Даже при полном отсутствии бактериальной инфекции ранения и травмы могут приводить к воспалительной реакции, напоминающей сепсис. Как выяснилось, причины этого кроются в эволюционном прошлом митохондрий - клеточных органелл, ведущих свой род от симбиотических бактерий. При травме компоненты разрушенных митохондрий, сходные по своей структуре с компонентами бактериальных клеток (мтДНК и формил-пептиды), попадают в кровь, и иммунная система реагирует на них как на инфекцию.
Тяжелые травмы нередко приводят к так называемому «синдрому системного воспалительного ответа» (systemic inflammatory response syndrome, SIRS), который клинически очень похож на сепсис, но не обязательно связан с проникновением в кровь болезнетворных бактерий. Считалось, что причиной SIRS являются всё-таки бактерии, предположительно проникающие в кровь из кишечника при сильном стрессе. Но это предположение не подтвердилось, и причины SIRS в отсутствие инфекции долгое время оставались неясными.
Американским и британским ученым удалось разгадать эту загадку, о чём они сообщили в последнем номере журнала Nature . Авторы показали, что иммунный ответ вызывается компонентами разрушенных митохондрий, которые в больших количествах попадают в кровь при ранениях, ожогах и других травмах.
Известно, что митохондрии («энергетические станции» клетки, отвечающие за кислородное дыхание) являются потомками внутриклеточных симбиотических бактерий (см.: Происхождение эукариот). Митохондрии сохранили целый ряд типичных бактериальных признаков, в том числе на молекулярном уровне. В частности, трансляция (синтез белков) в митохондриях, как и у бактерий, всегда начинается с особой модифицированной аминокислоты - N-формилметионина. У архей и в цитоплазме эукариот эта аминокислота при синтезе белка не используется. Поэтому наличие N-формилметионина на конце белковой молекулы (или на концах более коротких молекул - формил-пептидов, образующихся при распаде бактериальных белков) является надежным индикатором присутствия бактерий.
Еще один важный «бактериальный» признак митохондрий - наличие в митохондриальной ДНК (мтДНК) неметилированных участков, содержащих расположенные вплотную друг к другу нуклеотиды Ц и Г (см. CpG_site). В ядерном геноме млекопитающих такие участки ДНК обычно подвергаются метилированию, но этого не происходит у бактерий и в митохондриях.
Эти молекулярные признаки используются иммунной системой для выявления бактериальных инфекций. За их распознавание отвечают полиморфонуклеарные нейтрофилы (Polymorphonuclear neutrophils, PMN) - одна из разновидностей белых кровяных клеток, входящих в состав системы врожденного иммунитета. На поверхности PMN имеются специальные рецепторы, распознающие бактериальную ДНК (они называются TLR9) и бактериальные формил-пептиды (за это отвечают рецепторы FPR1).
Авторы предположили, что воспалительный ответ при травме может быть связан с тем, что в кровь в большом количестве попадают белки и ДНК из разрушенных митохондрий, а клетки иммунной системы по ошибке принимают эти молекулы за бактериальные.
Сначала авторы проверили, действительно ли при травмах в кровь попадает много материала из разрушенных митохондрий. Для этого измерили уровень мтДНК в плазме крови у 15 пациентов с тяжелыми травмами, но без открытых ран и повреждений желудочно-кишечного тракта. Уровень мтДНК у них оказался в тысячи раз выше нормы и продолжал расти в течение суток после травмы. То же самое наблюдается и у больных, перенесших хирургические операции.
После этого авторы детально изучили реакцию PMN на фрагментированные митохондрии и отдельные их компоненты: митохондриальную ДНК и формил-пептиды. Оказалось, что эти молекулы вызывают у полиморфонуклеарных нейтрофилов такую же реакцию, как и аналогичные бактериальные вещества. В цитоплазме нейтрофилов резко возрастает концентрация кальция, они начинают выделять интерлейкин IL-8 (interleukin-8) и ползут туда, где выше концентрация веществ, высвободившихся из разрушенных митохондрий.
Специальные эксперименты показали, что митохондриальная ДНК распознается рецептором TLR9, а формил-пептиды - рецептором FPR1 (как и следовало ожидать, исходя из сходства этих митохондриальных веществ с бактериальными аналогами). Активированные нейтрофилы выделяют фермент MMP-8, который разрушает коллаген и позволяет нейтрофилам проникать вглубь тканей. При слишком большом количестве активированных нейтрофилов это может приводить к некрозу, то есть к гибели тканей. В случае настоящей бактериальной инфекции такие действия иммунной системы еще могут иметь смысл, потому что, копаясь в тканях, лейкоциты охотятся на микробов. Но если инфекции нет, от этой деятельности организму больше вреда, чем пользы. Кроме того, эксперименты показали, что нейтрофилы, «унюхавшие» разрушенные митохондрии, теряют способность реагировать на настоящие сигналы опасности - бактериальные формил-пептиды. В результате возрастает риск реальных посттравматических инфекций.
Эксперименты на крысах подтвердили, что компоненты разрушенных митохондрий могут приводить к тяжелым воспалительным реакциям. Внутривенное введение митохондриальных веществ вызвало у подопытных крыс воспаление легких и некроз тканей печени - всё это при полном отсутствии бактериальной инфекции. Эти жестокие эксперименты оправданы тем, что они помогут эффективнее бороться с тяжелыми воспалительными реакциями, возникающими после травм. Теперь стало окончательно ясно, что не всякий сепсис можно лечить антибиотиками: похожие симптомы могут развиться даже при полном отсутствии инфекции, и в этом случае они требуют совсем другого лечения.
Исследование показало, что система врожденного иммунитета млекопитающих действительно путает собственные митохондрии с болезнетворными бактериями. Эволюционное прошлое митохондрий, их бактериальное происхождение породило неожиданный побочный эффект, весьма неприятный для людей, получивших тяжелую травму. Это яркий пример несовершенства строения организмов, объясняющегося их эволюционной историей.
Почему же в ходе эволюции у нейтрофилов не выработались какие-то более точные способы узнавания бактерий, почему они не научились отличать их от своих собственных митохондрий? Возможно, дело в том, что формил-пептиды и детали строения бактериальной ДНК являются очень удобными и универсальными молекулярными маркерами, по которым можно быстро опознать любую бактерию. Отказ от этих маркеров в пользу каких-то менее универсальных признаков привел бы к снижению приспособленности, тем более что тяжелые травмы, о которых идет речь, всё равно оставляют диким животным мало шансов на выздоровление.
У бактерий нет митохондрий, а все сложные функции, за которые в клетках
эукариот ответственны митохондрии, в бактериальной клетке выполняются плазматической мембраной. На плазматической мембране бактерий расположены многие типичные для митохондрий эукариот ферменты , в частности все ферменты цикла трикарбоновых кислот. На плазматической мембране типичных бактерий, например Staphylococcus aureus и Micrococcus lysodeikticus, сосредоточено более 90% клеточных дегидрогеназ (сукцинат-, малат-, лактат- и формиатдегид- рогеназы) и цитохромоксидаз .
Концентрация на плазматической мембране бактерий такого большого числа ферментов, хорошо укрытых у организма- хозяина митохондриальной мембраной, значительно повышает их чувствительность к действию избирательно токсических веществ. Некоторые ингибиторы митохондрий уже обсуждались в разд. 2.3.
У мышей такие противопротозойные лекарственные вещества, как диминазин, этидий, пентамидин, гидроксистильбамидин и трипафлавин, необратимо связываются с кинетопластом Trypanosoma rhodesiense и разрушают его, не действуя при этом на ядра клеток . Кинетопласт более чувствителен к действию этих веществ, так как в отличие от ядра не укрыт гистонами . Некоторые простейшие вместо митохондрий имеют гидрогеносомы. Метрони- дазол избирательно повреждает содержащийся в них ферредоксин- активируемый фермент, превращающий пируват в ацетил-КоА .
Скачать готовые ответы к экзамену, шпаргалки и другие учебные материалы в формате Word Вы можете в основной библиотеке Sci.House
Воспользуйтесь формой поиска
Митохондрии и одноклеточные организмы.
релевантные научные источники:
- Наследственные болезни
| Ответы к зачету/экзамену | 2016 | docx | 13.28 Мб
Развитие цитологии как науки. Основные положения клеточной теории. Основные положения современной клеточной теории: 2.Классификация форм жизни. Вирусы: общий план строения, жизненный цикл, пути
- Ответы к экзамену по патологической анатомии
| Ответы к зачету/экзамену | 2016 | docx | 6.65 Мб
Вопросы 1. Дайте определение патологической анатомии, как науки: содержание, цели, задачи, объекты, методы и уровни исследования. Задачи практической патологической анатомии: Методы исследования
- Морфофункциональное состояние застенных слюнных желез коз оренбургской пуховой породы в норме и при патологии
Сорокин Владимир Александрович | Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Оренбург - 2005 | Диссертация | 2005 | Россия | docx/pdf | 7.76 Мб
16.00.02 - патология, онкология и морфология животных. Актуальность темы. Козоводство является важной отраслью животноводства и поэтому развитие ее может играть большую роль в разрешении проблемы
- Теоретические и практические аспекты использования биологически активных веществ в технологии выращивания овощных культур
Демъянова-Рой Галина Борисовна | Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук. Москва - 2003 | Диссертация | 2003 | Россия | docx/pdf | 9.98 Мб
Специальность: 06.01.06 - Овощеводство. Актуальность темы Питание - это сложнейший биологический процесс, который лежит в жизнедеятельности всех живых организмов. Пища - это не только источник
- Полиморфизм генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков у рабочих нефтехимических производств
Макарова Ольга Владимировна | Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Уфа - 2004 | Диссертация | 2004 | Россия | docx/pdf | 4.41 Мб
03.00.15 - Генетика Актуальность проблемы Опасность влияния окружающей среды на организм человека состоит в се негативном воздействии, как на здоровье отдельных индивидов, так и на приспособленность
- Основы токсикологии: Краткий текст лекций
Гос. хим.-технол. ун-т; Иваново,1999. - 105 с. | Лекция(и) | 1999 | docx/pdf | 2.32 Мб
Краткий текст лекций - учебное пособие для студентов специальности 320700: «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». 1. Введение и терминология 6 2. Классификации
Уникальность зарождения органической жизни на Земле состоит в том, что в результате сложных реакций, которые природа неоднократно воспроизводила с неорганическими соединениями, возникла структура, способная сама себя повторять. Говоря современным языком – наследовать. Путь, пройденный протонами, электронами и ионами при построении сложных макромолекул сегодня пытаются воссоздать в научных лабораториях. Первыми помощниками ученых в этих опытах являются бактерии. В основе сотрудничества человека и простейших лежит то обстоятельство, что в клетках бактерий нет оформленного ядра с наследственной информацией. Их реплицирующий механизм прост и, судя по всему, является достоверной моделью первых удачных попыток природы передавать наследственные данные от одного организма другому.
Нуклеоид – замена ядру в клетке бактерии
Если упрощенно описать живую клетку, то самая простая схема будет выглядеть следующим образом: отделенное мембраной от внешнего мира пространство, наполненное внутриклеточным веществом, в котором протекают биохимические процессы, способные организовать самостоятельное размножение биоструктуры. Эта миссия является определяющей для существования органической жизни.
Передача наследственной информации может осуществляться двумя разными путями, в зависимости от устройства внутриклеточного хранилища, в котором эта информация содержится:
- У эукариотов роль такого хранилища играет оформленное ядро, которое состоит из мембраны, изолирующей ДНК от остального пространства клетки, и самой макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, упакованной в хромосому. Ядро считается органеллой структуры.
- В прокариотических (бактериальных) клеточных конструкциях ДНК никак не отделена от остального внутриклеточного вещества, а только компактно упаковано в нуклеоид – кольцевую хромосому с генетической информацией, выполняющую роль ядра.
Есть гипотеза, согласно которой предок оформленного эукариотического ядра – бактерия-симбионт. На заре зарождения ядерных организмов эта бактерия-симбионт стала частью прототипа эукариотической клеточной конструкции и сумела наладить эффективное сотрудничество по передаче наследственной информации.
Бактерия снабжала эукариотическую клетку при делении наследственной информацией, а в качестве вознаграждения за труд получала те питательные вещества, которые синтезировались большим эукариотом, а со временем стала ядром.
Так это было на самом деле или нет, ученым еще предстоит разобраться, а на сегодня они имеют почти полное представление о нуклеоиде бактерии и о тех функциях, которые он выполняет в бактериальной клетке.
Форма нуклеоида и его положение
Одна из основных характеристик нуклеоида – хранителя ДНК бактерии – его кольцевое строение. Однако уже сегодня, по результатам современных исследований, бактериологи различают разные формы устройства нуклеоид. Он может выглядеть как:
- бобовидное тело;
- клубок спутанных толстых веревок;
- кораллоподобная структура с ветвями, ширящимися по всему пространству микроорганизма.
Форма нуклеоида зависит от того, какие белки упаковывали макромолекулу ДНК в хромосому.
В связи с тем, что ядро в бактерии отсутствует, в процессе эволюции был создан способ крепления нуклеоида к цитоплазматической мембране. Это крепление обеспечивает быструю и надежную репликацию хромосом.
Кроме того, согласно данным последних научных исследований, ДНК в нуклеоиде бактерии не является единичной макромолекулой. В некоторых случаях нуклеоид бактерий содержит от 9 до 18 кольцевых ДНК.
Также есть данные, полученные лабораторным путем, что далеко не все ДНК, которые содержатся в прокариотах, имеют кольцевую структуру. Так, например, ДНК спирохеты бореллия (Borrelia burgdorferi), возбудителя клещевого спирохетоза, имеет линейное строение.
Все основные параметры нуклеоида, который содержит наследственную информацию бактерии, активно изучаются, и сегодня этот клеточный органоид характеризуется как:
- кольцевая структура (имеются исключения в виде линейных макромолекул);
- одиночная хромосома (имеются исключения).
Способы репликации
Репликация молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты напрямую связана со способом упаковки и хранения наследственной информации.
Репликация – воспроизводство дочерней ДНК по матрице родительской макромолекулы ДНК. Выделяют три основных вида:
- консервативный (без раскручивания спирали);
- полуконсервативный (родительская спираль раскручивается, и обе части являются матрицами для синтеза дочерних макромолекул);
- дисперсивный (родительская ДНК распадается на множество фрагментов, которые и берутся за основу для синтеза дочерних макромолекул).
В бактериальной клетке репликация идет по полуконсервативному пути. Раскручивание родительской молекулы происходит в результате воздействия ферментов, а по завершении процесса репликации и оформления двух нуклеоидов в теле бактериальной клетки, процесс деления входит в свою самую активную фазу.
Митохондрии
Обеспечение живой клетки энергией – ответственная миссия. Если она будет провалена, никакой речи о делении и наследстве идти не будет.
В бактерии, в которой отсутствуют специальные органеллы (митохондрии) для синтеза АТФ, энергия производится непосредственно в цитоплазме и потребляется всеми клеточными структурами.
У эукариотов совершенно другая картина. Большие клеточные конструкции не могут себе позволить пустить на самотек процесс обеспечения всех своих составляющих энергией. Именно для этих целей служит своеобразная энергетическая станция – митохондрия.
Строение митохондрии и ее роль в большой клетке с ядром – еще одно подтверждение в пользу эволюционного симбиоза бактерий, которые общими усилиями создали эукариотическую клетку.
Митохондрия также содержит ДНК с наследственной информацией, и так же, как в бактерии, эта ДНК не упакована в оформленное ядро, а покоится внутри митохондрии, в качестве двуспиральной кольцевой макромолекулы.
Независимо от того, какая деятельность по передаче наследственной информации происходит в ядре эукариота, митохондрия самостоятельно осуществляет процесс репликации собственной ДНК.
Выработка АТФ митохондрией происходит по тому же пути, что и у бактерий:
- при окислительно-восстановительных реакциях;
- в результате работы мембранного (речь идет о мембране митохондрии) АТФ-синтетазного комплекса.
Именно эти процессы являются основными при снабжении бактерии энергией, и митохондрия эукариота их дублирует.