Хаусман К., Хюльсман H., Радек Р. Протистология

Подождите немного. Документ загружается.

328 Избранные главы общей протистологии

яние с ПВ-1 других пузырьков различ-

ной формы диаметром обычно до

1 мкм. Они встраиваются в ее мембра-

ну и вызывают снижение рН содержи-

мого вакуоли. Эти пузырьки известны

как ацидосомы.

Когда диаметр ПВ-1 уменьшился до

6 мкм, начинается вторая стадия —

ПВ-Н (фагоацидосома). На этом этапе к

вакуоли подходят лизосомы и выстраи-

ваются у ее стенки.

ПВ-Ш (фаголизосома) характеризу-

ется быстрым увеличением диаметра

вакуоли, которое продолжается до тех

пор, пока ПВ-Ш не достигнет исходно-

го размера ПВ-1. Это увеличение разме-

ров является следствием слияния лизо-

сом (тех, что подошли к ее мембране)

с ПВ-П. Эти овальные лизосомы имеют

размер 0,2-0,4 мкм. Как и в случае с

пузырьками, участвующими в уменьше-

нии объема ПВ-1, увеличение объема,

сопровождающееся слиянием с лизосо-

мами не может быть объяснено только

добавлением мембран. Должен быть

другой (еще неизвестный) механизм,

который обеспечивает поступление

воды и растворимых молекул из цитоп-

лазмы в ПВ-П.

Мембрана пищеварительной вакуо-

ли почти полностью замещается в ходе

процессов слияния и отшнуровывания

пузырьков. Это можно проследить, на-

пример, при помощи меченых антител:

каждая стадия развития вакуоли и сли-

вающиеся с ней перед этим пузырьки

(дисковидные везикулы', ацидосомы,

лизосомы), метятся разными антитела-

ми. Кроме того, исследования методом

замораживания-скалывания выявили,

что количество внутримембранных ча-

стиц и их относительное распределение

на каждой из двух мембранных повер-

хностей различается на разных ПВ-ста-

диях. Замещение мембраны в ходе пи-

щеварительного цикла сопряжено с

процессом распознавания мембраны и

последующим повторным использова-

нием ее (рециклингом).

Причину уменьшения и последую-

щего увеличения объема пищеваритель-

ной вакуоли понять непросто. Предпо-

лагали, что концентрация пищевых ча-

стиц при уменьшении вакуоли позволя-

ет более эффективно использовать

пищеварительные ферменты. Однако,

поскольку ПВ-Ш почти того же разме-

ра, что и исходная вакуоль, здесь, веро-

ятно, вовлечены и другие процессы.

Было подсчитано, что содержимое ли-

зосом обеспечивает лишь часть допол-

нительного объема при увеличении ва-

куоли; поэтому потребность клетки

состоит, вероятно, не столько в измене-

нии объема пищеварительной вакуоли,

сколько в изменении состава ее мемб-

раны.

На стадии ПВ-Ш происходит пере-

варивание пищи. На всем ее протяже-

нии наблюдается непрерывная актив-

ность на периферии пищеварительной

вакуоли. Здесь с вакуолью сливаются

дополнительные лизосомы и происхо-

дит удаление веществ, заключенных в

отделяющиеся мелкие пузырьки. Непе-

реваренные остатки накапливаются

внутри ПВ-Ш, которая теперь становит-

ся дефекационной вакуолью — ПВ-IV.

Так называют пузырьки, направляющиеся к растущей пищевой вакуоли и встраивающиеся в

ее мембрану. — Прим. ред.

Сравнительная морфология и физиология протистов 329

В ходе дефекации непереваренные ос-

татки выводятся наружу посредством

экзоцитоза.

Хотя описанная последовательность

событий изучена в основном на Para-

mecium, можно предположить, что про-

цесс пищеварения идет сходным обра-

зом и у других протистов. Надо отме-

тить, что многие заглоченные патоген-

ные прокариоты избегают переварива-

ния, препятствуя слиянию фагосом с

лизосомами.

Циклоз

Обычно в клетке одновременно на-

ходится несколько пищеварительных

вакуолей на разных стадиях цикла пе-

реваривания пищи, которое происходит

не в какой-либо специальной зоне клет-

ки, а во время транспорта пищевари-

тельной вакуоли по цитоплазме. У Para-

mecium пищеварительная вакуоль опи-

сывает фигуру в виде эллипса (рис.

290). Это движение называется цикло-

зом, представляющим собой однонап-

равленный поток цитоплазмы со скоро-

стью около 3 мкм в секунду.

Представления о механизме цикло-

за остаются на уровне догадок. Исходя

из реологических показателей потока,

это движение не может быть вызвано

силами сдвига между стационарной и

движущейся цитоплазмой. Поэтому ду-

мают, что внутри потока цитоплазмы

действует акто-миозиновая система.

Вероятно, она состоит из многих мел-

ких субъединиц, случайно распределен-

ных по всему пути вакуолей. Субъеди-

ницы предположительно претерпевают

энергозависимый гель-золь переход.

Эти трансформации, возможно, сопро-

Рис. 290. В ходе циклоза у Paramecium пи-

щеварительные вакуоли перемещаются по

вполне определенному коридору внутри

цитоплазмы. Не затронутые циклозом об-

ласти цитоплазмы оттенены точками. Ско-

рость потока цитоплазмы (отмечен стрел-

ками и звездочками) 2-3 мкм в секунду (по

Сикоре).

вождаются сокращением и расслабле-

нием актомиозиновой системы. Если

так, то процесс должен контролировать-

ся несвязанными ионами кальция.

Дефекация

Дефекационные, или остаточные

вакуоли содержат непереваренные ос-

татки; в них отсутствует ферментатив-

ная активность, рН возвращается к нор-

мальному, почти нейтральному значе-

нию, а их содержимое извергается на-

ружу (рис. 291). В простейшем случае,

например у ризопод, дефекация похожа

на фагоцитоз, идущий в обратную сто-

рону. Дефекационная вакуоль сливает-

330 Избранные главы общей протистологии

Рис. 291. Дефекация у инфузории Climacostomum. а-г — фазы дефекации (оптика Номар-

ского). д — дефекационная вакуоль, только что излившая свое содержимое (ультратон-

кий срез). От уменьшающейся вакуоли берут начало многочисленные канальцы, от кото-

рых отшнуровываются пузырьки, уносящие мембранный материал, св — сократительная

вакуоль, дв — дефекационная вакуоль (из: Fischer-Defoy and Hausmann: Zoomorph. 100

[1982] 121). Увел.: а-г — 470х,д- 13 000х.

ся с плазмалеммой и тем самым опо-

рожняется наружу. При этом мембрана

вакуоли встраивается в плазматическую

мембрану, но вскоре, вероятно, транс-

портируется обратно в цитоплазму.

У инфузорий процесс дефекации

путем простого экзоцитоза затруднен

наличием кортикальных структур, по-

этому он идет в определенной, специ-

ально приспособленной для этой цели

зоне клетки. Эта зона называется ци-

топрокт (или цитопиг) и часто маркиро-

вана гребнем на поверхности клетки

(рис. 292). Альвеолы, эпиплазма и фи-

ламентозный слой не продолжаются

под гребень, поэтому дефекационная

вакуоль имеет возможность подойти

вплотную к плазмалемме.

От области цитопрокта и от распо-

ложенных поблизости безресничных

Сравнительная морфология и физиология протистов 331

кинетосом вглубь цитоплазмы отходят

одиночные микротрубочки и ленты мик-

ротрубочек, которые направляют или

даже активно транспортируют к цитоп-

рокту дефекационную вакуоль. После

слияния вакуоли с плазмалеммой непе-

реваренные остатки выбрасываются

наружу, а ее мембрана разбивается на

мелкие пузырьки (рис. 291, 292). Таким

образом, материал мембраны остается

внутри клетки. В одних случаях эти

пузырьки служат источником мембран

для растущих пищевых вакуолей; в дру-

гих — и, вероятно, этот путь реализует-

ся чаще — мембранный материал про-

ходит через аппарат Гольджи, где под-

вергается преобразованиям и лишь за-

тем вовлекается в клеточные процессы,

в том числе связанные с пищеварением.

Энергетический обмен

амитохондриальных

паразитических протистов

Определенные группы протистов —

дипломонады, оксимонады, Entamoeba,

парабазалии и Microspore

— разитель-

но отличны от большинства эукариот

организацией своего метаболизма: у

них отсутствуют митохондрии. Амито-

хондриальные протисты синтезируют

АТФ исключительно в ходе гликолиза и

субстратного фосфорилирования. Они

не имеют связанной с энергетическим

обменом системы транспорта электро-

нов. Большинство из них, если не все,

обладают гидрогеносомами или мито-

сомами, у которых, вероятно, имеется

предок, общий с современными мито-

К этим группам следовало бы добавить пелобионтид и некоторых инфузорий. —

Прим. пер.

332 Избранные главы общей протистологии

Лактат

Алании

Этанол

Фосфоенолпируват

Лактат

[10]

со ГДФ ГТФ

АДФ

Оксалацетат-ур Фумарат Су кцинат| Су кцинат]

АТФ

Пируват

Амино-

кислота

Алании

"Кето-

кислота

-со.

Этанол-

Уксусный

альдегид

гх

2Н*

Fd Fd

>уват У3^> ^Г/Л^

Цетат-

Сукцинат Сукцинил-КоА

Фосфат

Гидрогеносома АТФ

Клеточная мембрана

Ацетат

Рис. 293. Схема путей гликолиза после фосфоенолпирувата у амитохондриальных пара-

зитов Trichomonas vaginalis и Tritrichomonas foetus. Метаболизм малата в гидрогеносоме

и судьба восстанавливающих элементов не показаны. Конечные продукты метаболизма

заключены в прямоугольники. [1] пируваткиназа, [2] фосфоенолпируваткарбоксикиназа

(ГТФ-зависимая), [3] пируватаминотрансфераза, [4] пируват-ферредоксиноксидоредук-

таза, [5] ацетат/сукцинат-КоА-трансфераза, [6] сукцинил-КоА-синтаза, [7] гидрогеназа.

[8] пируват декарбоксилаза, [9] алкогольдегидрогеназа, [10] лактатдегидрогеназа (толь-

ко у Trichomonas vaginalis), [х] фумаратгидролаза (только у Tritrichomonas foetus), [у] фу-

маратредуктаза (только у Tritrichomonas foetus), [Fd] ферредоксин (по: Miiller, 2002).

хондриями. Все эти организмы относят-

ся к анаэробам или микроаэробам, т.е.

переносят низкие концентрации 0

, но

погибают при атмосферной концентра-

ции кислорода. У них не обнаружен

процесс окислительного фосфорилиро-

вания, который идет при участии мито-

хондриальной АТФ-синтазы типа Ф,Ф

за счет энергии трансмембранного про-

тонного градиента. Тем не менее, гли-

колиз, а также большинство реакций, в

которых производятся конечные про-

дукты обмена, очень похожи на эти про-

цессы у аэробных эукариот.

Амитохондриальные протисты не-

способны доводить окисление органи-

ческого субстрата до двуокиси углеро-

да и воды, поэтому говорят, что они —

ферментирующие организмы (рис. 293).

Основным источником энергии являют-

ся углеводы, преимущественно глюко-

за и ее полимеры. Окисление одной

молекулы гексозы дает лишь несколько

молекул АТФ. Конечными продуктами

ферментации углеводов чаще всего вы-

ступают органические кислоты (уксус-

ная, янтарная, молочная) или аланин, а

также этанол и С0

По организации метаболизма ами-

тохондриальные клетки принципиально

делятся на два типа, которые неоднок-

ратно и независимо возникали в разных

Сравнительная морфология и физиология протистов 333

эволюционных ветвях. В клетках типа

I (например, Giardia intestinalis, Enta-

moeba histolytica) все процессы энерге-

тического обмена идут в цитозоле.

Организмы типа II (например, Рага-

basalea) имеют гидрогеносомы (см. рис.

15). У этих организмов в цитозоле идет

гликолиз до пирувата, а также форми-

руются почти все конечные продукты

гликолиза. Пируват же поступает в гид-

рогеносому и в результате окислитель-

ного декарбоксилирования пируватфер-

редоксиноксидоредуктазой преобразу-

ется в ацетил-КоА. Превращение аце-

тил-КоА в ацетат сопровождается

фосфорилированием АДФ с образова-

нием АТФ. В дополнение к ацетату в

качестве конечных продуктов высво-

бождаются С0

и Н

. Присутствие мо-

лекулярного водорода породило назва-

ние органеллы — гидрогеносома.

Наличие специфических реакций и

ферментов у амитохондриальных пара-

зитов дает возможность применять про-

тив них избирательные лекарственные

препараты, такие как производные

5-нитроимидазола, которые воздейству-

ют на пируватферредоксиноксидоредук-

тазу.

Кристаллы

Многие протесты содержат кристал-

лы, которые, благодаря их свойству

двойного лучепреломления, хорошо

видны в поляризационный микроскоп.

Кристаллы бывают разной формы (рис.

294), но всегда окружены мембраной.

Их встречаемость и форма у гетеротроф-

ных организмов каким-то образом свя-

Рис. 294. Кристаллы, встречающиеся в

клетках Paramecium (по Вихтерману).

заны с рационом. Питающиеся бактери-

ями парамеции содержат мелкие крис-

таллы; кормление белками и мясным

экстрактом приводит к образованию у

них множества крупных кристаллов.

Фораминиферы образуют кристаллы

после поглощения копепод или инфузо-

рий, но они отсутствуют у особей, раци-

он которых состоит лишь из диатомовых

водорослей. Однако, какова связь меж-

ду пищеварением и формированием кри-

сталлов, пока совершенно непонятно.

Химическую и физическую приро-

ду большинства кристаллов еще пред-

стоит выяснить. Кристаллы состоят в

основном из солей кальция и фосфора

с включениями магния, калия, хлора и

серы. Из этих химических соединений

образуются полифосфатные стяжения,

гидроксиапатит и другие минералы.

Внутриклеточные кристаллы Parame-

cium tetraurelia содержат биогенный

обогащенный кальцием струвит

[(MgCa)NH

x6H

0] — вещество,

которое было найдено в отложениях

экскрементов летучих мышей и пингви-

нов

. Кроме того, часто встречаются и

органические составляющие. Лучшим

Струвит, являясь одним из продуктов азотистого обмена, нередко входит в состав почечных

камней человека, собак, кошек. — Прим. ред.

334 Избранные главы общей протистологии

Рис. 295. Euplotes (а) со светопреломляющими кристаллами (б), которые ограничены мем-

браной (в); лс — литосомы. Вакуоли с кристаллами на ультратонком срезе Paramecium

(г). Литосомы образованы концентрическими слоями органического и неорганического

материала (д) (а-г— из: Hausmann: Mikrokosmos 71 [1982] 33; д — из: Hausmann and Waltz:

Protoplasma 99 [1979] 67). Увел.: а и б- 265х, в — 1 700х, г - 19 ОООх, д - 9 500х.

примером так называемого «органиче-

ского кристалла» служит литосома —

шаровидное тело, образованное череду-

ющимися концентрическими слоями

органического и неорганического мате-

риала (рис. 295). Кристаллические све-

топреломляющие тельца, известные у

ряда морских протистов (например, у

динофлагеллаты Gonyaulax, инфузории

Рагаигопета) содержат в высокой кон-

центрации пурины, особенно гуанин.

Кристаллы, состоящие из пуринов (гу-

анина, гипоксантина и в меньшей сте-

пени ксантина), недавно были обнару-

жены у Paramecium tetraurelia.

В прошлом считалось, что кристал-

лы представляют собой продукты мета-

болизма (экскреционные зерна), кото-

рые должны выводиться из клетки. Од-

нако экзоцитоз целых кристаллов, на-

пример, у Paramecium, никогда не был

описан; наблюдали лишь выведение из

клетки растворимых пуринов. Форми-

рование кристаллов может служить

способом изоляции продуктов азотисто-

го обмена, которые не следует выводить

во внешнюю среду, где они могут по-

служить аттрактантом для хищников.

Таким образом, струвит и пурины, воз-

можно, участвуют в азотистом обмене

клетки протиста.

В последнее время обсуждаются

две другие гипотезы. (1) Кристаллы

представляют собой депо или резерву-

ар ионов, пуринов и органического азо-

та, которые либо совершенно необходи-

мы для определенных метаболических

процессов, либо используются в случае

голодания. (2) Кристаллы задействова-

ны в регуляции концентрации опреде-

ленных ионов в клетке. Имеются аргу-

менты в пользу обеих гипотез. Так, кри-

сталлы всегда присутствуют в цито-

плазме некоторых амеб и, если их

Сравнительная морфология и физиология протистов 335

удалить экспериментально, быстро об-

разуются снова. Кроме того, многие

протисты формируют кристаллы, когда

их содержат в оптимальных условиях.

Везикулы Paramecium, в которых

образуется струвит, также содержат ли-

пиды. Предполагается, что липиды спо-

собствуют формированию внутрикле-

точных кристаллов, потому что они эк-

страгируют металлы из растворов и

вызывают кристаллообразование на

границе раздела сред жир-вода.

336 Избранные главы общей протистологии

Ядро и половое размножение

(Мария Мулиш)

Ядра простейших по форме, строе-

нию и типу деления (рис. 296) более

разнообразны, чем ядра многоклеточ-

ных животных и растений. Большин-

ство протистов имеет только одно ядро,

хотя довольно часто встречаются виды

с несколькими или многими идентич-

ными ядрами. Такие организмы называ-

ются гомокариотными; к ним относят-

ся Chaos, Pelomyxa, Actinosphaerium,

OpalinaK У протистов со сложным жиз-

ненным циклом (например, Api-

complexa) встречаются одноядерные и

многоядерные стадии. Это характерно

для Coccidia, где спорозоиты и мерозо-

иты имеют только одно ядро, а шизон-

ты и микрогамонты содержат много

ядер. В жизненном цикле ряда форами-

нифер гамонты одноядерны, в то время

как агамонты многоядерны.

Гетерокариотными или разноядер-

ными называют протистов, у которых в

одной клетке единовременно присут-

ствуют ядра разных типов. Если ядра

двух типов выполняют различные функ-

ции, то говорят о ядерном дуализме.

Настоящий ядерный дуализм с одним

или несколькими мелкими микронукле-

усами и одним или несколькими круп-

ными макронуклеусами (рис. 112, 113,

297) характерен для всех цилиат и оп-

ределенных стадий (агамонтов) некото-

рых фораминифер (например, Rotaliella

heterokaryotica; см. рис. 162). Микро-

нуклеус — это генеративное ядро, у

Рис. 296. Ядро Lateromyxa gallica (Vam-

pyrellidae) на ультратонком срезе. Видны

конденсированные хромосомы (хр), яд-

рышко (яд) и ядерная пластинка (яп). Увел.:

15 000х.

которого экспрессия генов слабо выра-

жена или отсутствует. Макронуклеус —

соматическое ядро, определяющее фе-

нотип клетки; оно не участвует в поло-

вом размножении. В противополож-

ность этому, разноядерность других

протистов (например, динофлагеллаты

Peridinium balticum) нельзя считать на-

стоящим ядерным дуализмом, посколь-

ку одно из ядер принадлежит эндосим-

бионту и, естественно, содержит иной

геном.

Форма ядра у большинства протис-

тов сферическая или яйцевидная. Диа-

Можно привести и другие примеры: акантарии, плазмодии миксомицетов, многоядерные ста-

дии различных свободноживущих жгутиконосцев. — Прим. пер.

Ядро и половое размножение 337

Рис. 297. Окрашен-

ные ядра Euplotes (а)

и Tetrachymena (б)

на тотальных препа-

ратах, ма — макро-

нуклеус, ми — микро-

нуклеус. Увел.: а —

500х, б - 200х.

метр ядра варьирует от менее 1 мкм до

примерно 100 мкм*. Наиболее сложной

формой отличаются макронуклеусы

крупных инфузорий; эти ядра зачастую

сегментированы или имеют дольчатое

строение. Увеличение площади повер-

хности макронуклеуса обеспечивает

эффективный обмен между ядром и

цитоплазмой. Объем макронуклеуса

пропорционален объему клетки.

Ядро (см. рис. 7, 18, 296) окружено

ядерной оболочкой. Как у всех эукари-

от, она состоит из пронизанных порами

цистерн, производных шероховатого

эндоплазматического ретикулума. Внут-

реннюю мембрану ядерной оболочки

укрепляет филаментозный слой, или

ядерная пластинка (рис. 296). У Amoeba

proteus она представлена так называе-

мым сотовым слоем — толстым харак-

терно структурированным комплексом

филаментов (рис. 298), — функция ко-

торого до сих пор неизвестна. У неко-

торых солнечников (например, Actino-

phrys) на ядерную оболочку опираются

микротрубочки аксоподий.

Рис. 298. Ядерная пластинка в форме сото-

вого слоя (стрелки) под ядерной оболочкой

Amoeba proteus (любезно предоставлен

В. Штокем, Бонн). Увел.: 12 ОООх.

Удлиненные интенсивно окрашенные тела в левой части иллюстрации 2976 — делящиеся мак-

ронуклеусы клеток, претерпевающих поперечное бинарное деление. — Прим. ред.

* У феодарий размер ядра достигает 600 мкм. — Прим. пер.