Роль белков и липидов в жизнедеятельности водорослей
Роль белков и липидов в жизнедеятельности водорослей
Белки и липиды
Белки и липиды являются важными структурными, запасными и функциональными элементами клетки.
Азотфиксация и биосинтез аминокислот. Синезеленые водоросли используют в качестве источника азота самые разнообразные соединения — минеральные, органические и даже молекулярный азот для синтеза аммония в аэробных условиях в процессе фотосинтеза при использовании воды в качестве донора электронов. Физиологическая же роль NH4 — включаться в аминокислоты. В настоящее время рассматривается возможность промышленного использования синезеленых водорослей для получения больших доз аммония из N>2> при использовании воды и света. К числу усваиваемых азотсодержащих веществ относятся нитраты, аммонийный азот, гидроксиламин, хотя не все используются в равной степени. Некоторые из них могут даже оказывать ингибирующее воздействие на ростовые процессы. Для всех организмов этой группы самым лучшим источником азота являются нитраты. Утилизация N0>3>- у зеленых и синезеленых водорослей, растущих в фотоавтотрофных условиях при норме СО>2> в воздухе и достаточном освещении, сопровождается выделением в культуральную среду N0>2>- и NH>4>+. Этот процесс в заметной степени стимулируется синим светом, зависит от уровня фотосинтетической радиации и коррелирует с фотоактивацией нитратредуктазы. Усвоение же других источников азота определяется спецификой видов, причем NH>4> из-за его токсичности усваивается слабо.
При азотном голодании у водорослей возникают хлоротические явления: падает количество хлорофилла и фикоцианина. Образование аммония, как правило, у всех растений идет путем восстановления нитратов: N0>3> - N0>2> - NH>2>OH - NH>4>. На утилизацию нитрата не влияют нитрит, аминокислоты и темновые условия. Образовавшийся аммоний не влияет также на диффузионный транспорт и действует как ингибитор только на поглощение нитрата, связанное с переносчиком. Фермент пермеаза, ответственный за транспорт нитрата, обладает разным сродством к субстрату — большим для нитрата на внешней стороне мембраны и большим для нитрата на внутренней ее стороне. Этот фермент возможно состоит из двух ферментов, которые вместе с нитратредуктазой, видимо, составляют нитрат-транспортредуктазную систему.
При азотном голодании в клетках Chlamydomonas независимо от источника азота активность аспарагиназы в 6 раз, глутаминсинтетазы в 1,5—1,8 раз выше, а содержание белка в 2 раза ниже, чем в клетках нормальным азотным питанием. Активность глутаминсинтетазы, НАД*Н>2> и НАДФ*Н>2> выше при нормальном питании, при использовании в качестве источник азота аммония и аспарагина, а на нитратах — ниже. Вместе с тем активность аспарагиназы и глутаматсинтетазы подавляется высокой концентрацией азота независимо от его источника через механизм, ответственный за внутриклеточное исчерпание азота.
Найдено, что процесс образования NH4 в суспензии освещенных водорослей Scenedesmus obtusiuscu-lus в отсутствии СО>2> сопровождается выделением О>2>. Поглощение клетками NO>3> ускоряется при введении СО>2>. Восстановление нитрата тесно связано с нециклическим транспортом электронов в цепи фотосинтеза. Источником энергии для транспорта NO3 из среды в цитоплазму служат триозофосфаты, образованные в цикле Кальвина.
Синезеленые водоросли, обладающие способностью усваивать молекулярный азот, широко распространены, особенно в горячих источниках, пресных и соленых водоемах, реже в морях. Они часто находятся в симбиозе с грибами, образуя лишайники. Азотфиксаторы из числа синезеленых водорослей повсеместно находятся в почвах, где обычно преобладают представители родов Nostos, Anabaena, Cylindrospermum и другие — всего около 40 видов. За один год они связывают в почвах до 10 кг, а в океанах 10—40 кг азота на 1 га. Большое значение имеют синезеленые водоросли в обогащении азотом рисовых плантаций. Выделяемые ими в среду аминокислоты усваиваются корнями риса. При наступающем разрушении клеток водорослей фиксированный азот также поступает в растения. Азотфиксирующая деятельность синезеленых водорослей находится в определенной зависимости от внесения азотных удобрений. При внесении под рис 60 кг/га азота водоросли фиксируют не более 10 кг/га. При высоких дозах азотных удобрений (90—120 кг/га) роль водорослей как азотонакопителей сводится на нет. В условиях неполивного земледелия внесение небольших доз минерального азота (45—60 кг/га) увеличивает степень развития водорослей и накопление ими азота. Дозы 150 кг/га и более тормозят процесс азотфиксации. Еще более высокие дозы (200 кг/га) подавляют рост и способность водорослей усваивать молекулярный азот. Таким об--разом, минеральные удобрения подавляют азотфиксацию сильнее в условиях орошения, чем на богарных полях.
Некоторые синезеленые водоросли (из родов Microcystis и Anabaena), вызывающие «цветение» воды, образуют поверхностную пленку в определенных озерах. Высказывается гипотеза, что пленка служит для улавливания и удержания в замкнутых капсулах значительного количества атмосферного азота, что способствует удержанию его поверхностью воды. В водоемах, где содержание этого органогенного элемента сильно лимитировано, образование пленки помогает названным водорослям выжить в таких неблагоприятных экологических условиях.
Так, у водоросли Hapalosiphon confervaceus, выделенной из почв рисовых полей, количество внеклеточного азота на 40-й день культивирования на безазотистой среде составляло 4,65 мг/100 г среды при 22,8 мг сухого вещества, т. е. данная водоросль является сильным азотфиксатором и может использоваться в сельском хозяйстве.
Фиксация молекулярного азота на свету идет интенсивнее, чем в темноте, причем с увеличением интенсивности освещения возрастает и усвоение молекулярного азота. Показательно, что верхний порог силы света для фиксации молекулярного азота лежит выше, чем для ускорения роста. Оптимальная температура для азотфиксации находится в пределах 40 °С, т. е. выше оптимума роста. Процесс азотфиксации протекает при наличии ряда микроэлементов, особенно кобальта, молибдена, железа, меди.
У культуры Westiellopsis prolifica с возрастом возрастало общее количество фиксированного азота. За 42 дня водоросль фиксировала 12,67 мг азота. Количество внутриклеточного азота значительно больше, чем внеклеточного. Содержание последнего возрастало до 14-дневного возраста культуры, а затем непрерывно уменьшалось. Полагают, что это является следствием реутилизации экскретированного азота клетками водорослей.
Синезеленые водоросли содержат гетероцисты — специальные нефотосинтезирующие анаэробные клетки, отличающиеся по морфологии и ультраструктуре не выделяющие кислород и не усваивающие CC>2.> Такая структурная организация служит для изоляции азотфиксирующей системы от кислорода, выделяющегося в процессе фотосинтеза.
Фиксация азота в гетероцистах осуществляется Fe+2- и Мо-содержащим ферментом нитрогеназой в несколько раз активнее, чем в вегетативных клетках, куда этот элемент поступает из гетероцист, которые, в свою очередь, получают из вегетативных клеток мальтозу, аланин, серии. Установлено, что в гетероцистах в аэробных условиях на свету и в темноте происходит образование АТФ.
Облигатно-фототрофные синезеленые водоросли основную часть азота связывают в условиях освещения. При освещении они выделяют газообразный Н>2>, который является побочным продуктом ферментного восстановления N>2> до NНз. Зависимость выделения Н>2> от действия света определяется тем, что на свету повышается содержание восстановленных продуктов, АТФ и других высокоэнергетических интермедиатов. Способность к фиксации азота в темноте сохраняют только виды, приспособленные к росту в гетеротрофных условиях (Nostos muscorum, Chlorogloea fritschii, Anabaena variabilis). Лучшим субстратом для них являются глюкоза, фруктоза, сахароза.
Синезеленая водоросль Chlorogloeopsis fritschii, растущая гетеротрофно в темноте, фиксирует азот, используя в качестве источника энергии для темновой азотфиксации дыхание, связанное с поглощением кислорода. При переносе на свет гетеротрофной культуры поглощение кислорода в течение 30—40 мин заменяется его выделением, в то время как активность нитрогеназы достигает максимального светового уровня только через 20—24 ч освещения и зависит от интенсивности света и добавления сахарозы. Таким образом, фотосинтез начинается сразу после освещения темновой культуры, тогда как включение и перестройка системы фиксации азота требуют значительного времени. Предполагается, что начальное световое увеличение нитрогеназной активности связано с функционированием ФС-І и зависит от присутствия запасных веществ, тогда как дальнейшее возрастание активности нитрогеназы на свету обусловлено поступлением продуктов ассимиляции углекислоты из вегетативных клеток в гетероцисты и требует участия двух систем. Первичными продуктами фиксации азота являются глутамин и глутамат.
Глутомат синтеза у А. cylindrica локализована в основном в вегетативных клетках, а глутаминосинтетаза — в клетках и гетероцистах. Эти данные, а также опыты с мечеными аммонием и глутамином дают основание полагать, что именно глутамин, а возможно, и аммоний являются переносчиками вновь фиксированного азота из гетероцист в вегетативные клетки. Глутамат переносится из вегетативных клеток в гетероцисты и превращается в аланин, аспарагиновую кислоту, серии.
Другим путем поглощения аммония (например, у Nostos sp.) является орнитиновый цикл, где С0>2> включается прежде всего в цитруллин, который затем превращается в аспарагин.
Добавление аммония в среду с зеленой водорослью Botryococcus braunii, являющейся продуцентом терпеноидов и жирных кислот, приводит почти к полному ингибированию синтеза терпеноидов и других нерастворимых метаболитов. Вместе с тем в этих условиях наблюдается значительная стимуляция синтеза аланина, глутамина и других аминоксилот, особенно аминолевулиновой кислоты. При добавлении аммония к клеткам, находящимся в темноте, наступает усиленное включение меченого углерода в соединения, образуемые при карбоксилировании фосфоенолпирувата, такие, как глутамин, глутамат и малат. Полученные данные рассматриваются как указание на то, что в присутствии аммония ацетил-КoA — ключевой метаболит, используемый в синтезе углеводородов, перестает включаться в последовательность реакций, приводящих к образованию терпеноидов.
На примере безгетероцистного неазотфиксирующего мутанта Nostoc muscorum изучена способность к использованию а-изомеров 21 аминокислоты в качестве источников азота и углерода при блокировании фотосинтетической ассимиляции СО>2>. Глутамат, аланин, тирозин и цистеин — токсичны; глутамин, гистидин, аспарагин, триптофан и серии используются в качестве источников азота, аланин, пролин и фенилаланин — в качестве источника углерода, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, валин, цитруллин — в качестве источников углерода и азота; аспартат, треонин и глицин не служат ни источником углерода, ни азота.
Следует отметить, что накопление белка и незаменимых кислот в определенной степени связано с влиянием источника освещения. В опытах при облучении Chlorella vulgaris синим светом 2400 лк содержание белка повышается на 21—30 %. Высшие водоросли при красном свете содержат белка на 15 % меньше, чем при флуоресцентном. Качественный состав аминокислот также зависит от спектрального состава света. При выращивании этой водоросли на флуоресцентном свету в белках наблюдается больше лизина и аргинина. Указанное свойство белков используют для получения биомассы водорослей. В этой связи следует назвать съедобную синезеленую нитчатую водоросль Spirulina maxima, содержащую большое количество протеина, включающего метионин, триптофан и другие аминокислоты в концентрациях, равных содержащимся в казеине молока. Названная водоросль образует 50 т сухой массы в год на 1 га, содержащей 35 % сырого протеина, т. е. в 10 раз больше, чем образует его соя. Водоросль легко переваривается, так как в ее клеточных стенках отсутствует целлюлоза.
Биосинтез аминокислоты лизина у грибов, как отмечалось, осуществляется двумя путями. Эти же пути характерны и для водорослей в зависимости от степени их эволюционного развития; через диаминопимелиновую кислоту, как у синезеленых водорослей, или через аминоадипириновую кислоту, как у эвгленовых водорослей. Определены также биосинтетические семейства аминокислот — их предшественники, аминокислоты из которых синтезируют другие аминокислоты. Выявлено, что рост стерильных культур зеленых водорослей Chlorella, Scenedesmus, Coelastrum и Chlorococcum в среде, содержащей NО>2>-, сопровождается выделением N>2>О. Образование N>2>О не связано с фотохимическим превращением NО>2>- и наблюдается только в интактных клетках водорослей. Процесс этот не ингибируется диуроном, а в случае двух представителей семейства Chlarophyceae он стимулируется в присутствии глюкозы, особенно в темноте, т. е. О>2> может включаться в регуляцию выделения N>2>О. Следовательно, водоросли, очевидно, являются основными продуцентами N>2>О в водных экосистемах.
Липиды
Особый интерес представляют липиды синезеленых водорослей. В формировании фотосистемы, ответственной за выделение кислорода, значительную, хотя еще не выясненную роль играют полиненасыщенные жирные кислоты, особенно L-линолевая. Однако некоторые виды синезеленых водорослей, осуществляющие фотосинтез с выделением кислорода, не синтезируют полиненасыщенные жирные кислоты. Это наиболее простые представители Cyanophyta, не способные фиксировать азот и расти гетеротрофно. Преобладающими в их жирнокислотном спектре являются насыщенная пальмитиновая кислота и в несколько меньшем Количестве моноеновые — пальмитолеиновая и олеиновая. В липидах синезеленых водорослей, как и во всех фотосинтезирующих организмах, определены галактолипиды — моногалактозилдиглицериды, дигалактозилдиглицериды, а также сульфохиновазилдиглицериды. Фосфолипиды представлены одним компонентом — фосфатдиглицеридом, который также содержится в зеленых водорослях и хлоропластах высших растений.
Исследованиями Г. С. Калачева и И. Н. Трубачева установлено, что в клетках термофильной синезеленой водоросли Synechococcus elongatus содержание липи-дов колеблется от 10,5 до 14,4 % на сухое вещество в зависимости от способа выращивания. В условиях непрерывного культивирования водоросль синтезирует несколько больше липидов, чем в условиях периодического. Качественный состав при этом изменяется незначительно: омыляемые компоненты составляют 43,4—44,4 % общих липидов, неомыляемые — 6,2— 9,5, а гидрофильные — 47,7—49,1 %. Липиды этой водоросли представлены в основном полярными компонентами, составляющими 57—59 % общих липидов.
Во фракции нейтральных липидов содержатся свободные жирные кислоты, триглицериды, стерины и их эфиры. Основными жирными кислотами являются пальмитиновая (50%), пальмитолеиновая (6,4— 14,8 %), олеиновая (25,4—29,7 %). Ненасыщенные кислоты у S. elongatus представлены только олеиновой кислотой. У пресноводных диатомовых водорослей Stephanodiscus hantzschii и Melosira varians основными жирными кислотами являются пальмитиновая, пентакозеновая, причем насыщенные жирные кислоты представлены в меньшем количестве, чем ненасыщенные. У морских водорослей Cystoseira harbata и Fucus virsoides на долю пальмитиновой приходится 70 % всех жирных кислот.
У морской одноклеточной водоросли Porphyridium cruentum, как показали М. И. Юрьева и А. А. Темных, наибольшая концентрация липидов (14,7 % сухой массы клеток) и жирных кислот (4,49 % сухой массы клеток) имеет место при освещенности 50 лк. Освещенность 25 лк лимитировала, а 150 лк ингибировала процессы накопления общих липидов и суммарных жирных кислот. С увеличением интенсивности света происходило повышение степени ненасыщенности жирных кислот. При всех исследованных световых режимах в составе жирных кислот преобладают пальмитиновая, арахидоновая и линолевая. Наиболее резкие изменения отмечены в содержании екозапентаеновой, экозатриеновой и октадекатетраеновой кислот.
Освещение оказывает влияние на липидный обмен хлоропластов. При снижении освещения адаптация клеток хлореллы осуществляется в два этапа. На первом прекращается накопление характерного для липидов хлоропласта жирных кислот: транс-3-гексадекатриеновой и триеновых (линалевой и гексадекатриеновой), а на втором скорость накопления триеновых и особенно диеновых кислот резко возрастает, превышая исходный уровень. Одновременно повышается содержание хлорофилла и формируется хлоропласт с липидным составом, характерным для клеток хлореллы при пониженной освещенности.
Светоокисление свободных жирных кислот приводит к увеличению их токсичности. О. А. Сидоровой и И. В. Максимовой показано, что свободные жирные кислоты являются предшественниками антибактериальных веществ у зеленой хлорококковой водоросли. Методом биоавтографии выявлено, что положение хроматограмм липидного экстракта клеток на твердые среды, засеянные Staphylococcus aureus, вызывает зоны подавления роста бактерий вокруг пятен, содержавших свободные жирные кислоты. В опытах с липидным экстрактом среды на свету также выявлены зоны подавления роста бактерий. Однако, как правило, они образовывались не только вокруг пятна, содержащего свободные жирные кислоты, но и, несколько сужаясь, охватывали область с более низким Rf.
На содержание жирных кислот у водорослей оказывают влияние условия культивирования. Так, при автотрофном и гетеротрофном выращивании зеленых водорослей возрастает в первом случае содержание линоленовой кислоты, сопровождаемое соответствующим уменьшением линолевой и олеиновой.
Показательно, что длительное затемнение вызывает у антарктических водорослей включение радиоактивного углерода в лилидную фракцию, а у водорослей умеренных широт углерод ассимилируется фракцией низкомолекулярных соединений. Влияние длительного темнового периода на процесс включения углерода в липидную фракцию возрастает, если водоросли культивировать при слабом свете, однако низкая температура замедляет этот процесс.
Минеральное питание
Неорганические питательные вещества поглощаются водорослями активным и пассивным путями в форме ионов, содержащихся в водных растениях. Активное поглощение существует только для ионов питательных веществ, а остальные ионы проникают в клетку пассивно, в соответствии с градиентом их концентрации и проницаемостью плазмалеммы. Поэтому способность к избирательному поглощению ионов весьма ограничена. Один отдельно взятый ион не поглощается, так как при поглощении катионов возникает разница электрических потенциалов, вызывающая одновременно поглощение анионов и выход других анионов; то же относится и к поглощению катионов. Неметаболическое (пассивное) поглощение (адсорбция) не снижается под действием температур или ингибиторов дыхания и является неизбирательным. В основе его находится процесс диффузии.
Исследования клеток пяти видов харовых водорослей, проведенные Э. Б. Мютеюнене и Л. Н. Воробьевым, показали, что клетки могут находиться в двух состояниях: высокоэнергетическом, когда в создание мембранных потенциалов свой вклад вносит электрогенный насос, и в состоянии пассивной проницаемости. Работа электрогенного насоса хорошо заметна у клеток Nitellopsis ohtusa, поэтому они являются наиболее удобным объектом для изучения влияния факторов среды на энергообеспечение растительных клеток и состояние транспортных АТ Фаз. Клетки N. obtusa после обработки высокими концентрациями хлоридов К и Na или в неблагоприятных условиях внешней среды переходят в состояние пассивной проницаемости.
Литература
1.Водоросли, лишайника и мохообразные СССР/Л. В. Гарибова, Ю. К. Дундин, Т. Ф. Коптяева и др. — М., 1978
2. Курс низших растений / Под ред. М. В. Горленко. — М., 2001
3. Биохимия/Н. Е. Кучеренко, Ю. Д. Бабенюк, А. Н. Васильев и др. - К., 1988
4. Полевой В. В. Физиология растений. — М., 1989