Материнские клетки дрожжей жертвуют всем ради своего потомства. Морфология клеток дрожжей

Форма и размеры. Клетки дрожжей имеют разнообразную форму: круглую, овальную или эллиптическую, лимонообразную, цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гифов.

По сравнению с другими микроорганизмами дрожжи являются довольно крупными формами. Диаметр клеток дрожжей достигает 1-8 мкм, длина- 1-10 мкм. При таких размерах клеток поверхность их в 1 л сбраживаемого виноградного сока может достигать 10 м2. Именно такая большая поверхность клеток дрожжей определяет интенсивность их метаболизма и процесса обмена веществ с окружающей средой. Масса дрожжевых клеток, равнозначная по массе животному (500 кг), за сутки синтезирует более 50 т белка, а животное - всего около 0,5 кг.

Плотность (удельный вес) клеток дрожжей мало отличается от плотности бактериальных клеток. Относительная плотность бактериальных клеток составляет от 1,050 до 1,112; дрожжевых - от 1,055 до 1,060 .

Морфологически неизменные формы клеток дрожжей наблюдаются только у молодых культур на стандартной питательной среде. Одна и та же культура дрожжей может состоять из кле-

ток, различающихся по форме и размерам, особенно в зависимости от стадий развития и условий окружающей среды. Так, хересные дрожжи в период брожения, как правило, крупные, имеют эллиптическую или круглую форму клеток, тогда как в стадии образования пленки они становятся мельче, приобретают более вытянутую конфигурацию . Дрожжи рода Hansenula, обычно образующие пленку на поверхности вина из скоплений клеток сильно вытянутых, мелких, при развитии в среде с ограниченным доступом воздуха, например на дне бутылки, становятся крупнее, круглой формы. Форма и величина клеток дрожжей при введении СО2 в среду значительно изменяется. Размеры клеток пивных дрожжей (Sacch. carlsbergensis) увеличиваются и„ наоборот, клетки слабо бродящих дрожжей (Torula latvica) становятся значительно мельче .

Структура. Клетка дрожжей имеет сложное строение и состав. Размеры отдельных элементов ее находятся за пределами разрешающей способности светового микроскопа. Значительные успехи, достигнутые в настоящее время в расшифровке структур клетки дрожжей и их функций, основаны на новых методах исследования - электронной микроскопии и комплексной цитологии.

Дрожжевая клетка является одноклеточным микроскопическим организмом и имеет в основном то же строение, что и клетки животных и растений (рис. 16, 17). Внутри клетки содержатся компоненты, которые обычно подразделяются на органеллы и включения. К органеллам относятся клеточная оболочка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, митохондрии, вакуоли, аппарат Гольджи, ядро. Включения - это временные образования клетки (гликоген, трегалоза, жир, метахроматин и др.К которые появляются и исчезают в процессе обмена веществ.

Клеточная оболочка - плотная, тонкая и эластичная, окружает цитоплазму и придает характерную форму клетке дрожжей, защищает ее от вредных факторов среды, несет электрический заряд. Оболочка поддерживает внутриклеточное осмотическое давление, регулируя поступление в клетку через поры солей и других низкомолекулярных соединений.

В химический состав клеточной оболочки входят белково-нолисаха-ридные комплексы, фосфаты и липиды. У Sacch. cerevisiae полисахаридная часть комплекса состоит примерно из равных количеств глю-кана и маннана, сумма которых составляет около 90% от сухой массы оболочки; остальное количество ее приходится на долю белка, липидов, глюкозамина . Белковые комплексы насыщены дисульфидными и сульфгидрильными группами. Липиды в основном (примерно на 2/3) состоят из свободных жирных кислот (олеиновой, пальмитолеиновой, пальмитиновой и стеариновой); остальную часть их представляют триглицериды, стерины и фосфолипиды.

В клеточных оболочках других видов дрожжей содержится глюкан, который не всегда связан с маинаном. Маннан может содержаться в клеточных оболочках дрожжей в небольших количествах (Sacch. guttulata и Endomycopsis capsularis), или совсем отсутствовать (Nadsonia fulvescens, Schizosaccharomyces). Оболочки клеток дрожжей, лишенные маннана, за исключением видов рода Schizosaccharomyces, содержат повышенные количества хитина.

В области периплазмы, которая находится между внутренней поверхностью клеточной оболочки и внешней поверхностью цитоплазматической мембраны, найден ряд ферментов. В основном это гидролитические ферменты, в том числе (3-фруктофуранози-даза (инвертаза) и кислая фосфатаза.

Обычно с составом клеточной оболочки связывают явление хлопьеобразования (флокуляции) дрожжей. Для дрожжей, так же как и для бактерий, установлено, что переход S-форм (гладких) в R-формы (шероховатые) и образование хлопьев в жидкой среде обусловлены превращением гидрофильных групп клеточной оболочки в гидрофобные . Однако анализ клеточных оболочек дрожжей, выделенных из хлопьеобразующих и нехлопьеобразующих штаммов Sacch. cerevisiae и Sacch. carls-bergensis, выращенных на синтетической среде, не выявил значительных различий в содержании основных компонентов, хотя по мере роста как у тех, так и у других количество маннана постепенно уменьшалось, а глюкана - увеличивалось. И лишь активная связь фосфоманнана и ионов кальция у двух соседних хлопьеобразующих клеток дрожжей может служить объяснением явления флокуляции .

Электронно-микроскопически также не обнаружены какие-либо особенности клеточных оболочек у флокулирующих дрожжей. По-видимому, эффект флокуляции дрожжей обусловлен наследственностью штамма.

Цитоплазматическая мембрана образует наружный слой цитоплазмы. Она окружает протопласт - отдельную структурную фракцию клетки, которую можно получить при удалении клеточной оболочки с помощью ферментов. Цитоплазматическая мембрана состоит из разных по плотности электронных слоев общей толщиной не более 10 нм тесно связанных с цитоплазмой. При микроскопировании в темном поле мембрану можно наблюдать в виде тонкого светящегося ободка.

В клетке микроорганизма цитоплазматическая мембрана осуществляет 4 основные функции : действует как осмотический барьер, регулирует проникновение питательных веществ из раствора в клетку и удаление продуктов обмена веществ, выполняет биосинтез некоторых составных частей клетки (компонентов клеточной оболочки), представляет собой место локализации некоторых ферментов и органелл (рибосомы).

Поступление (транспорт) веществ в клетку связано с изменением проницаемости мембраны, которая в свою очередь зависит от активности фосфолипазы и липазы .

Цитоплазма клетки дрожжей содержит все основные структуры, присущие высокодифференцированным клеткам, а именно: митохондрии, рибосомы, более или менее развитый эндоплазматический ретикулум (эндоплазматическая сеть), запасные вещества и другие внутриклеточные включения липоидной и углеводной природы. Они принимают активное участие в осуществлении важных ферментативных процессов в цитоплазме.

В результате электронно-микроскопических и биохимических исследований установлено, что цитоплазма представляет собой коллоидную систему, состоящую из белков, углеводов, липидов, минеральных веществ, воды и соединений других видов. По консистенции она характеризуется высоким показателем вязкости, превышающим вязкость воды в 800-8000 раз, что соответствует вязкости глицерина или густого сиропа. Вязкость цитоплазмы при старении клеток возрастает.

Структура цитоплазмы изменяется в зависимости от условий культивирования и возраста клетки. Изменения цитоплазмы могут быть обратимые (паранекроз) и необратимые (некротические), что обусловлено степенью воздействия внешних факторов. У молодых клеток дрожжей цитоплазма гомогенна; при старении появляются вакуоли, зернистость, жировые капельки, гранулы полифосфатов и липоидов, т. е. цитоплазма становится гетерогенной.

При длительном дифференциальном центрифугировании цитоплазма делится на растворимую фракцию (клеточный сок) и на фракцию частиц, состоящую из мембран и рибосом. Растворимая фракция, заполняющая пространство между частицами в пнтактной клетке, является основным компонентом, который обеспечивает взаимодействие метаболитов с той средой, где находятся и функционируют структурные элементы. В растворимой фракции содержатся вещества с высокой молекулярной массой, преимущественно ферменты и транспортная РНК (тРНК), а также низкомолекулярные соединения, к которым относятся запасные углеводы, например, трегалоза и фонд (пул) аминокислот и нуклеотидов . В результате наличия в цитоплазме низкомолекулярных соединений возникает заметная разность в осмотическом давлении клеточного содержимого и наружной среды. Величина осмотического давления у дрожжей обычно составляет около 1,2 МПа .

Электронно-микроскопические исследования ультратонких срезов клеток показали, что цитоплазму пронизывает эндоплаз-матическая сеть (ретикулум), имеющая гранулярную или гладкую структуру. Тесный контакт ретикулума с другими компонентами клетки позволяет ему выполнять важную роль в обменных процессах клетки.

Одним из компонентов эндоплазматического ретикулума являются рибосомы. Это ультрамикроскопические плотные сферические гранулы. Они содержат почти равное количество РНК. и белка, незначительное - липидов. С функциональной особенностью рибосом связан синтез клеточных белков. На них происходит конденсация активированных аминокислот и укладка их в полипептидную цепь в соответствии с генетической информацией, переданной из ядра через информационную РНК .

Митохондрии - это высокоспециализированные обязательные мельчайшие органеллы дрожжевой клетки. Они обычно распределены равномерно между клеточной оболочкой и вакуолью. Их можно обнаружить не только в покоящихся клетках дрожжей, но и в клетках почкующихся, находящихся на различных стадиях роста и размножения, в почках и спорах. В монографии А. В. Котельниковой и Р. А. Звягильской «Биохимия дрожжевых митохондрий» рассмотрена подробно структурно-функциональная организация дрожжевых митохондрий.

Форме и размерам дрожжевых митохондрий присуща изменчивость. Длина их у различных дрожжевых организмов составляет от 0,2 до 7,5 мкм. По форме они могут быть в виде небольших гранул, палочек, нитей, цепочек.

Обычно число митохондрий в клетке колеблется от одной да 50. Но даже если в клетке присутствует всего одна митохондрия, она занимает не менее 20% объема клетки. В дрожжах Sacch. cerevisiae объем этих органелл может достигать 80% объема всей клетки. При низкой концентрации глюкозы в среде дрожжевая клетка содержит 100-200 митохондрий, при высокой - 30-40.

Митохондрии совершают свои функции при непрерывном перемещении с изменением размеров и формы, характеризуются быстротой и специфичностью реакции на изменения условий культивирования и физиологического состояния клетки.

Митохондрии отделены от цитоплазмы наружной двухслойной мембраной. Внутренняя мембрана образует выступы-кристы, чаще всего пузырчато-трубчатого строения. Пространство между кристами заполнено гомогенным веществом - матриксом. Слой внешней мембраны митохондрий, прилегающий к цитоплазме, имеет шероховатую поверхность и содержит перфорацию нерегулярного устройства.

Факт обязательного присутствия митохондрий в структуре клетки свидетельствует о локализации в них особых процессов, важных в обмене веществ. Дрожжевые митохондрии состоят главным образом из липидов - около 30% и белков - 65-70% сухой массы митохондрий, из которых около 25-35% находятся в форме структурного белка.

Дрожжевые митохондрии содержат ферменты, которые обеспечивают выполнение основной энергетической функции (окисление субстратов в цикле Кребса, перенос электронов через дыхательную цепь и окислительное фосфорилирование) - участвуют в сложном механизме воспроизведения митохондриальной ДНК, транскрипции и трансляции генетической информации, в биосинтезе фосфолипидов стеринов, в активации жирных кислот и др. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) составляют количественно небольшой структурный компонент митохондрий.

Одним из наиболее значительных достижений молекулярной биологии последних лет считают обнаружение в митохондриях специфической ДНК . Митохондриальная ДНК (мДНК) существенно отличается от ядерного компонента ДНК клетки.

Вакуоли в дрожжевых клетках являются обязательным органоидом. Кроме растворенных в воде электролитов, в вакуолях содержатся в коллоидном состоянии белки, жиры, углеводы и ферменты. В вакуолях накапливаются: Na, К, Са, Mg, Cl, SO4 и РО4 в виде отдельных элементов и солей, причем концентрация их во много раз превышает содержание солей в окружающей среде .

Размеры и форма вакуолей в дрожжевых клетках подвержены значительным изменениям. В одной дрожжевой клетке их может быть или несколько, или одна - центральная вакуоль.

Вакуоли содержат разнообразные включения как в состояли раствора, так и в форме кристаллических или аморфных гранул и капель; pH сока вакуоли 5,9-6,0; осмотическое давление составляет величину, близкую осмотическому давлению 2,5- 3,5%-ных растворов хлористого натрия. Содержимое вакуоли обычно оптически пусто. Светятся лишь кристаллические и липо-идные включения, находящиеся в энергичном броуновском движении. В вакуолях протекают активные окислительно-восстановительные процессы .

Аппарат Гольджи (диктиосома) состоит из ряда двойных мембран, концентрически изогнутых. Иногда от концов мембран отшнуровываются круглые пузырьки, которые могут затем превращаться в крупные вакуоли. Считают, что функция аппарата Гольджи заключается в управлении общим ходом физиологических процессов.

Ядро является постоянным структурным компонентом дрожжевой клетки. В живых дрожжах ядра можно отчетливо наблюдать в клетках, пробывших несколько дней в стерильной воде, цитоплазма которых вследствие голодания становится более гомогенной и прозрачной, а также при флуоресцентной микроскопии после обработки дрожжевых клеток растворами флуоро-хромов и при фазово-контрастной микроскопии.

Ядро у дрожжей имеет оболочку, ядрышко (кариосому) и основное содержимое - кариоплазму. Оболочка принимает участие в регуляции внутриядерных процессов путем изменения проницаемости и непосредственных сообщений между ядром и внеклеточной средой и ядром и цитоплазмой .

Диаметр дрожжевого ядра около 2 мкм, чаще всего ядра имеют шаровидную или эллиптическую форму. Расположение их может меняться в процессе жизнедеятельности клетки.

Размеры дрожжевого ядра неодинаковы не только в клетках различных родов, но и в клетках одной и той же культуры при разном физиологическом состоянии. Крупные ядра с отчетливой кариосомой наблюдаются у дрожжей представителей родов Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Saccharomycodes. В противоположность им клетки, принадлежащие к слабо бродящим и небродящим дрожжам (Torulopsis pulcherrima, Т. utilis), имеют обычно относительно мелкие ядра. У растущих дрожжевых клеток ядра обогащаются нуклеиновыми кислотами и часто перемещаются в активные участки роста ближе к участкам, в которых происходит почкование или деление клеток.

Основным химическим ингредиентом ядра является ДНК. С нею и только с нею связана передача генетической информации от одного поколения клеток к другому. В состав ядра обязательно входит также РНК, но обычно в меньшем количестве, чем ДНК- Ядро содержит и белки, не связанные с нуклеиновыми кислотами. Молекулами ДНК и РНК обусловливаются синтез и особенности белков клетки. Поток генетической информации направлен от ДНК через РНК к белку (ДНК->РНК-белок).

0,18-0,17% в расчете на сухую биомассу. Содержание ДНК в дрожжевых клетках винных дрожжей после термической обработки почти не изменяется .

Нуклеотидный состав ДНК весьма специфическим образом зависит от вида организма. Однако число остатков аденина равно числу остатков тимина (т. е. А=Т), а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина (Г = Ц), т. е. число пиримидиновых остатков равно числу пуриновых остатков (А + Г = Т + Ц). Близкие виды дрожжей имеют сходный нуклеотидный состав, а эволюционно отдаленные организмы весьма заметно различаются по этому показателю. Поэтому часто нуклеотидный состав ДНК используют как таксономический признак .

При размножении клеток в ядрах обнаруживаются структуры, содержащие ДНК,- хромосомы, которые у дрожжей можно видеть иногда на фиксированных препаратах при окраске . В хромосомах ДНК, связанная с белками-гистонами, образует нуклеопротеидные нити толщиной около 10 нм . Для конкретного вида дрожжей число хромосом, длина и форма их постоянны.

Однако данные о числе хромосом у дрожжей весьма противоречивы и пока не подкрепляются ни результатами электронномикроскопических исследований, ни генетическими данными .

В определенных условиях в природе и в эксперименте при воздействии различных химических и физических агентов число хромосом в клетке может изменяться. У гаплоидных клеток набор хромосом одинарный (п), у диплоидных - двойной (2 п). С увеличением числа хромосомных наборов возрастает содержание ДНК, увеличиваются размеры клетки, ее ядра и ядрышка. Гаплоидные клетки содержат точно половину того количества ДНК, которое обнаруживается в диплоидных.

Внутриклеточные включения и запасные вещества, находящиеся в цитоплазме и вакуолях клеток в процессе их жизнедеятельности,- это морфологически дифференцированные образования гранул гликогена, метахроматина (волютина), жироподобных веществ и капель жира, скоплений серы, кристаллов кислот и сахаров. Они находятся в клетке в осмотически инертной форме, обычно нерастворимы в воде.

Трегалоза (нередуцирующий дисахарид) и гликоген (полисахарид) содержатся в клетке в значительных пределах: трегалоза - от 20 до 150 мг, гликоген - от 30 до 100 мг на 1 г сухих веществ клеток. В дрожжах, выращенных в аэробных условиях, преобладает трегалоза, в то время как в дрожжах, взращенных анаэробно,- гликоген. С повышением температуры среды количество трегалозы в клетках увеличивается . Гранулы гликогена появляются в начале брожения и постепенно исчезают к концу. По современным сведениям, гликоген у дрожжей Sacch. cerevisiae локализован снаружи цитоплазматической мембраны в периплазматическом пространстве и связан с нерастворимыми компонентами клеточных оболочек.

Липиды (жиры и жироподобные вещества), являясь важными компонентами цитоплазматических мембран органоидов клетки, выполняют и роль запасного питательного материала. Жиры дрожжей представляют собой смесь истинных жиров (глицеридов жирных кислот) с фосфолипидами (лецитин, кефалин) и сте-ролами (эргостеролом). Капельки жира в клетках дрожжей хорошо различимы в световом микроскопе благодаря тому, что они сильно преломляют свет. Особенно хорошо они видны у пленчатых дрожжей.

Фосфолипиды наряду со стеринами, каротиноидами и сквале-нами способствуют росту дрожжей и выполнению биосинтетических реакций в анаэробиозе .

В зависимости от вида и условий культивирования дрожжи способны синтезировать от 1 до 74% липидов в расчете на сухую массу. Наибольшей способностью накапливать липиды в клетках обладают дрожжи Rhodotorula gracile. В клетках дрожжей этого рода количество липидов может достигать 74% сухой массы клеток.

Метахроматин (волютин), в состав которого входят преимущественно полифосфаты, находится в состоянии коллоидного раствора в вакуолях и без окраски или осаждения фиксаторами как правило неразличим. Однако иногда в результате каких-то отклонений в клеточном обмене веществ в вакуолях можно наблюдать метахроматин, частично выпавший из раствора в виде сферических гранул, хорошо преломляющих свет и энергично броунирующих. Метахроматин используется при построении клеточного протопласта и как источник энергии. Поэтому количество его уменьшается при активных синтетических процессах и увеличивается при задержанном размножении .

Сера, иногда содержащаяся в протоплазме дрожжей, обнаруживается по сильному преломлению света. Отложение серы в клетках дрожжей приводит к появлению инволюционных форм .

Клетки некоторых родов дрожжей (Rhodotorula, Sporobolo-myces salmonicolor) окрашены в оранжевый и красный цвета, обусловленные содержанием пигментов, принадлежащих к группе каротиноидов. Дрожжи рода Candida (С. pulcherrima, С. reu-kaufii) на средах, содержащих железо, образуют колонии темно-красного цвета за счет красного пиразинового пигмента, в состав которого входит комплексно-связанное железо.

Итак, в структуре дрожжевой клетки содержатся различные вещества, изменения которых в результате биохимических процессов должны быть идеально согласованы между собой.

Переход клеток дрожжей от аэробного существования к анаэробному (брожение) сопровождается укрупнением ядра и ка-риосом, уменьшением содержания дезоксирибонуклеиновой кислоты; поверхность митохондрий по отношению к биомассе их вещества уменьшается; в клетках дрожжей бродильного типа обычно накапливаются метахроматин и гликоген.

Структура клеток дрожжей разных родов неодинакова. Установлено, что митохондрии, эндоплазматический ретикулум и оболочки клеток дрожжей Sacch. vini и Rhodotorula glutinis существенно различаются. Ультраструктурная организация клеток дрожжей Rh. glutinis более развита и специализирована, чем дрожжей Sacch. vini. У Rh. glutinis митохондрии более многочисленны, с более упорядоченной внутренней структурой, со значительно развитым и своеобразно построенным ретикулумом.

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

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.

Клеточная стенка дрожжей - прочная, жесткая и вместе с тем эластичная структура, выполняющая те же функции, что и у бактерий. Толщина ее колеблется у разных видов дрожжей от 0,15 до 0,28 мкм, масса составляет 15-30% от сухого веса (СВ) клетки. В химический состав стенки входят 60-90% полисахаридов (гемицеллюлоз, состоящие из равных количеств глюкана и манана), 3-10% липидов, 10-25% белков, 7-9% минеральных веществ, 0,5-3% хитина. Стенка дрожжей имеет, как правило, трехслойную структуру: первый, внешний, слой - липопротеидный, средний - маннанпротеиновий комплекс, внутренний, прилегающий к цитоплазматической мембраны, - глюкановый, играющий основную роль в поддержании формы клетки. В клеточной стенке обнаружены ферменты - инвертаза, щелочная и кислая фосфатазы, липаза, способствующие расщеплению и окислению питательных веществ, поступающих в клетку, а также глюканаза и маназа, участвующих в размягчении клеточной стенки перед образованием почки - дочерней клетки .

Цитоплазматическая мембрана дрожжевой клетки - трехслойная структура толщиной 0,008-0,010 мкм. Она плотно прилегает к внутренней стенке клетки и вместе с тем тесно связана с цитоплазмой. Поверхность ее обычно ровная, но иногда встречаются небольшие выпячивания. Состоит цитоплазматическая мембрана примерно из равных количеств фосфолипидов, белков и небольшого количества углеводов. Выполняет следующие основные функции: действует как осмотическое барьер, регулирует поступление в клетку питательных веществ и удаление конечных продуктов обмена, участвует в регуляции синтеза компонентов клеточной стенки, является местом локализации многих ферментов (окислительно-восстановительных, пермеаз, кофакторов) и органелл (рибосом).

Цитоплазма дрожжевой клетки - густая жидкость, вязкость которой в 800-8000 раз превышает вязкость воды. Структура ее зависит от возраста дрожжей. В молодых клетках цитоплазма гомогенная, в зрелых она становится гетерогенной в результате появления гранул полисахаридов и полифосфатов, небольших вакуолей, в старых гетерогенность усиливается за счет жировых капелек и увеличения вакуолей.

Цитоплазма состоит из жидкой части (клеточного сока), мембран и рибосом. В жидкой части растворены ферменты, транспортная РНК (рибонуклеиновая кислота), низкомолекулярные соединения - запасные углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, которые создают осмотическое давление в клетке 1,2 Мпа. Цитоплазму пронизывает эндоплазматическая сеть (ретикулум). Это система двойных мембран (канальцев, пузырьков) с гладкой или шероховатой поверхностью, тесно контактируют с ЦПМ, ядром, внешней мембраной митохондрий и другими структурами клетки. На шероховатых участках сети прикреплены рибосомы. На гладких частях находятся ферменты углеводного и липидного обмена. Считают, что эндоплазматическая сеть участвует во многих клеточных процессах и обеспечивает непрерывную и упорядоченную доставку низкомолекулярных и строительных веществ в места их потребления .

Ядро - это важнейшая и постоянная структура дрожжевой клетки выполняет генетическую, информационную и метаболическую функции. Ядро дрожжей контролирует синтез белков, ферментов, липидов, клеточных структур и другие обменные процессы, играет главную роль в размножении клетки. Ядро в дрожжах имеет округлую форму размерами 1-2 мкм, окружено двумя мембранами, в которых есть множество пор. Через поры в ядро поступают необходимые питательные вещества, из ядра в цитоплазму - информационная и транспортная РНК, предшественники рибосом и др.

В нуклеоплазме ядра (внутренней части) находится ядрышко, что играет определенную роль в синтезе веществ рибосом. К внешней поверхности оболочки ядра прикреплено большое количество рибосом, что указывает на высокий уровень синтеза белков в непосредственной близости от ядра. Главным химическим компонентом ядра является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Состав ДНК постоянный (0,17-0,18% СМ). В состоянии покоя клетки ДНК находится в ядре в виде тонких хроматиновый нитей. При размножении клетки ДНК концентрируется в хромосомах, где находится в связанном состоянии с белками - гистонами. Хромосомы являются основными материальными структурами, которые определяют наследственность и изменчивость. Предполагается, что число хромосом, их длина и форма постоянные для определенных видов дрожжей.

Митохондрии - обязательные структуры эукариотической клетки. В зависимости от условий жизнедеятельности дрожжей форма, размеры, количество и внутреннее строение митохондрий меняются. По форме они могут быть сферическими, палочковидными или нитевидными. Размеры колеблются от 0,2 до 3,0 мкм по длине и от 0,05 до 1,5 мкм по диаметру. Окруженные митохондрии двойной мембраной - внутренней и внешней. В клетках, выращенных в аэробных условиях, внутренняя мембрана образует выступы - кристы, которые пронизывают внутренний гомогенный содержание - матрикс. Митохондрии клеток, растущих в анаэробных условиях, устроены проще и крист не содержат .

В митохондриях содержится большое количество ферментов: окислительно-восстановительных, цикла трикарбоновых кислот, транспорта электронов. Митохондрии играют основную роль в выработке, накоплении и распределении энергии в клетке, синтезе АТФ (аденозинтрифосфата).

Аппарат Гольджи состоит из мембранных дисков диаметром от 0,02 до 0,25 мкм. От концов мембран отходят пузырьки, которые затем превращаются в лизосомы и вакуоли. Считают, что аппарат Гольджи управляет многими физиологическими процессами в клетке: транспортирует различные вещества к месту их использования или выделения из клетки, участвует в формировании клеточных перегородок, спор, почек, удаляет из клетки токсические вещества.

Лизосомы - плотные гранулы, ограничены липопротеидной мембраной. Они содержат активные гидролитические и лизирующие ферментные системы, способные расщеплять крупные молекулы полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, жиров. Лизосомы звездчатой формы охватывают поврежденные структуры цитоплазмы и «переваривают» их. В случае разрыва мембраны, окружающей лизосом, происходит автолиз клеток.

Вакуоль - органелла, что находится в центральной части клетки и отделена от цитоплазмы вакуолярной мембраной, играет значительную роль в обмене веществ клетки. В вакуоли присутствуют в растворенном состоянии в виде ионов и солей натрия, калий, кальций, магний, хлор, в виде коллоидов - гидролитические ферменты, метахроматин, жиры, углеводы и белки. Указанные вещества используются клеткой по мере необходимости. Размеры вакуоли зависят от возраста и физиологического состояния дрожжевой клетки. В зрелых клетках вакуоль увеличивается, в старых достигает максимальных размеров. Отмечено, что в процессе почкования вакуоль распадается на мелкие части, которые распределяются между материнской клеткой и дочерней. После завершения цикла размножения мелкие вакуоли сливаются в одну. Не исключено, что вакуоль участвует в удалении из клетки токсичных веществ.

Запасными веществами дрожжевой клетки , содержащиеся в цитоплазме и вакуоли, являются гранулы гликогена, сахар трегалоза, метахроматин и капельки жира .

Гликоген (полисахарид) содержится в клетке в большом количестве: от 30 до 100 мг на 1 г СМ клетки. Гранулы гликогена появляются в дрожжах в начале брожения при избытке углеводного питания в среде; до конца брожения количество гликогена уменьшается. Увлеченный гликоген в цитоплазме, вместе с тем есть предположение, что он накапливается в пространстве между ЦПМ и клеточной стенкой.

В аэробных условиях в дрожжевых клетках преобладает трегалоза, количество которой может достигать 20-150 мг на 1 г СМ клетки. В вакуоли находится резервное вещество метахроматин, состоящий из липопротеидов, полифосфатов, магния и РНК. Содержание метахроматина уменьшается в процессе активного роста клетки и возрастает при задержке размножения.

Жиром в цитоплазме и вакуоли, выполняющий роль запасного питательного материала, является смесь триглицеридов с фосфолипидами и стеролы (эргостерола). Капельки жира в старых клетках видны в световом микроскопе благодаря тому, что сильно преломляют свет .

Также еще кроме меланинов для многих типично наземных грибов характерно наличие каротиноидных пигментов, которые выполняют ту же функцию защиты от солнечной инсоляции. Типичными представителями интенсивно пигментированных грибов с высоким содержанием каротиноидов есть много широко распространенных базидиомицетовых дрожжей из родов Rhodotorula, Sporobolomyces, Lipomyces и др.

Аскомицетные дрожжи Metschnikowia pulcherrima образуют диффундирующий в среду красно-вишневый пигмент пульхерримин. Так называемые «черные дрожжи», формируют темно бурые или черные колонии за счет накопления меланоидних пигментов.

Рисунок – Lipomyces starkey – грунтовые дрожжи. Клетки в 7-суточной культуре на сусло-агаре.

Грунтовые дрожжи рода Lipomyces – липомицеты распространены исключительно в почвах и не встречаются в других местообитаниях. Давно известна их способность к хорошему выживанию в минеральных горизонтах почв, бедных органическим веществом. Однако при этом липомицеты не является олиготрофамы, в лабораторных культурах они не способны к росту на разбавленных питательных средах. Отличительная особенность этих дрожжей - очень крупные клетки, на богатых средах быстро накапливают большое количество запасных липидов – до 80% от общей массы клетки (рис.). Судя по всему, стратегия выживания липомицетов в почве - это быстрое накопление запасных веществ, при попадании достижимых субстратов, например свежего опада, а затем длительное их расходования в «ожидании» новых поступлений .

Литература

Бабьева, И.П., Горин, С.Е. Почвенные дрожжи. М.: изд–во МГУ, 1987. – С. 50–63.
Кудрявцев, А.А., Гуревич, Г.А., Фихте, Б.А. Механические свойства микробных оболочек. – Пущино, 1988.
Кейтс М. Техника липидологии. М.: Мир, 1975. – 322 с.
Ревис, Д.Д., Ботстайн, Дж.Рот «Генетика бактерий» М., Мир 1984. – С. 101.
Rudic, V., Popova, N., Crivova, A. et al.«Biosynthesis ofLipoxygenase, Lipids and its Fatty Acid Composition of Actinomycetes and Yeast», Bucureşti, Roumanian Biotechnological Letters. – 2002. – V. 7. – N 3. – Р. 711-716.
Rudic, V.,Topală, L. Teza de doctorat şi autoreferatul pot fi consultate la biblioteca Academiei de Ştiinţe a Moldovei – bd. Ştefancel Mare, 1, MD – 2001, Chişinău.

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.

В митохондриальной ДНК дрожжей обнаружено только 2 гена рибосомальной РНК и только 1 ген рибосомальных белков. Этот белок расположен в малой субъединице рибосомы. Ген рибосомального белка достаточно вариабелен по размерам даже у разных штаммов, за что и получил название вариабельного (Var l). Остальные белки и РНК митохондриальных рибосом кодируются ядерными генами. 24 гена транспортной РНК обеспечивают транспорт всех аминокислот к месту синтеза белка и только одна транспортная РНК, транспортирующая лизин, импортируется из цитоплазмы и кодируется ядром. Все транспортные РНК митохондрий дрожжей кодируются одной и той же нитью ДНК и только одна из них -- противоположной нитью. Ни один из генов транспортной ДНК не имеет интронов. Гены белков цитохрома b и гены белков цитохрома С могут иметь множество интронов -- от 5 до 9.

Из приведенных данных следует, что кодируемых митохондриальным геномом дрожжей структурных белков явно недостаточно для функционирования этих органелл и большая часть из них кодируется ядерным геномом.

Характерные черты организации и экспрессии митохондриального генома грибов:

1. значительное разнообразие в наборах и расположении митохондриальных генов у различных видов;

большое разнообразие способов организации генетического материала - от компактной организации генома до свободного распределения генов по мтДНК при протяжённых некодирующих последовательностях между генами;

3. мозаичное строение ряда генов;
4. значительные внутривидовые вариации размеров мтДНК, связанные с наличием "необязательных" интронов;
5. способность отдельных сегментов мтДНК к выщеплению и амплификации с образованием дефектного митохондриального генома;
6. наличие одного или нескольких ORI, в каждом из которых репликация инициируется двунаправлено;
7. расположение всех митохондриальных генов на одной нити мтДНК и асимметричная транскрипция мтДНК;
8. множественность транскрипционных единиц мтДНК;
9. разнообразие сигналов процессинга первичных транскриптов, в качестве которых могут использоваться и тРНК, и олигонуклеотидные блоки другого типа - в зависимости от вида;
10. в большинстве случаев мРНК содержат протяжённые концевые некодирующие последовательности.

Наиболее сложная организация митохондриального генома у высших растений. У них митохондриальный геном представляет собой набор суперскрученных двуцепочечных кольцевых и/или линейных молекул. Все последовательности митохондриального генома могут быть организованы в одну крупную кольцевую «хромосому», а наблюдаемые различные размерные классы митохондриальных ДНК, скорее всего, являются результатом рекомбинационных процессов. По крайней мере, на шпинате, видах двух родов Brassica и Raphanus , сахарной свекле и пшенице было показано, что причина такой диспергированности митохондриального генома заключается в рекомбинации гомологичных участков митохондриальной ДНК. Благодаря наличию прямо ориентированных двух-трех семейств повторов размером от 1 до 14 т.п.н., молекулы митохондриальной ДНК способны к активным меж- и внутригеномным перестройкам. В результате таких перестроек митохондриальная ДНК может присутствовать в виде молекул различного размерного класса.

Так, например, у крестоцветного Brassica campestris митохондриальная ДНК присутствует в виде кольцевых молекул трех типов. Первый тип содержит полный геном -- 218 т.п.н., второй - 135 и третий -- 83 т.п.н. Субгеномные кольца образуются в результате рекомбинации геномных колец, имеющих пару прямых повторов длиной 2 т.п.н.

У пшеницы размер митохондриального генома значительно больше -- 430 т.п.н., и имеется более 10 прямых рекомбинационных повторов, в результате при электронно-микроскопическом наблюдении удается увидеть множество колец различного размера, но никто не наблюдал одну большую кольцевую молекулу, возможно, в этом состоянии митохондриальный геном пшеницы никогда и не присутствует. У мха маршанции и другого крестоцветного Brassica hirta прямые рекомбинационные повторы отсутствуют и, возможно, именно поэтому митохондриальная ДНК находиться в виде кольцевых молекул одного размерного класса. Однако для митохондриальной ДНК высших растений это скорее исключение, чем правило. У большинства высших растений в митохондриальном геноме присутствуют как рекомбинационные повторы, так и молекулы митохондриальной ДНК различного размерного класса.

Количество молекул одного размерного класса может различаться очень значительно в различных тканях растения, в зависимости от состояния растений и условий окружающей среды. Отмечено изменение численных соотношений молекул митохондриальной ДНК разного размерного класса при культивировании растений in vivo и in vitro . Возможно, изменение численных отношений между молекулами различных размерных классов отражает адаптивность растений путем повышенной амплификации нужных генов.

Кроме того, в митохондриальной геноме могут присутствовать и плазмиды как линейные, так и кольцевые, как с ДНК-ми, так и РНК-ми последовательностями, размером от 1 до 30 т.п.н. Митохондриальные плазмиды, вероятно, произошли от других клеточных геномов или даже других организмов. Иногда их наличие или отсутствие удается связать с цитоплазматической мужской стерильностью растений, но, правда, не всегда. Плазмиды у некоторых видов присутствуют, а стерильности не наблюдается. По крайней мере, в одном случае достаточно четко продемонстрировано, что в митохондриях линий с так называемым S-типом стерильности кукурузы обнаружена корреляция между присутствием плазмидоподобной митохондриальной ДНК и проявлением феномена цитоплазматической мужской стерильности. Была отмечена способность митохондриальных плазмид встраиваться, как в геном митохондрий, так и в хромосомы ядра. Однако, в других случаях присутствие плазмидной ДНК не всегда вызывает стерильность пыльцы.

Размер митохондриального генома растений наиболее вариабелен -- от 200 до 2500 т.п.н. Размер митохондриального генома высших растений больше, чем размер их хлоропластного генома.

Значительное варьирование размеров митохондриального генома является второй особенностью митохондриального генома растений. Геном не только очень велик, но и может быть различным, даже у близкородственных видов, причем в одних случаях может наблюдаться низкая вариабельность -- виды рода Brassica , в других -- очень большая. Самая высокая вариабельность размеров наблюдается у тыквенных. В пределах этого семейства размер митохондриального генома наиболее изменчив -- от 330 т.п.н. у арбуза до 2500 т.п.н. у дыни. Поэтому доля митохондриальной ДНК в общем объеме генома растений также может значительно изменяться -- порядка 1 % у большинства растений, до 15 % в клетках гипокотиля дыни.

Наличие у митохондриальных геномов больших размеров пытаются объяснить различными причинами.

Наличие дополнительных генов или особых последовательностей, необходимых для функционирования митохондрий.

Присутствие ДНК, которая используется растением, но не в качестве кодирующей, а какой-то другой функции.

ДНК, которая не используется для функционирования митохондрий, так называемая «эгоистичная» ДНК.

По-видимому, существует еще одна возможность для увеличения размеров митохондриального генома -- это последовательности, гомологичные ядерной и хлоропластной ДНК. Последовательности, гомологичные ядерной ДНК, например, у арабидопсис составляют до 5 % митохондриального генома. Первоначально последовательность хлоропластного генома, инкорпорированная в митохондриальный, была обнаружена у кукурузы. Она включала участок около 14 т.п.н., содержащий измененные хлоропластные гены 16S-рибосомальной РНК и участок большой субъединицы РДФК/О. Впоследствии хлоропластные вставки были обнаружены в митохондриальном геноме многих видов высших растений. Обычно, они составляют 1 -- 2 % от митохондриальных последовательностей и включают три главные последовательности.

Последовательность длиной 12 т.п.о. из обратного повтора хлоропластной ДНК. Она содержит последовательности для 3" экзона четырех транспортных РНК и последовательность 16 S рибосомальной РНК.

Последовательность длиной от 1,9 до 2,7 т.п.н., которая полностью кодирует большую субъединицу РБФК/О.

Последовательность длиной не более 2 т.п.о. В хлоропластом геноме этот участок кодирует 3" -- конец 23S-pибоcoмальной РНК, 4,5S- и 5S-pPHK, а также три транспортные РНК. Из всех последовательностей хлоропластного генома, которые присутствуют в митохондриальном геноме растений, только последовательности транспортной РНК действительно транскрибируются.

Поскольку у многих видов растений в митохондриальном геноме присутствуют одни и те же хлоропластные последовательности, можно предположить, что они имеют какое-либо функциональное значение. В то же время их роль, механизм переноса и время этого переноса остаются неизвестными. Произошел ли этот перенос в отдаленное в эволюции время становления эукариотической клетки или же наличие хлоропластных вставок в митохондриальном геноме свидетельствует о том, что это нормальный процесс обмена информации между органеллами, происходящий и сейчас, либо он происходит периодически в относительно недавнем эволюционном времени становления конкретных видов и родов растений?

Кроме того, часть последовательностей митохондриального генома представляет собой последовательности, гомологичные вирусным.

Для установления числа генов в геноме митохондрий растений, которые действительно функционируют, рядом исследователей было определено количество продуктов трансляции. Было показано, что число обнаруживаемых белковых полос было одинаковым даже для растений с 10-кратными различиями по величине генома. Хотя использованные методы и не дают прямого ответа на вопрос об общем числе генов митохондриального генома, тем не менее, интересно, что одно и то же число продуктов трансляции было выявлено у анализируемых видов покрытосеменных и было близко к числу генов, кодирующих белки у митохондрий животных и дрожжей.

Впервые полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК у растений была определена в 1986 г. у одного вида -- маршанции (Marchantia polymorpha ), а позже у арабидопсиса и у нескольких видов водорослей.

Молекула митохондриальной ДНК у маршанции имеет размер 186 608 п.н. Она кодирует гены 3 рРНК, 29 генов для 27 тРНК и 30 генов известных функциональных белков (16 рибосомальных белков, 3 субъединицы цитохром С оксидазы, цитохрома b, 4 субъединицы АТФ-синтетазы и 9 субъединиц НАДН-дегидрогеназы). Геном также содержит 32 неидентифицированные открытые рамки считывания. Кроме того, обнаружено 32 интрона, расположенных в 16 генах. У разных растений количество генов того или иного комплекса может варьировать, поскольку один или более генов этого комплекса могут быть перенесены в ядро. Среди неидентифицированных генов, по крайней мере, 10 постоянно встречаются практически у всех видов растений, что свидетельствует о важности их функций.

Число митохондриальных генов, кодирующих транспортные РНК митохондрий растений, в значительной степени изменчиво. У многих видов собственных митохондриальных транспортных РНК явно недостаточно, и поэтому они экспортируются из цитоплазмы (кодируются ядром или пластидным геномом). Так, например, у арабидопсиса 12 транспортных РНК имеют митохондриальное кодирование, 6 -- хлоропластное и 13 -- ядерное; у маршанции 29 -- митохондриальное и 2 -- ядерное, и ни одна из транспортных РНК не имеет хлоропластного кодирования; у картофеля 25 -- митохондриальное, 5 -- хлоропластное и 11 -- ядерное; у пшеницы, 9 -- митохондриальное, 6 -- хлоропластное и 3 -- ядерное (табл. 3).

В отличие от митохондриальной ДНК животных и хлоропластных генов, гены митохондриальной ДНК растений дисперсно распределены в геноме. Это касается как генов, кодирующих транспортные РНК, так и генов, кодирующих белки.

Таблица 3

Природа митохондриальных транспортных РНК у растений

Как и геном митохондрий грибов, геном митохондрий растений имеет интроны, которых не имеют геномы митохондрий животных.

У некоторых видов ряд генов в геноме продублирован. Так, у кукурузы и кормовых бобов гены рРНК не повторены, а у пшеницы они повторены несколько раз. Гены, кодирующие белки митохондрий, также могут быть повторены в их геноме.

Естественно, что митохондрии так же, как и хлоропласты, содержат гораздо больше белков-ферментов, чем их геном генов. И, следовательно, большинство белков контролируются ядерным геномом, собираются в цитоплазме на цитоплазматических, а не на митохондриальных рибосомах и транспортируются в митохондриальные мембраны.

Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу генов систему. В отличие от компактного генома хлоропластов, в митохондриальном геноме растений гены составляют менее 20 % генома. Увеличение генома митохондрий по сравнению с грибами или животными вызвано наличием интронов, различных повторяющихся последовательностей, вставок из генома хлоропластов, ядра и вирусов. Функции примерно 50 % митохондриального генома растений пока не выяснены. Кроме того, что многие структурные гены, контролирующие функцию митохондрий, находятся в ядре, там же находятся и многие гены, контролирующие процессы транскрипции, процессинга, трансляции митохондриальных генов. Следовательно, митохондрии являются даже менее автономными органеллами, чем пластиды.