Хидрогенозома: анаеробен органел при протозои и метазои — производство на АТФ

Разкрийте хидрогенозомата — анаеробен органел при протозои и метазои, как произвежда АТФ без кислород и как еволюира от митохондриите.

Хидрогенозомата е мембранно затворен органел на някои анаеробни цилиати, трихомонади, гъбички и няколко метазои. Хидрогенозомите на трихомонадите (най-добре проучените) произвеждат АТФ чрез сложен метаболитен цикъл. За разлика от митохондриите този цикъл не използва кислород. Смята се, че хидрогенозомите са еволюирали от митохондриите; структурата им е доста сходна.

Структура и произход

Хидрогенозомите са част от групата на митохондриално-свързаните органели (mitochondrion-related organelles, MRO). Обикновено са ограничени от мембрана (често двуслойна) и съдържат ензими и електронно-переносни компоненти, необходими за анаеробен метаболизъм. Много доказателства (например общи молекули като Hsp70, елементи на вносния механизъм за митохондриални протеини и сходство в някои метаболитни пътища) подкрепят хипотезата, че хидрогенозомите произлизат от митохондриални предшественици чрез адаптация към живот в условия без кислород.

Как произвеждат АТФ (метаболитен път)

В хидрогенозомите основният начин за синтез на АТФ е чрез субстратно-фосфорилиране, а не чрез оксидативна фосфорилизация с електронна верига, зависеща от кислород. При трихомонадите процесът протича общо така:

• Пируватът се разгражда от ензима пируват:ферредоксин оксиредуктаза (PFO), образувайки ацетил‑КоА, CO2 и намален ферредоксин.
• Намаленият ферредоксин се окислява от [FeFe]-хидрогеназа, при което се отделя водород (H2) — откъдето идва и името "хидрогенозома".
• Ацетил‑КоА в много организми се превръща в ацетилфосфат чрез фосфоацетилза, а след това ацетатът се формира чрез ацетаткиназа, процес който генерира молекула АТФ чрез субстратно-фосфорилиране.

Важно е да се отбележи, че в хидрогенозомите липсва функционална дихотомия, присъща на класическата верига за електронен транспорт и цикъла на Кребс — те нямат кислород-опосредствана оксидативна фосфорилизация и често липсват цитохроми и много ензими от ТCA цикъла.

Вариации и молекулярни особености

• В някои организми хидрогенозомите не съдържат собствен геном (например при повечето изучени трихомонади), докато при други митохондриално-подобни органели се откриват остатъчни генетични елементи.
• Наличието на специфични ензими (PFO, фосфоацетилза, ацетаткиназа, [FeFe]-хидрогенази) е характерно за много хидрогенозоми, но съставът може да варира между групите микроорганизми.
• Някои MRO организми имат адаптирани или обменени пътища, които позволяват поддържане на червен баланс и производство на ATP в анаеробни условия.

Разпространение и екологично значение

Хидрогенозомите се срещат при различни анаеробни протозои и гъбични видове, както и в някои многоклетъчни животни. Тези органели позволяват на гостоприемниците да колонизират среди, лишени от кислород, като седименти, черва или други анаеробни нишови местообитания. Производството на водород като краен продукт има значение за микробните екосистеми — водородът може да служи като субстрат за други микроорганизми (например метаногенни археи).

Откриване при метазои

През 2010 г. учените съобщават за откриването на първите известни анаеробни метазоиди с органели, подобни на хидрогенозомите. Тези организми са Loricifera, живеещи в седименти под дълбоководни солени басейни като басейна L'Atalante. Тези солници са напълно лишени от кислород (аноксични), което прави находката важен пример за това как многоклетъчни животни могат да адаптират митохондриално наследство към живот в екстремни анаеробни условия.

Еволюционно и биотехнологично значение

Проучванията на хидрогенозомите дават ключова информация за еволюцията на митохондриите и за това как енергийният метаболизъм може да се трансформира при липса на кислород. Освен основния академичен интерес, разбирането на тези пътища може да има приложение в биотехнологиите — например в процеси за производство на водород или в модели за адаптация към анаеробни индустриални среди.

Общо взето, хидрогенозомите представляват пример за еволюционна пластичност на митохондриалната система и са ключови за разбирането на живота във вградените анаеробни екосистеми.

Въпроси и отговори

В: Какво е хидрогенозом?

В: Каква е ролята на хидрогенозомите при трихомонадите?

В: Как са еволюирали хидрогенозомите?

В: Кои организми имат органели, подобни на хидрогенозомите?

Въпрос: Какъв тип среда имат солените басейни като този в L'Atalante?

В: Всички анаеробни ресничести, трихомонади, гъбички и метазои имат ли хидрогенозоми?

Въпрос: С какво метаболитният цикъл на хидрогенозомите се различава от този на митохондриите?

Търсене по буква