Белкиилипиды
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 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 Scenedesmusobtusiuscu-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 Hapalosiphonconfervaceus, 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 Westiellopsisprolifica 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 (Nostosmuscorum, Chlorogloeafritschii, Anabaenavariabilis). Лучшим субстратом для них являются глюкоза, фруктоза, сахароза.
Синезеленая водоросль Chlorogloeopsisfritschii, 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 Nostossp.) является орнитиновый цикл, где С02 включается прежде всего в цитруллин, который затем превращается в аспарагин.
Добавление аммония в среду с зеленой водорослью Botryococcusbraunii, 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.