VERONICA - ČASOPIS PRO OCHRANU PŘÍRODY A KRAJINY

Čo sú to za čudesné mikroorganizmy, čo sa ako prvé vôbec na Zemi približne pred 2,45 - 2,22 miliardami rokov prispôsobili svojím metabolizmom na zdroj energie zo slnka?

Konkrétne dômyselným systémom zachytávacích antén fykobiliproteínov¹ napojených na molekuly pigmentov (farbív) a v kontakte s chlorofylom a zabudovaným v intracytoplazmatickom² systéme membrán - tylakoidoch určených „len“ na zachytávanie fotónov zo slnečného žiarenia. Ako substrát na to používali a používajú až dodnes vodu. Výsledkom transportu energie cez tento veľmi efektívny systém je jednak jej naviazanie do molekuly cukru a ako vedľajší produkt je molekula kyslíku, ktorá, ako vieme, je nenahraditeľnou súčasťou dnešného makroskopického života na Zemi. Zaujímavé na týchto prastarých fotosyntetizujúcich mikroorganizmoch je to, že sú schopné fotosyntetizovať aj v úplnej tme, a to dlhodobo. Posledné štúdie poukazujú na zistenia, že sa tieto prokaryoty vedia veľmi rýchlo adaptovať na podmienky bez svetla, a preto ich nachádzame v jaskyniach, v hlbokých jazerách, v hlbinách oceánov, ale aj v človekom vytvorených katakombách a podzemných priestoroch.

¹ barviva na bílkovinové bázi (složené z červeného - fykoerytrin a modrého - fykokyanin barviva), které zabezpečují u sinic a řas zachytávaní fotonů a transport elektronů směrem k fotosystému v membráně tylakoidu
² související s vnitřní stavbou buňky

Čo im umožnilo uskutočňovať túto veľmi účinnú metabolickú flexibilitu?

Podľa posledných výskumov, je to najmä schopnosť v priebehu niekoľkých dní meniť štruktúru, fluiditu a permeabilitu membránového systému, či už jednotlivých vrstiev tylakoidov, cytoplazmatickej membrány, ktoré spoločne vytvárajú veľmi dynamický intracytoplazmatický membránový aparát. Ten automaticky reaguje na zmeny svetelných podmienok prostredia pomocou jednak priestorovej a biochemickej štrukturálnej prestavby za účasti transportu farbív dôležitých pre správne fungovanie foto- a chemosyntézy. Teda celé sa to deje predovšetkým preto, aby bol vždy zabezpečený optimálny transport a tok elektrónov, či protónov, ktoré slúžia pre aktiváciu a trvalé udržiavanie všetkých enzymatických a metabolických dejov v bunke.

Ako by sa to dalo teda vysvetliť polopate, zjednodušene?

Pokúsim sa vám to priblížiť. Keď sa bunka sinice (inak nazývanej aj cyanobaktérie) ocitne v podmienkach tmy, začne sa po približne troch-štyroch dňoch meniť rozostup tylakoidových membrán vzájomne od seba, to znamená, že z pôvodných 20nanometrových medzipriestorových rozostupov sa vytvoria až 100nanometrové a väčšie rozostupy medzi membránami, v ktorých je zabudovaný fotosyntetický aparát, čo umožní bunke zachytávať aj nepatrné zablúdené fotóny v tme a najmä ich spomaliť a tak lepšie a efektívnejšie hospodáriť s energiou. Na základe toho by sa dalo vyvodiť, že ide o úsporný režim, kde sa bunka snaží maximálne využívať aj iné zdroje elektrónov, či už z vody, alebo aj sírovodíka, čo vtedy však už nazývame ako chemoautotrofia, na ktorú sinice presedlajú, keď sú v dlhodobej tme. Okrem takýchto morfologických funkčných zmien sa mení aj napríklad zloženie fosfolipidov v membránach, reťazce lipidov sa vyrovnávajú, dvojité väzby sa redukujú na jednoduché a prestupujú sa pigmentami. Dôsledkom toho sa zväčší povrch membrány a výsledný efekt spôsobí jej zvlnenie. Ďalej sa v bifosfolipidovej membráne hromadia enzýmy tzv. desaturázy mastných kyselín, ktoré menia počet dvojitých väzieb v membránových lipidoch. Čím je menší počet dvojitých väzieb, tým je membrána fluidnejšia a priepustnejšia pre elektróny a fotóny. Zaujímavé na tom všetkom je, že tieto zmeny v membránach a v ultraštruktúre bunky sú vratné, a keď sa bunka sinice dostane na svetlo, znova sa obnoví v priebehu pár dní ultraštruktúra potrebná pre metabolický režim na svetle. Pôvodne sa predpokladalo, že sa zmení aj obsah farbív a ich štruktúra, ale už sa vie, že sinice na svetle aj v dlhodobej tme majú kvalitatívne rovnaké zloženie farbív, len sú inak rozmiestnené v bunke. Tieto preskupenia farbív sú príčinou zmien makroskopického farebného prejavu siníc, čo možno pozorovať aj voľným okom v laboratóriu, keď sa robia pokusy s vplyvom kvality a intenzity osvetlenia na bunky siníc.

Ako však sinice vedia, že majú niečo meniť, a akože vnímajú tmu, resp. akékoľvek zmeny v kvalite a intenzite svetla?

Zistilo sa, že majú svetločivné receptory v podobe rodopsínových chromoproteínov, ktoré vysielajú signál pri zmene svetla a následne sa k tejto novovzniknutej situácii prispôsobí celý metabolizmus a epigeneticky aj ultraštruktúra bunky. Z takejto biologickej funkcie siníc možno populárne povedať, že sinice majú veľmi citlivý „zrak“, pomocou ktorého vedia hneď flexibilne reagovať a úplne sa ultraštruktúrne zmeniť, čím majú nesmiernu a v ríši organizmov na Zemi ojedinelú vlastnosť, ktorá sa nazýva súborne chromatická adaptácia.

Bohuslav Uher

RNDr. Bohuslav Uher, Ph.D., působí na katedře limnologie a oceánografie Fakulty přírodních věd Vídeňské univerzity v Rakousku.