МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 84, № 2, с. 144-159
= ОБЗОРЫ =
УДК 579.22
со2-концентрирующий механизм и его особенности
У ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫХ ЦИАНОБАКТЕРИЙ © 2015 г. Е. В. Куприянова*, О. С. Самылина**, 1
*Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва **Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
Цианобактерии — оксигенные фотоавтотрофы, живущие на Земле по крайней мере 3.5 млрд лет. Фотоассимиляция углекислоты цианобактериями происходит через цикл Кальвина, ключевым ферментом которого является РБФК/О, обладающий очень низким сродством к СО2. Последнее объясняется тем, что в Архее, когда формировался фотосинтетический аппарат, концентрация СО2 в атмосфере на несколько порядков превышала современную. Позже, в эпоху существования до-кембрийских микробных сообществ, произошла глобальная убыль содержания С02 в атмосфере. Таким образом, в современных условиях перед всеми фотоавтотрофами, в том числе и перед цианобактериями, "стоит задача" по поддержанию адаптивных механизмов, позволяющих осуществлять эффективный фотосинтез. В клетках цианобактерий эту адаптацию обеспечивает функционирование СО2-концентрирующего механизма (ССМ), результатом действия которого является создание повышенной концентрации СО2 вблизи активных центров РБФК/О, что существенно повышает эффективность его фиксации в цикле Кальвина. До настоящего времени ССМ активно изучался только на пресноводных и морских штаммах цианобактерий. Наши исследования стали первыми в изучении ССМ галоалкалофильных цианобактерий из содовых озер. Показано, что экс-тремофильные галоалкалофильные цианобактерии обладают полноценным ССМ, имеющим структуру и принципы функционирования, аналогичные таковым у изученных пресноводных и морских штаммов. На основе анализа имеющихся данных сделан вывод, что генеральная функция ССМ в этих условиях может заключаться в регулировании количества неорганического углерода, поступающего в клетку.
Ключевые слова: С02-концентрирующий механизм (ССМ), цианобактерии, транспортные системы, карбоксисомы, карбоангидразы, содовые озера.
DOI: 10.7868/S0026365615010073
ВВЕДЕНИЕ
Концентрирование СО2 в непосредственной близости от активных центров РБФК/О является одним из вариантов адаптивных механизмов, позволяющих клеткам фотоавтотрофов осуществлять эффективный фотосинтез в условиях низкой концентрации атмосферного СО2 в современную геологическую эпоху [1]. Схема СО2-концентрирования, функционирующая в клетках микроводорослей и цианобактерий, имеет устоявшуюся аббревиатуру ССМ, происходящую от английского названия "C02-concentrating mechanism".
Необходимость становления адаптивных процессов при фотосинтезе, в том числе и ССМ, была продиктована тем фактом, что ранняя модель фотосинтетического аппарата, приспособленная
1 Автор для корреспонденции gmail.com).
(e-mail: olga.samylina@
к условиям древней атмосферы, характеризующейся высокими значениями соотношения [СО2]/[О2], перестала эффективно выполнять свои функции после того, как около 2 млрд лет назад сформировалась окислительная атмосфера современного типа с низким показанием соотношения [СО2]/[О2].
Исследования последних нескольких десятков лет, проведенные на модельных штаммах ци-анобактерий, показали, что функционирование ССМ основывается на совместной работе систем поглощения неорганического углерода (С() и фермента карбоангидразы (КА), катализирующей взаимопревращение СО2 и НСО- [2—5]. Необходимым условием ССМ также является совместная локализация КА и РБФК/О в карбокси-сомах, способствующая снижению утечки СО2 из клеток. Результат действия ССМ представляет собой создание повышенной концентрации СО2
вблизи активных центров РБФК/О, что существенно повышает эффективность фиксации С(- в цикле Кальвина.
Крайне интересными объектами для изучения ССМ являются галоакалофильные цианобакте-рии содовых озер. Эти фотосинтезирующие прокариоты примечательны тем, что среды, в которых они развиваются, содержат высокие концентрации бикарбоната. Теоретически такие условия не требуют СО2-концентрирования. Таким образом, выявление наличия функционально активных компонентов ССМ в клетках галоакалофиль-ных цианобактерий представляется интереснейшей задачей, способной пополнить имеющиеся в настоящее время знания о разнообразии аспектов функционирования этого механизма.
ЦИАНОБАКТЕРИИ - ОКСИГЕННЫЕ
ФОТОСИНТЕТИКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ
ЦИАНОБАКТЕРИЙ ПО ФОРМЕ РБФК/О
Строение и принципы работы фотосинтетического аппарата цианобактерий довольно хорошо изучены [6].
При оксигенной фототрофии донором электронов является молекула Н2О, которая окисляется до О2. Электронный транспорт на участке от Фотосистемы (ФС) II к реакционному центру ФС I сопровождается генерированием протонного градиента, который снимается через АТФазу при синтезе АТФ. Реакционный центр ФС I через систему переносчиков передает электроны на НАДФ+. Таким образом, итогом двух фотохимических реакций является создание "ассимиляционной силы" — НАДФ • Н2 и АТФ, которые затем используются при фиксации углекислоты.
Фотоассимиляция углекислоты цианобакте-риями связана с функционированием цикла Кальвина, в процессе которого три молекулы ри-булозо-1,5-бисфосфата карбоксилируются при помощи РБФК/О с образованием шести молекул 3-фосфоглицерата. Далее следует ряд ферментативных превращений, включающий образование шести молекул глицеральдегид-3-фосфата, одна из которых уйдет на биосинтез клеточного материала, а остальные пять — на регенерацию трех молекул акцептора. Таким образом, выделение кислорода и фиксация СО2 являются процессами, связанными стехиометрически.
В то же время, РБФК/О обладает способностью связываться с О2, и этот фермент может выступать в качестве оксигеназы, катализируя окисление рибулозобисфосфата на первой стадии процесса фотодыхания. Таким образом, СО2 и О2 являются конкурирующими субстратами для РБФК/О. Баланс между фотосинтезом и фотодыханием определяется двумя параметрами: 1) фак-
тором специфичности (Бс/0) РБФК/О, учитывающим как сродство этого фермента к обоим субстратам, так и максимальные скорости реакций карбоксилирования и окисления; и 2) соотношением концентраций СО2 и О2 вблизи работающего фермента [5, 7].
Все существующие в природе РБФК/О и РБФК/О-подобные белки могут быть условно разделены на четыре разные формы, из которых только формы I и II принимают участие в цикле Кальвина [8]. Цианобактерии содержат форму I РБФК/О, состоящую из восьми больших (Ц) и восьми малых субъединиц с молекулярной массой около 55 и 15 кДа соответственно [9]. Общая молекулярная масса нативного фермента составляет 500—570 кДа.
В свою очередь, в зависимости от первичной структуры больших субъединиц, форма I РБФК/О может быть разбита на четыре "подформы": !А-ГО [9, 10], из которых у цианобактерий обнаруживаются только две (!А и №). Таким образом, оказалось возможным разделить всех цианобактерий на две основные группы: а-цианобактерий, обладающих !А формой РБФК/О (к ним относятся, в основном, морские виды), и Р-цианобактерий, несущих № форму (пресноводные или обитающие в эстуариях виды) [11].
В клетках цианобактерий РБФК/О локализуется в специальных включениях цитоплазмы — карбоксисомах [12]. Последние представляют собой многогранные микротельца размером до 400 нм в диаметре, покрытые тонкой белковой оболочкой. Помимо РБФК/О, карбоксисомы содержат фермент карбоангидразу (КА), который
катализирует взаимопревращение СО2/НСО-. КА является важным звеном для обеспечения работы цикла Кальвина, поскольку именно она поставляет субстрат для карбоксилирования рибулозо-1,5-бисфосфата — СО2 [13].
Оказалось, что цианобактерии, обладающие разным типом РБФК/О, несут в своем геноме различный набор генов, кодирующих белки карбоксисом, которые представляют собой структурные или функциональные аналоги [14]. Аналогичным образом, карбоксисомы из а- и Р-цианобактерий носят названия а- и Р-карбок-сисом соответственно. Обладание тем или иным типом карбоксисом и РБФК/О не несет каких-либо физиологических преимуществ; их параллельное существование представляется ярким примером конвергентной эволюции [15].
ЭВОЛЮЦИЯ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ.
ПРЕДПОСЫЛКИ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ СО2-КОНЦЕНТРИРУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА
Считается, что содержание СО2 в атмосфере Архея было на несколько порядков выше совре-
менного, а кислород практически отсутствовал [16]. Таким образом, ранняя модель фотосинтетического аппарата была приспособлена именно к этим условиям.
В докембрии состав древней атмосферы претерпел глобальные изменения. В результате жизнедеятельности циано-бактериальных сообществ произошло резкое убывание содержания углекислоты с одновременным повышением уровня кислорода [17]. Эти преобразования привели к появлению около 2 млрд лет назад атмосферы современного окислительного типа.
В новых условиях перед цианобактериями встала задача сохранения эффективности фотосинтеза. Во-первых, снижение концентрации атмосферного СО2 резко ограничило их фотосинтетическую продуктивность вследствие низкого сродства РБФК/О к СО2 [18]. Во-вторых, повышение парциального давления О2 привело к подавлению карбоксилазной и увеличению оксиге-назной функции РБФК/О. Одновременно с этим, будучи водными фотосинтетиками, цианобакте-рии испытывали дополнительные трудности вследствие пониженной диффузии СО2/О2 в среде обитания.
В настоящее время известны две стратегии адаптации оксигенных фотосинтезирующих организмов к недостатку СО2. Первая состоит в увеличении количества ключевого фермента цикла Кальвина — РБФК/О и повышении его сродства к СО2. По этому пути пошли высшие С3-растения, у которых Кт (СО2) РБФК/О составляет порядка 8—14 мкМ [18, 19].
Вторая стратегия заключается в увеличении внутриклеточной концентрации СО2 вблизи активных центров РБФК/О. Разные схемы СО2-концен-трирования используются С4- и САМ-растениями, имеющими Кт (СО2) в районе 16—30 и 9.5—10.5 мкМ соответственно [19, 20]. Третий вариант этой стратегии — ССМ — реализован у микроводорослей и ци-анобактерий (С3-тип метаболизма) [4, 21].
У большинств
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.