Поява та еволюція клітинної мембрани
Мембрана відіграє найважливішу роль нормальному функціонуванні клітини: вона забезпечує відокремлення клітини від довкілля і з допомогою компартменталізації створює необхідне середовище протікання різних біохімічних і енергетичних процесів. Чимало досліджень присвячено вивченню біохімії та біофізики біомембран [1], але не менш важливе значення має й вивчення їхньої еволюції. Як і за яких обставин мембрана виникла в еволюції живого вперше? Коли з'явилися перші еукаріоти, і яким чином вони придбали безліч внутрішніх мембран, яких немає у прокаріотів? Над цими питаннями вчені ламають голови вже довго, але донедавна вони могли оперувати лише умоглядними гіпотезами. Розвиток масштабних методів аналізу геномів (та інших «омів» [2]), біоінформатики та математичного моделювання в біології [3] дозволили якщо і не дати вичерпних відповідей, то підібратися до них впритул.
Походження еукаріотів «виворіт»
Малюнок 1. Схема того, як еукаріотична клітина могла виникнути відповідно до «моделлю навиворіт». Вирости клітини-господаря оточили клітини-симбіонти, поступово перетворивши їх на внутрішні мембранні органели. Малюнок з [4].
Математичне моделювання дозволило іншій групі вчених краще розібратися з ще одним важливим питанням: якою була мембрана загального предка архей та бактерій, та як її будова визначила еволюцію цих двох груп прокаріотів. Про це розповідається в їхній нещодавній статті, що вийшла у журналі PLoS Biology [6].
Бактерії та археї: єдність протилежностей
Всі сучасні живі організми належать до одного з трьох доменів життя: бактерії, археї та еукаріоти. За більш-менш загальноприйнятою гіпотезою еукаріоти походять від своєрідного «злиття» двох іншихгруп, які є набагато давнішими. Бактерії та археї походять від загального предка - англійською він називається LUCA (last universal common ancestor, останній універсальний спільний предок). Бактерії та археї мають багато спільних рис, включаючи однаковий генетичний код, механізми транскрипції та рибосомної трансляції, але при цьому відрізняються у деяких ключових моментах. Вони мають різний хімічний склад клітинних мембран та стінок, по-різному влаштований гліколіз, іонні насоси та навіть різні механізми реплікації ДНК.
Можливо, відмінності у пристрої клітинної мембрани є ключовими у цьому списку відмінностей (рис. 2) [7]. Мембрани сучасних бактерій складаються з фосфоліпідів: складних ефірів гліцерину, двох залишків жирної кислоти та одного фосфатного залишку, до якого може бути приєднана додаткова полярна група. Гідрофобні хвости жирних кислот утворюють середній шар мембрани, а полярні залишки гліцерину, фосфату та допоміжних полярних груп – зовнішній та внутрішній шари. Мембрани архей влаштовані у принципі схоже, але на іншій хімічній основі. Замість жирних кислот їх ліпіди містять терпенові спирти, вуглеводневі ланцюжки яких несуть метильні групи через кожні чотири атоми. Моделювання молекулярної динаміки мембран показало, що завдяки таким мітильним «відгалуженням» мембрани стають дуже міцними, але зберігають гнучкість [8, 9]. Терпенові спирти простими ефірними зв'язками приєднуються до гліцеринфосфату, залишок фосфату може доповнюватися іншими полярними головками, такими ж, як у бактерій. Сам гліцеринфосфат архей теж відрізняється від бактеріального - в архей використовується інший його оптичний ізомер (гліцерин-1-фосфат замість гліцерин-3-фосфату). Виходить, що мембрана – найважливіший елемент, що забезпечуєіснування клітини як самостійної одиниці, - з'явилася у бактерій та архей незалежно. З цього дивовижного спостереження деякі вчені навіть роблять висновок про те, що у мембрани LUCA взагалі не було [10]. Але це вкрай малоймовірно, враховуючи, наскільки важливою більшість біохімічних процесів є мембрана. Важко уявити, що молекулярні механізми, що протікають однаково і в бактерій, і в архей, з'явилися і могли функціонувати ще до появи мембрани. Значить, якась мембрана у LUCA таки була. Група вчених з Університетського Лондонського коледжу за допомогою математичного моделювання розробила модель, яка описує, як ця мембрана виглядала, і як з неї виникли різні мембрани бактерій та архей [6].
Малюнок 2. Будова мембранних ліпідів бактерій (праворуч) та архей (ліворуч) [7].
«Протікає» мембрана
З різною будовою мембрани бактерій та архей ніяк не в'язалося те, що виробництво енергії в клітинах обох груп влаштовано дуже схожим чином. Справа в тому, що у всіх сучасних клітинах виробництво енергії (яка запасається у вигляді молекул АТФ) пов'язане з мембраною. Ключовими стадіями цього процесу є створення градієнта протонів на мембрані (надлишок іонів Н + із зовнішньої сторони мембрани в порівнянні з внутрішньою) та робота АТФ-синтази за рахунок цього градієнта. При цьому протони проходять через канал в АТФ-синтазі, викликаючи цим механічний поворот частини АТФ-ситназного комплексу, який, у свою чергу, забезпечує каталіз синтезу АТФ. Згідно з філогенетичними дослідженнями, АТФ-синтази всіх організмів мають загальне еволюційне походження, і предкова молекула була вже у LUCA. У деяких бактерій та архей замість градієнта протонів використовується градієнт іонів натрію, а у деяких - і той,та інший. Довгий час вважалося, що Na + виступає як замінник H + в організмів, що живуть в екстремальних умовах (термальних джерелах або в сильнолужному середовищі). Однак виявилося, що натрій-специфічні ферменти займають найнижчі гілки філогенетичного дерева в обох доменах, що вказує на їхню давнину. Модель функціонування стародавньої мембрани, запропонована британськими вченими, успішно пояснює, як і навіщо у процесі еволюції виникла здатність АТФ-синтази використовувати іони натрію. Але, перш ніж відповісти на це питання, вони мали розібратися з ще однією проблемою — незважаючи на загальне походження АТФ-синтаз, іонні насоси виникли у бактерій та архей незалежно, тобто, ймовірно, у LUCA їх не було. Як же тоді давня клітина могла позбавлятися протонів, що надходять усередину при роботі АТФ-синтази, і створювати градієнт протонів?
Малюнок 3. Умови з природним градієнтом протонів, у яких мала мешкати давня клітина [6].
На думку вчених, така «протікаюча» мембрана могла складатися із суміші амфіфільних молекул, включаючи жирні кислоти та ізопрени, але ніяк не могла містити фосфоліпіди, властиві сучасним мембранам. Додавання фосфоліпідів призводить до зниження проникності мембрани для іонів, оскільки полярні групи не можуть проходити через неполярну внутрішню частину мембрани. Така мембрана не дозволяла б підтримувати градієнт протонів, а отже, і роботу АТФ-синтази. Виходить, що для клітин з мембраною, що «протікає», не потрібні ні фосфоліпіди, ні іонні насоси (вони ніяк не сприятиму більш ефективній роботі АТФ-синтази, тому що всі «накачані» іони будуть витікати через мембрану). Щоб зрозуміти, як відбувся перехід від «протікаючої» мембрани до сучасних мембран з іоннимиНасосами, вчені звернулися до згаданого факту: деякі АТФ-синтази можуть використовувати як протони, а й іони натрію.
Дослідники припустили, що необхідним кроком для переходу до сучасної мембрани була поява здатності використовувати для створення енергії іонів градієнта натрію. Створювати такий градієнт могла б молекула SPAP (Sodium-proton antiporter, антипорт для іонів натрію та протонів), яка переносить один іон натрію в обмін на один протон. SPAP є у багатьох представників як архей, і бактерій. Саме ця молекула могла б використовувати природний протонів градієнт для створення градієнтів іонів натрію. Навіть «протікаюча» мембрана вшестеро менш проникна для іонів натрі, ніж для протонів, тому градієнт іонів натрію набагато довговічніший за таких умов. Якщо АТФ-синтаза зможе використовувати для виробництва АТФ і протони, і іони натрію, клітина, згідно з підрахунками, зможе створювати на 60% більше енергії. Як було зазначено, деякі сучасні АТФ-синтази дійсно здатні використовувати обидва види іонів. Інші використовують лише один тип іонів, але при цьому всі вони відрізняються лише парою амінокислотних замін (ймовірно, це пов'язано зі схожістю іонного радіусу та заряду іонів Na+ та H3O+ – форм, у які цих іони зазвичай транспортуються іонними каналами). Виграш в енергії клітини, що вийшов завдяки SPAP і змішаній роботі АТФ-синтаз, змогли б використовувати для того, щоб почати займати нові екологічні ніші, в яких природний градієнт протонів був набагато нижчим (до 50 разів нижче) або був непостійним. Крім того, наявність SPAP робить вигідною наявність у клітині іонних насосів. Згідно з розрахунками моделі, перевага у використанні насосів зростає зі зниженням проникності мембрани, аж дозначень проникності, притаманних сучасних мембран.
Вийдуть, що SPAP — це та молекула, яка б забезпечити перехід від «протікаючої» мембрани до майже непроникної сучасної, паралельно дозволяючи древнім клітинам розширювати ареал свого проживання. У міру розселення в різних популяціях LUCA могли виникати різні типи насосів, тому в сучасному світі бактерій та архей ми спостерігаємо таку різноманітність молекул, причому не всі вони мають загальне походження. Дослідники змогли відповісти і на питання, пов'язане з важливою відмінністю мембран бактерій та архей. Моделювання показало, що тільки після появи в еволюції іонних насосів клітинам стало вигідно знижувати проникність мембрани за рахунок приєднання гідрофільних гліцерол-фосфатних головок. Через те, що такий синтез фосфоліпідів може відбуватися двома шляхами, залежно від того, з якого боку відбувається нуклеофільна атака на карбонільний центр, з'явилося два різні хіральні варіанти фосфоліпідів у бактерій та архей. Виходить, що різні популяції отримали різні іонні насоси, а потім кожна з них пішла або «архейним» шляхом, або «бактеріальним», залежно від реакції нуклеофільного заміщення.
Малюнок 4. Еволюція архей і бактерій від загального предка LUCA. A-E - поступовий перехід від «протікає мембрани» до сучасної. F - дивергенція двох популяцій, що дали початок археям та бактеріям, за рахунок еволюції мембрани. На малюнках позначені АТФ-синтаза (ATPase), архейний і бактеріальний іонні насоси (Archaeal pump, Bacterial pump) та SPAP, що зіграли головні роки в процесі розходження архей та бактерій. Малюнки з [6, 11].
Висновок
Вивчати появу та еволюцію життя на ранніх її етапах — завдання складне і нетривіальне,вимагає роботи з великими обсягами даних та особливих підходів. В останні роки у вчених у руках з'являється все більше інструментів для таких досліджень, що дозволяють їм перевіряти давно сформульовані гіпотези та висувати нові припущення. Іноді результати дивують і припускають відмову від теорій, що вже устояли і давно увійшли до підручників. Одне з нових досліджень, наприклад, показало, що варто відмовитись від теорії походження мембранних органел шляхом фагоцитозу, а звернути увагу на протилежну модель – модель розширення мембрани. Інше описане у цій статті дослідження пропонує ще одну досить революційну ідею. Згідно з математичною моделлю британських учених мембрана LUCA була «протікаючою», а перехід до сучасної мембрани став можливим завдяки антипорту протонів та іонів натрію. Ця модель передбачає, що мембрана древніх клітин складалася з жирних кислот і терпенов, хоча раніше такі мембрани вважалися непридатними для виробництва енергії саме через свою схильність до «протікання».
Завдяки розвитку інформаційних технологій та зростаючим обсягам біологічних баз даних вчені можуть, хоча тільки в комп'ютерних моделях, зазирнути в далеке минуле. Чи є ці моделі вірними, покажуть подальші дослідження, але вже зараз вони допомагають зрозуміти багато критичних точок в еволюції життя на Землі.