цитоплазматические мутации устойчивости дрожжей к антибиотикам.

Расщепление и рекомбинация митохондриальных генов в зиготах послужили основой для построения генетических карт цитоплазматических систем.

Дальнейшие работы позволили обнаружить у дрожжей явление супрессивности (suppression– подавление), которое выражается в том, что при скрещивании дикой (нормальной) формы дрожжей с мутантной типаpetiteв зиготах происходит преимущественная репликация ДНК митохондрий мутантной формы. Через некоторое время аллель дикого типа не просто переходит в скрытое (рецессивное) или неактивное состояние, а исчезает совсем и уже никогда не проявляется у потомства.

Явление супрессивности можно рассматривать как одну из форм преимущественной передачи наследственности, при которой один родительский цитоплазматический геном берёт верх над другим. Этот процесс оказывается аналогичным материнскому наследованию у хламидомонады, о котором говорилось выше.

Позднее цитоплазматические гены были выявлены и у многих других грибов. Биохимические изменения в работе митохондрий у них также были связаны с нарушениями биосинтеза цитохромной системы.

Таким образом, описанные примеры позволили расширить арсенал экспериментальных методов для исследования цитоплазматической наследственности и показать высокую значимость цитоплазматической наследственности для обеспечения жизнедеятельности организмов.

Роль цитоплазматических генов в биогенезе клеточных органелл

С самого начала ХХ столетия цитологии постоянно подчёркивают генетическую непрерывность хлоропластов и митохондрий, а именно то, что эти органеллы возникают только из предшествующих органелл того же рода.

Изучение роли митохондриальных генов в биогенезе митохондрий показали, что там присутствуют:

специфические ферменты – РНК-полимеразы;

все три вида РНК: рибосомальные, транспортные, информационные;

особенные рибосомы.

Именно эти компоненты обеспечивают способность органелл к синтезу белка, управляемому их собственными полинуклеотидами. За счёт работы этой системы синтезируются белки только внутренней мембраны митохондрий. При этом почти все белки митохондриальных рибосом синтезируются в цитоплазме.

Изучение роли хлоропластных генов в биогенезе хлоропластов позволило выявить те же компоненты белок-синтезирующей системы, что и в митохондриях. Однако, спектр молекул белков, образующихся в хлоропластах, оказался значительно шире, что обусловлено, главным образом, значительно большей информационной ёмкостью ДНК хлоропластов. Позднее было установлено, что за счёт собственной ДНК в хлоропластах синтезируется большая субъединица центрального фермента ассимиляции СО 2 – рибулозобисфосфат-карбоксилазы, фермента фосфорибулокиназы, некоторые белковые компоненты фотосистемыII, а также белки, участвующие в построении внутренней хлоропластной мембраны, в т.ч. мембран тилакоидов, и т.д.

Ученые выяснили, что при почковании клетки дрожжей передают своему потомству больше митохондрий, чем оставляют себе.

Порыв пожертвовать всем, даже собственным здоровьем, на благо своего потомства присущ различным видам живых существ, а не только людям. Самки полярных медведей умирают от голода, дельфины-матери перестают спать, а некоторые виды пауков жертвуют собой, чтобы обеспечить потомство питанием.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Необычайное открытие сделали учёные из Университета Калифорнии, Сан-Франциско (UCSF). Оказалось, что даже дрожжам присущ «родительский инстинкт», и они могут пожертвовать собой, чтобы потомство смогло выжить. Согласно данным, опубликованным в журнале Science, специалисты из UCSF обнаружили, что пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) передают большую часть своих митохондрий потомству. Митохондрии – миниатюрные «электростанции» клеток растений, животных и грибов (к коим относят и дрожжи), вырабатывающие энергию для протекания основных биохимических процессов.

Долгое время считалось, что при митозе – процессе деления клеток, все клеточные органеллы делятся поровну. Но так происходит не со всеми клетками. Стволовые клетки человека, например, часто делятся таким образом, что получившиеся в результате клетки и «выглядят», и «ведут себя» по-разному. То же самое происходит с некоторыми раковыми клетками. Процесс митоза у дрожжей называют почкованием. Его особенность в том, что при почковании (делении) материнской клетки потомству достается больше митохондрий, чем остается в родительской клетке. «Перекачка» дополнительных митохондрий происходит при участии белков цитоскелета. Обычно «материнского капитала» хватает на 10 делений, к 20-му практически все материнские клетки умирают. Любопытно, что сама «дочерняя» клетка при этом по размеру меньше «материнской».

Больше всего ученых удивил сам факт, что «материнские» дрожжи передают митохондрии потомству, приближая тем самым собственную смерть.

Руководитель исследования Уоллас Маршалл, доктор биохимических и биофизических наук, сообщил, что материнская клетка будет передавать столько митохондрий, сколько понадобится новым клеткам. «Мать отдаёт всё, не получая ничего по мере роста потомства», – подчеркнул он.

Если ученые научатся контролировать процесс передачи митохондрий у дрожжей, возможно, это станет еще одним шагом к пониманию того, каким образом происходит разрастание раковых клеток.

Иллюстрации: 1. Процесс почкования Saccharomyces cerevisiae. 2. Компьютерное изображение митохондриальной сети дрожжей.