Hidrogenozom: definicija in vloga v anaerobnih evkariontih

Hidrogenozom: definicija in vloga v anaerobnih evkariontih — odkrijte strukturo, presnovo brez kisika, evolucijo iz mitohondrijev in pomen pri ciliatih, trihomonadah in Loricifera.

Hidrogenozom je z membrano zaprt organel nekaterih anaerobnih ciliatov, trihomonad, gliv in nekaj metazojev. Hidrogenozomi trihomonad (najbolje raziskani) proizvajajo ATP s kompleksnim presnovnim ciklom. Za razliko od mitohondrijev ta cikel ne uporablja kisika. Domneva se, da so se hidrogenosomi razvili iz mitohondrijev; njihova struktura je precej podobna.

Leta 2010 so znanstveniki poročali o odkritju prvih znanih anaerobnih metazojev z organeli, podobnimi hidrogenosomom. Ti organizmi so bili Loricifera, ki so živeli v sedimentih pod globokomorskimi bazeni slanice, kot je bazen L'Atalante. Ti bazeni s slanico so popolnoma brez kisika (anoksični).

Struktura in raznolikost

Hidrogenozomi so običajno obdani z dvojnim membranskim ovojem, podobno kot mitohondriji, vendar pogosto nimajo tipičnih notranjih zlag (krist). Njihova velikost, oblika in prisotnost genetskega materiala se zelo razlikujejo med taksoni: pri nekaterih vrstah so hidrogenozomi brez lastne DNK (npr. pri Trichomonas), pri drugih pa so ohranjeni ostanki mitohondrijske genetike ali sledi mitohondrijskih proteinov. Vsebina encimov se prav tako razlikuje — nekateri hidrogenozomi imajo kompleten nabor encimov za produkcijo vodika in ATP, drugi pa so bolj reduktivno preoblikovani.

Presnovne poti in vloga v metabolizmu

Glavna naloga hidrogenozomov je pridobivanje energije v anaerobnih pogojih. Tipična poteka presnova vključuje:

• dekarboksilacijo piruvata s pomočjo encima pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFO), kar vodi do nastanka acetil-CoA, CO2 in reducirane ferredoksinske molekule;
• reoksidacijo reducirane ferredoksina z [FeFe]-hidrogenazo, pri čemer nastaja H2 (vodik);
• pretvorbo acetil-CoA v acetat z encimom, ki omogoča substratno nivojsko fosforilacijo in tvorbo ATP (npr. ADP-formirajoča acetil-CoA sintetaza ali drugi sorodni encimi).

V nekaterih organizmih so prisotne alternative, na primer pyruvate formate-lyase (PFL) ali različni prenašalci elektronov, zato se natančen izid presnove lahko razlikuje. Hidrogenozomi so torej specializirani za anaerobno energijsko ekonomijo in za nastajanje vodika kot stranskega produkta.

Biološke in ekološke posledice

• Sodelovanje z mikrobno skupnostjo: proizvedeni vodik je pomemben substrat za metanogene in druge anaerobne mikroorganizme; v ekosistemih, kot so črevesja, usedline in anoksični bazeni, hidrogenozomi omogočajo sinergijo med eukariotami in prokariotami.
• Pato- in parazitologija: pri nekaterih patogenih, npr. Trichomonas vaginalis, so hidrogenozomi ključni za preživetje in so tarča zdravil. Nekatera antimikrobna sredstva (npr. nitroimidazoli, kot je metronidazol) se aktivirajo v hidrogenozomih z redukcijo, kar pojasnjuje njihovo učinkovitost.

Evolucijski izvor

Obstaja močno mnenje, da so se hidrogenozomi razvili iz mitohondrijev kot prilagoditev na življenjski slog brez kisika. Dokazi vključujejo prisotnost homologne presnovne opreme (npr. sistemi za sestavljanje Fe–S sklopov), sledenje beljakovinam z mitohondrijskim izvorom in podobnosti v mehanizmih transporta beljakovin. V sodobnih anaerobnih eukariotih se zato pogosto opazujejo tri sorodne oblike »redukcije« mitohondrija: hidrogenozomi (proizvodnja vodika in ATP), mitosomi (večinoma vključeni v sestavo Fe–S sklopov brez ATP-sinteze) in ohranjenimi mitohondriji v aerobnih vrstah.

Pomembni primeri in raziskave

Trichomonas je najobsežneje preučen primer hidrogenozoma; tu so opisane številne encimske poti, mehanizmi uvoza beljakovin in vpliv na občutljivost za antimikrobna sredstva. Odkritje organizmov iz skupine Loricifera v anoksičnih bazenih (npr. bazen L'Atalante) je razširilo razumevanje, da lahko večcelični metazoji preživijo v popolnoma anoksičnih habitatih in da imajo tudi oni organelom podobne strukture.

Povzetek

Hidrogenozomi so specializirani, membransko zaprti organeli anaerobnih evkariontov, prilagojeni za pridobivanje energije brez kisika. Njihova glavna vloga je proizvodnja ATP preko presnov, ki vključujejo nastajanje vodika. Zaradi svoje evolucijske povezave z mitohondriji in pomembne vloge v ekologiji in patologiji predstavljajo hidrogenozomi ključno področje pri raziskavah celic, evolucije in mikrobioloških interakcij.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je hidrogenozom?

V: Kakšna je vloga hidrogenozomov pri trihomonadah?

V: Kako so se razvili hidrogenosomi?

V: Kateri organizmi imajo organele, podobne hidrogenosomom?

V: Kakšno okolje imajo bazeni s slanico, kot je L'Atalante?

V: Ali imajo vsi anaerobni ciliati, trihomonade, glive in metazoa hidrogenozome?

V: V čem se presnovni cikel hidrogenosomov razlikuje od presnovnega cikla mitohondrijev?

Išči po črki