_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Categories:

8. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАН И МЕМБРАННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Попробуем теперь путем сравнения бактерий и архей узнать структуру мембран их общего предка. Мембраны современных бактерий состоят из фосфолипидов — сложных эфиров глицерола, двух остатков жирной кислоты и одного фосфатного остатка. К фосфатному остатку присоединяется обычно полярная группа: этаноламин, холин, аминокислота серин или многоатомный спирт инозитол. Гидрофобные хвосты жирных кислот образуют средний слой мембраны, а полярные остатки глицерола, фосфата и вспомогательных полярных групп — наружный и внутренний слои. Мембраны архей устроены в принципе похоже, но на другой химической основе. Их липиды имеют в качестве гидрофобной части терпеновые спирты, например геранилгераниол. Их углеводородные цепочки несут метильные группы через каждые четыре атома. Эти спирты простыми эфирными связями присоединяются к глицерол-фосфату, к фосфатному остатку так же присоединены полярные головки, такие же, как у бактерий. Глицерол-фосфат архей тоже отличается от бактериального — у архей используется другой его оптический изомер.

procaryote_lipids_major

Строение мембранных липидов бактерий (сверху) и архей (снизу). В качестве полярной группы показан этаноламин.



Таким образом, сравнение современных мембран ничего нам не дает для понимания их общего предкового состояния — все основные компоненты отличаются до полной несовместимости. Мы можем только сказать, что древние мембраны, если они вообще были у LUCA, сильно отличались от всех современных. Если привлечь данные геномики, то подтверждается, что липидные мембраны у LUCA все-таки были: многие трансмембранные белки, такие как мембранная АТPаза и система секреции белков III типа, были еще у LUCA, что очевидно требует наличия мембран.

Другой информации о мембранах LUCA практически не было до 2012 года, когда Дарья Диброва, аспирантка уже не раз упомянутого здесь Мулкиджаняна, сделала подробный анализ истории генов всех ферментов биосинтеза всех компонентов липидов бактерий, архей и эукариот.

Приведем таблицу с ее результатами:

Ферменты

Археи

Бактерии

Гомология

Ферменты пути мевалоновой кислоты (биосинтез терпенов)

+

+

Гомологичны. У бактерий терпеновые остатки входят, например, в состав хинонов и хлорофилла

Ферменты синтеза жирных кислот

-

+

У архей отсутствуют, эукариотические получены горизонтальным переносом от бактерий

Глицерол-1-фосфат-синтаза

+

редко

Бактериальная глицерол-1-фосфат синтаза не участвует в синтезе мембранных липидов и скорее всего перенесена горизонтально от архей

Глицерол-3-фосфат-синтаза

редко

+

Архейная глицерол-3-фосфат синтаза, получена недавним горизонтальным переносом от бактерий, функции неизвестны.

Геранилгеранил-глицеролфосфат-синтаза (пришивание первого терпенового хвоста)

+

редко

Есть только у нескольких семейств бактерий > горизонтальный перенос

Дигеранилгеранил-глицеролфосфат-синтаза (пришивание второго терпенового хвоста)

+

-

Входит в большое семейство, другие ферменты которого пришивают терпеноспирты к хинонам, хлорофиллу и другим ароматическим соединениям. Семейство было у LUCA, но этого конкретного фермента не было

Цитидиндифосфат-диглицерид-синтаза (1 шаг пришивания полярных голов)

+

+

Гомологичен у всех трех доменов жизни, был у LUCA

Ферменты обмена цитидиндифосфата на полярные головы

+

+

Разные полярные головы пришиваются родственными ферментами. У LUCA были как минимум серин-специфические, пришивание холина и инозитола возникло после разделения бактерий и архей

Из таблицы видно, что LUCA мог 1) синтезировать терпеноспирты и 2) пришивать полярные головы к спиртам. Ни синтез глицеролфосфата, ни синтез жирных кислот не были ему доступны. Следовательно, проще всего предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта и полярной группы (вероятнее всего, серин). Подобные липиды были синтезированы искусственно. Образующиеся из них мембраны, по сравнению с современными, обладают высокой подвижностью, текучестью и хорошо пропускают ионы металлов.

Мембранные электрохимические процессы используются для синтеза АТР у громадного большинства современных организмов. В общем виде процесс выглядит так: ферментные комплексы электрон-транспортных цепей проводят окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с переносом ионов водорода через мембрану изнутри наружу. Затем ионы водорода входят в клетку через специальную мембранную АТРазу, которая сопрягает движение протонов с синтезом АТР. Кроме того, тот же электрохимический протонный градиент используется для транспорта молекул в клетку и для вращения бактериальных жгутиков. Компоненты электрон-траспортных цепей очень разнообразны, подстраиваются к условиям обитания клетки и их гены подвержены горизонтальному переносу. Мембранные АТРазы более консервативны.

1745-6150-3-13-1

atp_synthase_anim

Строение двух типов мембранных АТРаз и анимация их работы (Mulkidjanian et al., 2008)

Они делятся на два семейства: F и A/V, которые несколько отличаются по набору субъединиц. F-ATPазы встречаются у бактерий, в митохондриях и пластидах эукариот, тогда как A/V — у архей и в вакуолярной системе эукариот. Мембранные АТРазы обратимы — в зависимости от градиента протонов они могут как впускать протоны в клетку с синтезом АТР, так и откачивать из клетки с гидролизом АТР. Во втором режиме обычно работают вакуолярные A/V АТРазы, закисляющие среду в лизосомах. Молекулы обоих семейств состоят из мембранной вращающейся части — кольца из 10-15 мелких С-субъединиц, неподвижной части («статора»), заякореной в мембране и выступающей в цитоплазму (a, b и delta субъединицы F-семейства, a, E, G, F субъединицы A/V семейства), цитоплазматического «ротора» из трех А и трех В субъединиц и стебелька из gamma и epsilon субъединиц. Протоны связываются двумя карманами «статора» - по одному с каждой стороны мембраны, и чтобы пройти мембрану, должны, связавшись с С-субъединицей, ждать поворота C-кольца на 1 субъединицу. Это единственный путь от внутреннего кармана статора к наружному. Молекулы ATР связываются между A и В субъединицами цитоплазматического «ротора», активный АТРазный центр образуется в контакте со статором. Таким образом, на один оборот молекулы через мембрану переносится от 10 до 15 протонов (по числу C-субъединиц) и синтезируется либо гидролизуется 3 молекулы АТР.

Основные субъединицы АТРазы и их взаимное расположение похожи на систему секреции белков III типа. Эта общая для бактерий и архей система активно выделяет белки из клетки, развернув их до альфа-спирального состояния, с затратой АТР и вращением цитоплазматического ротора. А и В субъединицы ротора так же обладают более далеким, но достоверным сходством с хеликазами семейства Rho и белком RecA. Эти белки образуют кольца из 6 одинаковых субъединиц, которые вращаются вокруг ДНК, расплетая ее с затратой АТР. Таким образом, мембранная АТРаза происходит от древнего семейства вращающихся АТРаз с разнообразными функциями. Субъединицы двух групп АТРаз гомологичны между собой, за исключением стебелька ротора. Между стебельками F и A/V семейств нет ничего общего. Поскольку стебелек необходим для передачи вращения между С-кольцом и АВ-кольцом, то есть для сопряжения ионного транспорта с синтезом АТР, это означает, что общий предок F и A/V АТРаз не мог сам быть ион-движущей АТРазой. Скорее всего, два семейства АТРаз возникли независимо из системы секреции белков, когда выделяемый белок застревал в ней и начинал передавать вращение.

У ряда бактерий и архей мембранные АТРазы впускают в клетку не протоны, а ионы натрия. Соответственно, комплексы дыхательной цепи тоже откачивают наружу натрий вместо протонов, жгутик вращается натриевым градиентом, и мембранные транспортеры тоже работают на натрии. Первые открытые обладатели натриевой энергетики обитают в экстремальных условиях: при высокой температуре или в сильнощелочной среде, и замена протонов на натрий считалась хорошей адаптацией к этим условиям. Однако дальше были открыты бактерии с натриевой энергетикой в самых разных экологических нишах, включая морскую воду и кишечник животных. Некоторые бактерии имеют и натриевую, и протонную АТРазу, два типа комплексов электрон-транспортной цепи и в разных условиях могут переключаться между натриевой и протонной энергетикой.

На филогенетическом дереве АТРаз оказывается, что натрий-специфические ферменты занимают самые нижние ветви в обоих семействах, что указывает на их древность.

Второй аргумент в пользу древности натриевой энергетики — устройство ион-связывающих сайтов С-субъединиц. Каждый натриевый сайт образован пятью аминокислотами, атомы кислорода которых точно окружают ион натрия, заменяя молекулы воды в его гидратной оболочке. Протонные сайты же устроены очень по-разному и похожи на поврежденные мутациями варианты натриевого сайта. Причем варианты протонных сайтов хорошо согласуются с отдельными ветвями протонных АТРаз на дереве.

Третий аргумент следует из происхождения АТРазы из системы секреции. Мембранные С-субъединицы системы секреции тоже связаны друг с другом ионами натрия.

Четвертый аргумент связан с мембранными липидами. Дело в том, что мембраны из описаных в начале главы липидов, как у бактерий, так и у архей, не способны удерживать протонный градиент, протоны просачиваются через них, рассеивая энергию в тепло. Такие мембраны зато вполне герметичны для ионов натрия. Чтобы сделать мембраны герметичными для протонов, бактерии и археи добавляют в них разные специальные липиды:

procaryote_lipids

Протон-изолирующие добавки в мембранах бактерий и архей. (Haines, 2001)

Наиболее распространены у бактерий дополнительные липиды с разветвленными концами жирных кислот. У некоторых гипертермофилов, таких как Bacillus acidocaldarius, на концах жирных кислот находятся еще более объемные циклогексановые кольца.

Многие группы алкалифильных (живущих в щелочных условиях) бактерий содержат в мембранах терпеновый углеводород сквален. Ацидофильные бактерии, живущие в среде с pH ниже 1, используют плоские циклические терпены — гопаноиды, отдаленно напоминающие стеролы эукариот. Наконец, у архей для создания протононепроницаемых мембран в дело идут дифтаниловые липиды — продукты восстановления двойных связей в обычных терпеновых липидах архей, кроме того, концы гидрофобных хвостов липидов двух сторон мембраны могут химически сшиваться. Проще предположить, что сначала у прокариот существовали более простые по составу мембраны, а протононепроницаемость возникла позже. Протонный энергетический цикл имеет важное приемущество по сравнению с натриевым: перенос протонов через мембрану легко сопрягается почти с любой окислительно-восстановительной реакцией. Протон-движущие комплексы электрон-транспортной цепи гораздо разнообразнее, чем натриевые. Натриевые электрон-транспортные цепи не работают, например, с молекулярным кислородом. Зато существуют не окислительно-восстановительные натриевые насосы, например, пирофосфатазные и декарбоксилазные, что означает возможность мембранной энергетики без электрон-траспортных цепей.

nihms-124895-f0001

Сравнение возможностей натриевой и протонной мембранной энергетики (Mulkidjanian et al., 2008)

1745-6150-3-13-7

Схема эволюции мембран и мембранной энергетики (Mulkidjanian et al., 2008)

Подводим итоги: общий предок бактерий и архей имел примитивные мембраны, вероятнее всего — с однохвостыми липидами из терпенового спирта и полярной головки, без глицерола. Эти мембраны пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому для управляемого выделения белков во внешнюю среду возникли системы секреции. После разделения линий бактерий и архей у них независимо возникли мембраны из липидов с двумя гидрофобными хвостами, непроницаемые для ионов металлов. Выход из исходных геотермальных местообитаний в моря, с их высокой концентрацией натрия, потребовал создания систем откачки натрия из клеток. Так появились натриевые насосы, использующие энергию разных химических реакций. Затем в системе секреции белка застрял секретируемый продукт, превратив ее в Na-движущую АТРазу, и создаваемый химическими насосами натриевый градиент стал частично расходоваться на синтез АТР. Это независимо произошло в линиях бактерий и архей. Далее, по мере освоения сильнокислых и сильнощелочных местообитаний, появились протононепроницаемые мембраны, а мутация Na-ATPазы превратила ее в протонную, что тоже сначала могло быть адаптацией к сильнокислой среде. После этого появление протонных комплексов дыхательной цепи (возможно — сначала в другой линии прокариот, как альтернативное приспособление к сильнокислой среде) породило протонную энергетику, которая благодаря разнообразию используемых редокс-реакций в значительной степени вытеснила натриевую.

Литература:

Haines, T.H., 2001. Do sterols reduce proton and sodium leaks through lipid bilayers? Prog. Lipid Res. 40, 299–324.

Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., Koonin, E.V., 2009. Co-evolution of primordial membranes and membrane proteins. Trends Biochem. Sci 34, 206–215.

Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., Makarova, K.S., Wolf, Y.I., Koonin, E.V., 2008. Evolutionary primacy of sodium bioenergetics. Biol. Direct 3, 13.



Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 46 comments