Минимальные компоненты жизни клетки
Одно из основных положений клеточной теории гласит: «вне клетки жизни нет». Сейчас это положение дополнено тем, что клетка является главной, но не единственной формой существования жизни. Речь идет о вирусах, которые являются паразитами клеток или других вирусов. Для осуществления размножения им нужен, если можно так выразиться «живой субстрат» (но только тогда совсем не ясно, что же с вирусами, паразитирующими на других вирусах?). Но если все же отойти от темы вирусов и вернуться к клетке, то какая из них может обладать минимальным набором жизненных компонентов?
Мы знаем, что существует два вида клеток: прокариотическая и эукариотическая. Одна из самых общепризнанных теорий появления эукариот гласит о том, что появление ядерных клеток и их органелл могло быть результатом симбиоза нескольких доядерных организмов. Т. е. прокариотическая клетка уже могла обладать достаточным минимумом живых компонентов.
Клеточные компоненты прокариотической клетки:
· Капсулы, слизистые слои и чехлы
· Клеточная стенка
· Мембранные белки
· Жгутики
· Ворсинки
· Цитоплазматическая мембрана
· Цитоплазма и цитозоль
· Рибосомы
· Генетический аппарат
· Ферментативный аппарат
· Внутрицитоплазматические включения
Все это - «детали», из которых составлена клетка прокариот. Многие из этих пунктов являются не столько необходимыми и минимальными, сколько адаптивными, а потому некоторые организмы могут спокойно обходиться без них.
Например: Группа микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных и человека не имеет клеточной стенки, однако считается, что этот признак может быть вторично утрачен в результате мутации в гене, отвечающем за синтез веществ клеточной стенки. Капсулы, слизистые слои, чехлы, жгутики и ворсинки так же являются приспособительной адаптацией к среде обитания, без них, в лабораторных условиях, организмы могут спокойно расти и размножаться.
Убрав адаптивные приспособления получается, что список необходимых «деталей» будет состоять из:
· Мембранных белков
· Цитоплазматической мембраны
· Цитоплазмы и цитозоля
· Рибосом
· Внутрицитоплазматические включения
· Генетического и ферментативного аппарата
Строение и функции
Белки наружной мембраны: Их подразделяют на два вида - основные и минорные. Функции основных белков – это формирование в мембране гидрофильных пор, через которые осуществляется неспецифическая диффузия (могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды). Такие белки пронизывают мембрану насквозь.
Минорные белки куда более разнообразны и они осуществляют транспорт и рецепцию.
Цитоплазматическая мембрана: является обязательным структурным элементом клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности.
Мембранные липиды всех эубактерий и части архебактерий образуют бислой. У некоторых архебактерий (ряд метаногенов, термоацидофилы) мембранные липиды, формируют монослойную мембрану, по толщине равную бислойной, при этом монослойные липидные мембраны обладают большей жесткостью сравнительно с бислойной.
Цитозоль - фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций.
Рибосомы: Место синтеза белка, построены из двух неодинаковых субъединиц: 30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка более 20 видов. 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (235 и 55). В ее состав входят более 30 различных белков, также представленных, как правило, одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.
Гененетический аппарат: представляет собой кольцевую ДНК или, как её еще называют, бактериальную хромосому. Геном прокариот весьма различен как по размеру, так и по составу, однако они имеют так же много схожего, вполне возможно из-за горизонтального переноса генов в бактериальных колониях или из-за ретровирусов, способных встраивать свою ДНК в клетку-хозяина. В результате вирусный геном становится частью генома клетки и начинает размножаться вместе с ним.
Однако несмотря на большое разнообразие прокариотического генома, ученые из института Крэйга Вентера смогли создать синтетическую бактерию с самым минимальным, на данный момент, геномом, состоящим всего из 473 генов.
Ферментативный аппарат: основная его функция – это участие в процессе репликации ДНК и образовании дочерних клеток. Так же способен катализировать разложение и синтез всех органических веществ, входящих в живую клетку
Внутрицитоплазматические включения (мембраны): В клетках разных групп прокариот обнаружены мембраны, построенные иначе, элементарнее, нежели ЦПМ, но являются её производными. Как правило в них расположен фотосинтетический аппарат. Могут иметь вид трубочек, пузырьков (везикул, хроматофоров) или уплощенных замкнутых дисков (тилакоидов), образованных двумя тесно сближенными мембранными пластинами (ламеллами). Система фотосинтетических мембран очень пластична. Ее морфология и степень развития в клетке определяются многими факторами внешней среды (интенсивностью света, концентрацией кислорода, снабжением клетки питательными веществами), а также возрастными характеристиками культуры.
Так же существуют локальные впячивания ЦПМ, характерные для грамположительных эубактерий – мезосомы, способные увеличивать энергетически метаболизм клеток. Кроме того в них расположен ферментативный аппарат, у некоторых организмов выполняет секреторную функцию. Так же учавствует в формировании поперечной перегородки при делении.
Сильно развитая система внутрицитоплазматических мембран, морфологически отличающихся от мезосомальных, описана у азотфиксирующих, нитрифицирующих и метанокисляющих бактерий, для которых показаны высокая активность дыхания, а также способность метаболизировать растворенные в жидкой среде газообразные соединения.
Эта черта, несмотря на то, что является в некотором роде приспособительной, все же может быть отнесена к необходимым «деталям» бактерий, т.к. несмотря на разнообразие внутрицитоплазматических включений и на то, что у каждого организма они представлены разным набором, нет ни одного организма, у которого бы они отсутствовали полностью. Следовательно, для клеточной жизни они играют важную роль.
Живая среда
Конечно, описанные выше необходимые «детали» могут обеспечить выживание организма, но все же, если убрать так называемые «избыточные» компоненты, то в естественной среде организм погибнет. Все эти «излишки» являются приспособлениями к среде обитания прокариотического организма, и если мы хотим их убрать, чтобы получить минимальную бактерию, то мы должны поместить организм в такую среду, которая бы могла обеспечить его всем необходимым, и при этом бы не понадобились дополнительные приспособления.
Компоненты живой среды:
· Элементы питания, состоящие из органических и неорганических соединений, микро - и – макроэлементов;
· Элементы дыхания, зависят от того аэробный ( при чем существуют микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода) организм или анаэробный;
· Температурный режим;
· Световой режим;
· «Компания», т.к. бактерии не могут существовать по одиночке, хотя бы потому, что они размножается делением, и со временем создают колонии, кроме того колонии разнородных бактерий способны обмениваться генетической информацией, за счет горизонтального переноса генов, что способствует эволюции.
Думаю, все эти компоненты являются необходимыми, и мы не можем просто взять и отбросить какой-либо из них, однако мы можем задать такое количество этих элементов, которое будет достаточно для существования прокариотического организма с минимальным набором «деталей».
Выводы
Прокариотическая клетка не является минимальной жизнью, однако на её основе можно разобрать составные компоненты, и выбрать из них тот минимум, необходимый для осуществления жизненного процесса клетки, т.е. размножения, питания, дыхания и т.д. Кроме того, чтобы клетка с минимумом компонентов могла нормально жить и развиваться, нужно создать ей необходимую минимальную среду, способную обеспечить её жизнедеятельность.
Литература по теме:
· Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000
· М. В. Гусев, Л. А.Минеева «Микробиология» третье издание. Издательство Московского Университета 1992
· А. В. Марков, А. М. Куликов. «Происхождение эукариот как результат интеграционных процессов в микробном сообществе» (иллюстрированный доклад)
· «Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов» А.В. Марков «Элементы» 22.10.08
· «MFM-med информационный проэкт по медицине»: http://www.mfm.nnov.ru/bakterii.html
· Clyde A. Hutchison III, Ray-Yuan Chuang, Vladimir N. Noskov, Nacyra Assad-Garcia, Thomas J. Deerinck, Mark H. Ellisman, John Gill, Krishna Kannan, Bogumil J. Karas, Li Ma, James F. Pelletier, Zhi-Qing Qi, R. Alexander Richter, Elizabeth A. Strychalski, Lijie Sun, Yo Suzuki, Billyana Tsvetanova, Kim S. Wise, Hamilton O. Smith, John I. Glass, Chuck Merryman, Daniel G. Gibson, J. Craig Venter. «Design and synthesis of a minimal bacterial genome» // Science. 2016. V. 351. DOI: 10.1126/science.aad6253.
· «Горизонтальный перенос генов приводит к новому режиму эволюции» Игорь Иванов «Элементы» 05.02.07
· «Синтетическая жизнь» Султанов Даниэль «Биомолекула» 08.10.15
· «С геномом налегке: минимальный размер бактериального генома — это сколько?» Петренко Анна «Биомолекула» 26.03.16