Пиреноиды — это субклеточные микроотделения, обнаруженные в хлоропластах многих водорослей [ 1] и в одной группе наземных растений — роголистниках . [2] Пиреноиды связаны с работой механизма концентрации углерода (CCM). Их основная функция — действовать как центры фиксации углекислого газа (CO 2 ), создавая и поддерживая богатую CO 2 среду вокруг фотосинтетического фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (RuBisCO). Таким образом, пиреноиды, по-видимому, играют роль, аналогичную роли карбоксисом у цианобактерий .
Водоросли обитают только в водной среде, даже в водной среде обитания, и это влияет на их способность получать доступ к CO 2 для фотосинтеза. CO 2 диффундирует в воде в 10 000 раз медленнее, чем в воздухе, а также медленно приходит в равновесие. В результате вода как среда часто легко обедняется CO 2 и медленно поглощает CO 2 из воздуха. Наконец, CO 2 уравновешивается с бикарбонатом (HCO 3 - ) при растворении в воде, причем это происходит в зависимости от pH . Например, в морской воде pH таков, что растворенный неорганический углерод (DIC) в основном содержится в форме HCO 3 - . Конечным результатом этого является низкая концентрация свободного CO 2 , которая едва достаточна для того, чтобы водоросль RuBisCO могла двигаться со скоростью четверти своей максимальной скорости , и, таким образом, доступность CO 2 иногда может представлять собой серьезное ограничение фотосинтеза водорослей.
Пиреноиды были впервые описаны в 1803 г. Вошером [3] (цит. по Брауну и др. [4] ). Этот термин был впервые введен Шмитцем [5] , который также наблюдал, как хлоропласты водорослей образуются de novo во время деления клеток, что привело Шимпера к предположению, что хлоропласты автономны, и к предположению, что все зеленые растения возникли в результате «объединения бесцветного организма с один равномерно окрашен хлорофиллом». [6] На основе этих новаторских наблюдений Мерешковский в конце концов предложил в начале 20 века симбиогенную теорию и генетическую независимость хлоропластов.
В последующие полвека психологи часто использовали пиреноиды в качестве таксономического маркера, но физиологи долго не могли оценить важность пиреноидов в водном фотосинтезе. Классическая парадигма, преобладавшая до начала 1980-х годов, заключалась в том, что пиреноид был местом синтеза крахмала. [7] Микроскопические наблюдения легко вводят в заблуждение, поскольку крахмальная оболочка часто окружает пиреноиды. Обнаружение пиреноиддефицитных мутантов с нормальными крахмальными зернами у зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii [8] , а также безкрахмальных мутантов с идеально сформированными пиреноидами [9] в конечном итоге дискредитировало эту гипотезу.
Лишь в начале 1970-х годов белковая природа пиреноидов была выяснена, когда пиреноиды были успешно выделены из зеленой водоросли [10] и показано, что до 90% из них состоят из биохимически активного RuBisCO. В последующее десятилетие появлялось все больше и больше доказательств того, что водоросли способны накапливать внутриклеточные пулы DIC и превращать их в CO 2 в концентрациях, значительно превышающих концентрацию в окружающей среде. Бэджер и Прайс впервые предположили, что функция пиреноида аналогична функции карбоксисомы у цианобактерий и связана с активностью CCM. [11] Активность КЦМ в водорослевых и цианобактериальных фотобионтах лишайниковых ассоциаций также была идентифицирована с помощью газообмена и дискриминации изотопов углерода [12] и связана с пиреноидом Палмквистом [13] и Бэджером с соавт. [14] Роголистник CCM позже был охарактеризован Смитом и Гриффитсом. [15]
С тех пор пиреноид изучался в более широком контексте приобретения углерода водорослями, но точное молекулярное определение ему еще не дано.
Между видами водорослей существует существенное разнообразие в морфологии и ультраструктуре пиреноидов. Общей чертой всех пиреноидов является сфероидальный матрикс, состоящий в основном из RuBisCO. [10] У большинства пиреноидсодержащих организмов 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; [16] у зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii множественные тилакоиды сливаются на периферии пиреноида, образуя более крупные трубочки, которые пересекают матрикс. [17] [18] В отличие от карбоксисом, пиреноиды не очерчены белковой оболочкой (или мембраной). Крахмальная оболочка часто образуется или откладывается на периферии пиреноидов, даже если этот крахмал синтезируется в цитозоле, а не в хлоропластах. [19]
При исследовании с помощью просвечивающей электронной микроскопии пиреноидная матрица выглядит как примерно круглая электронно-плотная зернистая структура внутри хлоропласта. Ранние исследования показали, что RuBisCO расположен в виде кристаллических массивов в пиреноидах диатомовых водорослей Achnanthes brevipes [20] и динофлагеллят Prorocentrum micans . [21] 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 фаза, подобная жидкости органелла. [22]
Мутагенные исследования хламидомонады показали, что малая субъединица RuBisCO важна для сборки пиреноидного матрикса [23] и что две альфа-спирали малой субъединицы RuBisCO, подвергающиеся воздействию растворителя, играют ключевую роль в этом процессе. [24] Было показано, что для сборки RuBisCO в пиреноид требуется внутренне неупорядоченный белок-связывающий RuBisCO-повтор EPYC1, который, как было предложено, «связывает» несколько голоферментов RuBisCO вместе с образованием пиреноидного матрикса. [25] Было показано, что EPYC1 и Rubisco вместе достаточны для восстановления разделенных по фазе капель, которые проявляют свойства, аналогичные пиреноидам C. Reinhardtii in vivo, что дополнительно подтверждает роль «линкера» для EPYC1. [26]
Охарактеризован протеом пиреноида Chlamydomonas [27] и систематически определены локализация и белок-белковые взаимодействия десятков пиреноид-ассоциированных белков. [28] Белки, локализованные в пиреноиде, включают активазу RuBisCO, [29] нитратредуктазу [30] и нитритредуктазу. [31]
У Chlamydomonas высокомолекулярный комплекс двух белков (LCIB/LCIC) образует дополнительный концентрический слой вокруг пиреноида, вне крахмальной оболочки, и в настоящее время предполагается, что он действует как барьер для утечки CO 2 или для повторного захвата CO. 2 , который вырывается из пиреноида. [32]
У Porphyridium и Chlamydomonas в одном хлоропласте имеется один хорошо заметный пиреноид, видимый с помощью световой микроскопии. Напротив, у диатомей и динофлагеллят может быть несколько пиреноидов. Было замечено, что пиреноид Chlamydomonas делится путем деления во время деления хлоропластов . [33] [22] В редких случаях, когда деления не происходило, пиреноид, по-видимому, образовывался de novo. [22] Пиреноиды частично растворяются в строме хлоропласта во время каждого клеточного деления, и этот пул растворенных компонентов может конденсироваться в новый пиреноид в тех случаях, когда он не наследуется путем деления.
Считается , что заключение фермента, фиксирующего CO 2 , в субклеточном микрокомпартменте в сочетании с механизмом доставки CO 2 в этот участок повышает эффективность фотосинтеза в водной среде. Наличие CCM благоприятствует карбоксилированию, а не бесполезному оксигенированию с помощью RuBisCO. Молекулярная основа пиреноида и СКК достаточно подробно охарактеризована на модельной зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii .
Текущая модель биофизического CCM, основанная на пиреноиде [34] [35], рассматривает активный транспорт бикарбоната из внеклеточной среды в окрестности RuBisCO через транспортеры на плазматической мембране , мембране хлоропласта и мембранах тилакоидов . Считается , что карбоангидразы в периплазме, а также в цитоплазме и строме хлоропластов способствуют поддержанию внутриклеточного пула растворенного неорганического углерода, главным образом в форме бикарбоната. Считается, что этот бикарбонат затем закачивается в просвет транспиреноидных тилакоидов, где, как предполагается, резидентная карбоангидраза преобразует бикарбонат в CO 2 и насыщает RuBisCO карбоксилирующим субстратом. Вполне вероятно, что разные группы водорослей развили разные типы CCM, но обычно считается, что водорослевый CCM состоит из комбинации карбоангидраз, неорганических переносчиков углерода и некоторого компартмента для упаковки RuBisCO.
Пиреноиды представляют собой высокопластичные структуры, и степень упаковки РубисКО коррелирует с состоянием индукции ККМ. У Chlamydomonas , когда CCM репрессируется, например, когда клетки содержатся в среде, богатой CO 2 , пиреноид мал и матрикс неструктурирован. [36] У динофлагеллят Gonyaulax локализация RuBisCO в пиреноиде находится под циркадным контролем: когда клетки фотосинтетически активны в течение дня, RuBisCO собирается в несколько хлоропластов в центре клеток; ночью эти структуры исчезают. [37]
Водорослевой CCM индуцируем, и индукция CCM обычно является результатом условий с низким содержанием CO 2 . Индукция и регуляция CCM Chlamydomonas недавно была изучена с помощью транскриптомного анализа, показавшего, что один из трех генов подвергается повышающей или понижающейся регуляции в ответ на изменение уровня CO 2 в окружающей среде. [38] Обнаружение CO 2 у хламидомонады включает в себя «главный переключатель», который был открыт совместно двумя лабораториями. [39] [40] Этот ген, Cia5/Ccm1, влияет на более чем 1000 генов, реагирующих на CO 2 [41] , а также обусловливает степень упаковки RuBisCO в пиреноиде.
CCM индуцируется только в периоды низких уровней CO 2 , и именно существование этих триггерных уровней CO 2 , ниже которых индуцируются CCM, заставило исследователей размышлять о вероятном времени возникновения таких механизмов, как пиреноид.
Существует несколько гипотез происхождения пиреноидов. С появлением крупной наземной флоры после колонизации суши предками харофитовых водорослей уровень CO 2 резко упал с одновременным увеличением концентрации O 2 в атмосфере. Было высказано предположение, что это резкое падение уровня CO 2 послужило эволюционным драйвером развития CCM и, таким образом, привело к появлению пиреноидов [42], гарантируя, что скорость поступления CO 2 не станет ограничивающим фактором для фотосинтеза у животных. перед лицом снижения уровня CO 2 в атмосфере .
Однако были предложены альтернативные гипотезы. Прогнозы прошлых уровней CO 2 предполагают, что ранее они могли падать так же резко низко, как и во время распространения наземных растений: примерно 300 млн лет назад в протерозойскую эру . [43] В этом случае, возможно, имело место подобное эволюционное давление, которое привело к развитию пиреноидов, хотя в этом случае пиреноид или пиреноидоподобная структура могла развиться и затем была потеряна в виде уровней CO 2 . роза, только для того, чтобы быть полученной или вновь развитой в период колонизации суши растениями. У роголистников были обнаружены доказательства многократного прироста и исчезновения пиреноидов за относительно короткие геологические промежутки времени. [2]
Пиреноиды обнаруживаются в линиях водорослей [1] независимо от того, был ли хлоропласт унаследован от одного эндосимбиотического события (например, у зеленых и красных водорослей , но не у глаукофитов ) или от нескольких эндосимбиотических событий ( диатомовые водоросли , динофлагелляты , кокколитофоры , криптофиты , хлорарахниофиты и эвгленозоа ). Некоторые группы водорослей, однако, вообще лишены пиреноидов: «высшие» красные водоросли и экстремофильные красные водоросли , зеленые водоросли родов Chloromonas и Mougeotiopsis , [44] и « золотые водоросли ». Пиреноиды обычно считаются плохими таксономическими маркерами и, возможно, много раз развивались независимо. [45]