Пиреноид - Pyrenoid
Пиреноиды - это субклеточные микрокомпартменты, обнаруженные в хлоропластах многих водорослей и в одной группе наземных растений - роголистниках . Пиреноиды связаны с работой механизма концентрации углерода (CCM). Их основная функция - действовать как центры фиксации диоксида углерода (CO 2 ), создавая и поддерживая богатую CO 2 среду вокруг фотосинтетического фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы (RuBisCO). Таким образом, пиреноиды играют роль, аналогичную карбоксисомам у цианобактерий .
Водоросли ограничены водной средой, даже в водной среде обитания, и это влияет на их способность получать доступ к CO 2 для фотосинтеза. CO 2 в воде диффундирует в 10000 раз медленнее, чем в воздухе, а также медленно уравновешивается. В результате вода как среда часто легко обедняется CO 2 и медленно получает CO 2 из воздуха. Наконец, CO 2 уравновешивается с бикарбонатом (HCO 3 - ) при растворении в воде, и это происходит в зависимости от pH . Например, в морской воде pH таков, что растворенный неорганический углерод (DIC) в основном находится в форме HCO 3 - . Конечным результатом этого является низкая концентрация свободного CO 2 , которой едва хватает для того, чтобы водорослевый RuBisCO работал с четвертью своей максимальной скорости , и, таким образом, доступность CO 2 может иногда представлять собой серьезное ограничение фотосинтеза водорослей.
Открытие
Пиреноиды были впервые описаны в 1803 г. Ваучером (цитируется по Брауну и др.). Этот термин был впервые введен Шмитцем, который также наблюдал, как хлоропласты водорослей образуются de novo во время деления клеток, что привело Шимпера к предположению, что хлоропласты были автономными, и к предположению, что все зеленые растения произошли в результате «объединения бесцветного организма с одним однородно окрашенным. с хлорофиллом ». Из этих новаторских наблюдений Мерешковский в конце концов предложил в начале 20 века симбиогенетическую теорию и генетическую независимость хлоропластов.
В последующие полвека фикологи часто использовали пиреноид в качестве таксономического маркера, но физиологи долго не могли оценить важность пиреноидов в водном фотосинтезе. Классическая парадигма, которая преобладала до начала 1980-х годов, заключалась в том, что пиреноид был местом синтеза крахмала. Наблюдения под микроскопом легко вводили в заблуждение, поскольку крахмальная оболочка часто включает пиреноиды. Обнаружение мутантов с дефицитом пиреноидов с нормальными зернами крахмала у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii , а также безкрахмальных мутантов с идеально сформированными пиреноидами в конечном итоге опровергло эту гипотезу.
Белковая природа пиреноида была выяснена только в начале 1970-х годов, когда пиреноиды были успешно выделены из зеленой водоросли и показали, что до 90% этого пиреноида состоит из биохимически активного RuBisCO. В следующее десятилетие появлялось все больше и больше доказательств того, что водоросли способны накапливать внутриклеточные пулы ДВС и преобразовывать их в СО 2 в концентрациях, намного превышающих концентрацию окружающей среды. Бэджер и Прайс впервые предположили, что функция пиреноида аналогична функции карбоксисомы у цианобактерий, поскольку она связана с активностью CCM. Активность CCM в водорослевых и цианобактериальных фотобионтах ассоциаций лишайников была также идентифицирована с использованием газообмена и изотопов изотопов углерода и ассоциирована с пиреноидом Palmqvist и Badger et al. Позднее Роголистный CCM был охарактеризован Смитом и Гриффитсом.
С тех пор пиреноид изучался в более широком контексте поглощения углерода водорослями, но еще не получил точного молекулярного определения.
Состав
Между видами водорослей наблюдается значительное разнообразие морфологии и ультраструктуры пиреноидов. Общей чертой всех пиреноидов является сфероидальный матрикс, состоящий в основном из RuBisCO. У большинства организмов, содержащих пиреноиды, пиреноидный матрикс пересекают тилакоидные мембраны, которые находятся в непрерывности со стромальными тилакоидами. У одноклеточной красной водоросли Porphyridium purpureum отдельные тилакоидные мембраны, по-видимому, пересекают пиреноид; у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii несколько тилакоидов сливаются на периферии пиреноида, образуя более крупные канальцы, пересекающие матрикс. В отличие от карбоксисом, пиреноиды не ограничиваются белковой оболочкой (или мембраной). Оболочка из крахмала часто образуется или откладывается на периферии пиреноидов, даже если этот крахмал синтезируется в цитозоле, а не в хлоропласте.
При исследовании с помощью просвечивающей электронной микроскопии пиреноидный матрикс выглядит как примерно круглая электронно-плотная зернистая структура внутри хлоропласта. Ранние исследования показали, что RuBisCO организован в кристаллические массивы в пиреноидах диатомовых водорослей Achnanthes brevipes и динофлагеллят Prorocentrum micans . Однако недавняя работа показала, что RuBisCO в пиреноидной матрице зеленой водоросли Chlamydomonas не находится в кристаллической решетке, а вместо этого матрица ведет себя как разделенная на фазы, подобная жидкости органелла.
Мутагенная работа с Chlamydomonas показала, что малая субъединица RuBisCO важна для сборки пиреноидного матрикса и что две экспонированные растворителем альфа-спирали малой субъединицы RuBisCO являются ключевыми для этого процесса. Было показано, что для сборки RuBisCO в пиреноид необходим неупорядоченный по своей природе RuBisCO-связывающий повторяющийся белок EPYC1, который был предложен для «связывания» нескольких холоферментов RuBisCO вместе с образованием пиреноидного матрикса. Было показано, что вместе EPYC1 и Rubisco достаточно для воссоздания капель с разделенными фазами, которые проявляют свойства, сходные с пиреноидами C. reinhardtii in vivo, дополнительно подтверждая «линкерную» роль EPYC1.
Был охарактеризован протеом пиреноида Chlamydomonas, систематически определены локализации и белок-белковые взаимодействия десятков пиреноид-ассоциированных белков. Белки, локализованные в пиреноиде, включают активазу RuBisCO, нитратредуктазу и нитритредуктазу.
У Chlamydomonas высокомолекулярный комплекс двух белков (LCIB / LCIC) образует дополнительный концентрический слой вокруг пиреноида за пределами крахмальной оболочки, и в настоящее время предполагается, что он действует как барьер для утечки CO 2 или для повторного захвата CO. 2 , выходящий из пиреноида.
У Porphyridium и Chlamydomonas есть один очень заметный пиреноид в единственном хлоропласте, видимый с помощью световой микроскопии. Напротив, у диатомовых водорослей и динофлагеллят может быть несколько пиреноидов. СЫатуйотопаз пиреноидом Замечено деления на деление во хлоропластов деления. В редких случаях, когда деления не происходило, пиреноид, по-видимому, образовывался de novo. Пиреноиды частично растворяются в строме хлоропласта во время каждого деления клетки, и этот пул растворенных компонентов может конденсироваться в новый пиреноид в случаях, когда один не наследуется путем деления.
Роль пиреноидов в СКК
Считается, что удержание фермента, фиксирующего CO 2, внутри субклеточного микрокартмента в сочетании с механизмом доставки CO 2 к этому месту, повышает эффективность фотосинтеза в водной среде. Наличие CCM способствует карбоксилированию, а не расточительному оксигенации RuBisCO. Молекулярная основа пиреноида и ККМ была достаточно подробно охарактеризована в модельной зеленой водоросле Chlamydomonas reinhardtii .
Текущая модель биофизического CCM, основанного на пиреноиде, рассматривает активный транспорт бикарбоната из внеклеточной среды в окрестности RuBisCO через переносчики на плазматической мембране , хлоропластной мембране и тилакоидных мембранах . Считается, что угольные ангидразы в периплазме, а также в цитоплазме и строме хлоропластов способствуют поддержанию внутриклеточного пула растворенного неорганического углерода, в основном в форме бикарбоната. Затем считается, что этот бикарбонат закачивается в просвет транспиреноидных тилакоидов, где, как предполагается, резидентная карбоангидраза превращает бикарбонат в CO 2 и насыщает RuBisCO карбоксилирующим субстратом. Вероятно, что разные группы водорослей развили разные типы CCM, но обычно считается, что CCM водорослей состоит из комбинации углеангидраз, переносчиков неорганического углерода и некоторого отсека для упаковки RuBisCO.
Пиреноиды представляют собой высокопластичные структуры, и степень упаковки RuBisCO коррелирует с состоянием индукции CCM. У Chlamydomonas , когда CCM подавляется, например, когда клетки поддерживаются в среде, обогащенной CO 2 , пиреноид маленький, а матрица неструктурирована. У динофлагелляты Gonyaulax локализация RuBisCO в пиреноиде находится под циркадным контролем: когда клетки фотосинтетически активны в течение дня, RuBisCO собирается во множество хлоропластов в центре клеток; ночью эти структуры исчезают.
Физиология и регуляция СКК
CCM водорослей индуцируется, и индукция CCM обычно является результатом условий с низким содержанием CO 2 . Индукция и регуляция CCM Chlamydomonas недавно была изучена с помощью транскриптомного анализа, который показал, что один из трех генов регулируется вверх или вниз в ответ на изменение уровней CO 2 в окружающей среде. Для определения CO 2 в Chlamydomonas используется «главный выключатель», который был совместно обнаружен двумя лабораториями. Этот ген, Cia5 / Ccm1, влияет на более чем 1000 генов, реагирующих на CO 2, а также обуславливает степень упаковки RuBisCO в пиреноид.
Источник
CCM индуцируется только в периоды низких уровней CO 2 , и именно наличие этих триггерных уровней CO 2, ниже которых индуцируются CCM , заставило исследователей задуматься о вероятном времени возникновения таких механизмов, как пиреноид.
Существует несколько гипотез происхождения пиреноидов. С появлением крупной наземной флоры после заселения земли предками харофитных водорослей , уровни CO 2 резко упали с одновременным увеличением концентрации O 2 в атмосфере. Было высказано предположение, что это резкое падение уровней CO 2 действовало как эволюционный драйвер развития CCM и, таким образом, привело к появлению пиреноидов, что гарантировало, что скорость поступления CO 2 не стала ограничивающим фактором для фотосинтеза перед лицом снижение уровня CO 2 в атмосфере .
Однако были предложены альтернативные гипотезы. Прогнозы прошлых уровней CO 2 предполагают, что они, возможно, ранее упали так же резко, как это наблюдалось во время распространения наземных растений: примерно 300 млн лет назад в протерозойскую эру . В этом случае могло быть аналогичное эволюционное давление, которое привело к развитию пиреноида, хотя в этом случае могла развиться пиреноидная или пиреноидоподобная структура, которая была потеряна по мере того, как затем повысились уровни CO 2 , только будут приобретены или снова развиты в период заселения земель растениями. У роголистников были обнаружены свидетельства многократного прироста и убыли пиреноидов за относительно короткие геологические промежутки времени.
Разнообразие
Пиреноидов найдены в водорослевых родах, независимо от того, был ли хлоропласты в наследство от одного эндосимбиотического события (например , зеленый и красных водорослей , но не в глаукофитовых водорослях ) или несколько эндосимбиотических событий ( диатомовые , динофлагеллятов , кокколитофорида , cryptophytes , chlorarachniophytes и эвгленозои ). Однако в некоторых группах водорослей пиреноиды вообще отсутствуют: «высшие» красные водоросли и экстремофильные красные водоросли , зеленые водоросли рода Chloromonas и « золотые водоросли ». Пиреноиды обычно считаются плохими таксономическими маркерами и, возможно, много раз эволюционировали независимо.
