Роль белков и липидов в жизнедеятельности водорослей

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 N2 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 N03- у зеленых и синезеленых водорослей, растущих в фотоавтотрофных условиях при норме СО2 в воздухе и достаточном освещении, сопровождается выделением в культуральную среду N02- и NH4+. 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 NH4 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: N03 - N02 - NH2OH - NH4. 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*Н2 и НАДФ*Н2 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 СО2 сопровождается выделением О2. Поглощение клетками NO3 ускоряется при введении СО2. 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 CC2. 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 Н2, который является побочным продуктом ферментного восстановления N2 до NНз. Зависимость выделения Н2 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 С02 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 СО2. 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 NО2-, сопровождается выделением N2О. Образование N2О не связано с фотохимическим превращением NО2- 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. О2 может включаться в регуляцию выделения N2О. Следовательно, водоросли, очевидно, являются основными продуцентами N2О 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