Особенности липидного метаболизма микроводорослей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Концепция использования микроводорослей как продуцентов жирных кислот относится до 50 - м лет прошлого столетия. Тогда впервые была обоснованная способность клеток водоросли производить к 90% липидам на сухой вес клетки и зависимость липидного состава от большого количества параметров окружающей среды(Милнер 1949).

Микроводоросли группа достаточно разнообразных организмов состоят из эукариотических и прокариотических видов.

Большинство видов фототрофные, но некоторые виды способны к гетеротрофному росту.

Водоросли содержат в своем составе большинство классов высокоэнергетических липидов и жирных кислот.

За последние 20 лет водоросли стали перспективным объектом биотехнологии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют и накапливают разнообразные биологически активные вещества, многие из которых, в частности витамины, липиды, белки, углеводы, являются ценными пищевыми и фармакологическими продуктами.

Способность некоторых видов водорослей накапливать значительные количества высокоэнергетических липидов и лабильность их метаболизма - основные причины изучения микроводорослей как возобновляемого источника экологически чистых топливных компонентов.

В связи с этим на сегодняшний день актуальным научным заданием является изучение метаболизма липидов в клетках микроводорослей и изучения путей его регуляции.

1. Липидные компоненты клеток микроводорослей

По классическому определению липиды - вещества:

1) Нерастворимые в воде.

2) Растворимые в органических растворителях таких как хлороформ, эфир или бензол.

3) Имеют в составе молекул высшие алкильные радикалы

Среднее содержание липидов в клетке может варьировать от 1 к 70%, а в определенных условиях даже достигать 90% сухой массы.

Водоросли содержат огромное количество типов липидов характерных для высших растений, таких как неполярные триглицериды, полярные и неполярные гликозилглицериды, фосфоглицериды. Однако в то же время водоросли содержат ряд уникальных липидов.

Рис. 1. Структура молекулы триглицерида (триацилглицерола). R1, R2 и R3 - остатки жирных кислот соответственн в sn - 1, sn - 2 и sn - 3 положении молекулы глицерола

Как и у всех живых организмов, мембранными липидами большинства органелл микроводорослей являются в основном фосфолипиды (фосфоглицериды). Состав жирных кислот микроводорослей до некоторой степени может считаться схемосистематическим признаком. Липидная составляющая мембран хлоропластов в способных к фотосинтезу эукариот, а так же сине-зеленых водорослей представлена четырьмя классами полярных глицеролипидов.

Из внешней стенки трехслойных клеточных мембран пресноводных микроводорослей Chlorella emersonii, Scenedesmus communis и Tetraedron minimum, продуцирующих нерастворимый и негидролизуемый биополимер - алгаенан, выделенные липиды высокого молекулярного веса. Определение молекулярного веса гелевой хроматографией показало, что их молекулярный вес находится в диапазоне от 400 до 2000 Дальтон.

Пламенный пиролиз из in situ метилирования тетраметил аммоний гидроксидом и щелочным гидролизом показал, что липиды высокого молекулярного веса, выделенные из C. emersonii и S. communis, складываются, главным образом, из насыщенных н- C - 26 и н.- C - 28 жирных кислот и спиртов и насыщенных н.- C - 30 и н.- C - 32 ?,?-диолов и ?-гидроксикислот.

Липиды высокого молекулярного веса из T. minimum складываются, главным образом, из жирных кислот с длинными цепями и щ-гидроксикислот. В термогемолизате и в гидролизате в малых количествах идентифицированы также и ароматические соединения. Предложены химические структуры липидов высокого молекулярного веса, которые содержат моно, - и полиэфиры в соответствии с аналитическими и спектроскопическими данными. Подтверждено структурное подобие внешней клеточной стенки этих микроводорослей и кутикулярной мембраны высших растений. У подавляющего количества видов диатомовых микроводорослей, например, преобладают эйкозапентаеновая(20: 5n-3) и пальмитоолеиновая(16: 1 n - 7) кислота.

Растительные сульфолипиды (сульфо-альфа- D - D - квиновопиронозил 1-3 диацил- D- Глицерол) содержатся в больших количествах в хлоропластах зелени и другие фотосинтезирующие микроводоросли. Они играют важную роль в липопротеиновой структуре хлоропластов.

Многие водоросли способны запасать достаточно большие количества липидов в цитоплазме в форме триацилглицеролов (к 57% суммарных липидов) в виде больших капель. В период активного распределения часть триглицеридов как правило небольшое. Нагромождение триглицеридов в основном происходит в стационарной фазе роста, или при влиянии некоторых стрессовых факторов. Усиленный синтез триглицеролов как, что запасают веществ, является ранним ответом на рост в условиях, когда количество энергии, которая приходит извне превышает возможности клетки утилизировать эту энергию.

Для цианобактерий не свойственное накопление запасных липидов в виде триглицеролов, практически все жирные кислоты входят в состав полярных липидов, которые образуют большую систему фотосинтетических мембран.

Цианобактерии при недостатке кислорода могут так же, накапливать поли-В-гидроксимасляную кислоту.

Водоросли накапливают такие необычные соединения, как бетаиновые липиды, хлоросульфоліпіди, сульфолипид, углеводороды или частично диацильованні липиды или наоборот дополнительно производные глико- и фосфолипидов.

Определенные виды содержат гликозилированные и полигидроксикарбоновые кислоты, свободные(неэтерифицированные) ж.к., высшие спирты, диацилглицеролы, стерол и эфиры стеролов, сложные эфиры восков и др.

Липидная фракция представлена нейтральными жирами, жировыми кислотами и жироподобными веществами - липоидами и стеролом. Часть липидов(около 1 % от сухого вещества) образует сложные соединения с белком, которые являются основным структурным элементом клетки. Липиды - самые эффективные источники сохранения энергии, выполняют барьерную функцию как изоляторы внутренних компонентов клетки, играют важную роль как структурные элементы большинства клеточных мембран, и обеспечивают стойкость к разным физиологичным стрессам.

В составе липидов микроводорослей выявлено свыше 20 жирных кислот, а среди них превалируют ненасыщенные соединения, которые делают их состав подобным с составом других растительных жиров.

Изучение условий культивирования микроводорослей, в том числе, с целью получения максимальных концентраций данных компонентов - актуальное задание сегодняшнего дня.

2. Функции липидов в растительной клетке

Липиды в клетках водорослей выполняют ряд разных функций.

- Структурная - амфифильные полярные липиды являются одним из главных компонентов клеточных мембран.

- Барьерная - липиды изолируют клетку от окружающей среды и за сет гидрофобных свойств обеспечивают формирование мембранных потенциалов.

- Каталитическая - хинон и другие молекулы играют роль кофакторов ферментов

- Регуляторная - молекулы липидов или их производные играют роль в передаче внутриклеточных и межклеточных сигналов

Для естественных глицеролипидов характерно существования разных молекулярных форм. Каждый глицеролипид является не отдельным веществом, а смесью веществ, молекулы которых содержат ту же полярную часть и разные ацильные цепочки. Природа остатков жирных кислот, которые входят в состав глицеролипидов микроводорослей является очень важной для выполнения липидами их функций. С точки зрения жирно кислотного состава водоросли являются организмами с уникальным биотехнологическим потенциалом . Если в состав липидов высших растений входит как правило небольшой набор жирных кислот(в среднем 7-8), то микроводоросли чаще всего имеют очень разнообразный набор насыщенных и ненасыщенных жирных кислот из длинной цепи от 12 до 28 атомов углерода.

Насыщенные и ненасыщенны жирное кислоты как правило отличаются конфигурацией. В насыщенных жирных кислотах углеводородная цепочка может принимать количество конфирмаций благодаря возможности обращения вокруг каждой святи. Но больше всего энергетически выгодной есть вытянутая форма. В ненасыщенных жирных кислотах невозможное обращение вокруг ненасыщенных связей . В естественных жирных кислотах цис-конфигурация двойной святи приводит к перегибу алифатичесокй цепи под углом приблизительно 30, в случае транс-конфигурации конформация цепи мало отличается от конфирмации насыщенной. В жирных кислотах с двойными связями их цис-конфигурации предоставляет углеводородной цепи выгнутую и укорачиванию форму.

Такие структурное свойству цепей жирных кислот имеют большое биологическое значение, особенно относительно липидов мембран, поскольку известно, что ненасышенные жирное кислоты обеспечивают высокую текучесть, пластичность и избирательную проницаемость мембранного бислоя.

Главной ненасыщенной кислотой липидов микроводорослей в некоторых случаях является меристиновая, но в большинстве видов это пльмитиновая кислота. Для липидов микроводорослей характерно большое количество ненасыщенных жирных кислот, которые могут иметь от 1 до 6 (иногда до 8) двойных связей. Характерно также большое количество тетраеновых C16 и C18 кислот и г-ліноленової кислоты, которые практически не встречаются у высших растений. Длиноцепочечные жирное кислоты встречаются в основном у галотолерантных видов и являются, как правило, полиненасыщенными. Жирные кислоты с нечетным числом атомов углерод и разветвленные жирные кислоты (изостеариновая и др.) могут встречаться у отдельных видов.

Пресноводные водоросли чаще всего содержат те же жирное кислоты, что и высшие растения однако в других соотношениях. Большинство их жирных кислот как правило неразветвленые с парным числом атомов углерода от 14 до 18. Для пресноводных водорослей характерно больше высокое содержание ИЗ?? жирных кислот и болью низкое содержание кислот, чем для высших растений.

Табл. 1. Состав углеводородов Botryococcus braunii расы B

Табл. 2. Относительное процентное содержимое жирных кислот в липидах разных штаммов Botryococcus braunii (%)

Т.о. липиды Botryococcus braunii имеют достаточно уникальный жирнокислотный состав в котором преобладают моноеновые кислоты из средней длинной ацильных цепей. Это делает Botryococcus braunii одним из наиболее перспективных видов для призводства альтернативных видов топлива.

3. Пути и характер изменений липидной составляющей в клетках микроводорослей под действием разных факторов внешней среды

У представителей зеленых водорослей очень высокой активностью владеют среароил СоА десатуразы, которые и приводят к образованию большого количества ненасыщенных C18 жирных кислот.

Содержанию жирных кислот в рамках того же вида может существенно колебатся в разных классах внутриклеточных липидов. липиды, Которые Запасают (триацилглицероли) чаще всего содержат немного меньше жирных кислот, чем полярные глицеролипиды. Из полярных липидов МГДГ имеют наиболее высокую степень ненасыщенности жирнокислотных остатков, а СХДГ - содержит минимальное количество ненасыщенных жирных кислот.

Количество триацилглицеролов особенно заметно повышается в стационарной фазе роста культуры. При этом, как правило, увеличивается содержание насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот и снижением жирных кислот. Объясняется это тем, которые насыщены и моноеновые кислоты выделяют при окислении выделяет больше энергии больше энергии, а следовательно являются болью эффективными формами запасания энергии. Микроводоросли являются основным первичным продуцентом двуцепочечных n - 3 жирных кислот, особенно докозагексаеновой (ДГК). Даже в морских макрофитов она встречается в следовых количествах.

Некоторые токсичное вещества (хлорид амония, гербициды) гнетут рост культуры, однако стимулируют нагромождение липидов в клетке.

Стимулировать нагромождение липидных компонентов может влияние ультрафиолета. Эти данные свидетельствуют о важной защитной функции, что выполняют липидные компоненты в клетке водоросли.

Определяющими параметрами являются, например содержание в среде азота, кремния(для диатомовых водорослей). Одни исследователи показали увеличение содержанию липидов при недостатке азота в среде. В некоторых исследованиях показано острое снижение продукции биомассы при недостатке азота и уменьшения массовой части липидов в сухой биомассе.

Для морских примнезиофит определяющим фактором внешней среды для метаболизма липидов так же является количество азота в среде. Острый недостаток азота вызывает значительные изменения в жирнокислотном составе липидов и снижения активности ацетил - Соа карбоксилазы.

В ходе экспериментальных исследований сначала исследовали рост культуры в условиях состояния азота, а потом индуцировали дефицит азота в среде при культивации в пробирке. В ходе данных экспериментов выявленная зависимость скорости роста и нагромождения азота в составе биомассы от интенсивности освещения культуры. При этом наблюдалось лишь небольшое снижение содержания липидов при снижении уровня нагромождения азота в клетке.

Наиболее высокое содержание триглицеридов при культивировании в искусственных условиях достигается при недостатке азота в стационарной фазе роста. Подобные эффекты имеет и низкий уровень освещения.

Эти данные свидетельствует о том, что содержание азота в среде является не единственным ключевым фактором в данном процессе.

Японскими учеными показанная зависимость степени насыщения ацильных цепочек в структуре мембран от количества З2, при низком содержании З2 в среде достоверно повышалось содержание жирных кислот.

Общепринятой является мысль что «липидный триггер», активирует биосинтез липидов без снижения активности процессов фотосинтеза, по крайней мере, в переходный период. Однако механизмы и стадии метаболизма липидов, которые прямо зависят от условий фотосинтеза, пока мало изучены.

Эти данные свидетельствуют о гибкости путей метаболизма липидов в клетках водорослей. Быстрые изменения в липидном составе клетки при изменении условий окружающей среды свидетельствуют о том, что многие пути метаболизма липидов являются механизмами защиты и тонкой регуляции в клетке.

4. Особенности липидного метаболизма в клетках микроводорослей

На данный момент существует три изученных пути синтеза жирных кислот в растениях.

А) Путь чрез промежуточный продукт малонил Соа, что был показан de novo как основной путь синтеза насыщенных жирных кислот

Б) дорога назад ? - окисление, что задействован в синтезе короткоцепочечных жирных кислот и таким путем синтезируется лишь незначительная часть жирных кислот.

В) соединения этих двух путей, при котором продукты малонил Соа пути могут поддаваться удлинению цепи за счет ферментов ? - окисление.

Принципиальная разница существует между первыми двумя путями синтезу жирных кислот.

Разница складывается в природе продуктов и в кофакторах, необходимых для превращения субстрата ацетил, - Соа.

АТР, НСО, TPNH и MnІ? необходимы для первого пути через промежуточный продукт малонил - Соа.

TPNH и DPNH необходимы для обратного - окисления. Обе этих системы наименее изучены в низших растениях, невзирая на то, что именно они делают наиболее широкий спектр насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, причем степень ненасыщенности кислот частично зависит от условий, при которых происходит фотосинтез.

5. Основные пути синтеза и превращения жирных кислот в водорослевой клетке

Первой реакцией биосинтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-коа, для чего нужны бикарбонат, АТФ, ионы марганца. Катализирует эту реакцию фермент ацетил-коа-карбоксилаза. Фермент содержит в качестве простетической группы биотин.

Авидин - ингибитор биотина гнетет эту реакцию, как и синтез жирных кислот в целом

Установлено, что ацетил-коа-карбоксилаза состоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, біотинкарбоксилазу, карбоксибиотинпереносящий белок, транскарбоксилазу, а также регуляторный аллостерический центр, то есть являет собой полиферментный комплекс.

Реакция протекает в два этапа: I - карбоксилирование биотина за участием АТФ и II - перенос карбоксильной группы на ацетил-коа, в результате чего образуется малонил-коа:

Малонил-коа являет собой первый специфический продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной системы малонил-коа быстро превращается в жирные кислоты.

Энзиматические системы, которые осуществляют синтез жирных кислот, называются жирно-кислотными синтетазами. Они широко встречаются в природе и могут быть изолированные из разных одноклеточных организмов, растений и животных тканей.

Длиноцепочечные ацети-соа синтетазы играют важнейшую роль в биосинтезе практически всех жирных кислот. Елонгація происходит через кетоацил Соа, одним из кофакторов этого процесса есть біотин. Водоросли, как правило, имеют набор синтетаз и отдельные ферменты служат для синтеза определенной длинные цепи.

Однако так синтезируется лишь определенный набор кислот. Многие жирные кислоты в клетках микроводорослей продуцируются путем модификаций тех или других жирных кислот при участии разных ферментов и некоторых органелл.

Кроме универсальных для большинства организмов путей метаболизма липидов в некоторых водорослях осуществляются специфические пути превращения липидов.

Синтез ботрикоккоценов в клетках Botryococcus braunii осуществляется с образованием сквалинов и ботрикоккоценов - уникальных углеводородных компонентов. Ботрикоккоцены синтезируются из ненасыщенных углеводородов и такой путь синтеза является уникальным.

триглицерид эукариотический водорослевый липид

Рис. 2

Ряд насыщенных жирных кислот, синтезированных в клетке может поддаваться значительным модификациям. Эти модификации в первую очередь выполняют адаптивную функцию для сохранения физических свойств мембран и др. липидных компонентов при изменениях условий внешней среды и предоставляет мембранам необходимую степень текучести.

Параметры текучести мембран, в свою очередь, являются определяющий для функционирования огромного количества мембраносвязанных ферментных систем. Десатурация в цис-положенні больше эффективная для изменения физических свойств липидов, чем десатурация в транс - положении, и абсолютное большинство двойных связей в ЖК липидов биологических мембран находятся в цис-положении.

Ключевую роль в этих механизмах регуляции играют ферменты десатуразы. Больше всего хорошо механизмы действия десатураз изучены на цианобактериях.

Десатуразы жирных кислот(ЖК) - это ферменты, катализирующие превращение одинарной связи между атомами углерода в ацильных цепях (З-З) в двойные связки (Из=З). Образованные двойные связки часто называются ненасыщенными связками, а ферментные реакции - реакциями десатурации. Десатурация требует наличия молекулярного кислорода и происходит в аэробных условиях.

Десатурация ЖК в глицеролипидах является важнейшей реакцией, необходимой для поддержки физических свойств мембранных липидов.

Физические свойства липидов в мембранном бислое в большой степени определяются уровнем ненасыщенности их ЖК, то есть количеством двойных связей, образованных десатуразами. При снижении температуры в клетке растет активность десатураз, этот механизм является одним из основных путей поддержки необходимых физических свойств липидных составные клетки.

Десатуразы ЖК делят на три типа, в зависимости от переносчика субстрату. Десатуразы цианобактерий относятся к типу ацил-липидных десатураз. В клетках микроводорослей встречаются в основном десатуразы 2х типов. Ацил-коа- десатуразы используют ЖК, присоединенные к коферменту А и ацилы - липидные десатуразы используют в качестве субстрат ЖК, что находятся в составе липидов.

Ацил-коа - десатуразы зеленых водорослей и ацил-ліпідні десатуразы цианобактерий используют ферредоксин как донор электронов.Причем у фотосинтезирующих организмов электроны передаются на ферредоксин фотосистемой I.

Взаимодействие и связь процессов фотосинтеза и липогенеза в клетках микроводорослей изучены слабо, однако экспериментальные данные подтверждают, что процессы эти взаимозависимые. Рядом с типичными для большинства организмов путями метаболизма липидов у водорослей существуют совсем уникальные пути катаболизма.

Актуальным научным заданием является большее глубокое изучение метаболизма липидов микроводорослей с целью получения уникальных продуктов.

Список литературы

1. Ленинджер А. Основы биохимии : В 3-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - Т. 3. - 320с.

2. Лось Д.А. Структура, регуляция эксперссии и функционирование десатураз жирных кислот. // Успехи биологической химии, т. 41, 2001, с. 163-198.

3. Шлегель Г. Общая микробиология. - М. «Мир». 1987. - С. 70 - 74.

4. Ahlgren G., Gustafsson I.-B., Boberg M. Fatty acid content and chemical composition of freshwater microalgae // J. Phycol. - 1992. - Vol. 28, № 1. - P. 37-50.

Размещено на Allbest.ru