Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Январь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
10.01.2007
04:33:36
12:58:54
11
12
12.01.2007
03:54:29
17:19:47
13
14
15
16
17
17.01.2007
03:24:02
16:29:56
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
31.01.2007
08:24:59
14:13:22


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

У микроба ферроплазмы почти все белки содержат железо

10.01.2007

Минерал пирит, по мнению некоторых биологов, мог сыграть важную роль в возникновении жизни благодаря своим каталитическим свойствам (фото с сайта www.hpwt.de)
Минерал пирит (FeS2), по мнению некоторых биологов, мог сыграть важную роль в возникновении жизни благодаря своим каталитическим свойствам (фото с сайта www.hpwt.de)

Железо входит в состав 86% белков микроба Ferroplasma acidiphilum, обитателя пиритовых месторождений. Удаление атомов железа из белковых молекул приводит к нарушению их структуры и потере функциональности. Возможно, у древнейших живых организмов, развивавшихся, согласно одной из теорий, в микрополостях кристаллов пирита, все белки изначально держались на «железных заклепках», как у ферроплазмы. Позже, по мере освоения новых местообитаний, эти древние белки заменялись другими, не содержащими железа.

Известно, что в состав многих белков входят ионы различных металлов (железа, меди, кобальта, магния, цинка, молибдена, кальция, марганца и др.). Такие белки называют металлопротеинами. Они выполняют разнообразные функции, в том числе каталитические (так называемые металлоферменты) и транспортные (например, гемоглобин). У всех изученных в этом отношении организмов металлопротеины составляют лишь небольшую часть от общего разнообразия белков. Неожиданное открытие, сделанное германскими, испанскими и британскими микробиологами, показало, что на заре жизни ситуация, возможно, была обратной.

Шесть лет назад в биореакторе опытного металлургического завода в Туле был обнаружен удивительный микроб, относящийся к надцарству архей (Archaea) и получивший название Ferroplasma acidiphilum. В отличие от большинства других архей и бактерий, ферроплазма лишена жесткой клеточной стенки и размножается почкованием.

Ферроплазма в процессе почкования (почки показаны стрелками). Масштаб: 500 нанометров. Фото из статьи с первоописанием микроба (O.V.Golyshina et al., 2000)
Ферроплазма в процессе почкования (почки показаны стрелками). Масштаб: 500 нанометров. Фото из статьи с первоописанием микроба (O.V.Golyshina et al., 2000)

Ферроплазма живет в очень кислых (pH 1,3–2,2, оптимально 1,7) водах, насыщенных растворенным железом и другими металлами. В природе такие условия встречаются в окрестностях месторождений сульфидных руд (например, пирита). Ферроплазма — облигатный автотроф, то есть сама производит органику из углекислого газа (подобно растениям), а питаться готовыми органическими веществами не может. В отличие от растений, источником энергии для фиксации СО2 ферроплазме служит не солнечный свет, а химическая реакция окисления двухвалентного железа (Fe2+ → Fe3+).

В ходе дальнейших исследований у ферроплазмы обнаружилось еще несколько необычных особенностей. В частности, в 2005 году было установлено, что один из ее ферментов (альфа-глюкозидаза) является железосодержащим металлоферментом, в то время как у всех остальных организмов ферменты этого класса (гликозид-гидролазы) никакого железа не содержат. Это побудило команду микробиологов — первооткрывателей ферроплазмы проверить и другие белки странного микроорганизма на предмет содержания в них железа и других металлов.

Результат оказался более чем удивительным. При помощи сложных химических методов из микробов выделили все белки и разделили их на фракции по молекулярной массе и электрическому заряду (получилось около 400 достаточно хорошо обособленных фракций, соответствующих индивидуальным белкам); затем при помощи еще более сложных методов проводилось индивидуальное «опознание» каждого белка. Из 189 белков, которые удалось идентифицировать, лишь 26 не содержали железа. Остальные 163 (86%) оказались железосодержащими металлопротеинами. Самое удивительное, что аналоги большинства из этих белков, встречающиеся у других организмов, не содержат железа (в том числе многие белки, участвующие в манипуляциях с нуклеиновыми кислотами: ДНК-лигазы, транспозазы, эндонуклеазы, интегразы и др.).

Железо в белках ферроплазмы не является какой-то необязательной или второстепенной примесью. Исследователи показали, что аккуратное удаление железа из этих белков приводит к сильному изменению их вторичной структуры (денатурации) и потере функциональной активности. Похоже на то, что почти все белки ферроплазмы, по образному выражению авторов статьи, держатся на «железных заклепках» («iron rivet»).

Естественно, сразу возник вопрос о причинах такого обилия железосодержащих металлопротеинов у ферроплазмы. Возможно, это общее свойство всей группы микроорганизмов, к которой относится ферроплазма? Или, может быть, оно характерно именно для микробов, обитающих в кислых, насыщенных растворенным железом водах? Для ответа на этот вопрос исследователи выделили теми же методами металлосодержащие белки из ближайшего родственника ферроплазмы — архебактерии Picrophilus torridus, а также из неродственного, но обитающего в таких же условиях микроорганизма — бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans. Из этих микробов удалось выделить лишь 29 и 28 металлопротеинов соответственно, из которых только половина содержала железо. Самое главное, что все железосодержащие металлопротеины этих двух микробов оказались обычными, широко распространенными металлопротеинами, которые и у многих других организмов тоже содержат ! железо.

В заключительной части статьи авторы высказывают весьма смелую гипотезу — настолько смелую, что даже удивительно читать такое в журнале Nature. Они предполагают, что ситуация, наблюдаемая у ферроплазмы, является случайно сохранившимся отголоском древнейших этапов развития жизни. Согласно одной из популярных теорий, жизнь могла зародиться в микрополостях кристаллов пирита, в условиях, очень близких к тем, в которых ныне обитает ферроплазма. Главным отличием таких биотопов является очень кислая среда и изобилие растворенного железа, которое в других, менее экзотических местообитаниях, обычно в большом дефиците.

Древнейшие формы жизни поначалу активно использовали для осуществления необходимых химических реакций простые неорганические катализаторы, в первую очередь соединения железа и серы. Постепенно эти катализаторы замещались более эффективными органическими, то есть белками, и вполне естественно предположить, что первые белки включали в себя атомы железа как неотъемлемые структурные и функциональные компоненты. В дальнейшем, когда живые организмы стали осваивать другие биотопы, они сразу же столкнулись с резким дефицитом доступного железа, и отбор стал способствовать замене старых железосодержащих белков другими, не нуждающимися в железе для выполнения своих функций. В конце концов железо сохранилось только в тех белках, которые без него совсем уж никак обойтись не могут.

Согласно версии авторов статьи, обилие железосодержащих металлопротеинов у ферроплазмы объясняется тем, что предки этого микроба никогда не покидали кислых, богатых железом вод, и вся их эволюция протекала в условиях железного изобилия. Другие микроорганизмы, обитающие сегодня в похожих условиях, вероятно, попали туда вторично, и на каких-то этапах своей эволюции они сталкивались с дефицитом железа. Те немногочисленные белки ферроплазмы, в которых железа все-таки нет, возможно, достались ей от этих новых соседей в результате горизонтального (межвидового) обмена генами, что у прокариот — обычное дело.

Впрочем, есть одно обстоятельство, заставляющее усомниться в столь глубокой древности ферроплазмы и ее металлопротеинов. Дело в том, что этот микроорганизм является аэробным, для окисления железа ему необходим кислород, тогда как древнейшие этапы эволюции жизни, согласно общепринятым представлениям, протекали в бескислородных условиях.

Источник: Manuel Ferrer, Olga V. Golyshina, Ana Beloqui, Peter N. Golyshin, Kenneth N. Timmis. The cellular machinery of Ferroplasma acidiphilum is iron-protein-dominated // Nature. 2007. V. 445. P. 91–94.

См. также:
М. А. Федонкин. Сужение геохимического базиса жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь.
Происхождение жизни.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

09.01 Уточнено значение массы W-бозона

Эксперимент CDF на коллайдере Тэватрон сообщил о рекордном по точности измерении массы W-бозона — одного из ключевых ингредиентов теории электрослабого взаимодействия. Физики сейчас анализируют возможные последствия этого результата.

08.01 Открытие Менделя получило объяснение спустя 140 лет

Через 140 лет после опубликования классической работы Грегора Менделя, заложившей основы генетики, ученые выяснили, какой именно ген определяет желтую или зеленую окраску семян у гороха. Оказалось, что зеленый цвет обусловлен мутацией в гене sgr, кодирующем белок, участвующий в разрушении хлорофилла при созревании семян или старении листьев.

08.01 Достигнут крупный успех в понимании того, как начинается турбулентность

Численное моделирование впервые с хорошей точностью воспроизвело все детали перехода к турбулентности. Благодаря этому успеху получает поддержку новый взгляд на турбулентность.

08.01 Представлены доказательства существования озер на Титане

Интернациональный коллектив планетологов, возможно, поставил точку в затянувшемся споре о существовании обширных озер на Титане — самом большом из 56 известных на сегодняшний день спутников Сатурна. Свидетельства в пользу того, что озера все-таки существуют, содержатся в письме 38 исследователей из США, Италии и Франции, которое 4 января появилось в журнале Nature.

05.01 Новые эксперименты с квантовым эффектом Зенона подтверждают теоретические предсказания

В экспериментах, проведенных в Массачусетском технологическом институте, наблюдалось тридцатикратное замедление распада нестабильной системы за счет квантового эффекта Зенона и впервые было проведено сравнение импульсного и непрерывного наблюдения за квантовой системой.

05.01 О хорошем урожае шишек белки узнают заранее

Давая время от времени необычайно высокий урожай семян и плодов, растения стараются «обмануть» животных, потребляющих эти семена и плоды, и таким образом обеспечить свое возобновление. Но обыкновенные белки распознают обман, и в урожайные годы производят на свет больше потомства, которое этим урожаем может воспользоваться.

29.12 Как приготовить пули из медленного света

Теоретические расчеты показали, что можно создать метаматериал, поддерживающий распространение световых пуль — локализованных, нерасплывающихся и легко управляемых сгустков света.

26.12 Самки гигантского комодского варана размножаются без участия самцов

Оказывается, комодские вараны — редчайшие и самые большие в мире ящерицы — способны размножаться партеногенетически, то есть без участия самцов. Две самки в зоопарках Великобритании отложили яйца, из которых благополучно вылупились нормальные детеныши. В отличие от других однополых ящериц, партеногенетическое потомство варанов — самцы.

25.12 Ожирение может быть заразным

Микробиологи из Университета имени Вашингтона в Сент-Луисе установили, что между ожирением и микробным населением кишечника имеется тесная связь. Кишечная флора заметно различается у толстых и худых индивидуумов. Изменения кишечной флоры могут быть, в зависимости от конкретной ситуации, как следствием, так и причиной ожирения.
В избранное