Pierwotniaki

Prof. dr hab. Jerzy Dzik
dr Małgorzata Gołembiewska-Skoczylas
dr Mauryla Kiersnowska
dr Ewa Joachimiak
Ćwiczenie 2
Pierwotniaki
Królestwo PROTISTA (pierwotniaki)
Cechy wyróŜniające
Protista to jednokomórkowe organizmy jądrowe (eukariotyczne). Najistotniejszą cechą Eukaryota jest
wyodrębnienie przedziałów wewnątrz komórki (organelli) oraz zamknięcie wewnątrz jądra
komórkowego materiału genetycznego podzielonego na liniowe odcinki (chromosomy) zakończone
specyficznymi konserwowanymi ewolucyjnie wielokrotnie powtórzonymi sekwencjami (telomerami).
Precyzyjny rozdział chromosomów do komórek potomnych zachodzi podczas podziału jądra i moŜliwy
jest dzięki wytworzeniu specyficznej struktury mikrotubularnej – wrzeciona podziałowego. Ośrodkiem
formowania wrzeciona podziałowego są tzw. bieguny wrzeciona podziałowego, które mogą
zawierać centriole. Liniowy charakter DNA chromosomalnego powoduje, Ŝe podczas kaŜdej replikacji
dochodzi do utraty krótkiego odcinka telomeru, co ogranicza liczbę podziałów komórki eukariotycznej.
Odbudowa telomerów ma miejsce w specyficznych warunkach i dokonuje się dzięki aktywności
specjalnego aparatu enzymatycznego w skład którego wchodzi m.in. telomeraza. Odkrycia telomerazy
dokonano dzięki badaniom na komórkach pierwotniaczych – z wykorzystaniem orzęska Tetrahymena
thermophila a dokonanie to w 2009 r. zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.
Pierwotniaki stanowią wysoce róŜnorodną grupę organizmów jednokomórkowych (niektóre z nich
mogą tworzyć kolonie), których cechą charakterystyczną jest obecność specyficznych organelli
umoŜliwiających tym eukariotycznym komórkom funkcjonowanie jako odrębnego organizmu. W
poszczególnych grupach takimi organellami są np.: tzw. aparat gębowy z cytostomem, wodniczki
tętniące i inne.
Pochodzenie
Niektóre z organelli powstały w wyniku specjalizacji funkcji w obrębie jednej komórki (jądro, retikulum
endoplazmatyczne, aparat Golgiego, cytoszkielet). Drogi ewolucji ku organellom mającym częściową
autonomię genetyczną dzięki własnemu DNA o właściwościach bakteryjnych (chloroplasty i
mitochondria) mogły przebiegać w odrębnych liniach rozwojowych samodzielnych organizmów.
Symbiotyczna teoria powstania komórki eukariotycznej proponuje kolejne wejścia organizmów
prokariotycznych w symbiozę z hipotetycznym przodkiem pierwotniaków. Symbiotyczne sinice miałyby
się przekształcić w chloroplasty a bakterie tlenowe w mitochondria. W trakcie tych przemian formował i
doskonalił się cytoszkielet gospodarza zapewniając rozdział chromosomów podczas podziału
komórki i umoŜliwiając jej poruszanie się.
Pokrewieństwa wewnątrz grupy
Najdawniejsze kopalne eukarionty dające się zaklasyfikować do dzisiejszych jednostek
systematycznych to krasnorosty RHODOPHYTA o bardzo pierwotnej budowie chloroplastów, dziś
pozbawione stadiów wiciowych i centrioli.
Analizy paleontologiczne moŜna przeprowadzić jednakŜe jedynie dla nielicznych grup pierwotniaków –
tych, które tworzą pancerzyki lub osłonki, np. Foraminifera czy Radiolaria. Trudno jest jednoznacznie
określić pokrewieństwa zarówno pomiędzy poszczególnymi grupami pierwotniaków jak i wewnątrz
tych grup. Aktualnie prowadzone są intensywne badania molekularne (najczęściej poprzez
porównywanie sekwencji rRNA małej podjednostki albo DNA mitochondrialnego), które weryfikują
pokrewieństwa w obrębie królestwa Protista (* schemat drzewa filogenetycznego eukariontów
proponowny na podstawie analizy sekwencji DNA)
Anatomia funkcjonalna
Istniejący u pierwotniaków system błon wewnętrznych, tj. reticulum endoplazmatyczne i aparat
Golgiego moŜe być uorganizowany w charakterystyczny sposób, odmienny niŜ u eukariontów
wielokomórkowych. Skład i ultrastruktura błony komórkowej i błon wewnętrznych komórek
pierwotniaczych są jednakŜe typowe dla komórek eukariotycznych (np. występowanie cholesterolu).
Na powierzchni błony komórkowej występuje, podobnie jak u pozostałych eukariontów warstwa
glikoprotein i proteoglikanów (białek związanych z wielocukrami) zwana glikokaliksem. W niektórych
grupach np. u tzw. nagich korzenionórzek (ameby) warstwa ta jest szczególnie silnie rozwinięta.
Większość pierwotniaków ma mniej lub bardziej stały kształt dzięki cytoszkieletowi, w którego skład
wchodzą mikrofilamenty aktynowe, filamenty pośrednie i mikrotubule.
U większości pierwotniaków szczególnie dobrze rozbudowaną warstwą cytoszkieletu jest
cytoszkielet podbłonowy, który wraz z błoną komórkową tworzy tzw. korteks. Stopień skomplikowania
budowy korteksu jest dobrym wyznacznikiem przynaleŜności systematycznej danego pierwotniaka.
U amebozoa, otwornic błona komórkowa podścielona jest luźno upakowanymi mikrofilamentami.
Prosta budowa korteksu umoŜliwia komórkom ruch w kaŜdym kierunku, oraz pobieranie pokarmu całą
powierzchnią ciała.
Bardziej złoŜony jest korteks wiciowców. Pod błoną komórkową występują tu struktury wzmacniające
powierzchnię komórki, takie jak płytki białkowe oraz włókna cytoszkieletalne, których liczba i sposób
rozmieszczenia jest charakterystyczny dla danej grupy systematycznej. Powoduje to usztywnienie
komórki, która moŜe utrzymać w miarę stały kształt a u niektórych wiciowców umoŜliwia zmiany
kształtu.
Największe skomplikowanie korteksu obserwuje się u orzęsków – pod błoną komórkową występują:
1.
2.
3.
pęcherzyki - alweole, oraz biegnące pod nimi liczne mikrotubularne i niemikrotubularne włókna,
4.
pęcherzyki wydzielnicze (muko- lub trichocysty), a takŜe system ciałek podstawowych (urzęsionych
lub nieurzęsionych) wraz z towarzyszącymi im wiązkami mikrotubul i kinetodesmą, tj. włóknem
łączącym poszczególne ciałka podstawowe uszeregowane wzdłuŜ długiej osi komórki (szereg
urzęsionych ciałek podstawowych nazywany jest kinetą)
Transport wewnątrzkomórkowy i ruch komórki.
Przekształcanie energii chemicznej (ATP) w mechaniczną (ruch) w komórkach eukariontów
dokonuje się głównie poprzez współdziałanie aktyny z miozynami a takŜe mikrotubul z kinezynami lub
dyneinami (tzw. białka motoryczne). Miozyny, kinezyny i dyneiny posiadają zdolność rozkładu ATP.
Energia uwolniona w wyniku rozkładu ATP powoduje zmianę konformacyjną tych białek.
Transport wewnątrzkomórkowy odbywa się zarówno wzdłuŜ mikrotubul jak i mikrofilamentów.
Ruch białek i innych substancji zamkniętych w pęcherzykach a takŜe niektórych organelli moŜliwy jest
właśnie dzięki ich podłączeniu do białek motorycznych.
Ruch komórki pierwotniaczej obywa się z wykorzystaniem włókien aktynowych tj. ruchem
pełzakowatym (ameby) lub struktur mikrotubularnych – wici lub rzęsek (pierwotniaki uwicione i
orzęsione).
Pełzanie komórek po podłoŜu (ruch ameboidalny) jest wynikiem szczególnej organizacji wnętrza
komórki pozwalającej na współdziałanie cytoszkieletu i intensywnie zachodzącej endo- i egzocytozy.
Ekspansja komórki ku przodowi jest skutkiem gwałtownej polimeryzacji aktyny na przodzie
powstającej nibynóŜki Wysuwanie nibynóŜki wymaga intensywnego dobudowywania błony
komórkowej. Na przednim końcu nibynóŜki błona komórkowa jest stale dobudowywana. Jest to
wynikiem fuzji z błoną komórkową licznych pęcherzyków pochodzących z aparatu Golgiego
(egzocytoza). Jednocześnie z tyłu komórki,dochodzi do powstawania licznych pęcherzyków
(endocytoza błony komórkowej).
Wić/rzęska jest wypustką komórki zawierającą 9 podwójnych mikrotubul peryferycznych (jedna w
parze jest niepełna) i 2 pojedyńczych mikrotubul centralnych (9x2+2), okrytych błoną rzęskową.
Poszczególne pary mikrotubul peryferycznych (dublety) połączone są równomiernie rozmieszczonymi
strukturami związanymi z inicjacją i regulacją ruchu wici/rzęski. Ruch (wyginanie) rzęski/wici
spowodowany jest ślizgiem dubletów mikrotubul względem siebie moŜliwym wskutek aktywacji
dyneiny rzęskowej zlokalizowanej w tzw„ramionkach dyneinowych” występujących na pełnej
mikrotubuli kaŜdego dubletu. WaŜną rolę w aktywacji ruchu odgrywa zmiana stęŜenia jonów
wapniowych. W komórkach posiadających liczne wici/rzęski ich ruch jest zsynchronizowany.
Wić/rzęska wyrasta z ciałka podstawowego posiadającego strukturę identyczną z centriolami, tzn.
zbudowana jest z 9 tripletów mikrotubul (9x3+0). Ciałka podstawowe i centriole są strukturami
homologicznymi pod względem genetycznym i ewolucyjnym.
Choć ultrastruktura wici i rzęsek jest taka sama (ten sam wzór rozmieszczenia mikrotubul:9x2+2) to
róŜnią się one długością oraz sposobem regulacji ruchu i jego przebiegu.
OdŜywianie.
Sposoby odŜywiania pierwotniaków są bardzo zróŜnicowane. Mogą być one heterotrofami lub
autotrofami, jeśli posiadają chloroplasty czy symbiotyczne sinice, czy nawet uprawiać oba te sposoby
odŜywiania w zaleŜności od warunków środowiska. Wiele pierwotniaków jest symbiontami albo
pasoŜytami Ŝyjącymi na lub w innych organizmach.
U organizmów cudzoŜywnych w rozpoznawaniu pokarmu zasadniczą rolę odgrywają chemo- i
mechanoreceptory umieszczone w błonie komórkowej.
Sposoby pobierania pokarmu
Wchłanianie proste umoŜliwia pierwotniakom pobieranie ze środowiska wody i prostych związków (np.
aminokwasów).
Pinocytoza ("połykanie" płynów) dokonuje się w miejscach błony komórkowych tworzących jamki
pokryte od wnętrza przez kompleksy białkowe klatryny. Kiedy juŜ powstaną, klatryna odczepia się i
przechodzi do miejsc powstawania nowych jamek. Gładkie pęcherzyki zlewają się ze sobą
przekształcając się w endosomy do których dołączają pęcherzyki zawierające enzymy trawienne -
lizosomy. Wielkość pobranej cząstki limituje średnica otworu zagłębienia (jamki). Na drodze
pinocytozy pobierane są liczne białka, np. pinocytoza albuminy „białka” kurzego przez Amoeba
proteus.
Fagocytoza ("połykanie" cząstek stałych) odbywa się poprzez otaczanie pokarmu przez pseudopodia
lub w wyspecjalizowanych miejscach komórki (cytostom). Do powstałych wodniczek pokarmowych
dołączają lizosomy. Wodniczki z niestrawionymi resztkami (np. drobiny pisaku, pancerzyki innych
pierwotniaków, itp.) podłączają się do błony komórkowej (fuzja błony wodniczki pokarmowej z błoną
komórkową) usuwając na zewnątrz swoją zawartość (proces wydalania- „defekacja” komórkowa)
U ameb ten proces moŜe zachodzić w dowolnym miejscu komórki a u wiciowców i orzęsków w ściśle
wyznaczonym miejscu (cytopyge).
RozmnaŜanie.
Wszystkie pierwotniaki rozmnaŜają się bezpłciowo przez podział na dwa osobniki, podział
wielokrotny albo pączkowanie. Podczas rozmnaŜania bezpłciowego jądro komórkowe dzieli się
mitotycznie (wyjątek amitoza makronukleusa orzęsków).
Poprzedzający rozmnaŜanie płciowe podział mejotyczny jądra został opisany tylko w
niektórych grupach pierwotniaków (np. u otwornic), wówczas występuje przemiana pokoleń płciowych
i bezpłciowych.
Proces płciowy.
U orzęsków mikronukleus jest zdolny do mejozy, która zachodzi podczas koniugacji tj. procesu
płciowego zwiększającego genetyczne zróŜnicowanie ale nie liczbę osobników populacji
Specyficznym dla pierwotniaków organellum jest wodniczka tętniaca, której podstawową
funkcją jest osmoregulacja. Wodniczka tętniąca występuje u wszystkich pierwotniaków
słodkowodnych, które są hipertoniczne w stosunku do otoczenia.
Organellami odpowiedzialnymi za tlenowe oddychanie (tworzenie ATP) są mitochondria.
Wymiana gazowa odbywa się całą powierzchnią komórki.
Pierwotniaki są komórkami pobudliwymi - na bodźce płynące ze środowiska reagują atakiem,
ucieczką lub kurczeniem się komórki. W ataku i obronie wykorzystują zawartość zlokalizowanych pod
błoną komórkową pęcherzyków wydzielniczych (mukocysty, trichocysty). DrapieŜne pierwotniaki
posiadają przekształcone wyspecjalizowane rzęski czuciowe, które lokalizują zdobycz i biorą udział w
jej chwytaniu. Receptory bodźców zlokalizowane są w błonie komórkowej, szczególnie na powierzchni
wici/rzęski.
Wiele pierwotniaków ma zdolność tworzenia cyst. Mogą one mieć funkcje przetrwalnikowe,
bądź być stadiami inwazyjnymi w cyklu Ŝyciowym (pierwotniaki pasoŜytnicze).
Systematyka pierwotniaków podlega ciągłym zmianom, istnieje kilka równoległych systemów klasyfikacji, przedstawiona poniżej
systematyka przedstawia klasyczny podział na typy/gromady.
Klasa (gromada) DINOFLAGELLATA (bruzdnice)
Pierwotnie fikobilina i chlorofil c obok a; jedna z wici otacza równikowo komórkę, chromosomy stale w
interfazie, powierzchnia komórki pokryta celulozowymi p ytkami ł wydzielanymi w cysternach błony.
Gromada SPOROZOA (Apicomplexa)
Mają kompleks apikalny (zapewne zmieniony aparat wiciowy), pasoŜytnicze.
Klasa (gromada) CRYPTOPHYTA
Chloroplast z poczwórną błoną i nukleoidem (uproszczony symbiotyczny krasnorost?) między nimi.
Klasa (gromada) EUGLENOPHYTA (eugleny)
Dyskowate cristae mitochondriów; rozbudowany cytoszkielet z podłuŜnymi wstęgami mikrotubul; pęczek
dodatkowych mikrotubul wzdłuŜ wici.
Rząd Euglenida
Wici z włoskami po jednej stronie; swobodnie Ŝyjące, często mają chloroplasty z potrójną zewnętrzną błoną,
które zawierają chlorofil a i b (symbionty?).
Rząd Diplomonadida
Osiowy szkielet mikrotubularny (aksostyl), pierwotnie podwójne komórki (dikinetydy); pasoŜyty bez
mitochondriów Ŝyjące w warunkach beztlenowych.
Rząd Trichomonadida (Parabasalia)
Aparat Golgiego u podstawy wici (pierwotnie czterech); pasoŜyty bez mitochondriów.
Klasa (gromada) KINETOPLASTIDEA
Bardzo długie cylindryczne mitochondrium z rozszerzeniem (kinetoplast).
Typ CILIATA (orzęski)
Unikatowa organizacja aparatu jądrowego. Diploidalny mikronucleus o funkcjach płciowych i wegetatywny
makronucleus o szczególnym rodzju ploidi (swego rodzaju aneuploidia), liczne rzęski powiązane ze sobą
mikrotubulami.
Oddział CHROMOBIONTA
Chlorofil c obok a, wić z mastigonemami produkowanymi w aparacie Golgiego – stramenopile.
Klasa (gromada) CHRYSOPHYTA (złotowiciowce)
Jednokomórkowe, jedna wić pierzasta, druga gładka.
Klasa XANTHOPHYTA
Zwykle nitkowate kolonie z fotosyntezujących komórek pozbawionych wici.
Klasa (gromada) HAPTOPHYTA (tu kokkolity)
Wici bez włosków (mastigonem), kurczliwa wypustka (haptonema) między nimi.
Klasa DIATOMAE (okrzemki)
Dwuczęściowa krzemionkowa skorupka.
Klasa SAPROLEGNIOMYCOTA (Oomycetes)
Saprofity i pasoŜyty bez chloroplastów.
Klasa PHAEOPHYTA (brunatnice);
Plechowe.
Typ RHIZOPODA (korzenionóŜki)
Dominują stadia ameboidalne.
Gromada AMOEBOZOA
Jednokomórkowe ameby z nieregularnymi płatowatymi nibynóŜkami (lobopodia).
Gromada TESTACEA
Organiczna skorupka z otworem przez który wychodzą nibynóŜki.
Klasa MYXOMYCETES (śluzowce)
Ameby mogą się zlewać w plazmodia niektóre wytwarzają duŜe owocniki.
Gromada FORAMINIFERA (otwornice)
Komórki wytwarzają organiczną lub mineralną skorupkę z otworkami, przez które wychodzą nieregularnie
nitkowate
nibynóŜki (filopodia).
Typ ACTINOPODA (promienionóŜki)
Promieniste proste wypustki cytoplazmy z osiowym szkieletem mikrotubularnym (actinopodia), nieregularne
wypustki cytoplazmy wychodzą poza ścianę komórki.
Gromada RADIOLARIA (radiolarie)
Krzemionkowy szkielet z radialnych igieł i koncentrycznych aŜurowych sfer.
Na podstawie zawartych w konspekcie wiadomości oraz studiów własnych studenci mają obowiązek
na zajęciach posiadać podstawowe wiadomości dotyczące prezentowanych na zajęciach
przedstawicieli pierwotniaków cudzoŜywnych : Amoeba proteus, ameb skorupkowych (Testacea),
otwornic (Foraminifera). Blepharisma sp., Peranema sp. oraz fakultatywnie cudzoŜywnej Euglena sp.
Pierwotniaki oglądane przeŜyciowo na ćwiczeniach:
Amoeba proteus (fagocytoza)
Euglena sp.
Peranema sp
Blepharisma japonicum
*
Proponowana klasyfikacja eukariontów na podstawie analizy sekwencji DNA. Podział na 9 tzw.
super grup, uwzględniający grupy organizmów jednokomórkowych o nieustalonym pokrewieństwie
filogenetycznym (tzw. linie sieroce, kolor czarny)j. Królestwa: Zwierzęta i Grzyby są włączone do 1
super grupy Opisthokonta, a Rośliny do Archaeplastida, pozostałe 7 super grup i grupy „sieroce” to
organizmy należące do Królestwa Protista.
-
AMOEBOZOA
Amoeba proteus
Testacea g.sp. (ameby skorupkowe)
EXCAVATA
Euglena sp., Peranema sp.