В школьном учебнике малярийный плазмодий стоит рядом с амёбой и инфузорией-туфелькой — среди одноклеточных животных, в типе Споровики. Он гетеротроф, живёт за счёт хозяина, на некоторых стадиях активно движется — всё как у «простейших животных». Но в 1990-х годах в его клетке нашли органоид, которого у животных быть не должно: остаток хлоропласта. Его назвали апикопластом. Оказалось, что предки плазмодия были фотосинтезирующими водорослями, а сам он по происхождению ближе к водорослям и даже к растениям, чем к амёбе и к нам.
В статье — как устроен плазмодий и его цикл развития, что такое апикопласт и откуда он взялся, почему паразит не может без него жить, какие лекарства действуют именно на этот «растительный» органоид, где плазмодий находится на современном древе жизни, что из этого нужно знать к ЕГЭ, интересные факты и десять заданий с разбором.
- Кто такой малярийный плазмодий
- Цикл развития
- Апикопласт: хлоропласт, который не фотосинтезирует
- Откуда у паразита пластида
- Зачем паразиту апикопласт
- Лекарства против «растительного» органоида
- Место на древе жизни
- Как это связано с ЕГЭ
- Интересные факты
- Задания с разбором
- Литература
Кто такой малярийный плазмодий
Малярия — одна из самых тяжёлых инфекционных болезней человека. По данным Всемирной организации здравоохранения, в 2023 году ею заболели около 263 миллионов человек и почти 600 тысяч умерли, в основном дети до пяти лет в Африке южнее Сахары. Возбудители — одноклеточные паразиты рода Plasmodium. У человека болезнь вызывают пять видов, самые опасные — P. falciparum (тропическая малярия) и P. vivax (трёхдневная малярия). Переносчики — самки комаров рода Anopheles, малярийных комаров.
Плазмодий относится к группе споровиков, или апикомплексов (Apicomplexa). Это более шести тысяч видов, и все они паразиты животных: кроме плазмодиев, сюда входят токсоплазма, кокцидии, грегарины, криптоспоридии. Название апикомплексы связано с апикальным комплексом — набором органоидов на переднем конце клетки: кольцевидной опорой и секреторными органоидами (роптриями и микронемами), которые выделяют вещества для прикрепления к клетке хозяина и проникновения в неё. Органов движения — жгутиков или ресничек — у большинства стадий нет; клетки скользят за счёт белковых «моторов» под мембраной.
Открыли плазмодий в 1880 году: французский военный врач Альфонс Лаверан, служивший в Алжире, увидел подвижных паразитов в крови больного малярией. В 1897 году британский врач Рональд Росс доказал, что паразитов переносят комары. Оба получили Нобелевские премии — Росс в 1902 году, Лаверан в 1907-м.
Цикл развития
У плазмодия сложный жизненный цикл со сменой двух хозяев и чередованием бесполого и полового размножения.
- 1. Спорозоитыс укусом самки малярийного комара попадают в кровь и быстро достигают печени
- 2. Клетки печенибесполое множественное деление: из одного спорозоита — десятки тысяч мерозоитов
- 3. Эритроцитымерозоиты делятся в эритроцитах; каждые 48 или 72 часа эритроциты разом разрушаются — приступ лихорадки
- 4. Гаметоцитычасть мерозоитов превращается в незрелые половые клетки
- 5. Гаметыв желудке комара гаметоциты из выпитой крови созревают в гаметы
- 6. Зигота → оокинетапосле оплодотворения подвижная зигота проникает в стенку желудка
- 7. Ооцистана стенке желудка ооциста делится и даёт тысячи спорозоитов
- 8. Слюнные железыспорозоиты собираются в слюнных железах и ждут укуса
- бесполое размножение
- половые клетки и половой процесс
В организме человека плазмодий размножается только бесполым путём — множественным делением (шизогонией): ядро многократно делится, а затем клетка распадается на множество дочерних клеток. Сначала это происходит в клетках печени, где бессимптомно проходит одна-две недели, затем в эритроцитах. Внутри эритроцита паразит питается гемоглобином. Освобождающийся при этом гем ядовит для паразита, и плазмодий превращает его в нерастворимые кристаллы — малярийный пигмент гемозоин. Когда эритроциты одновременно разрушаются, в кровь выходят новые мерозоиты, продукты обмена паразита и гемозоин, и у больного начинается приступ: озноб, затем жар до 40–41 °C, затем обильный пот. У трёхдневной малярии цикл в эритроцитах длится 48 часов, поэтому приступы повторяются через день; у четырёхдневной (P. malariae) — 72 часа. У P. vivax и P. ovale часть паразитов надолго «засыпает» в печени, и болезнь может вернуться через месяцы.
В организме комара идёт половое размножение. С кровью больного самка комара получает гаметоциты, в её желудке они превращаются в гаметы и сливаются. Зигота становится подвижной, проникает в стенку желудка и превращается в ооцисту, в которой образуются тысячи спорозоитов. Спорозоиты собираются в слюнных железах комара, и при следующем укусе комар вводит их человеку.
Хозяева плазмодия. Окончательный хозяин — тот, в котором паразит размножается половым путём; у плазмодия это комар. Промежуточный — тот, в котором идёт бесполое размножение; это человек. На экзамене эту пару часто путают, потому что болеет именно человек.
Апикопласт: хлоропласт, который не фотосинтезирует
Ещё в 1960–1970-х годах на электронных микрофотографиях клеток плазмодия видели небольшое округлое тельце неизвестного назначения, окружённое несколькими мембранами. В 1980-х годах в клетках плазмодия обнаружили кольцевую молекулу ДНК длиной около 35 тысяч пар нуклеотидов. Сначала её сочли митохондриальной, но у плазмодия нашлась отдельная митохондриальная ДНК, а в загадочной кольцевой молекуле оказались гены, похожие на гены хлоропластов: гены рибосомных РНК и белков рибосом, РНК-полимеразы. В середине 1990-х годов исследователи показали, что эта ДНК лежит в том самом многомембранном тельце. Органоид назвали апикопластом — «пластидой апикомплексов».
Апикопласт имеет признаки пластиды:
- собственная кольцевая ДНК, похожая по набору генов на ДНК хлоропластов водорослей;
- собственные рибосомы прокариотического типа (70S);
- деление перед делением клетки паразита, так что каждая дочерняя клетка получает по апикопласту;
- оболочка из четырёх мембран, как у пластид, полученных в результате вторичного эндосимбиоза.
Но генов фотосинтеза в ДНК апикопласта нет, нет в нём ни тилакоидов, ни хлорофилла. В его ДНК всего около 30 генов, кодирующих белки, а около 500 белков апикопласта закодировано в ядре клетки паразита. Эти белки синтезируются в цитоплазме и доставляются в апикопласт благодаря особому «адресу» — двухчастной сигнальной последовательности на начальном участке молекулы: первая часть направляет белок в эндоплазматическую сеть, вторая — внутрь пластиды. Точно так же доставляются белки в хлоропласты водорослей с четырьмя мембранами.
Апикопласт — не митохондрия. У плазмодия есть и митохондрия, одна на клетку, со своей ДНК — самой маленькой из известных: около 6 тысяч пар нуклеотидов, всего три гена белков. Апикопласт и митохондрия в клетке паразита лежат рядом и даже соприкасаются, но это два разных органоида разного происхождения.
Откуда у паразита пластида
Чтобы понять происхождение апикопласта, вспомним теорию симбиогенеза. Хлоропласты растений, зелёных и красных водорослей произошли от цианобактерии, которую около полутора миллиардов лет назад поглотил древний эукариот. Это первичный эндосимбиоз, и такие хлоропласты окружены двумя мембранами. Позже некоторые эукариоты поглотили уже готовые водоросли — одноклеточных красных или зелёных — и превратили их в свои пластиды. Это вторичный эндосимбиоз: у поглощённой водоросли исчезли почти все органоиды и ядро, часть её генов переселилась в ядро хозяина, а от неё остался хлоропласт, окружённый четырьмя мембранами.
Сравнение генов показало, что апикопласт произошёл от хлоропласта красной водоросли. Решающее доказательство появилось в 2008 году, когда австралийские исследователи выделили из кораллов Сиднейской гавани одноклеточную водоросль Chromera velia. Хромера фотосинтезирует, но по строению клетки и по генам оказалась ближайшей родственницей споровиков: у неё есть зачатки апикального комплекса, а её хлоропласт по генам похож на апикопласт. Значит, общий предок хромеры и плазмодия был фотосинтезирующей водорослью, вероятно, жившей в симбиозе с кораллами, а предки плазмодия позднее перешли к паразитизму. Об этой водоросли — в статье «Хромериды: фотосинтезирующий родственник малярийного плазмодия».
Утрата фотосинтеза при переходе к паразитизму — частый путь. Паразиту, который получает органические вещества от хозяина, а в крови или внутри клеток живёт в темноте, фотосинтез бесполезен. Гены фотосинтеза перестали поддерживаться отбором и были утрачены. Это пример общей дегенерации на уровне клетки: так же у растений-паразитов, например у повилики, исчезают листья и хлорофилл.
Зачем паразиту апикопласт
Если фотосинтеза нет, почему пластида не исчезла? Потому что в хлоропластах идёт не только фотосинтез. Там синтезируются жирные кислоты, часть аминокислот, гем, изопреноиды — большая группа веществ, к которой у растений относятся каротиноиды, фитол хлорофилла, гормоны. Некоторые из этих процессов плазмодий сохранил:
- синтез изопреноидов по так называемому немевалонатному пути — как в хлоропластах растений и у бактерий. Изопреноиды нужны паразиту для мембран, для убихинона митохондрии и для модификации белков. В клетках человека эти вещества синтезируются другим путём — мевалонатным;
- синтез жирных кислот бактериального типа — важен на стадиях в печени и в комаре;
- сборка железосерных кластеров — небольших групп атомов железа и серы, входящих в состав многих ферментов;
- участие в синтезе гема вместе с митохондрией.
В 2011 году американские исследователи Эллен Йе и Джозеф Деризи провели изящный опыт. Они лишили плазмодий апикопласта с помощью антибиотика, но добавили в среду изопентенилпирофосфат — исходное вещество для синтеза всех изопреноидов. Паразиты без апикопласта продолжали размножаться в эритроцитах. Значит, на стадии в крови единственная незаменимая работа апикопласта — синтез изопреноидов.
Лекарства против «растительного» органоида
У человека нет пластид, поэтому апикопласт — удобная мишень для лекарств: вещество, которое нарушает его работу, мало вредит клеткам больного.
| Препарат | На что действует | Особенности |
|---|---|---|
| Доксициклин, клиндамицин, азитромицин | Рибосомы 70S апикопласта: прекращается синтез белков, закодированных в ДНК апикопласта | Антибиотики, созданные против бактерий. Действуют медленно: паразиты погибают лишь во втором цикле размножения, поэтому их применяют только вместе с быстродействующими средствами или для профилактики |
| Фосмидомицин | Фермент немевалонатного пути синтеза изопреноидов | Действует быстрее; тот же фермент есть в хлоропластах растений, и фосмидомицин подавляет их рост |
Почему антибиотики убивают паразитов так медленно? Обработанный паразит успевает завершить цикл в эритроците, но его дочерние клетки получают нефункциональный апикопласт или не получают его вовсе — и гибнут в следующем цикле. Это явление называют отсроченной гибелью.
Главные противомалярийные средства действуют на другие мишени. Хинин и хлорохин мешают паразиту превращать ядовитый гем в гемозоин, и гем убивает паразита. Артемизинин, выделенный китайской исследовательницей Ту Юю из полыни однолетней, образует активные радикалы при контакте с железом гема; за это открытие она получила Нобелевскую премию 2015 года. Против малярии созданы и вакцины: в 2021 и 2023 годах ВОЗ рекомендовала две вакцины для детей в районах с высокой заболеваемостью.
Неточность прежних пересказов. Можно встретить утверждение, что «многие современные противомалярийные препараты работают через апикопласт». Это не так: основные средства (артемизинин, хлорохин, хинин, мефлохин) действуют вне апикопласта. Через апикопласт действуют антибиотики — вспомогательные препараты.
Место на древе жизни
Старое деление одноклеточных эукариот на «простейших животных» (амёбы, жгутиконосцы, споровики, инфузории) и «водоросли» не отражает родства. Молекулярная систематика сгруппировала эукариот в несколько крупных ветвей, и плазмодий оказался вдали от животных.
- Плазмодий входит в группу альвеолят вместе с инфузориями и динофлагеллятами. Общий признак — уплощённые мембранные мешочки (альвеолы) под мембраной клетки. Около половины видов динофлагеллят фотосинтезируют.
- Альвеоляты вместе со страменопилами (бурые, диатомовые, желтозелёные водоросли, оомицеты) и ризариями (фораминиферы, радиолярии) образуют группу SAR, а вместе с телонемами — супергруппу TSAR.
- Животные и грибы относятся к другой супергруппе — заднежгутиковым (опистоконтам), а амёба протей — к амёбозоям, родственным им.
Поэтому, по современным представлениям, плазмодий находится в родстве скорее с бурыми водорослями и диатомеями, чем с амёбой или с человеком. Апикопласт — живое свидетельство этого родства.
Что писать на экзамене. Школьный курс и задания ЕГЭ пока используют традиционную систему: плазмодий относят к одноклеточным животным (простейшим), тип Споровики. В тестовых заданиях отвечайте так. А знание об апикопласте пригодится в заданиях с развёрнутым ответом о происхождении органоидов и о симбиогенезе.
Как это связано с ЕГЭ
- Многообразие одноклеточных (тема 4.1). Малярийный плазмодий — паразитическое одноклеточное: строение, цикл развития, хозяева, профилактика. Урок «Малярийный плазмодий, простейшие и водоросли: связь строения со средой обитания» и тренажёр по теме 4.1.
- Строение клетки и симбиогенез (тема 2.3). Пластиды и митохондрии — полуавтономные органоиды бактериального происхождения: кольцевая ДНК, рибосомы 70S, деление, двойная мембрана. Урок «Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, хлоропласты и вакуоли».
- Паразитизм и пути эволюции (темы 6.3, 7.2). Утрата фотосинтеза — упрощение при паразитизме, общая дегенерация; сложный цикл со сменой хозяев и огромная плодовитость — идиоадаптации паразита.
- Генетика человека (тема 3.5). Гетерозиготы по гену серповидноклеточной анемии устойчивы к тропической малярии — поэтому этот аллель часто встречается в Африке. Подробнее — в статье «Сверхдоминирование и гетерозис».
Типичные ошибки. 1) «Человек — окончательный хозяин плазмодия» — нет, промежуточный; окончательный — комар. 2) «Малярию переносят все комары» — нет, только самки рода Anopheles: самцы не пьют кровь. 3) «Заражение происходит через воду или пищу» — нет, через укус комара, а также при переливании крови. 4) «Приступ вызывает размножение в печени» — нет, приступы связаны с массовым разрушением эритроцитов.
Интересные факты
- В клетках криптоспоридии, родственника плазмодия, апикопласта нет совсем: она утратила его полностью. Значит, без пластиды споровики жить могут, но плазмодий своей ещё пользуется.
- Токсоплазма, тоже имеющая апикопласт, заражает почти треть людей на Земле, обычно без симптомов. Её окончательные хозяева — кошки.
- У родственников плазмодия есть и другие «растительные» черты. Токсоплазма и кокцидии запасают углеводы не в виде гликогена, как животные и грибы, а в виде амилопектина — вещества, близкого к растительному крахмалу.
- Малярией в прошлом болели и в России: ещё в 1930-х годах в СССР регистрировали миллионы случаев в год, а последние районы её постоянного распространения ликвидированы в 1960-х годах.
- Хинин долго добывали только из коры хинного дерева из Южной Америки. Привычный «тоник» появился как способ пить горький хинин для профилактики малярии.
- Гемозоин — тот самый малярийный пигмент — делает селезёнку и печень больного тёмными; по нему малярию распознавали на вскрытиях ещё до открытия паразита.
Задания с разбором
Задания составлены по образцу линий ЕГЭ по биологии. Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Выберите три верных утверждения о малярийном плазмодии.
- Окончательным хозяином плазмодия является человек.
- В эритроцитах человека плазмодий размножается бесполым путём.
- Переносчик малярии — самка комара рода Anopheles.
- Плазмодий передвигается с помощью ресничек.
- Половое размножение плазмодия происходит в организме комара.
- В клетках плазмодия идёт фотосинтез.
Разбор
Ответ: 235. 1 — неверно: человек — промежуточный хозяин. 4 — неверно: ресничек у плазмодия нет. 6 — неверно: апикопласт не фотосинтезирует.
Задание 2
Установите последовательность стадий жизненного цикла малярийного плазмодия, начиная с укуса человека заражённым комаром.
- размножение в эритроцитах
- образование гамет в желудке комара
- проникновение спорозоитов в клетки печени
- образование гаметоцитов
- образование спорозоитов в ооцисте
- оплодотворение и образование зиготы
Разбор
Ответ: 314265. Печень → эритроциты → гаметоциты → гаметы в комаре → зигота → ооциста со спорозоитами.
Задание 3
Установите соответствие между процессом и организмом хозяина, в котором он происходит: А — человек, Б — комар.
- множественное деление в клетках печени
- слияние гамет
- образование гемозоина из гема
- образование ооцисты на стенке желудка
- образование гаметоцитов
- накопление спорозоитов в слюнных железах
Разбор
Ответ: 1 — А, 2 — Б, 3 — А, 4 — Б, 5 — А, 6 — Б. Гаметоциты образуются в крови человека, а созревают в гаметы и сливаются уже в комаре.
Задание 4
Какие признаки апикопласта доказывают, что он произошёл от хлоропласта? Приведите три признака.
Разбор
1) Собственная кольцевая ДНК, по набору и последовательности генов сходная с ДНК хлоропластов водорослей. 2) Собственные рибосомы прокариотического (70S) типа. 3) Деление апикопласта независимо от ядра, перед делением клетки. 4) Многомембранная оболочка, как у пластид, полученных при вторичном эндосимбиозе. 5) Набор процессов, характерных для хлоропластов растений, — синтез изопреноидов по немевалонатному пути, синтез жирных кислот бактериального типа.
Задание 5
Почему апикопласт окружён четырьмя мембранами, а хлоропласт растения — двумя?
Разбор
1) Хлоропласт растения — результат первичного эндосимбиоза: эукариот поглотил цианобактерию, две мембраны — её оболочка. 2) Апикопласт — результат вторичного эндосимбиоза: предок плазмодия поглотил эукариотическую красную водоросль, уже имевшую хлоропласт. 3) Две дополнительные мембраны — клеточная мембрана поглощённой водоросли и мембрана пузырька, в который её заключила клетка-хозяин.
Задание 6
Почему в ходе эволюции плазмодий утратил способность к фотосинтезу? Какой путь эволюции это иллюстрирует?
Разбор
1) Плазмодий перешёл к паразитизму и получает органические вещества от хозяина. 2) Он живёт внутри клеток и в крови, то есть в темноте, где фотосинтез невозможен. 3) Гены фотосинтеза перестали поддерживаться отбором и были утрачены. 4) Это упрощение организации при паразитизме — общая дегенерация.
Задание 7
Антибиотик доксициклин подавляет синтез белка на рибосомах бактерий. Почему он действует на плазмодий и почти не повреждает клетки человека? Почему паразиты погибают не сразу, а только в следующем цикле размножения?
Разбор
1) В апикопласте плазмодия есть рибосомы прокариотического типа (70S), похожие на бактериальные, и доксициклин блокирует их. 2) В цитоплазме клеток человека рибосомы 80S, на которые антибиотик почти не действует. 3) Паразит успевает завершить текущий цикл за счёт уже имеющихся белков, но его дочерние клетки получают неработающий апикопласт и погибают в следующем цикле (отсроченная гибель). Можно добавить: митохондриальные рибосомы человека тоже 70S-подобны, поэтому побочное действие возможно, но слабое.
Задание 8
Плазмодий лишили апикопласта и поместили в эритроциты в среде с изопентенилпирофосфатом — исходным веществом для синтеза изопреноидов. Паразиты продолжали размножаться. Какой вывод можно сделать из этого опыта? Какой контроль необходим?
Разбор
1) Вывод: на стадии в эритроцитах апикопласт нужен плазмодию только для синтеза изопреноидов (вернее, их предшественника), остальные его функции на этой стадии необязательны. 2) Контроль: паразиты без апикопласта в среде без изопентенилпирофосфата — они должны погибнуть; это доказывает, что выживание обеспечено именно добавленным веществом. 3) Можно добавить второй контроль: обычные паразиты с апикопластом в той же среде.
Задание 9
В некоторых районах Африки до 20–30 % людей гетерозиготны по аллелю серповидноклеточной анемии, хотя гомозиготы по нему часто погибают в детстве. Объясните это явление.
Разбор
1) Гетерозиготы устойчивы к тропической малярии: в их эритроцитах плазмодий развивается хуже, а заражённые эритроциты быстрее разрушаются и удаляются. 2) В районах, где много малярии, гетерозиготы выживают и оставляют потомство чаще, чем гомозиготы по нормальному аллелю (которые гибнут от малярии) и гомозиготы по мутантному (гибнут от анемии). 3) Отбор в пользу гетерозигот (сверхдоминирование) поддерживает мутантный аллель в популяции с высокой частотой — это балансированный полиморфизм.
Задание 10
Назовите три меры профилактики малярии и объясните, на какое звено цикла каждая из них действует.
Разбор
1) Защита от укусов (сетки на окнах, пологи над кроватями, обработанные инсектицидами, репелленты) — прерывает передачу спорозоитов от комара к человеку и гаметоцитов от человека к комару. 2) Осушение болот и уничтожение личинок комаров в водоёмах — уменьшает численность переносчика. 3) Выявление и лечение больных и носителей — уничтожает источник гаметоцитов для комаров. 4) Профилактический приём лекарств и вакцинация в районах распространения — подавляют паразитов в организме человека.
Литература
- McFadden G. I. et al. Plastid in human parasites // Nature. 1996. Vol. 381. P. 482.
- Köhler S. et al. A plastid of probable green algal origin in apicomplexan parasites // Science. 1997. Vol. 275. P. 1485–1489.
- Moore R. B. et al. A photosynthetic alveolate closely related to apicomplexan parasites // Nature. 2008. Vol. 451. P. 959–963.
- Janouškovec J. et al. A common red algal origin of the apicomplexan, dinoflagellate, and heterokont plastids // PNAS. 2010. Vol. 107. P. 10949–10954.
- Yeh E., DeRisi J. L. Chemical rescue of malaria parasites lacking an apicoplast defines organelle function in blood-stage Plasmodium falciparum // PLoS Biology. 2011. Vol. 9. e1001138.
- World malaria report 2024. — Geneva: World Health Organization, 2024.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…