Микоспорин-подобные аминокислоты (МАК) – это специфические низкомолекулярные вторичные метаболиты, синтезируемые рядом растений, грибов и цианобактерий. С химической точки зрения эти вещества представляют собой производные микоспоринов, содержащие аминоциклогексеноновое или аминоциклогексиминовое кольцо, к которому присоединены остатки аминокислот или аминоспиртов. Большая часть МАК несет остаток глицина в положении С3 циклогексиминового кольца и вторую аминокислоту или аминоспирт в положении С1. Иногда глицин заменяется амином или метиламином. Известны гликозилированные МАК, несущие до 8 углеводных остатков, а также сульфатированные МАК [1,2].
Микоспорин-подобные аминокислоты присутствуют в клетках цианобактерий, многих микроводорослей, грибов, морских макроводорослей и некоторых беспозвоночных (коралловые полипы). Особенно эти вещества распространены у морских одноклеточных организмов (микроводоросли, цианобактерии) [1,3]. Среди водорослей-макрофитов присутствие в клетках МАК является отличительной чертой представителей отд. Rhodophyta (красные водоросли). Биосинтез МАК, в настоящее время, исследован лишь в общих чертах; основными объектами для выявления молекулярных механизмов этого процесса служат цианобактерии [4-6]. По-видимому, непосредственным метаболическим предшественником МАК является 4-дезоксигадузол. После присоединения глицина к 4-дезоксигадузолу образуется «базовая» МАК, стоящая в центре метаболизма этих соединений – микоспорин-глицин. Большая часть остальных МАК формируется из микоспорин-глицина, путем присоединения к нему остатков других аминокислот (глутаминовая кислота, валин, серин, глицин, треонин) и последующих модификаций (декарбоксилирование, деметилирование, сульфатирование и др.) [2].
Микоспорин-подобные аминокислоты попали в поле зрения исследователей сравнительно недавно, с 1960-х годов, в основном, в связи с их уникальным свойством – все эти соединения поглощают УФ-излучение в диапазоне 309-365 нм, имеют очень высокие молярные коэффициенты экстинкции (от 28 000 до 50 000) и при этом являются фотостабильными [3,7]. Таким образом, молекулы МАК представляют собой природные высокоэффективные «фильтры» УФ-излучения. Эта особенность вызвала широкий интерес к возможным путям прикладного использования данной группы соединений в области медицины, косметологии и др. [2,8]. Однако, в области фундаментальных исследований метаболизма и физиологических функций МАК в клетках водорослей остается много вопросов. В целом, анализ литературы, посвященной МАК, показывает наличие нескольких значительных пробелов: 1) Исследования сосредоточены на одноклеточных организмах, в то время как красные макроводоросли изучены значительно менее подробно; 2) Несмотря на то, что МАК очевидно являются полифункциональными метаболитами, детально исследуется только их фотозащитная функция; 3) Практически все исследования выполняются без учета связи метаболизма МАК с другими биохимическими процессами, происходящими в клетках водорослей. Последний пункт представляется особенно важным. Безусловно, никакие вещества, входящие в состав живых клеток, нельзя рассматривать изолированно, в отрыве от их биохимического окружения, от соединений, связанных с ними метаболически и/или являющихся их функциональными аналогами. Данные по содержанию МАК в водорослях должны сопровождаться информацией о содержании первичных метаболитов (особенно, задействованных в процессах биосинтеза МАК), других вторичных метаболитов (в частности, специфических для красных водорослей), белков, активных форм кислорода и антиоксидантов. Только в этом случае можно будет получить целостную картину вклада МАК в рост и развитие водорослей как на клеточном, так и на организменном уровне. На решение этого вопроса направлен данный проект.
В настоящее время в мире наблюдается значительный рост интереса к специфическим веществам, синтезируемым морскими организмами, особенно водорослями и беспозвоночными животными. Результаты подобных исследований имеют высокую научную ценность в том числе и потому, что они формируют фундаментальную базу для эффективного и безопасного практического использования данного биологического ресурса. Данный проект посвящен исследованиям метаболизма и физиологических функций микоспорин-подобных аминокислот (МАК) – уникальных соединений, синтезируемых клетками морских красных водорослей. В работе было использовано 20 видов красных водорослей Арктического региона России, треть из которых была детально исследована впервые.
В работе показано, что постоянными элементами «биохимического окружения» МАК в клетках исследованных красных водорослей являются: высокое содержание свободных аминокислот, задействованных в метаболизме МАК, высокий уровень экспрессии белков, ассоциированных с метаболизмом аминокислот, а также относительно высокое содержание органических кислот и пероксида водорода. У некоторых водорослей определенные группы МАК неравномерно распределены по таллому и накапливаются в верхушках талломов – зоне, содержащей активно делящиеся клетки.
1. МАК не являются обязательными метаболитами красных водорослей, но встречаются достаточно часто (примерно половина из исследованных видов содержала МАК). Всего в разных видах водорослей было идентифицировано 19 разновидностей МАК: шинорин, порфира-334, микоспорин-глицин, астерина-330, палитен и др. Доминирующими типами МАК были порфира-334, шинорин, палитен (и его цис-изомер усуджирен), палитинол, микоспорин-глицин, микоспорин-2-глицин, палитин и астерина-330. Также были обнаружены редкие МАК, такие как палитин-серин, палитин-треонин-сульфат, микоспорин-таурин и катенеллин.
2. Подробный скрининг химического состава красных водорослей показал, что все рассмотренные виды можно отнести одному из трех типичных профилей, условно обозначенных как анфельциевый, гигартиновый и церамиевый. При этом таксономическая принадлежность водоросли не всегда определяет то, каким будет ее биохимический состав, так как один и тот же метаболитный профиль может встречаться у видов, относящихся к разным порядкам и даже подклассам. Для профиля анфельциевого типа характерно высокое содержание сахаров, сахароспиртов и гетерозидов, метаболитов липидного обмена, а также альфа-токоферола и некоторых аминокислот. Биохимическими маркерами профиля гигартинового типа являются такие соединения, как сахароза, сорбоза, янтарный полуальдегид и аспарагин. Также этим водорослям свойственно высокое содержание серы на фоне относительно низкого уровня других макроэлементов. Для профиля церамиевого типа характерно относительно низкое содержание и разнообразие сахаров, но высокое содержание аминокислот, органических кислот, фенольных соединений, фотосинтетических пигментов, а также большинства макроэлементов (калий, фосфор и др.). Биохимическими маркерами могут являться глутамин, лизин, орнитин, п-кумаровая, яблочная и трикарбаллиловая кислоты.
3. У некоторых водорослей (в частности, P. palmata и C. purpureum) МАК неравномерно распределены по таллому и накапливаются в зоне, содержащей меристематические клетки.
4. МАК, являющиеся производными шинорина, задействованы в процессе адаптации красных водорослей к повышению солености воды. При этом, водоросли, не синтезирующие МАК, по-видимому, используют сходные механизмы адаптации с участием других непротеиногенных аминокислот. Адаптация водорослей к закислению воды, напротив, происходит без участия МАК или других непротеиногенных аминокислот, а основана на стимулировании процессов первичного метаболизма, в частности фотосинтеза, вследствие рН-зависимого изменения баланса углерода в морской воде. Устойчивость водорослей к изменению исследованных гидрохимических параметров определяется, в первую очередь, особенностями экологии видов.
5. Способность синтезировать и накапливать МАК не является характеристикой, присущей только водорослям строго определенной таксономической группы или видам с определенным биохимическим профилем, хотя большинство продуцентов МАК имеют «церамиевый» профиль метаболитов. Постоянными элементами биохимического окружения МАК в клетках исследованных красных водорослей являются: значительная обводненность талломов, относительно высокое содержание белка и свободных аминокислот (глицин, треонин, глутаминовая кислота), задействованных в метаболизме МАК, высокий уровень экспрессии белков, ассоциированных с метаболизмом аминокислот, относительно низкое общее содержание углеводов, а также тенденция к поддержанию высокого фонового уровня содержания пероксида водорода в клетках при относительно низком содержании аскорбиновой кислоты.
6. По-видимому, накопление МАК в клетках красных водорослей является показателем высокой метаболической активности и интенсивного протекания биосинтетических процессов. Об этом свидетельствует повышенное содержание этих метаболитов в меристематических клетках и в водорослях, адаптирующихся к гиперосмотическому стрессу за счет стимулирования фотосинтетических процессов и накопления осмолитов.
Тараховская Елена Роллановна (руководитель проекта), доцент СПбГУ – общее руководство проектом, координация работы научного коллектива, сбор растительного материала, обработка и анализ полученных данных, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка публикаций и докладов на конференциях.
Гулк Екатерина Игоревна, студентка СПбГУ – постановка экспериментов, работа с литературой по теме проекта, подготовка докладов на конференциях;
Замяткина Елизавета Борисовна, студентка СПбГУ – постановка экспериментов, подготовка докладов на конференциях;
Зуй Екатерина Сергеевна, студентка СПбГУ – сбор растительного материала, постановка экспериментов, подготовка докладов на конференциях;
Исламова Рената Тагировна, студентка СПбГУ – сбор растительного материала, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка докладов на конференциях;
Лемешева Валерия Сергеевна, аспирант СПбГУ – постановка экспериментов, обработка и анализ полученных данных, работа с литературой по теме проекта, подготовка публикаций и докладов на конференциях;
Яньшин Николай Адександрович, студент СПбГУ – сбор растительного материала, обработка и анализ полученных данных, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка публикаций и докладов на конференциях.
| Акроним | RFBR_a_2020 - 3 |
|---|
| Статус | Завершено |
|---|
| Эффективные даты начала/конца | 24/03/22 → 28/12/22 |
|---|
