2014-02-24
2463
Принципы классификации прокариот.
Одной морфологией, конечно, не ограничиваются: учитывается и физиология, и археология. Последняя хорошо отображает эволюцию прокариот.
Фоссилии – ископаемые останки организмов или следы их жизнедеятельности.
Биоплёнки – скопления микроорганизмов, расположенные на некой поверхности, зачастую слепленные вместе выделяемым ими веществом. Биоплёнки бывают слоистыми, и тогда организмы сидят в них «по этажам». В водоёмах бывает так: зелёный слой цианобактерий, затем красно-жёлтый (фотосинтетики, которым нужно меньше света, гетеротрофы) и чёрный (анаэробы). Такие плёнки называются микробными листами.
Строматолиты – останки ископаемых цианобактериальных матов; ископаемое карбонатное стяжение на дне водоёма. Их распиливают на тончайшие слои и смотрят под микроскопом: бактерии, жившие 4000 лет назад, имеют ту же форму, что и современные.
Как построить эволюционное древо?
Гены можно полимеризировать. Для реконструкции филогении выбирается ген, имеющийся у всех клеточных организмов, экспрессирующий наглядный признак и дешевый в синтезе. Таковы гены рибосомальной РНК. По сути, это многократно амплифицированный слепок группы генов. Карл Воз (Вёзе) открыл, что таким универсальным соединением, на основе анализа которого можно изучать филогению, является 16S РНК, содержащаяся в малой субъединице рибосом прокариот.
|
|
|
Рибосомы – это единственный универсальный инструмент биосинтеза белка. Молекулярная ёмкость рРНК – от 150 до 2000 нуклеотидов.
Далее нужно прочитать рибосомальный геном. Изначально это делали так: разрезали 16S (для 70S) и 18S (для 80S) на кусочки по 16-20 нуклеотидов и сравнивали. Существует коэффициент сравнения для отрывков А и В: SAB=NAB/(NA+ NB). Он никогда не равен 0 (из-за одинакового происхождения) и 100 (из-за погрешностей).
Пока Воз изучал рРНК, Вульф расшифровал процесс синтеза метана у прокариот.
Уравнение образования метана в живых системах: CO2+ 4H2=CH4+2H2O
CO2 – обычный субстрат, а водород – очень ценный восстановитель. Эта реакция имеет ряд сложных промежуточных стадий.
Зачем прокариоты тратят энергию на образование соединения, являющегося побочным продуктом метаболизма многих организмов? Они ассимилируют остатки водорода. Такие прокариоты – анаэробы, живущие в кишечнике травоядных, например.
Ранее существовала теория, что жизнь может быть сведена к нескольким базовым молекулам (принцип биохимического единства). При сравнении некоего прокариота с кишечной палочкой выявили сходство в 10%. При точности метода (98%) это выглядело правдой.
На основе этого сходства можно утверждать о наличии некоего общего предка – LUCA (Last Universal Common Ancestor). Этот Последний Универсальный Общий Предок лежит в основании глобального систематического древа.
|
|
|
Однако, были прокариоты, выпадавшие из группы биохимически единых. Это экстремальные галофилы и ацидофилы, облигатные анаэробы, существующие только в соответствующих условиях. Над их систематическим положением думали и решили, что древо тритомически ветвится на Bacteria, Eucaria (выделены на основе 18S), Archea.
Amitozoa – не имеющие митохондрий эукариоты. Это протисты, вторично утратившие данный органоид, и потому не входящие в эту систему.
Реальная картина выглядит следующим образом: от единого древа отделяется ветвь Bacteria, оставшаяся ветвь дихотомически делится на Archea и Eucaria.
Гены делятся на:
· Информационные: принимают участие в хранении и реализации наследственной информации;
· Операционные: отвечают за метаболизм, транспорт и тд.
Информационные гены архей во многом сходны с эукариотическими, операционные – с бактериальными.
Фил бактерий всего 25, и они делятся на имеющих реальных представителей (актуальные) и тех, что описаны теоретически (виртуальные).
Стратегия анализа отображается схемой в виде треугольника, на вершине которого – биоразнообразие прокариотов, а в углах основания – метаболизм и глобальное значение.
Питание – это заимствование из окружающей среды энергии, вещества и информации.
Делится на: транспорт (преодоление временных и пространственных расстояний) и метаболизм (совокупность процессов превращения энергии и субстратов в живой клетке). Метаболизм бывает:
1) Энергетическим.
· Ассимиляция: процесс преобразования энергии в клеточную форму.
· Диссимиляция: трата приобретенной, уже клеточной энергии на совершение полезной работы (синтез, репарация, деление, регуляция).
2) Пластическим (субстратным).
· Ассимиляция
· Диссимиляция.
Можно использовать энергию света или химических связей.
Ассимиляция энергии.
| В растворе (цитоплазме) | На мембране |
| Макроэргические соединения, формирующиеся при помощи цитозольных редокс-ферментов и киназ. Синтез АТФ в ходе окислительно-восстановительных реакций, катализируемых растворимыми ферментами. Пусть есть донор Д (органический субстрат, частично восстановлен водородом) и акцептор А (окислен, также органический). Они реагируют между собой и с остатком фосфорной кислоты Ф (фермент: дегидрогеназа): ДH2+А + Ф = Д~Ф + АН2 Связь донора с фосфатом лабильна, на её разрыв не уйдёт много энергии. Зато выделится немало. Второй этап: получившееся соединение реагирует с аденозиндифосфорной кислотой (киназа): АДФ +Д~Ф = АДФ~Ф +Д Получается АТФ. Это фосфолирирование АДФ за счёт субстрата и накопление многих продуктов. Экзотический процесс – брожение. В основе его лежит гликолиз. | Трансмембранный энергетический потенциал. Создаётся разность потенциалов на внутренней и внешней сторонах мембраны. В качестве источника положительного заряда, помимо протонов, могут использоваться ионы натрия. δµH+=|δµHout - δµHin| (или наоборот) Дельта мю – это химический потенциал. Дельта пси – электрический. Электрохимический, соответственно: δµH+ + δψH+ Чем выше кислотность среды, тем выше и разность потенциалов: это не градиент концентраций, протоны никуда не идут. Проницаемость мембраны очень мала. |
Дыхание – это процесс ассимиляции энергии ОВР между донором и акцептором, которые могут быть как органическими, так и неорганическими, с запасанием энергии в форме δµH+ за счёт разницы зарядов на внешней и внутренней сторонах мембраны.
Это высокоструктурированный процесс, частным примером акцептора в котором является кислород. Анаэробные используют анионы сульфатов, нитратов, сульфидов (хемолитотрофия) или полисахариды (хемоорганотрофия).
|
|
|
Фототрофия – это энергетическая составляющая метаболизма, связанная с ассимиляцией световой энергии. Поскольку свет – практически неиссякаемый абиогенный источник энергии, его удобно использовать. Суть и уникальность этого способа ассимиляции: превращение энергии квантов света в энергию химических связей (в результате фотофизического процесса образуется возобновляемый субстрат: возбуждённый хлорофилл). При его окислении при помощи электронно-транспортной цепи образуется протонодвижущая сила.
Фотосинтез – это процесс образования сахаров из углекислого газа и воды под действием квантов света.
Фотосинтетический аппарат бактерий:
· Светособирающие пигменты, поглощающие энергию света и передающие её в реакционные центры;
· Фотохимические реакционные центры, где электромагнитная форма энергии переходит в химическую;
· Фотосинтетические электроннотранспортные системы, обеспечивающие перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в АТФ.
Фотосинтез – сугубо бактериальный процесс. В химерных клетках осуществляется цианобактериальными симбионтами.
Глобальное значение фотосинтеза (а значит, и бактерий):
1) Образование кислорода;
2) Увеличение свободной энергии на планете;
3) (значение бактерий) Умение растений фотосинтезировать.
Формы ассимиляции энергии.
δµАТФ – изменение во времени количества АТФ
δµH+ -- суммарная разница количества Н+ и заряда.
Эти величины взаимосвязаны за счёт осмоэнзимы (зависящий от осмоса фермент). Также иеют значение протонная АТФаза и АТФсинтаза.
И при фотосинтезе, и при дыхании образуется протонный градиент. За счёт него идёт синтез АТФ. Поэтому нет фотосинтетического или окислительного фосфолирирования – есть только мембранное.
Ассимилировать энергию из субстрата могут только прокариоты. Они являются единственным «мостом» между органической и неорганической массой. Для их конструктивного метаболизма необходимы строительный материал, энергия и матрица. Ассимиляция строительного материала
|
|
|
1) углерода:
· СН4 – метанотрофные
· СН3ОН – метилотрофные
· СН2О – альдегидотрофные
· НСООН – формиатотрофные
· СО2
Цикл Кальвина (фиксация углекислого газа). Для ассимиляции этого вещества надо «пришить» его к другому веществу.
R-H + CO2=R-COOH
Карбоксилирование (фермент: карбоксилаза). Обычно в радикале вещества от 2 до 5 атомов углерода.
R-COOH + 4[H+] = R-(CH2O)-H + H2O
Только прокариоты могут переводить углерод из неорганики в органику.
Если способность ассимилировать кванты света совпадает со способностью ассимилировать углекислый газ, это фототрофия. Если прокариот ассимилирует химическую энергию и СО2, это хемотрофия.
2) Азота.
Второй биогенный элемент. Переводится из N2 в аммиак путём диазотрофии (азотфиксации).
N2 восстанавливается до аммиака N2-азой.
N2 + 6[H+] + 16АТФ = 2NH3+16АДФ +6Ф
Фермент очень чувствителен к кислороду (распадается). Поэтому его стараются защитить: контролируют диффузию кислорода, выстраивают барьеры на пути его проникновения в клетку.
Далее возможна следующая реакция:
R-C(O)-COOH + NH3 + 2 [H+]= R-CH(NH2)-COOH
Значение диазотрофов: возвращение инертного азота в биологический круговорот.
