Существование механизмов переноса генетической информации с помощью фагов и плазмид позволяет предполагать, что архебактерии должны каким-то образом защищать собственный генетический материал от чужеродного. У эубактерий эта проблема решена с помощью системы рестрикции-модификации. У эукариот такой системы нет, они выработали иные механизмы генетической изоляции. Найдено, что архебактерии обладают системой рестрикции-модификации, аналогичной эубактериальной.
Информация об аппарате репликации архебактерий в основном ограничивается данными о выделенной из ограниченного числа видов ДНК-зависимой ДНК-полимеразе, по некоторым свойствам близкой к эукариотному типу. Генетический код архебактерий такой же, как у других организмов.
ДНК-зависимая РНК-полимераза архебактерий сочетает свойства, характерные для эукариот и эубактерий. У всех изученных представителей архебактерий РНК-полимераза одной формы, осуществляющая, как и в случае эубактерий, транскрипцию всех генов. (У эукариот, например дрожжей, существуют 3 формы РНК-полимеразы, различающиеся функционально, компонентным составом, чувствительностью к ингибиторам). Фермент архебактерий отличается структурной сложностью, в его состав входят от 5 до 11 отдельных субъединиц. (РНК-полимеразы эубактерий состоят из 4 — 8 компонентов, а эукариот — 10 — 14 субъединиц). Характерным для РНК-полимераз всех эубактерий является их чувствительность к антибиотикам, специфически ингибирующим инициацию (рифампицин) и элонгацию (стрептолидигин 1) транскрипции. Архебактериальная и все РНК-полимеразы эукариот не чувствительны к этим антибиотикам.
Недавно у архебактерий описан известный только у эукариот процессинг: вырезание из первичного продукта транскрипции определенных нуклеотидных участков, укорачивание и образование зрелых молекул РНК.
Процесс трансляции у архебактерий происходит по тому же принципиальному пути, что и у других организмов, но обнаружены многочисленные особенности в организации трансляционного аппарата. Рибосомы архебактерий сочетают свойства, присущие эубактериям и эукариотам: по размерам они схожи с рибосомами эубактерий (имеют константу седиментации 70S, а их субъединицы — 30S и 50S), по форме ближе к 80S рибосомам эукариот.
Состав рибосомальных РНК архебактерий типично эубактериальный (5S, 16S и 23S рРНК), но их первичные структуры отличны от эубактериальных и эукариотных. Изучение нуклеотидных последовательностей 16S (18S) рРНК разных представителей живого мира и привело к выявлению среди прокариот группы архебактерий. Значения коэффициента сходства (SAB), отделяющие рРНК эубактерий, архебактерий и эукариот друг от друга, лежат в области 0,1 (SAB, равный 1, соответствует полной гомологии нуклеотидных последовательностей; SAB порядка 0,02 — уровень случайного совпадения).
Архебактериальные 5S рРНК по нуклеотидной последовательности также заметно отличаются от соответствующих рРНК эубактерий и эукариот. Вторичные структуры этих РНК у различных представителей архебактерий проявляют наличие эубактериальных, эукариотных и уникальных черт в разных соотношениях и по своему разнообразию охватывают широкий спектр структур от типично эубактериальной до типично эукариотной.
Количество рибосомальных белков у архебактерий больше, чем у эубактерий, но меньше, чем у эукариот. Получены данные, свидетельствующие об уникальности первичной структуры ряда рибосомальных белков архебактерий. В то же время наиболее интенсивно изучаемый рибосомальный белок А архебактерий по аминокислотной последовательности сходен с соответствующим белком эукариот. На 70S архебактериальной рибосоме отсутствуют места связывания ингибиторов, специфичных для 70S рибосом эубактерий (хлорамфеникол, стрептомицин), но есть места для связывания ингибиторов, специфических в отношении 80S рибосом эукариот.
Для тРНК архебактерий характерно сходство с остальными организмами по общим принципам организации, но значительные различия по многим частным деталям. Это проявляется, например, в специфической модификации ряда нуклеотидов в молекуле архебактериальной тРНК, происходящей после окончания транскрипции. Модификации могут быть уникальными для архебактерий, общими для эубактерий и эукариот, характерными только для эубактерий или только для эукариот. В целом тРНК архебактерий отличается от тРНК эубактерий и эукариот в такой же степени, как последние различаются между собой.
Несмотря на выявленные многочисленные различия в аппаратах транскрипции и трансляции между эубактериями и архебактериями, было показано, что архебактериальная ДНК, перенесенная с помощью плазмиды в клетку эубактерий, может считываться в ней, результатом чего является синтез функционально активных ферментов.
Метаболизм архебактерий. В группе архебактерий известны организмы с хемоорганогетеротрофным, хемолитоавтотрофным, хемолитогетеротрофным и фотогетеротрофным типом питания. Источником углерода для разных представителей могут служить сахара, аминокислоты, органические кислоты, C1-соединения и CO2. У архебактерий, метаболизм которых связан с молекулярной серой, автотрофная фиксация CO2 происходит по восстановительному ЦТК, функционирующему также в группе зеленых серобактерий (см. рис. 76); виды, способные расти на среде с CO2 + H2, фиксируют углекислоту по недавно открытому нециклическому ацетил-КоА-пути, описанному у ацетогенных эубактерий (см. рис. 62). Центральным метаболитом этого пути является ацетил-КоА, который через фосфоенолпируват превращается в 3-ФГА и далее в молекулу фруктозо-6-фосфата. Таким образом, у архебактерий, способных к автотрофии, фиксация CO2 происходит по восстановительному пути карбоновых кислот в различных его модификациях. Ни в одном случае не обнаружено функционирование восстановительного пентозофосфатного цикла. В сравнении с последним и восстановительным ЦТК ацетил-КоА-путь фиксации CO2 более экономичен с точки зрения потребления АТФ, но требует большего количества восстановленных кофакторов71.
Исследование других реакций конструктивного метаболизма архебактерий, как правило, обнаруживает пути, функционирующие у эубактерий. Так, глюконеогенез, начиная с пирувата, идет по тому же механизму, что у эубактерий. Ассимиляция аммония, синтез изопреноидных липидов, нуклеотидов происходит по обычным для эубактерий путям.
Катаболизирование архебактериями Сахаров происходит по путям, свойственным эубактериям: гликолиз, окислительный пентозофосфатный путь, ЦТК и путь Энтнера–Дудорова. Эти катаболические пути найдены не у всех представителей группы. У многих архебактерий, например, отсутствует гликолиз. Таким образом, анаболические и катаболические пути превращения углеродных соединений у архебактерий сходны с эубактериальными путями.
71 Для синтеза 1 молекулы триозы в восстановительном пентозофосфатном цикле требуется 9 молекул АТФ, в восстановительном ЦТК — 5, а в ацетил-КоА-пути — только 3.
Способы получения архебактериями энергии включает бесхлорофилльный фотосинтез, брожение, аэробное и анаэробное дыхание, при котором конечными акцепторами электронов могут быть CO2 и другие C1-соединения, молекулярная сера, NO3 – , Fe3+ и Mo6+. У организмов, получающих энергию с использованием электронного транспорта, в качестве электронпереносящих компонентов обнаружены ферредоксины, хиноны, цитохромы. Электронный транспорт сопряжен с трансмембранным переносом протонов. Механизм окислительного фосфорилирования архебактерий соответствует хемиосмотическому принципу и сходен с аналогичным механизмом эубактерий и митохондрий. В то же время следует подчеркнуть, что архебактериям свойственны типы энергетического метаболизма, не встречающиеся у эубактерий и эукариот. Это бесхлорофилльный фотосинтез и особый тип анаэробного дыхания, в процессе которого происходит образование метана.
Таблица 33. Свойства архебактерий (по Дуде, 1985)
| Признаки, характерные для | Признаки, уникальные для архебактерий | |
| эубактерий | эукариот | |
| Нуклеоид Жгутики Бактериофаги, плазмиды Газовые вакуоли Фимбрии Серное дыхание Типы автотрофной фиксации CO2 Азотфиксация Типы ферредоксинов и цитохромов Один из типов клеточных стенок (псевдомуреин) Система рестрикции-модификации Размер рибосом и рРНК Типы некоторых рибосомальных белков | Повторяющиеся последовательности в хромосомной ДНК Гистоны, связанные с хромосомной ДНК Наличие интронов в генах Процессинг Родопсиновый белок Форма рибосом и строение некоторых рибосомальных белков Чувствительность к некоторым антибиотикам, угнетающим клетки эукариот | Клеточные стенки Особые мембранные липиды Монослой липидов в ЦПМ некоторых видов Субъединичный состав РНК-полимеразы Специфические кофакторы Образование метана Тип фотосинтеза Особенности нуклеотидного состава 5S, 16S рРНК и тРНК Сложный компонентный состав рибосомальных белков Способность некоторых видов расти при температурах выше 100° |
Некоторые свойства архебактерий, уникальные, сближающие их с эубактериями или эукариотами, суммированы в табл. 33. Ряд свойств архебактерий нельзя отнести ни к одной из перечисленных групп. Они у разных подгрупп различны и охватывают диапазон от типично эубактериальных до типично эукариотных. Обращает на себя внимание определенная "эволюционная ограниченность" этой группы прокариот. В ней отсутствуют патогенные, паразитические формы. Способность использовать органические вещества у большинства ограничена простыми низкомолекулярными соединениями, что связывают с неспособностью синтезировать активные гидролитические ферменты. Клеточная организация архебактерий не обнаруживает той степени сложности, которая свойственна грамотрицательным эубактериям. Нет у архебактерий циклов развития, характерных для ряда эубактерий.