ЕУКАРИОТНА КЛЕТКА

1. От прокариотна към еукариотна клетка

1.1. Компартментизация

         Интересно е, че за появата на еукариотната клетка е било нужно повече време, отколкото за възникването на самия живот. Най-старите еукариотни микровкаменелости са на възраст между 2 и 1,5 милиарда години. Сравнението на еукариотите с различните прокариоти показва, че прародителят на еукариотите най-вероятно е принадлежал към археите. Изглежда, че той е понасял кислорода, но по своята обмяна е бил хетеротрофен анаероб и е извършвал ферментация. Такъв тип метаболизъм имат например съвременните млечнокисели бактерии.

         Прокариотните и еукариотните клетки донякъде се припокриват по размери, но средно еукариотните са по-едри: най-често 10-100 микрометра срещу 1-10 микрометра за прокариотните.


Сравнение между прокариотна и еукариотна клетка по размери: левкоцит сред бактерии във влагалищна намазка. Препаратът е любезно предоставен от Димитър Нашев от Националния център по заразни и паразитни болести.


         В живия свят уголемяването често има неочаквани и значими последици. Разликата в размерите води до разлики в устройството или/и жизнените функции – явление, наречено алометрия. Причината е, че при увеличаване на всички линейни размери повърхността и сечението растат като квадрат, а обемът и масата – като куб. За да се запази отношението обем – повърхност, важно за много жизнени процеси, трябва повърхността да се увеличи допълнително. Отличителните черти на еукариотната клетка са й нужни за нормално функциониране при нейната големина.

         Сред прокариотите най-едри клетки имат някои цианобактерии и хемосинтезиращи бактерии. Всички те растат бавно, което показва, че са надхвърлили оптималната големина, съответстваща на тяхната организация. И все пак автотрофните прокариотни клетки могат да си позволят сравнително големи размери. Техният начин на хранене не изисква усилен транспорт през мембраната. За хетеротрофна и при това анаеробна клетка положението е различно. Обмяната, основана на ферментация, изисква непрекъснато внасяне на голямо количество хранителни вещества и изнасяне на недоразградените крайни продукти. При уголемяване на такава клетка повърхността й ще расти по-бавно от обема и много скоро ще се окаже недостатъчна.

         Един начин да се увеличи повърхността е капки от околната течност, заградени с части от клетъчната мембрана, да се включат в цитоплазмата. Така при практически същия обем клетката ще има много по-голяма допирна повърхност с външната среда, понеже в самата цитоплазма ще има пространства, топологично равностойни на средата. (Топологията е клон от математиката, който изучава деформирането на фигурите.) Всяко вътреклетъчно пространство, оградено с мембрана, се нарича компартмент (отдел), а обособяването на части от клетката с вътрешни мембрани – компартментизация (от англ. compartmentation – подразделяне).


Отдели на еукариотната клетка, топологично равностойни на външната среда. Със стрелки са означени основните посоки на пренос на вещества. По Албертс и сътр. (1994) с изменения.


         Еукариотната клетка съдържа редица мембранни органели. Всяка от тях има поне един компартмент, а често и повече. Всеки компартмент може по състав и киселинност оптимално да се приспособи за даден процес, без това да засегне съседните компартменти. Така става възможно много по-голямо разноообразие от функции.

         Наченки на компартментизация има и при прокариотите – да си припомним ламелите и тилакоидите на цианобактериите и хемосинтезиращите бактерии. Вътреклетъчната мембранна система на прокариотите обаче не се разраства, защото бързо би излязла извън контрол. Еукариотната клетка регулира разположението и движенията на своите мембрани чрез съвкупност от белтъчни нишки, наречена цитоскелет. Основните съставки на цитоскелета са микротубулите и микрофиламентите. Снимки на микротубули има например на http://micro.magnet.fsu.edu/cells/microtubules/microtubules.html, а на микрофиламенти – на http://micro.magnet.fsu.edu/cells/microfilaments/microfilaments.html.

         Някои от мембранните органели са трайни и специализирани – ендоплазмена мрежа, апарат (комплекс) на Голджи.


Мембранни органели под електронен микроскоп. А. Ендоплазмена мрежа. Снимката е любезно предоставена от Цвeтана Маринова от катедра Биология, МУ – София. Б. Апарат на Голджи.


         Други органели са мехурчета със сравнително къс живот. Някои от тях, наречени ендозоми, съдържат част от околното вещество. Те се получават чрез вгъване на клетъчната мембрана навътре с участието на микрофиламентите – ендоцитоза. Други мехурчета се образуват вътре в цитоплазмата и съдържат вещества, предназначени за клетъчната мембрана или външната среда. Износът става чрез сливане на мехурчето с клетъчната мембрана – екзоцитоза. Екзо- и ендоцитозата общо се наричат цитоза.

         Както знаем, диагностичен белег на еукариотната клетка е ядрото (вж. долната фигура). Обособяването му може да се опише като подреждане и частично сливане на мембранни мехурчета около хромозомата (хромозомите). Вероятно в един момент от еволюцията се е наложило ДНК да се загради, за да бъде защитена от растящите механични напрежения в цитоплазмата. Вътрешността на ядрото е топологично равностойна на цитозола.


Дрождена клетка (Saccharomyces cerevisiae) като пример за еукариотна клетъчна организация: вляво – схема (по Шлегель, 1987, с малки изменения); вдясно – електронно-микроскопска снимка, любезно предоставена от Георги Милошев от Института по молекулярна биология. N – ядро, n – ядърце, m – митохондрия.


         Наличието на ядро усложнява клетъчното делене. Сравнително простото напречно делене на прокариотните клетки е подходящо за тях, но не и за клетка с ядро. Ето защо за разпределяне на наследствения материал между дъщерните клетки еукариотите са “разработили” митозата. При нея хромозомите се придвижват от микротубули, изградени специално за тази цел, в някои случаи в самото ядро. Съвкупността от тези микротубули се нарича делително (митотично) вретено.

         Усложняващата се клетъчна организация е изисквала все повече и повече гени. Прокариотният тип опаковка на наследствения материал (една пръстенна “хромозома”) е удобен за къси ДНК-вериги, но изглежда неподходящ за по-дългите. Еукариотите са преминали към линейни молекули ДНК, и то обикновено повече от една.

         Обособеното ядро и хромозомите са годни за съхранение на големи количества ДНК. Затова еукариотната ядрена ДНК е склонна да се натрупва. Често в еволюцията на различни групи еукариоти се удвояват отделни гени, групи гени или целият хромозомен набор. По-свободното отношение към собствената ДНК се проявява и в целенасочената обмяна на гени между различни индивиди от един вид, наречена полов процес.

1.2. Ендосимбионтни органели

         След като цитоскелетът е осигурил опора на клетъчната мембрана отвътре, външната опора (клетъчната стена) вече не е била толкова необходима. Тя е изтъняла, станала е гъвкава и в даден момент и е изчезнала напълно. Много съвременни еукариотни клетки имат стена или обвивка над мембраната, но това явно са по-късни образувания.

         Меката повърхност е позволила на клетката да се движи активно чрез псевдоподи като съвременните амеби. Станала е възможна типичната фагоцитоза: обхващане и поглъщане на сравнително големи частички. Получават се големи ендозоми, наречени фагозоми, чието съдържимо след това се смила. Еукариотната клетка-организъм се е превърнала в хищник, способен да поглъща по-дребните прокариотни клетки.

         На този етап трябва да е протекло едно от най-значимите събития в еволюцията на еукариотната клетка: снабдяването й с митохондрии. Еукариотите са възникнали в кислородна среда по време, когато много от прокариотите са били строги аероби. Дори при съвременните еукариоти обаче повечето биохимични реакции в цитозола са анаеробни. Производството на етилов алкохол се основава на ферментация, осъществявана от еукариоти (дрождите – вж. по-долу). Нашите мускулни клетки при кислороден недостиг преминават към обмяна, подобна на млечнокиселата ферментация. Това, което прави еукариотната клетка истински аеробна, са нейните митохондрии. Те осъществяват клетъчното дишане.

         Още в края на ХІХ в. редица автори предполагат, че митохондриите произлизат от бактерии, а хлоропластите – от цианобактерии. Според тази хипотеза прокариотите-предшественици някога са проникнали в еукариотната клетка, установили са с нея взаимоизгодни отношения и с времето са загубили способността си за самостоятелен живот. Такова отношение между два организма от различни видове, при което единият (ендосимбионт) живее в другия (гостоприемник) и му носи някаква полза, се нарича ендосимбиоза. Обикновено и ендосимбионтът извлича изгода от съжителството, но в някои случаи изглежда, че просто няма възможност да напусне гостоприемника си. Ендосимбиозата е доста разпространена сред съвременните организми – много еукариоти съдържат в клетките си прокариотни или дребни еукариотни ендосимбионти. Не е известна ендосимбиоза с прокариот в ролята на гостоприемника, вероятно понеже прокариотните клетки са малки и неспособни на цитоза.

         Ендосимбионтният произход на митохондриите и хлоропластите дълго време е любопитна, но непроверима хипотеза. Постепенно обаче се трупат данни в нейна подкрепа. Митохондриите и пластидите имат двойна мембрана, като външната прилича на останалите клетъчни мембрани, а вътрешната доста се различава от тях. Това навежда на мисълта, че вътрешната мембрана има чужд произход, а външната е мембрана на фагозома. Митохондриите и хлоропластите имат собствена ДНК, която е пръстенна като прокариотната. Притежават и собствени рибозоми, също от прокариотен тип. И в митохондриите, и в аеробните бактерии дихателните ензими и АТФ-синтетазата се намират под “мембраната”, т.е. вътрешната мембрана при митохондриите и клетъчната мембрана при бактериите. Хлорофилът в хлоропластите се съдържа в тилакоиди, подобни на тези при цианобактериите.

         Според ендосимбионтната теория, която днес е общоприета, между частичките, поглъщани от примитивната еукариотна клетка, е имало аеробни бактерии. Някои от тях, вместо да бъдат смлени, са останали да живеят и да се размножават в цитоплазмата. Те са се оказали полезни за клетката-гостоприемник, понеже чрез своята аеробна обмяна са отстранявали опасния О2 и ненужните крайни продукти на ферментацията. С течение на времето бактериите са загубили стените си и са се оказали заградени само с две мембрани – своята и тази на някогашната фагозома. Всяка бактериална клетка е била принудена да изнася част от получената при дишането енергия в удобен за използване вид. Така еукариотната клетка е станала аеробна и зависима от своя ендосимбионт. След време част от гените на бактерията са били изтеглени в ядрото. Тя е престанала да бъде цялостна жива система и се е превърнала в митохондрия, както я познаваме днес. Понеже митохондриите осигуряват енергия не само за своите нужди, а и за цялата еукариотна клетка, вътрешната митохондриална мембрана (за разлика от бактериалната) увеличава повърхността си чрез гънки, наречени кристи.

         По-късно някои от еукариотите са погълнали прокариоти, подобни на съвременните цианобактерии. Между двете клетки се е установила нова ендосимбиоза. Отново гени от бактерията са преминали в ядрото. Гостоприемникът е дал начало на група еукариотни фотоавтотрофи (водорасли или растения), а ендосимбионтът – на техните хлоропласти. Така че еукариотите не само имат еднотипна обмяна, а и са взели от прокариотите два от най-важните й процеси – дишането и фотосинтезата.

         Всички изследвани съвременни митохондрии си приличат достатъчно, за да допуснем, че са били придобити само веднъж от общия предшественик на съвременните еукариоти. Придобиването на хлоропласти, изглежда, е станало значително по-късно. Освен това за разлика от митохондриите хлоропластите явно са възникнали повече от веднъж. Отдавна е известно, че червените водорасли по биохимията на своята фотосинтеза се отличават от другите водорасли и сухоземните растения. По-подробните изследвания върху различни фотосинтезиращи еукариоти разкриват, че пластидите им са резултат от поне няколко независими акта на ендосимбиоза. Особено интересни са случаите, когато ендосимбиозата се е установила сравнително неотдавна. Най-добре изученият такъв организъм е едноклетъчното двукамшичесто водорасло Cyanophora paradoxa. Всяка негова клетка съдържа от 1 до 8 пластида, наречени цианели. Те по състав и строеж много приличат на свободно живеещите цианобактерии и като тях имат муреинова клетъчна стена. Снимки на Cyanophora paradoxa са дадени на http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~inouye/ino/gl/gl_pic.html.

         Следователно компартментизацията е по-сложно явления, отколкото я представихме първоначално. Докато някои компартменти са образувани чрез "просто" преразпределяне на вътрешното пространство на клетката, други са осигурени от нейните ендосимбионти.

         Не е ясно кога и как са възникнали камшичетата, ресничките (които са им принципно сходни) и центриолите. У еукариотите не са открити камшичета от прокариотен тип. Дори и да са присъствали у предшественика, те биха били безполезни за клетка с такива размери. Еукариотните камшичета са с един порядък по-дебели от прокариотните. Всяко камшиче съдържа ос от микротубули и се изгражда върху цилиндър от микротубули – центриола, в този случай обикновено наричана базално телце.


Двойка центриоли (А) и напречно срязани реснички (Б) в епителни клетки. Снимките са любезно предоставени от Цвeтана Маринова от катедра Биология, МУ – София.


         Сравнението между прокариотна и еукариотна клетка показва, че "придобивките" на еукариотната клетка й осигуряват възможности, но имат и цена. Цитоскелетът дава механична самостоятелност, но хаби много енергия. Компартментизацията позволява едновременното протичане на разнообразни процеси, но те се извършват тромаво, с повишен разход на енергия и усложнен контрол. Например секретираните белтъци не се изнасят направо, а се синтезират в ендоплазмената мрежа и минават през комплекса на Голджи. Наличието на ядро и хромозоми позволява много по-богата наследствена програма. От друга страна, ядрото забавя процесите, свързани с ДНК. Транслацията не може да започне, преди транскрипцията да приключи. Освен това еукариотните хромозоми са пълни с некодираща ДНК, която не носи видима полза на клетката.

         Еукариотите са възприели като своя адаптивна стратегия усложняването с всичките му предимства и ограничения. Склонността към усложняване се проявява не само в клетъчната организация, а и по-нататък в обединяването на клетките до многоклетъчни организми. Ако разгледаме еволюцията на живия свят, ще видим, че извън метаболизма всичко, което ни се струва най-интересно, се е случило на еукариотите.

2. Биологичен модел: Saccharomyces serevisiae

         За да се изучи еукариотната клетка, нужен е модел, който да я представя във възможно най-опростен вид. Това веднага изключва многоклетъчните еукариоти. Моделът трябва да бъде едноклетъчен, просто устроен, с малък брой гени, лесен за отглеждане и безвреден. Такъв вид наистина е намерен, и то не чрез активно претърсване на многообразието от едноклетъчни еукариоти, а (като E. coli) почти случайно поради връзката му с човека. Става дума за хлебните дрожди Saccharomyces cerevisiae. Те спадат към царство Fungi (Гъби), което е “сестринска група” на многоклетъчните животни Metazoa, т.е. най-близката група със същия ранг. Ето защо Saccharomyces ни е толкова близкородствен, колкото е възможно за организъм, отговарящ на другите посочени по-горе изисквания за минимален еукариотен модел.

         Дрождите и гъбите изобщо са хетеротрофи, които всмукват хранителни вещества с цялата си повърхност като хетеротрофните бактерии. Същото е и мястото, което заемат в екосистемите – сапрофити или паразити. В еволюцията си гъбите са развили твърди клетъчни стени, изградени от полизахариди (хитин или глюкани), и са загубили приспособленията си за активно движение.

Клетките на хлебните дрожди са овални или кълбовидни с диаметър 5 – 10 микрометра. Схема и снимка на дрождена клетка беше дадена по-горе. Тримерна схема е показана на http://www.scripps.edu/mb/goodsell/books/figure5.1.html

         S. cerevisiae е много разпространен в природата. Има го върху листата на растенията, които секретират сладък сок. Намира се и по сладките плодове, поради което от тях може да се произвежда вино, без специално да се добавят дрожди. Освен това обитава червата на някои насекоми и топлокръвни животни.

         Хлебните дрожди са факултативни анаероби и при липса на кислород си набавят енергия чрез алкохолна ферментация. На това се основава използването им от човека от друвни времена за получаване на хляб и спиртни напитки.

         В лабораторни условия дрождите се отглеждат лесно върху среда, съдържаща въглероден източник (обикновено глюкоза), азотен източник (обикновено амониев сулфат), витамини и минерални соли.  Дрождите се нуждаят от малък брой витамини; всъщност те сами синтезират витамини от групата В толкова ефективно, че се използват като техен източник. Средата за култивиране може да бъде течна или желирана с агар. Изобщо отглеждането им в лаборатория доста напомня това на E. coli. Оптималната температура е 20 – 25оС с граници на поносимост 0 – 40оС.

         Хлебните дрожди се размножават чрез делене, като клетъчното тяло се разделя по особен начин – чрез пъпкуване. Двете нови клетки не са поначало равностойни, а едната, наречена дъщерна, се образува като пъпка върху другата, наречена майчина. Първоначално пъпката е съвсем малка и нараства постепенно, докато почти или напълно се изравни по размери с майчината клетка. Ядрото се дели чрез митоза, като запазва целостта си (делителното вретено се образува вътре в самото ядро). Едно от двете новополучени ядра преминава в дъщерната клетка, както и част от цитоплазмените органели. Между двете клетки стената расте, стеснявайки се, докато ги раздели като при бактериите.

         Истински мицел, какъвто имат повечето гъби, при дрождите не се наблюдава. При пъпкуването на Saccharomyces обаче често няколко клетки, потомци на една изходна, остават заедно известно време. В крайна сметка те се разделят и върху стената на майчината клетка остава кръгъл белег, добре видим със сканиращ електронен микроскоп. На адрес http://202.114.65.51/fzjx/wsw/newindex/tuku/MYPER/e02/776.htm има снимка на пъпкуваща дрождена клетка, която носи три белега от отделени по-рано пъпки.

         През по-голямата част от жизнения си цикъл Saccharomyces е диплоиден. Понякога се дели чрез мейоза, давайки хаплоидни клетки. Те по-късно се сливат две по две, възстановявайки диплоидното състояние. Много лабораторни щамове S. cerevisiae обаче са с променен жизнен цикъл и основното им състояние е хаплоидното.

         Геномът на Saccharomyces cerevisiae е разчетен изцяло. Той съдържа почти 6000 гена, т.е. по броя на гените си Saccharomyces не се отличава много от типичния прокариот E. coli. Хаплоидният брой хромозоми (n) е 16.

Основни източници

         Албертс Б., Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. 2. изд. Мир, Москва, 1994. (Превод от: B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 2nd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1989.)

За възникването на еукариотите:

         Шопф Дж.У. Еволюция на най-ранните клетки. В: От въглерода до човека. Народна просвета, София, 1985.

За ендосимбионтната теория:

         Gray M.W., G. Burger, B.F. Lang (1999). Mitochondrial evolution. Science 283: 1476-1481.

За S. cerevisiae:

         Шлегель Г. Общая микробиология. Мир, Москва, 1987. Превод от: Schlegel H.G. Allgemeine Mikrobiologie. 6. überarbeitete Auflage unter Mitarbeit von Karin Schmidt. Georg Thieme Verlag Stuttgart New York, 1985.
         Goffeau A., B.G. Barrell, H. Bussey, R.W. Davis, B. Dujon, H. Feldmann, F. Galibert, J.D. Hoheisel, C. Jacq, M. Johnston, E.J. Louis, H.W. Mewes, Y. Murakami, P. Philippsen, H. Tettelin, S. G. Oliver (1996). Life with 6000 genes. Science 274: 546-567.
         Martinez A. (2001). Saccharomyces. [Online] http://www.bsi.vt.edu/chagedor/biol_4684/Microbes/Saccharomyces.htm


Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел Начало Следващ раздел