Загадка симбиосомной мембраны
С.Ф.Измайлов
В 1885 г. К.А.Тимирязев назвал свою популярную лекцию, посвященную лишайникам, «Растение-сфинкс». Речь шла о малоизученном тогда симбиотическом сожительстве двух разнородных организмов — водоросли и гриба, о преимуществах совместного проживания партнеров, обеспечивающего им взаимный обмен питательными веществами, защиту от неблагоприятных факторов внешней среды и в конечном итоге успех в борьбе за существование.
Сегодня о симбиозе известно достаточно много. Его изучают на ценотическом, популяцион-ном, межвидовом, организмен-ном, вне- и внутриклеточном, молекулярном и генном уровнях. Отношения симбионтов могут быть самыми разными: взаимовыгодными (мутуализм), антагонистическими (паразитизм), а также односторонне выгодными и несущественными для другого партнера (комменсализм). Здесь мы рассмотрим только один уровень организации — внутриклеточный, называемый эндосимбиозом, в который могут вступать практически все представители прокариот и эукариот и при котором возможны все варианты взаимоотношений: эука-риоты с эукариотой, эукариоты с прокариотой и даже прокариоты с прокариотой.
Важнейшая особенность эн-досимбиоза — это формирова-
© Измайлов С.Ф., 2015
Станислав Федорович Измайлов, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией азотного обмена Института физиологии растений им.К.А.Тимирязева РАН. Лауреат научных премий Президиума РАН, всероссийских и международных научных обществ. Область научных интересов — симбиотиче-ская азотфиксация, азотный обмен рас-
ние вокруг проникшего в клетку хозяина микропартнера новой мембраны. Она образуется при вдавливании внутрь плазматической мембраны хозяйской клетки и может сомкнуться полностью или частично. Тогда в инфицированной клетке возникает новая клеточная органелла, симбиосома (рис.1).
Рис.1. Электронная микрофотография симбиосом (слева) и корни бобовых растений с клубеньками, образованными азотфиксирующими бактериями. СМ — симбиосомная мембрана, СП — симбиосомное пространство.
1а
ПРИРОДА
№ 6
2 0 15
Немного истории
Образование симбиосомы и, соответственно, симбиосомной мембраны в ходе эволюции жизни на Земле обычно связывают с появлением эукариотической клетки, возраст которой примерно 2.5 млрд лет. У растений такая клетка помимо ядра обладает клеточными органоидами — хлоропластами и митохондриями, которые ограничены дополнительной внешней мембраной. Она и служит историческим прообразом симби-осомной мембраны.
Сегодня мы располагаем огромным фактическим материалом, подтверждающим правильность идеи, высказанной в 1867 г. А.С.Фаминцы-ным и О.В.Баранецким о симбиотическом происхождении хлоропластов. В 1905 г. К.С.Мережковский эти положения творчески осмыслил и оформил как теорию симбиогенеза, которую в 1920-е годы развивал Б.М.Козо-Полянский. Он предположил, что симбионты — это не только хлороплас-ты, но и другие органоиды клетки. Эта расширенная и конкретизированная теория симбиогенеза получила свое второе рождение в 60-х годах ХХ в. на основе накопленных данных по биохимии и электронной микроскопии в трудах Л.Маргелис. К сожалению, исследователь даже в своей последней монографии «Роль симбиоза в эволюции клетки», переведенной на русский язык в 1983 г., не ссылается на основополагающие работы наших соотечественников [1]. Что ж, история, как всегда, о многом умалчивает...
В 2004 г. Дж.Лейк высказал предположение, что возникновение эукариотической клетки — это не первый акт симбиогенеза в эволюции жизни. Поводом для такого рода суждений послужило наличие у грамотрицательных бактерий двух мембран, внешняя из которых могла образоваться в результате симбиогенеза. Если это так, то первый этап симбиотической эволюции — возникновение грамотрицательных бактерий, а второй — эукарио-тической клетки на их основе. В обоих случаях вещественным доказательством свершившихся великих событий в жизни на Земле служит наличие дополнительной внешней мембраны у микроорганизмов и клеточных органоидов.
Рождение
Уже самые первые электронно-микроскопические измерения, проведенные на корневых клубеньках бобовых, показали, что общая площадь симбиосомной мембраны в десятки раз больше внешней плазматической мембраны (плазмалем-мы) растительной клетки. Аналогичные примеры можно привести и для других эндосимбиозов у растений и животных. Отсюда напрашивается очевидный вывод: одна плазмалемма не может выдать «на гора» столько симбиосомной мембраны.
Ее окрашивание специфическими для плазмалем-мы красителями подтверждает такое предположение. Окрашивались только некоторые участки симбиосомной мембраны, что создавало впечатление появления «заплат». Следовательно, в ее образовании должны участвовать другие мембранные структуры клетки хозяина, и их роль может быть не менее значимой, чем плазмалеммы. Действительно, во время проникновения бактерий КЫгоЫиш в корневую клетку бобовых и при их дальнейшем размножении сильно увеличиваются размеры других мембранных структур хозяина. Прежде всего это относится к эндоплазматиче-скому ретикулуму и аппарату Гольджи. По площади они становятся значительно больше плазма-леммы. На электронно-микроскопических снимках отчетливо видны контакты и слияние симбио-сомной мембраны с данными мембранными структурами, т.е. ее построение — функция всего мембранного аппарата инфицированной клетки с участием самого микропартнера.
Это подтвердили проведенные в нашей лаборатории биохимические и иммунохимические анализы состава (белков и жирных кислот) симбио-сомной мембраны, плазмалеммы и самих бактероидов, которые представляют собой видоизмененные внутриклеточные формы бактерий. Оказалось, что в первой среди основных жирных кислот есть пальмитиновая (содержащаяся и в плазма-лемме) и олеиновая (как в бактероидах). Аналогична ситуация и для белков. Сходные результаты получили наши коллеги в Гарвардском университете [2]. Важно, что в этих работах бактериальные белки были функционально охарактеризованы и таким образом доказано их не растительное происхождение. Все это говорит о том, что своим рождением симбиосомная мембрана обязана естественному процессу, напоминающему отдаленную гибридизацию. Следовательно, мы вправе назвать эту мембрану гибридной и не только симбиосом-ной, но и симбиотической, т.е. построенной с участием прокариот и эукариот в ходе развития сим-биотических отношений (рис.2).
Такое происхождение состава симбиосомной мембраны чрезвычайно важно для осмысления природы существующих симбиозов, в частности взаимовыгодной или антагонистической их направленности. Если в построении этой мембраны участвует не только макро-, но и микропартнер, то векторное приложение «сил» со стороны каждого из них может сдвигать равновесие в ту или иную сторону. Иными словами, решение судьбы симбиоза может стать прерогативой только или преимущественно одного партнера в ущерб интересам другого. Значит, от степени участия партнеров в построении симбиосомной мембраны будет зависеть характер их дальнейших взаимоотношений. Рассмотрим этот важный тезис на конкретных результатах, полученных при изучении азотфиксирующего симбиоза у бобовых культур.
ПРИРОДА
2 0 15
13
Рис.2. Схема строения сформированной симбиосомной мембраны (СМ) люцерны Меётсадо ШпсаЬи1а [2]. Структуры, которые участвуют в образовании СМ (обозначены римскими цифрами), это мембранные фрагменты плазмалеммы, аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума (ЭР), а также и бактероида (Б), расположенного в симбиосомном пространстве (СП). Главная функция СМ — перенос органических соединений и ионов из клетки-хозяина к бактероиду с помощью специальных транспортеров и каналов, локализованных на мембране. На схеме упомянуты белки, связанные с патогенезом (Р1^-белки); нодулины, необходимые для формирования клубеньков; белки, ответственные за сигнальные процессы, поддерживающие взаимоотношения партнеров, а также блок энергетического обеспечения (АТФ); из двух дикарбоновых кислот указана только яблочная кислота (малат).
Симбиосомная мембрана — барьер и регулятор
Почти одновременно и независимо друг от друга в лабораториях США, Австралии, Франции и России (в нашем институте) из клубеньков разных видов бобовых были получены изолированные симбиосомы. Это позволило изучать на них (а также на выделенных из симбиосомной мембраны везикулярных препаратах) не только состав мембраны, но и ее основные функции, прежде всего транспортную [3, 4].
Выяснилось, что симбиосомная мембрана обладает высокой избирательной способностью по отношению к органическим веществам и ионам, транспортируемым из растения к бактероидам. Из широкого набора сахаров, органических кислот и аминокислот через эту мембрану проходят преимущественно яблочная и янтарная кислоты (дикарбоновые кислоты). С их помощью осуществляется обмен веществ в бактероидах: фиксация молекулярного азота воздуха и его последующее преобразование в аммиак ^Нз). Именно он служит тем субстратом, который экспортируется через симбиосомную мембрану к растению и обеспечивает его азотное питание.
Бактериальная мембрана проницаема для гораздо большего набора соединений — сахаров, органических кислот и аминокислот. Расположенные в ней специализированные транспортные системы осуществляют перенос тех же дикарбоновых кис-
14
лот, причем с более высокими скоростями, чем через симбиосомную мембрану. Однако т &1и (т.е. на месте, в клетке) весь потенциал реализоваться не может, поскольку на пути транспортного потока стоит барьер и регулятор в виде симбиосомной мембраны. Таким образом, мы вправе говорить о ее ключевой распределительной роли во взаимоотношениях партнеров азотфиксирующего симбиоза, обеспечивающей физиологическое превосходство растительной клетки над бактероидом.
Примечательно, что на самой ранней стадии формирования такого симбиоза, когда бактероиды еще не развили способность к азотфиксации, симбиосомная мембрана проницаема (как показали наши эксперименты) не только для двух упомянутых кислот, но и для аминокислот, необходимых для синтеза азотфиксирующего фермента — нитрогеназы. По способу питания микроорганизм проявляет паразитарные
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.