Геном пластид.

Подібно мітохондрій, хлоропласти мають власну генетичну систему, що забезпечує синтез ряду білків усередині самих пластид. У матриксі хлоропластів виявляються ДНК, різні РНК і рибосоми. Виявилося, що ДНК хлоропластів різко відрізняється від ДНК ядра. Вона представлена ​ ​ циклічними молекулами довжиною до 40-60 мкм, що мають молекулярну вагу 0, 8-1, 3 х108 дальтон. В одному хлоропласті може бути безліч копій ДНК. Так, в індивідуальному хлоропласті кукурудзи присутній 20-40 копій молекул ДНК. Тривалість циклу і швидкість реплікації ядерної та хлоропластної ДНК, як було показано на клітинах зелених водоростей, не збігаються. ДНК хлоропластів не перебуває в комплексі з гістонами. Всі ці характеристики ДНК хлоропластів близькі до характеристик ДНК прокаріотичних клітин. Більше того, схожість ДНК хлоропластів і бактерій підкріплюється ще й тим, що основні регуляторні послідовності транскрипції (промотори, термінатори) у них однакові. На ДНК хлоропластів синтезуються всі види РНК (інформаційна, трансферна, рибосомная). ДНК хлоропластів кодує рРНК, що входить до складу рибосом цих пластид, які відносяться до прокаріотичної 70S типу (містять 16S і 23S рРНК). Рибосоми хлоропластів чутливі до антибіотика хлорамфеніколу, переважній синтез білка у прокаріотичних клітин.

Так само як у випадку хлоропластів ми знову стикаємося з існуванням особливої ​ ​ системи синтезу білка, відмінною від такої в клітці.

Ці відкриття знову пробудили інтерес до теорії симбіотичного походження хлоропластів. Ідея про те, що хлоропласти виникли за рахунок об'єднання клітин-гетеротрофів з прокариотическими синьозеленими водоростями, висловлена ​ ​ на рубежі XIX і XX ст. (А. С. Фомінцін, К. С. Мережковський) знову знаходить своє підтвердження. На користь цієї теорії говорить дивовижну схожість у будові хлоропластів і синьозелених водоростей, схожість з основними їхніми функціональними особливостями, і в першу чергу зі здатністю до фотосинтетичним процесам.

Відомі численні факти істинного вторинний ендосимбіоз синьозелених водоростей з клітинами нижчих рослин і найпростіших, де вони функціонують і забезпечують клітину-господаря продуктами фотосинтезу. Виявилося, що виділені хлоропласти можуть також відбиратися деякими клітинами і використовуватися ними як ендосімбіонти. У багатьох безхребетних (коловертки, молюски), що харчуються вищими водоростями, які вони переварюють, інтактні хлоропласти опиняються всередині клітин травних залоз. Так, у деяких рослиноїдних молюсків в клітинах знайдені інтактні хлоропласти з функціонуючими фотосинтетичним системами, за активністю яких стежили за включенню З 14 О 2.

Як виявилося, хлоропласти можуть бути введені в цитоплазму клітин культури фібробластів миші шляхом піноцитозу. Однак вони не піддавалися атаці гідролаз. Такі клітини, що включили зелені хлоропласти, могли ділитися протягом п'яти генерацій, а хлоропласти при цьому залишалися інтактними і проводили фотосинтетичні реакції. Були зроблені спроби культивувати хлоропласти в штучних середовищах: хлоропласти могли фотосінтезіровать, в них йшов синтез РНК, вони залишалися інтактними 100 год, у них навіть протягом 24 год спостерігалися поділу. Але потім відбувалося падіння активності хлоропластів, і вони гинули.

Ці спостереження і цілий ряд біохімічних робіт показали, що ті риси автономії, якими володіють хлоропласти, ще недостатні для тривалого підтримання їх функцій і тим більше для їх відтворення.

Останнім часом вдалося повністю розшифрувати всю послідовність нуклеотидів у складі циклічної молекули ДНК хлоропластів вищих рослин. Ця ДНК може кодувати до 120 генів, серед них: гени 4 Хвороби, 20 рибосомних білків хлоропластів, гени деяких субодиниць РНК-полімерази хлоропластів, декілька білків I і II фотосистем, 9 з 12 субодиниць АТФ-синтетази, частини білків комплексів ланцюга перенесення електронів, однієї з субодиниць рібулозодіфосфат-карбоксилази (ключовий фермент зв'язування СО 2), 30 молекул тРНК і ще 40 поки невідомих білків. Цікаво, що подібний набір генів в ДНК хлоропластів виявлений у таких далеко віддалених представників вищих рослин як тютюн і печінковий мох.

Основна ж маса білків хлоропластів контролюється ядерним геномом. Виявилося, що ряд найважливіших білків, ферментів, а відповідно і метаболічні процеси хлоропластів знаходяться під генетичним контролем ядра. Так, клітинне ядро контролює окремі етапи синтезу хлорофілу, каротиноїдів, ліпідів, крохмалю. Під ядерним контролем знаходяться багато ензими темнової стадії фотосинтезу і інші ферменти, у тому числі деякі компоненти ланцюга транспорту електронів. Ядерні гени кодують ДНК-полімеразу та аміноацил-тРНК-синтетазу хлоропластів. Під контролем ядерних генів знаходиться велика частина рибосомних білків. Всі ці дані змушують говорити про хлоропластах, так само як і про мітохондріях, як про структури з обмеженою автономією.

Транспорт білків з цитоплазми в пластиди відбувається в принципі схоже з таким у мітохондрій. Тут також у місцях зближення зовнішньої і внутрішньої мембран хлоропласта розташовуються каналоутворюючих інтегральні білки, які дізнаються сигнальні послідовності хлоропластних білків, синтезованих у цитоплазмі, і транспортують їх в матрикс-строму. З строми імпортовані білки згідно з додатковими сигнальним послідовностей можуть включатися в мембрани пластиди (тилакоїди, ламелли строми, зовнішня і внутрішня мембрани) або локалізуватися в стромі, входячи до складу рибосом, ферментних комплексів циклу Кальвіна і ін

Дивна подібність структури і енергетичних процесів у бактерій і мітохондрій, з одного боку, і у синьо-зелених водоростей і хлоропластів - з іншого, служить вагомим аргументом на користь теорії симбіотичного походження цих органел. Відповідно до цієї теорії, виникнення еукаріотичної клітини пройшло через кілька етапів симбіозу з іншими клітинами. На першій стадії клітки типу анаеробних гетеротрофних бактерій включили в себе аеробні бактерії, що перетворилися на мітохондрії. Паралельно цьому в клітині-хазяїні прокаріотичних генофор формується у відособлене від цитоплазми ядро. Так могли виникнути гетеротрофні еукаріотичні клітини. Повторні ендосімбіотіческіе взаємини між первинними еукаріотичні клітини і синьозеленими водоростями призвели до появи в них структур типу хлоропластів, що дозволяють клітинам здійснювати автосінтетіческіе процеси і не залежати від наявності органічних субстратів. У процесі становлення такої складової живої системи частину генетичної інформації мітохондрій і пластид могла змінюватися, перенестися в ядро. Так, наприклад, дві третини з 60 рибосомних білків хлоропластів кодується в ядрі і синтезуються в цитоплазмі, а потім вбудовується в рибосоми хлоропластів, які мають усі властивості прокаріотичних рибосом. Таке переміщення великої частини прокаріотичних генів в ядро призвело до того, що ці клітинні органели, зберігши частину колишньої автономії, потрапили під контроль клітинного ядра, визначального в більшою мірою всі головні клітинні функції.

9. Навести приклади взаємодії ядерного і цитоплазматичного геномів.

10. Вказати особливості організації пластидних ДНК.

11. Особливості роботи білок-синтезуючої системи пластид.

Білоксинтезуюча система включає: набір всіх 20 амінокислот, що входять

до складу білкових молекул; мінімум 20 різних тРНК, що володіють

специфічністю до певного ферменту і амінокислоти; набір мінімум 20

різних ферментів - аміноацил-тРНК-синтетаз, що також володіють подвійною

специфічністю до якої-небудь певної амінокислоти і одній тРНК; рибосоми

(точніше за полісому: що складаються з 4-12 монорибосом з приєднаною до

них матричною мРНК); АТФ і АТФ-ГЕНЕРІРУЮЩУЮ систему ферментів; ГТФ, що

бере специфічну участь в ініціації і елонгації синтезу білка в

рибосомах; іони Mg2+ в концентрації 0, 005-0, 008 М; мРНК як головний

компонент системи, що несе інформацію про структуру білка, що

синтезується в рибосомі; нарешті, білкові чинники, що беруть участь в

синтезі на різному рівні трансляції.

Розглянемо детальніше структуру і функцію головних компонентів

белоксинтезирующей системи.