Появлению животных на планете мы обязаны безъядерным микроорганизмам

ДНК митохондрий сохранила чуть больше десятка генов, кодирующих белки, необходимые для синтеза АТФ. Иллюстрация Physorg

Некогда микроскопические представители растительного мира «вторглись» в клетки будущих животных. Дело в том, что именно растительные клетки создали уникальный вращающийся мотор, состоящий из протеиновых ротора и статора. По каналу ротора проходят положительно заряженные ионы водорода (протоны), полученные при фотолизе – расщеплении воды за счет энергии света. Образовавшийся кислород из-за его высокой токсичности для живой клетки выбрасывается из нее в атмосферу.

Именно в результате этого клеточного процесса около миллиарда лет назад атмосфера Земли и начала обогащаться газом жизни – кислородом. Это сначала привело к так называемому Кембрийскому взрыву видообразования в толще морей и океанов, а затем и выходу жизни на сушу. Наука, однако, до сих пор не может овладеть квантовой физикой фотосинтеза, чтобы задешево получать кислород и водород. А ведь энергии этих газов при образовании гремучей смеси достаточно, чтобы выводить на орбиту Земли космические корабли. Но главное, конечно же, не в этом, а в том, что мы буквально купаемся каждый день в океане энергии, которую с большими трудозатратами можем «ухватить» лишь в незначительной степени.

Известно, что протоны, проходящие по каналу ферментного ротора, отдают свою энергию для синтеза молекул АТФ, главной энергомолекулы клетки. Поэтому фермент, созданный при зарождении жизни, получил название АТФ-синтаза. Он же участвует и в расщеплении АТФ, энергия которой идет на разные клеточные нужды, поэтому энзим стали для краткости называть просто АТФаза.

Сотрудники двух институтов – биофизики в Пекине и биологии в японском городе Оказаки – сообщили о расшифровке структур фотосистемы и светоулавливающей антенны (LHC – Light Harvesting Complex) зеленой водоросли Chlamydomonas. Клетки этой водоросли не имеют ядра, они подвижны, как «монады», и их оболочка похожа на хламиду, откуда и название. Водоросль благодаря солнечному свету активно размножается, потребляя на свои нужды до 50% углерода, попадающего в атмосферу. В Оказаки провели также и молекулярный анализ шагов поворота АТФазного ротора в ходе синтеза АТФ в клетках кишечного энтерококка (E. hirae).

Создание АТФазы, по всей видимости, было одномоментным, и фермент попал в клетки будущих животных благодаря внедрению в них безъядерных микроорганизмов. Эти «клеточные партизаны» сохранили с тех далеких времен двойную оболочку бактерий-палочек и собственную ДНК в виде кольцевидных молекул. Подобные кольца, плавающие в цитоплазме кишечной палочки E. coli, называют плазмидами. И именно они используются в биотехнологии для производства самых разных веществ.

Бактерии, оказавшиеся в клетках, получили название «митохондрии», поскольку под световым микроскопом выглядят то как нити-митосы, то как зерна-хондросы. ДНК митохондрий сохранила чуть больше десятка генов, кодирующих белки, которые необходимы для синтеза АТФ (остальные при этом были делегированы ядру). У водоросли с красивым названием «эвглена» (Euglena viridis), как выяснили специалисты Стокгольмского университета, два протеина связаны с жировыми молекулами (липидами) и, в частности, с кардиолипином, имеющимся также и в сердечной мышце.

Митохондрии образуют сети, которые при изменении условий распадаются, чем оказывают большое влияние на клетки. Митохондриальная ДНК передается потомкам только по материнской линии и в норме несет небольшой груз мутаций, число которых нарастает у нее к 30 годам. Ученые Пенсильванского университета в Филадельфии и Калифорнийского в Беркли сообщили об этом в журнале «Туры» АН США (PNAS). Следствие накопления этих мутаций – митохондриальные заболевания, связанные с поражением клеток самых разных органов и тканей.

С другой стороны, митохондриальный протеин защищает нейроны от деградации и апоптоза – запрограммированной смерти – после инсульта, о чем специалисты пекинского Института биологии написали в том же PNAS. А журнал eLife опубликовал статью об открытом в Калифорнийском технологическом институте белка митофузина. Он необходим для слияния митохондрий, без которого нарушается мейоз в клетках тестикулов в процессе образования спермиев.

В Кембридже в ходе геномного скрининга выявили каталитическую субъединицу митохондриального фермента ДНК-полимеразы (синтезирующего ДНК), который вычищает мутации в ходе смены поколений. Британские ученые считают, что белок поможет бороться с митохондриальными заболеваниями.