Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54694 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике Pathways of inorganic carbon metabolism in cyanobacteria Пути фиксации неорганического углерода у цианобактерий Геворгиз Р Г Gevorgiz R G r.gevorgiz@yandex.ru Лелеков А С Lelekov A S ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН» ru A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS ru ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН» ru A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS ru 25 12 2021 25 12 2021 6 4 576 579 20 12 2021 20 12 2021 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54694/view

В работе рассматриваются механизмы ассимиляции, фиксации и утилизации неорганических форм углерода клетками цианобактерий. Источниками углерода являются углекислый газ, который в зависимости от величины рН может находиться в форме СО2, гидрокарбонат-ионов НСО3- или карбонат-ионов СО32-. Углекислый газ и гидрокарбонат-ионы являются источниками неорганического углерода для микроводорослей. Поэтому именно доступность углерода в той или иной форме может выступать в роли лимитирующего рост фактора. На сегодняшний день достаточно подробно исследован СО2-концентрирующий механизм в клетках микроводорослей и цианобактерий, благодаря которому максимальные скорости фотосинтетического выделения кислорода при низких и высоких концентрациях СО2 одинаковые. Эффективность использования внутриклеточного углерода повышается за счёт наличия внутриклеточного пула, в котором углерод представлено в форме гидрокарбонат-ионов, и снижения потерь СО2 из-за диффузионных процессов. В литературе приводятся описания СО2-концентрирующего механизма для разных видов микроводорослей. Большая часть исследований СО2-КМ выполнено на эукариотических клетках, у которых внутриклеточный пул углерода может находиться и в цитоплазме, и в строме хлоропласта. Также описан СО2-КМ для цианопрокариот, у которых, согласно, в цитоплазме карбоангидраза не обнаружена. На основе современных представлений о СО2-КМ для спирулины A. platensis предложена обобщённая схема, которая описывает основные пути метаболизма неорганического углерода.

The paper considers the mechanisms of assimilation, fixation and utilization of inorganic forms of carbon by cyanobacteria cells. Carbon sources are carbon dioxide, which, depending on the pH value, can be in the form of CO2, bicarbonate ions HCO3- or carbonate ions CO32-. Carbon dioxide and bicarbonate ions are sources of inorganic carbon for microalgae. Therefore, it is the availability of carbon in one form or another that can act as a limiting factor for growth. To date, the CO2-concentrating mechanism in the cells of microalgae and cyanobacteria has been studied in sufficient detail, due to which the maximum rates of photosynthetic oxygen release at low and high concentrations of CO2 are the same. The efficiency of using intracellular carbon is increased due to the presence of an intracellular pool in which carbon is represented in the form of bicarbonate ions, and the reduction of CO2 losses due to diffusion processes. The literature describes the CO2-concentrating mechanism for different types of microalgae. Most of the studies of CO2-CM were performed on eukaryotic cells, in which the intracellular pool of carbon can be located both in the cytoplasm and in the stroma of the chloroplast. CO2-CM is also described for cyanoprokaryotes, in which, according to, carbonic anhydrase is not detected in the cytoplasm. On the basis of modern concepts of CO2-CM for A. platensis, a generalized scheme is proposed that describes the main pathways of inorganic carbon metabolism.

 спирулина углекислый газ гидрокарбонат-ион карбонат-ион ассимиляция углерод-концентрирующий механизм spirulina carbon dioxide bicarbonate ion carbonate ion assimilation carbon-concentrating mechanism Работа выполнена в рамках госзадания по теме НИР ФИЦ ИнБЮМ № гос. регистрации 121030300149-0.

Егоров В.Н., Поповичев В.Н., Гулин С.Б. и др. Влияние первичной продукции фитопланктона на оборот биогенных элементов в прибрежной акватории Севастополя (Чёрное море). Биология моря, 2018, т. 44, № 3, с. 207-214. @@Egorov V.N., Popovichev V.N., Gulin S.B. et al. The influence of primary phytoplankton production on the turnover of biogenic elements in the coastal water area of Sevastopol (the Black Sea). Marine biology, 2018, vol. 44, no. 3, pp. 207-214. (In Russ.) Egorov V.N., Popovichev V.N., Gulin S.B. i dr. Vliyanie pervichnoy produkcii fitoplanktona na oborot biogennyh elementov v pribrezhnoy akvatorii Sevastopolya (Chernoe more). Biologiya morya, 2018, t. 44, № 3, s. 207-214. @@Egorov V.N., Popovichev V.N., Gulin S.B. et al. The influence of primary phytoplankton production on the turnover of biogenic elements in the coastal water area of Sevastopol (the Black Sea). Marine biology, 2018, vol. 44, no. 3, pp. 207-214. (In Russ.) Железнова С.Н. Продукционные характеристики морской диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin в интенсивной культуре при различных источниках азота в питательной среде. Морской биологический журнал, 2019, т. 4, № 1, с. 33-44. doi: 10.21072/mbj.2019.04.1.04 @@Zheleznova S.N. Production characteristics of the marine diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Rayman net Levin in intensive culture with various sources of nitrogen in the nutrient medium. Marine biological journal, 2019, vol. 4, no. 1, pp. 33-44. (In Russ.) doi: 10.21072/mbj.2019.04.1.04 Zheleznova S.N. Produkcionnye harakteristiki morskoy diatomovoy vodorosli Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin v intensivnoy kul'ture pri razlichnyh istochnikah azota v pitatel'noy srede. Morskoy biologicheskiy zhurnal, 2019, t. 4, № 1, s. 33-44. doi: 10.21072/mbj.2019.04.1.04 @@Zheleznova S.N. Production characteristics of the marine diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Rayman net Levin in intensive culture with various sources of nitrogen in the nutrient medium. Marine biological journal, 2019, vol. 4, no. 1, pp. 33-44. (In Russ.) doi: 10.21072/mbj.2019.04.1.04 Кожемяка А.Б. Зависимость концентрации органического вещества в клетке от её объёма для черноморских видов Bacillariophyta. Морський екологічний журнал, 2014, т. XIII, № 1, c. 35-43. @@Kozhemyaka A.B. The dependence of the concentration of organic matter in the cell on its volume for the Black Sea species of Bacillariophyta. Morsky ekologichny zhurnal, 2014, vol. XIII, no. 1, pp. 35-43. (In Russ.) Kozhemyaka A.B. Zavisimost' koncentracii organicheskogo veschestva v kletke ot ee ob'ema dlya chernomorskih vidov Bacillariophyta. Mors'kiy ekologіchniy zhurnal, 2014, t. XIII, № 1, c. 35-43. @@Kozhemyaka A.B. The dependence of the concentration of organic matter in the cell on its volume for the Black Sea species of Bacillariophyta. Morsky ekologichny zhurnal, 2014, vol. XIII, no. 1, pp. 35-43. (In Russ.) Пронина Н.А. Организация и физиологическая роль СО2-концентрирующего механизма. Физиология растений, 2000, т. 47, № 5, c. 801-810. @@Pronina N.A. Organization and physiological role of the CO2-concentrating mechanism. Plant physiology, 2000, vol. 47, no. 5, pp. 801-810. (In Russ.) Pronina N.A. Organizaciya i fiziologicheskaya rol' SO2-koncentriruyuschego mehanizma. Fiziologiya rasteniy, 2000, t. 47, № 5, c. 801-810. @@Pronina N.A. Organization and physiological role of the CO2-concentrating mechanism. Plant physiology, 2000, vol. 47, no. 5, pp. 801-810. (In Russ.) Стуколова И.В., Тренкеншу Р.П Основные типы питания водорослей (краткий глоссарий). Вопросы современной альгологии, 2020, № 1 (22), c. 34-38. doi: 10.33624/2311-0147-2020-1(22)-34-38 @@Stukolova I.V., Trenkenshu R.P. The main types of algae nutrition (a brief glossary). Questions of modern algology, 2020, no. 1 (22), pp. 34-38. (In Russ.) doi: 10.33624/2311-0147-2020-1(22)-34-38 Stukolova I.V., Trenkenshu R.P Osnovnye tipy pitaniya vodorosley (kratkiy glossariy). Voprosy sovremennoy al'gologii, 2020, № 1 (22), c. 34-38. doi: 10.33624/2311-0147-2020-1(22)-34-38 @@Stukolova I.V., Trenkenshu R.P. The main types of algae nutrition (a brief glossary). Questions of modern algology, 2020, no. 1 (22), pp. 34-38. (In Russ.) doi: 10.33624/2311-0147-2020-1(22)-34-38 Тренкеншу Р.П., Жондарева Я.Д. Кинетика симпорта органических форм биогенов у микроводорослей. Морские биологические исследования: достижения и перспективы. Севастополь: Экоси-гидрофизика, 2018, т. 3, c. 452-455. @@Trenkenshu R.P., Zhondareva Ya.D. Kinetics of import of organic forms of biogens from microalgae. Marine biological research: achievements and prospects. Sevastopol: Ekosi-hydrophysics, 2018, vol. 3, pp. 452-455. (In Russ.) Trenkenshu R.P., Zhondareva Ya.D. Kinetika simporta organicheskih form biogenov u mikrovodorosley. Morskie biologicheskie issledovaniya: dostizheniya i perspektivy. Sevastopol': Ekosi-gidrofizika, 2018, t. 3, c. 452-455. @@Trenkenshu R.P., Zhondareva Ya.D. Kinetics of import of organic forms of biogens from microalgae. Marine biological research: achievements and prospects. Sevastopol: Ekosi-hydrophysics, 2018, vol. 3, pp. 452-455. (In Russ.) Zarrouk C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee. Influence de divers physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina maxima: Paris: Ph.D. thesis, 1966, 138 p. Zarrouk C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee. Influence de divers physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina maxima: Paris: Ph.D. thesis, 1966, 138 p. Price G.D., Badger M.R., Woodger F.J., Long B.M. Advances in understanding the cyanobacterial CO2-concentrating-mechanism (CCM): functional components, Ci transporters, diversity, genetic regulation and prospects for engineering into plants. J. Exp. Bot., 2008, vol. 59, no. 7, pp. 1441-1461. doi: 10.1093/jxb/erm112 Price G.D., Badger M.R., Woodger F.J., Long B.M. Advances in understanding the cyanobacterial CO2-concentrating-mechanism (CCM): functional components, Ci transporters, diversity, genetic regulation and prospects for engineering into plants. J. Exp. Bot., 2008, vol. 59, no. 7, pp. 1441-1461. doi: 10.1093/jxb/erm112 Losh J.L., Young J.N., Morel F.M.Rubisco is a small fraction of total protein in marine phytoplankton. New Phytol, 2013, vol. 198, pp. 52-58. Losh J.L., Young J.N., Morel F.M.Rubisco is a small fraction of total protein in marine phytoplankton. New Phytol, 2013, vol. 198, pp. 52-58. Raven J.A., Beardall J. Dark respiration and organic carbon loss / In: Borowitzka M.A., Beardall J., Raven J., Beardall J. The physiology of microalgae. Springer, 2016, pp. 129-140. Raven J.A., Beardall J. Dark respiration and organic carbon loss / In: Borowitzka M.A., Beardall J., Raven J., Beardall J. The physiology of microalgae. Springer, 2016, pp. 129-140. Самылина О.С. Углерод-концентрирующий механизм как компонент адаптации экстремально натронофильной цианобактерии Euhalothece natronophila к существованию в содовых озёрах: автореф. дис. канд. биол. наук. М., 2008, 24 с. @@Samylina O.S. Carbon-concentrating mechanism as a component of adaptation of the extremely natronophilic cyanobacterium Euhalothece natronophila to existence in soda lakes: abstract of the dissertation of the candidate. biol. nauk. M., 2008, 24 p. (In Russ.) Samylina O.S. Uglerod-koncentriruyuschiy mehanizm kak komponent adaptacii ekstremal'no natronofil'noy cianobakterii Euhalothece natronophila k suschestvovaniyu v sodovyh ozerah: avtoref. dis. kand. biol. nauk. M., 2008, 24 s. @@Samylina O.S. Carbon-concentrating mechanism as a component of adaptation of the extremely natronophilic cyanobacterium Euhalothece natronophila to existence in soda lakes: abstract of the dissertation of the candidate. biol. nauk. M., 2008, 24 p. (In Russ.) Janson Ch., Northen T. Calcifying cyanobacteria - the potential of biomineralization for carbon capture and storage. Curr. Op. Biotech, 2010, vol. 21, pp. 365-371. Janson Ch., Northen T. Calcifying cyanobacteria - the potential of biomineralization for carbon capture and storage. Curr. Op. Biotech, 2010, vol. 21, pp. 365-371. Price G.D. Inorganic carbon transporters of the cyanobacterial CO2 concentrating mechanism. Photosynth. Res, 2011, vol. 109, pp. 47-57. doi: 10.1007/s11120-010-9608-y Price G.D. Inorganic carbon transporters of the cyanobacterial CO2 concentrating mechanism. Photosynth. Res, 2011, vol. 109, pp. 47-57. doi: 10.1007/s11120-010-9608-y