Роль білків і ліпідів у життєдіяльності водоростей
Білки і ліпіди
Білки і ліпіди є важливими структурними, запасними та функціональними елементами клітини.
Фіксація азоту та біосинтез амінокислот. Синьо-зелені водорості використовують як джерело азоту найрізноманітніші сполуки - мінеральні, органічні і навіть молекулярний азот для синтезу амонію в аеробних умовах в процесі фотосинтезу при використанні води в якості донора електронів. 4 — включаться в аминокислоты.
Фізіологічна ж роль NH 4 - включатися в амінокислоти. В даний час розглядається можливість промислового використання синьозелених водоростей для отримання великих доз амонію з N 2 при використанні води і світла. До числа засвоюваних азотовмісних речовин відносяться нітрати, амонійний азот, гідроксиламін, хоча не всі використовують однаково. Деякі з них можуть навіть надавати інгібуючий вплив на ростові процеси. Для всіх організмів цієї групи найкращим джерелом азоту є нітрати. 0 3 - у зеленых и синезеленых водорослей, растущих в фотоавтотрофных условиях при норме СО 2 в воздухе и достаточном освещении, сопровождается выделением в культуральную среду N 0 2 - и NH 4 +. Утилізація N 0 3 - у зелених і синьозелених водоростей, що ростуть в фотоавтотрофної умовах при нормі СО 2 в повітрі і достатньому освітленні, супроводжується виділенням у культуральне середовище N 0 2 - і NH 4 +. Цей процес в помітному ступені стимулюється синім світлом, залежить від рівня фотосинтетичної радіації і корелює з фотоактивації нітратредуктази. 4 из-за его токсичности усваивается слабо. Засвоєння ж інших джерел азоту визначається специфікою видів, причому NH 4 з-за його токсичності засвоюється слабо.При азотному голодуванні у водоростей виникають хлоротіческіе явища: падає кількість хлорофілу і фікоціаніну. 0 3 - N 0 2 - NH 2 OH - NH 4 .
Освіта амонію, як правило, у всіх рослин йде шляхом відновлення нітратів: N 0 3 - N 0 2 - NH 2 OH - NH 4. На утилізацію нітрату не впливають нітрит, амінокислоти і темнова умови. Утворився амоній не впливає також на дифузійний транспорт і діє як інгібітор тільки на поглинання нітрату, пов'язане з переносником. Фермент пермеаз, відповідальний за транспорт нітрату, володіє різним спорідненістю до субстрату - великим для нітрату на зовнішній стороні мембрани і великим для нітрату на внутрішній її стороні. Цей фермент можливо складається з двох ферментів, які разом з нітратредуктази, мабуть, складають нітрат-транспортредуктазную систему.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.
При азотному голодуванні в клітинах Chlamydomonas незалежно від джерела азоту активність аспарагінази в 6 разів, глутамінсінтетази в 1,5-1,8 разів вище, а вміст білка в 2 рази нижче, ніж у клітинах нормальним азотним живленням. Активність глутамінсінтетази, НАД * Н 2 і НАДФ * Н 2 вище при нормальному харчуванні, при використанні як джерело азоту амонію і аспарагіну, а на нітратах - нижче. за внутриклеточное исчерпание азота. Разом з тим активність аспарагінази і глутаматсінтетази пригнічується високою концентрацією азоту незалежно від його джерела через механізм, відповідальні й за внутрішньоклітинний вичерпання азоту.4 в суспензии освещенных водорослей Scenedesmus obtusiuscu - lus в отсутствии СО 2 сопровождается выделением О 2 .
Знайдено, що процес утворення NH 4 в суспензії освітлених водоростей Scenedesmus obtusiuscu - lus у відсутності СО 2 супроводжується виділенням О 2. 3 ускоряется при введении СО 2 . Поглинання клітинами NO 3 прискорюється при введенні СО 2. Відновлення нітрату тісно пов'язане з нециклічними транспортом електронів у ланцюзі фотосинтезу. 3 из среды в цитоплазму служат триозофосфаты, образованные в цикле Кальвина. Джерелом енергії для транспорту NO 3 з середовища в цитоплазму служать тріозофосфати, утворені в циклі Кальвіна.Синьо-зелених водоростей, що мають здатність засвоювати молекулярний азот, широко поширені, особливо в гарячих джерелах, прісних і солоних водоймах, рідше в морях. Вони часто перебувають у симбіозі з грибами, утворюючи лишайники. , Anabaena , Cylindrospermum и другие — всего около 40 видов.
Азотфіксаторів з числа синьозелених водоростей повсюдно знаходяться в грунтах, де зазвичай переважають представники родів Nostos, Anabaena, Cylindrospermum та інші - всього близько 40 видів. За один рік вони зв'язують у грунтах до 10 кг, а в океанах 10-40 кг азоту на 1 га. Велике значення мають синьо-зелених водоростей у збагаченні азотом рисових плантацій. Виділяються ними в середу амінокислоти засвоюються корінням рису. При наступному руйнуванні клітин водоростей фіксований азот також надходить в рослини. Азотфіксуючих діяльність синьозелених водоростей знаходиться в певній залежності від внесення азотних добрив. При внесенні під рис 60 кг / га азоту водорості фіксують не більше 10 кг / га. При високих дозах азотних добрив (90-120 кг / га) роль водоростей як азотонакопітелей зводиться нанівець. В умовах неполивного землеробства внесення невеликих доз мінерального азоту (45-60 кг / га) збільшує ступінь розвитку водоростей і накопичення ними азоту. Дози 150 кг / га і більше гальмують процес азотфіксації. Ще більш високі дози (200 кг / га) пригнічують зростання і здатність водоростей засвоювати молекулярний азот. Таким про - разом, мінеральні добрива пригнічують азотфіксації сильніше в умовах зрошення, ніж на богарних полях.и Anabaena ), вызывающие «цветение» воды, образуют поверхностную пленку в определенных озерах.
Деякі синьозелені водорості (з родів Microcystis і Anabaena), що викликають «цвітіння» води, утворюють поверхневу плівку в певних озерах. Висловлюється гіпотеза, що плівка служить для уловлювання та утримання в замкнутих капсулах значної кількості атмосферного азоту, що сприяє утриманню його поверхнею води. У водоймах, де вміст цього органогенного елемента сильно лімітовано, освіта плівки допомагає названим водоростям вижити в таких несприятливих екологічних умовах., 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.
Так, у водорості Hapalosiphon confervaceus, виділеної з грунтів рисових полів, кількість позаклітинного азоту на 40-й день культивування на безазотистих середовищі становило 4,65 мг/100 г середовища при 22,8 мг сухої речовини, тобто дана водорість є сильним азотфиксаторов і може використовуватися в сільському господарстві.Фіксація молекулярного азоту на світлі йде інтенсивніше, ніж у темряві, причому зі збільшенням інтенсивності освітлення зростає і засвоєння молекулярного азоту. Показово, що верхній поріг сили світла для фіксації молекулярного азоту лежить вище, ніж для прискорення зростання. Оптимальна температура для азотфіксації перебуває в межах 40 ° С, тобто вище оптимуму зростання. Процес азотфіксації протікає при наявності ряду мікроелементів, особливо кобальту, молібдену, заліза, міді.
с возрастом возрастало общее количество фиксированного азота.
У культури Westiellopsis prolifica з віком зростала загальна кількість фіксованого азоту. За 42 дні водорість фіксувала 12,67 мг азоту. Кількість внутрішньоклітинного азоту значно більше, ніж позаклітинного. Зміст останнього зростала до 14-денного віку культури, а потім безперервно зменшувалася. Вважають, що це є наслідком реутилізації екскретованим азоту клітинами водоростей.2. Такая структурная организация служит для изоляции азотфиксирующей системы от кислорода, выделяющегося в процессе фотосинтеза.
Синьо-зелені водорості містять Гетероцисти - спеціальні нефотосінтезірующіе анаеробні клітини, що відрізняються за морфологією і ультраструктури не виділяють кисень і не засвоюють CC 2. Така структурна організація служить для ізоляції азотфиксирующей системи від кисню, що виділяється в процесі фотосинтезу.+ 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.
Фіксація азоту в гетероцистах здійснюється Fe + 2 - і Мо-містить ферментом нітрогеназой в кілька разів активніше, ніж у вегетативних клітинах, куди цей елемент надходить з гетероцистах, які, у свою чергу, отримують з вегетативних клітин мальтозу, аланін, серії. Встановлено, що в гетероцистах в аеробних умовах на світлі й у темряві відбувається утворення АТФ.Облігатно-фототрофні синьозелені водорості основну частину азоту зв'язують в умовах освітлення. 2 до NНз.
При висвітленні вони виділяють газоподібний Н 2, який є побічним продуктом ферментного відновлення N 2 до NНз. Залежність виділення Н 2 від дії світла визначається тим, що на світлі підвищується вміст відновлених продуктів, АТФ та інших високоенергетичних інтермедіатів. , Chlorogloea fritschii , Anabaena variabilis ). Здатність до фіксації азоту в темряві зберігають лише види, пристосовані до росту в гетеротрофних умовах (Nostos muscorum, Chlorogloea fritschii, Anabaena variabilis). Кращим субстратом для них є глюкоза, фруктоза, сахароза., растущая гетеротрофно в темноте, фиксирует азот, используя в качестве источника энергии для темновой азотфиксации дыхание, связанное с поглощением кислорода.
Синьо-зелених водоростей Chlorogloeopsis fritschii, зростаюча гетеротрофно в темряві, фіксує азот, використовуючи як джерело енергії для темнової азотфіксації дихання, пов'язане з поглинанням кисню. При перенесенні на світ гетеротрофною культури поглинання кисню протягом 30-40 хв замінюється його виділенням, в той час як активність нітрогенази досягає максимального світового рівня тільки через 20-24 год освітлення і залежить від інтенсивності світла і додавання сахарози. Таким чином, фотосинтез починається відразу після висвітлення темнової культури, тоді як включення і перебудова системи фіксації азоту вимагають значного часу. 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. Передбачається, що початкова світлове збільшення нітрогеназной активності пов'язана з функціонуванням ФС-І і залежить від присутності запасних речовин, тоді як подальше зростання активності нітрогенази на світлі обумовлено надходженням продуктів асиміляції вуглекислоти з вегетативних клітин в Гетероцисти і вимагає участі двох систем. Первинними продуктами фіксації азоту є глутамін і глутамат.локализована в основном в вегетативных клетках, а глутаминосинтетаза — в клетках и гетероцистах.
Глутомат синтезу у А. cylindrica локалізована в основному у вегетативних клітинах, а глутаміносінтетаза - в клітинах і гетероцистах. Ці дані, а також досліди з міченими амонієм амінокіслот дають підставу вважати, що саме глутамін, а можливо, і амоній є переносниками знову фіксованого азоту з гетероцистах у вегетативні клітини. Глутамат переноситься з вегетативних клітин в Гетероцисти і перетворюється на аланін, аспарагінову кислоту, серії..) является орнитиновый цикл, где С0 2 включается прежде всего в цитруллин, который затем превращается в аспарагин.
Іншим шляхом поглинання амонію (наприклад, у Nostos sp.) Є орнітіновий цикл, де С0 2 включається перш за все в цитрулін, який потім перетворюється на аспарагін., являющейся продуцентом терпеноидов и жирных кислот, приводит почти к полному ингибированию синтеза терпеноидов и других нерастворимых метаболитов.
Додавання амонію в середу із зеленою водорістю Botryococcus braunii, що є продуцентом терпеноидов і жирних кислот, приводить майже до повного інгібування синтезу терпеноидов та інших нерозчинних метаболітів. Разом з тим у цих умовах спостерігається значна стимуляція синтезу аланіну, глутаміну та інших аминоксилот, особливо амінолевуліновой кислоти. При додаванні амонію до клітин, що знаходяться в темряві, настає посилене включення міченого вуглецю в з'єднання, що утворюються при карбоксилювання фосфоенолпіруват, такі, як глутамін, глутамат і малат. — ключевой метаболит, используемый в синтезе углеводородов, перестает включаться в последовательность реакций, приводящих к образованию терпеноидов. Отримані дані розглядаються як вказівку на те, що в присутності амонію ацетил-К oA - ключовий метаболіт, який використовується в синтезі вуглеводнів, перестає включатися в послідовність реакцій, що призводять до утворення терпеноїдів.изучена способность к использованию а-изомеров 21 аминокислоты в качестве источников азота и углерода при блокировании фотосинтетической ассимиляции СО 2 .
На прикладі безгетероцістного неазотфіксірующего мутанта Nostoc muscorum вивчена здатність до використання а-ізомерів 21 амінокислоти в якості джерел азоту та вуглецю при блокуванні фотосинтетичної асиміляції СО 2. Глутамат, аланін, тирозин і цистеїн - токсичні; глутамін, гістидин, аспарагін, триптофан і серії використовуються в якості джерел азоту, аланін, пролін і фенілаланін - як джерело вуглецю, лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, валін, цитрулін - в якості джерел вуглецю та азоту; аспартат, треонін і гліцин не служать ні джерелом вуглецю, ні азоту.Слід зазначити, що накопичення білка і незамінних кислот в певній мірі пов'язано з впливом джерела освітлення. синим светом 2400 лк содержание белка повышается на 21—30 %.
У дослідах при опроміненні Chlorella vulgaris синім світлом 2400 лк вміст білка підвищується на 21-30%. Вищі водорості при червоному світлі містять білка на 15% менше, ніж при флуоресцентному. Якісний склад амінокислот також залежить від спектрального складу світла. При вирощуванні цієї водорості на флуоресцентному світла в білках спостерігається більше лізину і аргініну. Вказана властивість білків використовують для одержання біомаси водоростей. , содержащую большое количество протеина, включающего метионин, триптофан и другие аминокислоты в концентрациях, равных содержащимся в казеине молока. У зв'язку з цим слід назвати їстівну синьозелених нитчасту водорість Spirulina maxima, що містить велику кількість протеїну, що включає метіонін, триптофан і інші амінокислоти в концентраціях, рівних містяться в казеїну молока. Названа водорість утворює 50 т сухої маси на рік на 1 га, яка містить 35% сирого протеїну, тобто в 10 разів більше, ніж утворює його соя. Водорість легко перетравлюється, тому що в її клітинних стінках відсутня целюлоза.Біосинтез амінокислоти лізину у грибів, як зазначалося, здійснюється двома шляхами. Ці ж шляху характерні і для водоростей в залежності від ступеня їх еволюційного розвитку; через діамінопімеліновую кислоту, як у синьозелених водоростей, або через аміноадіпіріновую кислоту, як у евгленовие водоростей. Визначено також біосинтетичні сімейства амінокислот - їх попередники, амінокислоти з яких синтезують інші амінокислоти. , Scenedesmus , Coelastrum и Chlorococcum в среде, содержащей N О 2 -, сопровождается выделением N 2 О.
Виявлено, що зростання стерильних культур зелених водоростей Chlorella, Scenedesmus, Coelastrum і Chlorococcum в середовищі, що містить N О 2 -, супроводжується виділенням N 2 О. 2 О не связано с фотохимическим превращением N О 2 - и наблюдается только в интактных клетках водорослей. Освіта N 2 Про не пов'язано з фотохімічним перетворенням N О 2 - і спостерігається тільки в інтактних клітинах водоростей. он стимулируется в присутствии глюкозы, особенно в темноте, т. е. О 2 может включаться в регуляцию выделения N 2 О. Процес цей не інгібується діуроном, а в разі двох представників сімейства Chlarophyceae він стимулюється в присутності глюкози, особливо в темряві, тобто О 2 може включатися в регуляцію виділення N 2 О. 2 О в водных экосистемах. Отже, водорості, очевидно, є основними продуцентами N 2 О в водних екосистемах.Ліпіди
Особливий інтерес представляють ліпіди синьозелених водоростей. -линолевая.
У формуванні фотосистеми, відповідальної за виділення кисню, значну, хоча ще не з'ясовані роль відіграють поліненасичені жирні кислоти, особливо L-лінолева. Однак деякі види синьо-зелених водоростей, які здійснюють фотосинтез з виділенням кисню, не синтезують поліненасичені жирні кислоти. , 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. Це найбільш прості представники Cyanophyta, не здатні фіксувати азот і рости гетеротрофно. Переважаючими в їх жирнокислотного спектру є насичена пальмітинова кислота і в дещо меншому Кількості моноеновие - пальмітолеіновая і оленів. У ліпідах синьозелених водоростей, як і у всіх фотосинтезуючих організмах, визначені галактоліпідів - моногалактозілдігліцеріди, дігалактозілдігліцеріди, а також сульфохиновазилдиглицериды. высших растений. Фосфоліпіди представлені одним компонентом - фосфатдігліцерідом, який також міститься в зелених водоростях і хлоропластах вищих рослин.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.
Дослідженнями Г. С. Калачова та І. М. Трубачова встановлено, що в клітинах термофільною синьо-зелених водоростей Synechococcus elongatus зміст липи-дов коливається від 10,5 до 14,4% на суху речовину в залежності від способу вирощування. В умовах безперервного культивування водорість синтезує дещо більше ліпідів, ніж в умовах періодичного. Якісний склад при цьому змінюється незначно: омилюваного компоненти складають 43,4-44,4% загальних ліпідів, неомильних - 6,2 - 9,5, а гідрофільні - 47,7-49,1%. Ліпіди цієї водорості представлені в основному полярними компонентами, складовими 57-59% загальних ліпідів.У фракції нейтральних ліпідів є вільні жирні кислоти, тригліцериди, стерини та їх ефіри. Основними жирними кислотами є пальмітинова (50%), пальмітолеіновая (6,4 - 14,8%), олеїнова (25,4-29,7%). . elongatus представлены только олеиновой кислотой.
Ненасичені кислоти у S. Elongatus представлені тільки олеїнової кислотою. и Melosira varians основными жирными кислотами являются пальмитиновая, пентакозеновая, причем насыщенные жирные кислоты представлены в меньшем количестве, чем ненасыщенные. У прісноводних діатомових водоростей Stephanodiscus hantzschii і Melosira varians основними жирними кислотами є пальмітинова, пентакозеновая, причому насичені жирні кислоти представлені в меншій кількості, ніж ненасичені. и Fucus virsoides на долю пальмитиновой приходится 70 % всех жирных кислот. У морських водоростей Cystoseira harbata і Fucus virsoides на частку пальмітинової припадає 70% всіх жирних кислот., 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.
У морської одноклітинної водорості Porphyridium cruentum, як показали М. І. Юр 'єва і А. А. Темних, найбільша концентрація ліпідів (14,7% сухої маси клітин) і жирних кислот (4,49% сухої маси клітин) має місце при освітленості 50 лк. Освітленість 25 лк лімітована, а 150 лк ингибировал процеси накопичення загальних ліпідів і сумарних жирних кислот. Зі збільшенням інтенсивності світла відбувалося підвищення ступеня ненасиченості жирних кислот. При всіх досліджених світлових режимах у складі жирних кислот переважають пальмітинова, арахідонова і лінолева. Найбільш різкі зміни відзначені у вмісті екозапентаеновой, екозатріеновой і октадекатетраеновой кислот.Освітлення впливає на ліпідний обмін хлоропластів. При зниженні освітлення адаптація клітин хлорели здійснюється у два етапи. На першому припиняється накопичення характерного для ліпідів хлоропласта жирних кислот: транс-3-гексадекатріеновой і тріенових (ліналевой і гексадекатріеновой), а на другому швидкість накопичення тріенових і особливо дієнових кислот різко зростає, перевищуючи початковий рівень. Одночасно підвищується вміст хлорофілу і формується хлоропласт з ліпідним складом, характерним для клітин хлорели при зниженій освітленості.
Светоокісленіе вільних жирних кислот призводить до збільшення їх токсичності. О. А. Сидорової та І. В. Максимової показано, що вільні жирні кислоти є попередниками антибактеріальних речовин у зеленій хлорококковой водорості. , вызывает зоны подавления роста бактерий вокруг пятен, содержавших свободные жирные кислоты.
Методом біоавтографіі виявлено, що положення хроматограм ліпідного екстракту клітин на тверді середовища, засіяні Staphylococcus aureus, викликає зони пригнічення росту бактерій навколо плям, що містили вільні жирні кислоти. У дослідах з ліпідним екстрактом середовища на світлі також виявлені зони пригнічення росту бактерій. . Однак, як правило, вони утворювалися не тільки навколо плями, що містить вільні жирні кислоти, а й, кілька звужуючись, охоплювали територію з більш низьким Rf.На вміст жирних кислот у водоростей впливають умови культивування. Так, при автотрофні й гетеротрофні вирощуванні зелених водоростей зростає в першому випадку вміст ліноленової кислоти, супроводжуване відповідним зменшенням лінолевої і олеїнової.
Показово, що тривалий затемнення викликає у антарктичних водоростей включення радіоактивного вуглецю в лілідную фракцію, а у водоростей помірних широт вуглець асимілюється фракцією низькомолекулярних сполук. Вплив тривалого темнового періоду на процес включення вуглецю в ліпідну фракцію зростає, якщо водорості культивувати при слабкому світлі, однак низька температура уповільнює цей процес.
Мінеральне живлення
Неорганічні поживні речовини поглинаються водоростями активним і пасивним шляхами у формі іонів, що містяться у водних рослинах. Активне поглинання існує тільки для іонів поживних речовин, а інші іони проникають у клітину пасивно, відповідно до градієнтом їх концентрації та проникністю плазмалеми. Тому здатність до виборчого поглинанню іонів дуже обмежена. Один окремо взятий іон не поглинається, тому що при поглинанні катіонів виникає різниця електричних потенціалів, що викликає одночасно поглинання аніонів і вихід інших аніонів; те ж стосується і до поглинання катіонів. Неметаболіческое (пасивне) поглинання (адсорбція) не знижується під дією температур або інгібіторів дихання і є невиборчих. В основі його знаходиться процес дифузії.
Дослідження клітин п'яти видів харових водоростей, проведені Е. Б. Мютеюнене і Л. М. Воробйовим, показали, що клітини можуть знаходитися в двох станах: високоенергетичному, коли у створення мембранних потенціалів свій внесок вносить електрогенний насос, і в стані пасивної проникності. , поэтому они являются наиболее удобным объектом для изучения влияния факторов среды на энергообеспечение растительных клеток и состояние транспортных АТ Фаз.
Робота електрогенного насоса добре помітна у клітин Nitellopsis ohtusa, тому вони є найбільш зручним об'єктом для вивчення впливу факторів середовища на енергозабезпечення рослинних клітин і стан транспортних АТ Фаз. после обработки высокими концентрациями хлоридов К и Na или в неблагоприятных условиях внешней среды переходят в состояние пассивной проницаемости. Клітини N. obtusa після обробки високими концентраціями хлоридів К і Na або в несприятливих умовах зовнішнього середовища переходять у стан пасивної проникності.Література
1.Водорослі, лишайник і мохоподібні СРСР / Л. В. Гарібова, Ю. К. Дундін, Т. Ф. Коптяева и др. - М., 1978
2. Курс нижчих рослин / За ред. М. В. Горленко. - М., 2001
3. Біохімія / Н. Є. Кучеренко, Ю. Д. Бабенюк, А. М. Васильєв та ін - К., 1988
4. Польовий В. В. Фізіологія рослин. - М., 1989