CC BY
56
2004
Известия ТИНРО
Том 137
УДК 581.134.3
Р.А.Бурцева, С.А.Корепина, Л.Н.Пономарева (Дальневосточный государственный университет, г. Владивосток)
ОСНОВНЫЕ МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ МОРСКИХ МАКРОФИТОВ, ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ
Основные мембранные липиды морских макрофитов представлены фосфо-и гликолипидами. Каждый отдел и даже класс водорослей имеет характерные особенности липидного состава. Зеленые макрофиты отличаются высоким уровнем фосфатидилглицерина (ФГ) и синтезируют фосфатидилсерин (ФС) и бетаи-новый липид — диацилглицеротриметилгомосерин (ДГТС) — в отличие от бурых и красных. Высоким содержанием фосфатидилхолина (ФХ) и низким фос-фадидилэтаноламина (ФЭ) характеризуются красные водоросли. В бурых водорослях (класс Cyclosporophyceae) доля ФЭ в составе фосфолипидов наибольшая. В пределах таллома Laminaria japonica распределение фосфолипидов неодинаково. Отмечено увеличение количества ФХ и ФГ у основания таллома водорослей. Место обитания и степень освещенности влияют на количественное соотношение полярных липидов. Галактолипидов больше в морских растениях, чем в пресноводных. В хлоропластах Codium fragile при снижении освещения увеличивается количество сульфохиновозилдиацилглицерина (СХДГ) и фосфолипидов за исключением ФГ. Обсуждается связь этих изменений с работой комплексов фотосинтетических систем.
Burtseva R.A., Korepina C.A., Ponomareva L.N. The main membrane lipids of marine algae and their functional role // Izv. TINRO. — 2004. — Vol. 137. — P. 346-351.
Distribution of glyco- and phosphoglycerolipids of 24 seaweed species is investigated. Each division and class has distinctive peculiarities in composition of polar lipids , which high content could be considered as hemotaxonomical signs. They are phosphatidylcholine (PC) for red algae, phosphatidylethanolamine (PE) for brown algae (class Cyclosporophyceae), phosphatidylserine (PS) and diacylglyceroltrimeth-ylhomoserine (DGTS) for green algae. The phosphatidylglycerol (PG), a component of thylakoid chloroplast membranes of higher plants, is presented in high concentrations in green algae. Monogalactosyldiacylglyceride (MGDG), digalactosyldiacylglyc-eride (DGDG) and sulfoquinovosyldiacylglyceride (SQDG) are obligate glycolipids of all species. The quantitative comparing of galactolipids in marine and freshwater plants shows a decreasing of their concentration in the following line: freshwater herbs > marine algae > freshwater algae. Marine algae with macroscopic structure have tissue differentiation and different vegetative cells in different parts of the thallus. The major phospholipid of Laminaria japonica is PC , independently of its age, but it has the highest concentration in the basis of thallus.
Marine algae live in wide range of light conditions and their adaptation to these conditions goes by rebuilding of photosynthesis device. Membrane lipids form a united pigment-protein complex with photosynthesis pigments, so they could be used to estimate the algae adaptation abilities to high or low light conditions. Chloroplasts
extracted from green algae Codium fragile were used for the analysis. The algae were picked up from 10 and 2 meters depth, which were considered as "dark" and "light" conditions. In the "dark" one , the share of phospholipid complex was considerably higher; however, the content of PG was more significant in the "light" samples. The SQDG content changed according to the light conditions, as well. These peculiarities corresponded to the photophosphorelation activity of algae chloroplasts. Therefore , polar lipids have both structural and functional role in the photosynthetic membranes.
Большой интерес к липидам связан с их разнообразной биологической активностью и прямым или опосредованным участием во многих физиологических процессах. Морские макрофиты рассматриваются как перспективный источник этих соединений. В морских водорослях имеется широкий спектр структурообразующих глико- и фосфолипидов, содержащих в составе своих молекул неполярные углеводородные цепи и полярные головки различного строения. Цель настоящей работы — выявить особенности состава полярных липидов важнейших видов дальневосточных морских водорослей для изучения связи структура — биологическая функция.
Исследовано 16 видов морских макрофитов из трех отделов: Chlorophyta (Ulva fenestrata, Enteromorpha linza, Codium fragile, Cladophora stimpsonii), Phaephyta (Pelvetia wrighti, Sargassum pallidum, Laminaria cichorioides, L. japonica, Fucus evanescens, Undaria pinnatifida), Rhodophyta (Gracilaria verrucosa, Ahnfeltia tobuchiensis, Rhodomela larix, Ptilota filicina, Ceramium candoi, Ticho-carpus crinitus), которые были собраны в летний период в заливах Петра Великого (о. Попов) и Посьета (бухта Витязь) Японского моря и в зал. Мордвинова Охотского моря. Пресноводные водоросли и травы собирали в Красноармейской протоке о. Тунайча.
Хлоропласты из Codium fragile выделяли, как описано в работе С.В.Мур-заевой, В.В.Кравченко (1982). Липиды извлекали смесью хлороформ-метанол (Bligh, Dyer, 1959). Анализ проводили методом микро-ТСХ. Для разделения полярных липидов использовали системы растворителей: хлороформ—ацетон— метанол — муравьиная кислота — вода (110: 40: 20: 20: 8) — первое направление, ацетон—бензол— муравьиная кислота — вода (200: 30: 3: 10) — второе направление. Для обнаружения и идентификации липидов применяли неспецифические и специфические реагенты (Кейтс, 1975). Количество фосфолипидов определяли по содержанию фосфора (Vaskovsky et al., 1975), гликолипидов — по методу Свеннерхольма (Swennerholm, 1956).
Таксономически значимые полярные липиды макрофитов представлены фосфоглицеролипидами следующих классов — ФХ, ФЭ, ФГ, ФС*. Это структурные компоненты мембран, которые никогда не запасаются в больших количествах (до 24 % от суммы липидов). Каждый отдел макрофитов имеет характерные особенности фосфолипидного состава: Chlorophyta отличаются высоким уровнем ФГ, Phaephyta — ФЭ, Rhodophyta — ФХ. Зеленые водоросли способны синтезировать ФС, в отличие от красных и бурых, и бетаиновый липид ДГТС. Качественное разнообразие фосфолипидов касается и менее крупных таксономических подразделений макрофитов (рис. 1). Усовершенствования, внесенные в технику анализа, привели к открытию новых таксономически значимых для водорослей липидов (Khotimchenko et al., 1990).
* Здесь и далее в статье применяются следующие сокращения: ФХ — фосфати-дилхолин; ФЭ — фосфатидилэтаноламин; ФГ — фосфатидилглицерин; ДФГ — дифос-фатидилглицерин; ФС — фосфатидилсерин; ФИ — фосфатидилинозит; ФК — фосфа-тидная кислота; ДГТС — диацилглицеротриметилгомосерин; МГДГ — моногалактозил-диацилглицерин; ДГДГ — дигалактозилдиацилглицерин; СХДГ — сульфохиновозилди-ацилглицерин.
Рис. 1. Распределение таксономи-чески значимых полярных липидов в макрофитах (отдел, класс). * — прочие липиды (ФК, ФИ, ДФГ). Стандартное отклонение не превышает 0,8 %
Fig. 1. Distribution of taxonomical-ly important polar lipids in macrophytes (division, class). * — others lipids (PA , PI, DPG). Aberration was not above 0.8 %
Морские водоросли с макроскопическим строением несут признаки тканевой дифференциации, и вегетативные клетки из разных частей таллома не однотипны. Нами показано, что фосфолипиды в наибольшей степени накапливаются в нижнем участке пластинчатого слоевища Laminaria japónica независимо от возраста водоросли. Соответственно ФХ, главного фосфолипида, больше у основания таллома (рис. 2). Эти исследования могут учитываться при получении качественного биотехнологического сырья.
Рис. 2. Содержание основных фосфолипидов в разных участках талломов Laminaria japónica
Fig. 2. The content of major phospholipids in various thallom parts Laminaria japónica
Существенную группу среди полярных липидов водорослей составляют гликоглицеролипиды (до 50 % от общих липидов). Качественный состав их представлен двумя основными классами галактолипидов — МГДГ, ДГДГ — и сульфолипидом — СХДГ. Галактолипиды преобладают над сульфолипидами и составляют 70 % мембран тилакоидов (Мануильская, 1987). Для большинства видов морских водорослей нет таксономических закономерностей в распределении гликолипидов. Однако установлено, что содержание индивидуальных галактолипидов зависит от ряда экологических факторов. Сравнительное количественное определение галактолипидов в морских водорослях и других растени-
ях продемонстрировало, что по данному показателю их можно расположить в следующий ряд: пресноводные травы > морские водоросли > пресноводные водоросли (рис. 3). Особый интерес представляет отношение ДГДГ/МГДГ, поскольку известно, что данные липиды содержатся в разных фотосинтетических комплексах растений и несут определенную структурную и функциональную нагрузку. Кроме того, изменение отношения этих галактолипидов является одной из адаптивных реакций (Скороход, 1992). Результаты наших исследований свидетельствуют, что у некоторых морских водорослей по сравнению с высшими пресноводными травами и наземными растениями, это отношение больше единицы (см. таблицу).
о ft 2
0J>
0J8
13
0,4
0,5
0,1
OjQi
2J8
ljS
я
е-
£ I
■к
%
С
E
a
a 11
%% a ^з
Я ?
3 *
£
£ £ I
S--S
С &
Морские водоросли
Пресноводные водоросли травы
Рис. 3. Содержание галактолипидов в морских и пресноводных растениях Fig. 3. The content of galactolipids in marine and freshwater plants
Макрофиты растут в широком диапазоне освещенности. Свет включается в регулирование формирования мембран, в том числе через метаболизм липидов. Исследования на хлоропластах водорослей C. fragile, собранных с различных глубин (10 и 2 м), показали, что при снижении освещенности увеличивается содержание СХДГ и фосфолипидов, за исключением ФГ (рис. 4). Обнаруженные изменения коррелируют с фотофосфори-лирующей активностью хло-ропластов (Мурзаева и др., 1985). Перестройка липидных компонентов мембран хлоро-пластов могла оказать суще-
Соотношение основных галактолипидов растений Proportion between major galactolipids of plants
Растение ДГДГ/МГДГ
Морские водоросли
Rhodophyta
Tichocarpus crinitus 1,05
Ceramium kondoi 0,33
Ptilota filicina 0,43
Phaeophyta
Fucus evanescens 1,38
Pelvetia wrightii 2,60
Chlorophyta
Ulva fenestrata 0,29
Пресноводная водоросль
Enteromorpha intestinalis 0,25
Пресноводные травы
Potamogeton perfoliatus 0,50
Myriophyllum spicatum 0,58
Наземные растения*
Trifollium repens 0,60
Medicago sativa 0,62
: Литературные данные (Douse, Jayard, 1980).
ственное влияние на характер упаковки гидрофобных белков и текучесть мембран, являющуюся важным фактором регуляции реакций переноса электронов. Известно, что полярным липидам отводится существенная роль в работе фотосистем. ФГ и ФХ принимают участие в формировании реакционных центров хлоропластов и регулируют активность ФС II (Kruse et al., 2000; Simidjiev et al., 2000), СХДГ ассоциирован с ФС I (Harwood, Nichols, 1979; Harwood, 1980). Чтобы понять природу связи элементарных фотопроцессов с функциями полярных липидов в мембранах, необходимы дальнейшие исследования.
Рис. 4. Полярные липиды в хлоропластах Codium fragile, произрастающего в разных условиях освещения
Fig. 4. Polar lipids in chloroplasts Codium fragile growing in various conditions of lighting
Литература
Кейтс M. Техника липидологии. — М.: Мир, 1975. — 305 с.
Мануильская С.В. Роль липидных компонентов мембран тилакоидов в функционировании фотосинтетического аппарата и адаптации к условиям внешней среды // Физиол. и биохим. культур. раст. — 1987. — Т. 19, № 1. — С. 29-41.
Мурзаева С.В., Бурцева Р.А., Пономарева Л.Н. Полярные липиды и функциональное состояние фотосинтетических мембран зеленых макрофитов / ДВГУ. — Владивосток, 1985. — 20 с. — Деп. в ВИНИТИ, № 5014. — 20 с.
Мурзаева С.В., Кравченко В.В. Фотофосфорилирующая активность хлоропла-стов, выделенных из сифоновой зеленой водоросли Codium fragile // Физиол. раст. — 1982. — Т. 29, вып. 3. — С. 591-596.
Скороход Т.Ф. Зависимость липидов синезеленых водорослей (цианобактерий) от температурного фактора: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. — Киев, 1992. — 20 с.
Bligh E.G., Dyer W.J. A rapid method of total lipid extraction and purification // Can. J. Biochem. Physiol. — 1959. — Vol. 37, № 10. — P. 911-917.
Douse R., Jayard J. Plant galactolipids // The biochemistry of plants. — N.Y.: Acad. Press, 1980. — P. 703-740.
Harwood J.L. Sulfolipids // The biochemistry of plants. — N.Y.: Acad. Press, 1980. — P. 301-318.
Harwood J.L., Nichols R.G. The plant sulpholi pid — a major component of the sulphur cycle // Biochem. Soc. Trans. — 1979. — Vol. 7. — P. 440-447.
Khotimchenko S.V., Klochkova N.G., Vaskovsky V.E. Polar lipids of marine macrophytic algae as chemotaxonomic markers // Biochem. System. Ecol. — 1990. — Vol. 18, № 2-3. — P. 93-101.
Kruse O., Hankamer B., Konzak C. Phosphatidylglicerol is involved in the dimer-isation of photosystem II // J. Biol. Chem. — 2000. — Vol. 275, № 9. — P. 6509-6514.
Simidjev I., Stoyalova S., Amenitsch H. Self-assembly of large, ordered lamella from nonbilayer lipids and integral membrane proteins in vitro // Biochemistry. — 2000. — Vol. 97, № 4. — P. 1473-1476.
Swennerholm L. The quantitative estimation of cerebrosides in nervous tissue // Neurochemistry. — 1956. — Vol. 1, № 1. — P. 42-53.
Vaskovsky V.E., Kostetsky E.Y., Vasendin I .M. A universal reagent for phospholipid analysis // J. Chromatogr. — 1975. — Vol. 114 , № 1. — P. 129-141.
Поступила в редакцию 4.03.04 г.
