Пиреноид: как водоросли концентрируют углекислый газ

На рисунках хламидомонады, спирогиры и улотрикса в школьном учебнике внутри хлоропласта обозначено небольшое плотное тельце — пиреноид. Обычно о нём говорят одно: «вокруг пиреноида откладывается крахмал». На самом деле пиреноид — это механизм, который концентрирует углекислый газ вокруг фермента рубиско и тем самым ускоряет фотосинтез. По оценкам, в пиреноидах водорослей фиксируется около трети всего CO₂, связываемого на Земле. Разберём по порядку, зачем нужен пиреноид, как он устроен и работает и почему его пытаются перенести в сельскохозяйственные растения.

• 1. Проблема: углекислый газ в воде
• 2. Что такое пиреноид
• 3. Строение пиреноида хламидомонады
• 4. Как работает механизм концентрирования CO₂
• 5. Крахмальная обкладка
• 6. Пиреноид как жидкая капля
• 7. У кого есть пиреноиды
• 8. Пиреноид для пшеницы
• 9. Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Проблема: углекислый газ в воде

Фермент рубиско, присоединяющий CO₂ в цикле Кальвина, медленный и неразборчивый: он реагирует и с кислородом, запуская энергетически невыгодное фотодыхание (подробнее — в статье «Рубиско»). Чтобы рубиско работала эффективно, вокруг неё должно быть много CO₂.

Водорослям получить CO₂ труднее, чем наземным растениям:

• в воде газы диффундируют примерно в 10 000 раз медленнее, чем в воздухе;
• концентрация растворённого CO₂ в морской воде низкая; основная часть неорганического углерода находится в виде гидрокарбонат-ионов HCO₃⁻;
• при интенсивном фотосинтезе водоросли быстро расходуют CO₂ у своей поверхности, а pH воды повышается, и равновесие ещё больше смещается в сторону HCO₃⁻ и CO₃²⁻.

Поэтому у большинства водорослей есть механизм концентрирования CO₂: клетка активно поглощает неорганический углерод и создаёт его высокую концентрацию именно там, где находится рубиско. У многих водорослей центр этого механизма — пиреноид.

2. Что такое пиреноид

Пиреноид — немембранная структура в строме хлоропласта, в которой собрана большая часть рубиско клетки и куда доставляется CO₂. Название происходит от греческого слова «косточка (плода)»: в световой микроскоп пиреноид выглядит плотным округлым тельцем. Термин ввёл в 1882 году немецкий ботаник Фридрих Шмиц. Пиреноиды есть не у всех водорослей; у растений с пиреноидами их бывает один или несколько в каждом хлоропласте. У спирогиры в лентовидном хлоропласте много пиреноидов, у хламидомонады в чашевидном хлоропласте — один крупный.

3. Строение пиреноида хламидомонады

Лучше всего изучен пиреноид одноклеточной зелёной водоросли хламидомонады. В нём три части:

1. Матрикс — плотное скопление молекул рубиско (до 90 % рубиско клетки), связанных друг с другом белком-сшивкой EPYC1. У этого белка несколько одинаковых участков, каждый из которых связывается с малой субъединицей рубиско, поэтому он соединяет молекулы рубиско в сеть.
2. Тубулы тилакоидов — узкие трубочки, которые продолжаются из тилакоидов хлоропласта и пронизывают матрикс. По ним в пиреноид доставляется неорганический углерод.
3. Крахмальная обкладка — пластинки крахмала, окружающие матрикс снаружи.

4. Как работает механизм концентрирования CO₂

Путь углерода от воды к рубиско включает несколько шагов, и на каждом шаге работает определённый белок.

1. Поглощение. Белки-переносчики плазмалеммы закачивают ионы HCO₃⁻ из воды в цитоплазму, расходуя энергию.
2. Перенос в хлоропласт. Переносчики оболочки хлоропласта закачивают HCO₃⁻ в строму. Ион, в отличие от молекулы CO₂, не может пройти через мембрану обратно путём диффузии — он «заперт».
3. Переход в тилакоиды. HCO₃⁻ через каналы мембраны поступает в люмен тилакоидов, а по тубулам — в центр пиреноида.
4. Превращение в CO₂. В люмене тубул, внутри пиреноида, находится фермент карбоангидраза. Люмен на свету кислый (туда накачиваются протоны в световой фазе), и карбоангидраза быстро превращает HCO₃⁻ в CO₂:

   HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O

5. Фиксация. CO₂ диффундирует из тубул в окружающий матрикс, где его сразу захватывает рубиско.

Таким образом, механизм использует энергию световой фазы дважды: для работы переносчиков и для подкисления люмена, без которого карбоангидраза не превращала бы гидрокарбонат в CO₂. Концентрация CO₂ у рубиско может в десятки раз превышать концентрацию в окружающей воде, и фотодыхание почти подавлено.

Механизм концентрирования включается при недостатке CO₂. Если выращивать хламидомонаду при высокой концентрации CO₂ (например, 5 % в воздухе, которым продувают культуру), переносчики почти не синтезируются, а рубиско рассеяна по строме. Если перенести клетки в обычный воздух, за несколько часов включаются гены переносчиков и карбоангидраз, и рубиско собирается в пиреноиде.

5. Крахмальная обкладка

В учебниках пиреноид часто описывают как центр образования крахмала. Крахмал действительно откладывается вокруг пиреноида, но это не главная функция структуры. Обкладка, по-видимому, служит барьером: она замедляет утечку CO₂ из матрикса наружу, в строму, и одновременно отделяет матрикс от остальной стромы.

Опыт: мутанты хламидомонады, у которых крахмальная обкладка не образуется, при обычном содержании CO₂ растут почти нормально, но при очень низком содержании CO₂ растут хуже, а механизм концентрирования работает менее эффективно. Значит, обкладка — полезное дополнение, но главное в пиреноиде — скопление рубиско вокруг источника CO₂.

Обкладка есть не у всех пиреноидов: у диатомей и многих других водорослей вокруг пиреноида крахмала нет (они запасают другие полисахариды вне хлоропласта).

6. Пиреноид как жидкая капля

В 2017 году выяснилось, что матрикс пиреноида — не жёсткий кристалл, а жидкоподобная капля, образованная разделением фаз: рубиско и EPYC1 «выпадают» из раствора, как капли масла в воде, но молекулы внутри капли подвижны. Это показали опытами с флуоресцентной меткой: если «погасить» метку в части пиреноида лазером, свечение восстанавливается за десятки секунд — молекулы перемешиваются. При делении клетки пиреноид может растворяться в строме и снова собираться в дочерних клетках или делиться пополам.

Немембранные органоиды, образованные разделением фаз, известны и в других клетках: ядрышко, стрессовые гранулы, тельца в ядре. Пиреноид оказался одним из таких «жидких органоидов».

7. У кого есть пиреноиды

Белки-сшивки рубиско у хламидомонады и у диатомей не похожи друг на друга, хотя выполняют одну функцию. У антоцеротовых пиреноиды несколько раз появлялись и исчезали в пределах одной группы. Это говорит о том, что пиреноиды возникали в эволюции независимо много раз, — пример конвергенции. Причина понятна: в разных группах водорослей стояла одна задача — сконцентрировать CO₂ у рубиско.

8. Пиреноид для пшеницы

У пшеницы, риса и сои пиреноидов нет, и до четверти фиксированного углерода они теряют на фотодыхание. Поэтому биологи пытаются собрать пиреноид в хлоропластах наземных растений. Первые шаги сделаны: в 2020 году в хлоропластах арабидопсиса удалось получить жидкоподобные скопления рубиско, когда в растение ввели белок EPYC1 и малую субъединицу рубиско хламидомонады. Но чтобы такая капля работала как пиреноид, нужны ещё переносчики HCO₃⁻, тубулы тилакоидов с карбоангидразой и правильно расположенные карбоангидразы в строме. Работа над этим продолжается.

Повторить строение водорослей можно в тренажёре по теме 4.2, а фотосинтез — в статье «Фотосинтез: световая и темновая фазы».

9. Для олимпиад

Почему нужна именно кислая среда

В растворе гидрокарбонат и CO₂ находятся в равновесии, которое зависит от pH: при pH 8 (строма на свету) почти весь неорганический углерод — HCO₃⁻, при pH 5–6 (люмен на свету) значительная часть — CO₂. Карбоангидраза не смещает равновесие, а только ускоряет его установление. Поэтому её размещение в кислом люмене внутри пиреноида — ключ ко всему механизму: CO₂ образуется там, где нужен, и в избытке. Если бы карбоангидраза работала в щелочной строме, она превращала бы CO₂ обратно в HCO₃⁻.

Карбоксисомы цианобактерий

У цианобактерий аналогичную задачу решают карбоксисомы — белковые оболочки многогранной формы, внутри которых упакованы рубиско и карбоангидраза. HCO₃⁻ проходит через поры белковой оболочки, внутри превращается в CO₂, а оболочка замедляет утечку CO₂. Пиреноид и карбоксисома — два разных решения одной задачи: первое без оболочки (капля), второе — с белковой оболочкой.

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Почему механизм концентрирования CO₂ особенно важен для водорослей, а не для наземных растений?

Задание 2

Хламидомонаду, выращенную при 5 % CO₂, перенесли в обычный воздух (0,04 % CO₂). Что изменится в её хлоропласте через несколько часов?

Задание 3

Мутант хламидомонады не имеет карбоангидразы в люмене тилакоидов. При высоком содержании CO₂ он растёт нормально, а в обычном воздухе — плохо. Объясните.

Задание 4

Какие доказательства указывают на то, что пиреноиды возникали в эволюции независимо?

Задание 5 (олимпиадное)

Предскажите, как изменится работа механизма концентрирования CO₂ у хламидомонады, если добавить вещество, делающее мембрану тилакоидов проницаемой для протонов. Обоснуйте.

Литература

• Белякова Г. А., Дьяков Ю. Т., Тарасов К. Л. Ботаника. Т. 2. Водоросли и грибы. — М.: Академия, 2006.
• Mackinder L. C. M. et al. A repeat protein links Rubisco to form the eukaryotic carbon-concentrating organelle // PNAS. 2016. Vol. 113. P. 5958–5963.
• Freeman Rosenzweig E. S. et al. The eukaryotic CO₂-concentrating organelle is liquid-like and exhibits dynamic reorganization // Cell. 2017. Vol. 171. P. 148–162.
• Atkinson N. et al. Condensation of Rubisco into a proto-pyrenoid in higher plant chloroplasts // Nature Communications. 2020. Vol. 11. 6303.