УДК 581.1
КАРБОАНГИДРАЗА - ФЕРМЕНТ, ПРЕОБРАЗИВШИЙ БИОСФЕРУ
© 2011 г. Е. В. Куприянова, Н. А. Пронина
Учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений
 им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 07.06.2010 г.
Основы биосферы современного типа были заложены около 2 млрд. лет назад в период господства на Земле прокариот. Цианобактерии радикально изменили состав атмосферы протерозоя, насытив ее фотосинтетическим кислородом. Одновременно с этим большое количество атмосферного СО2 оказалось связанным в карбонаты в результате минерализации циано-бактериальных сообществ древности, дошедших до нас в виде слоистых известняковых отложений - строматолитов. Механизм карбонатизации цианобактерий до сих пор недостаточно изучен. Неясно, принимают ли участие в минерализации клетки физиологические процессы или наружные оболочки цианобактерий служат лишь своеобразными центрами кристаллизации и структурируют естественное осадконакопление. Нами было выдвинуто предположение, что ключевую роль в механизме биоминерализации может играть фермент карбоангидраза (КА), регулирующий равновесие форм неорганического углерода (Ci), в том числе и бикарбоната, участвующего в осаждении кальция в природе. Поскольку прокариотам свойственны механизмы внеклеточного отложения карбоната кальция, осаждение которого контролируется рН среды, представляется вероятным, что КА, локализованная в наружных слоях цианобактерий, может участвовать в стабилизации рН околоклеточного пространства и минерализации клетки. В данном обзоре объединены сведения о возможных механизмах биогенного отложения карбоната (CaCO3), рассмотрены функция КА в живой клетке и роль этого фермента в биологических процессах; приведены данные по локализации КА в цианобактериальной клетке. На основе имеющихся сведений предложена схема участия внеклеточных КА в фотосинтетической ассимиляции углерода и связи этого процесса с отложением CaCO3 при минерализации цианобактерий.

Ключевые слова: цианобактерии - минерализация - строматолиты - карбоангидраза

---------------------
Сокращения: КА - карбоангидраза(зы); ССМ - СО2-концентрирующий механизм (от carbon concentration mechanism); Сi - соединения неорганического углерода (CO2 + HСО3().
Адрес для корреспонденции: Куприянова Елена Владимировна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: ivlaanov@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Цианобактерии являются одними из древнейших организмов на нашей планете. Их возраст насчитывает около 3.8 млрд. лет. Именно во время господства прокариот около 2 млрд. лет назад, когда на Земле еще не существовало других организмов, были заложены основы биосферы современного типа [1, 2]. Древние цианобактерии превратили раннюю восстановительную атмосферу в кислородную, связав большое количество СО2 в карбонаты в виде слоистых известняковых отложений - строматолитов, и выделяя О2 как продукт фотосинтеза. Именно эти события дали возможность развития эволюции в известном нам направлении. На настоящее время организация и работа фотосинтетического аппарата, насытившего в эпоху протерозоя атмосферу кислородом, хорошо изучена. Благодаря появлению кислорода в атмосфере возник озоновый слой, преграждающий путь ультрафиолету. Все это дало возможность появлению высокоорганизованных эукариот, использующих энергетически более выгодный процесс кислородного дыхания вместо анаэробного брожения, выхода жизни на сушу и появления всех основных групп известных ныне животных и растений. Вместе с тем, второе значимое звено - а именно глобальный сток CO2 в докембрии - изучен гораздо слабее. До сих пор нет единого мнения о механизмах, по которым он мог происходить. У живых организмов равновесие форм неорганического углерода (Сi) устанавливается с помощью фермента карбоангидразы (КА), которая катализирует ряд важных процессов - от фотосинтетической ассимиляции Сi автотрофами до выброса CO2 при клеточном дыхании. Таким образом, этот фермент связывает между собой циклы неорганического и органического углерода. Среди биологических процессов, в осуществлении которых КА принимает участие, имеются и такие, которые идут с отложением карбоната кальция. Такие примеры хорошо известны для многих эукариотических водорослей, протист, а также для животных организмов [3]. Представляется вероятным, что активность КА могла способствовать минерализации циано-бактериальных сообществ древности и образованию строматолитов. Чтобы оценить возможность такого участия, необходимо представить ту биологическую функцию, которую могла выполнять КА в циано(бактериальных сообществах протерозоя.

РОЛЬ ПРОКАРИОТ В СТАНОВЛЕНИИ БИОСФЕРЫ

По последним оценкам, возраст нашей планеты составляет около 4.6 млрд. лет. Ранняя атмосфера Земли, образовавшаяся в архее в результате дегазации магмы, была восстановительной. В то время она состояла из паров воды, большого количества СО2 и других газов, таких как метан, азот, окись углерода и др. По некоторым оценкам, содержание СО2 в то время достигало примерно 80% [4, c. 273, 286].
Примерно 3.9 млрд. лет назад температура Земли опустилась до отметки ниже 100°С. Водяной пар, содержащийся в воздухе, стал конденсироваться, постепенно образуя океаны. Именно появление толщ воды дало возможность формированию осадочных пород и ведению геологической летописи нашей планеты.
Тайна появления жизни на Земле по сей день остается неразгаданной. Все имеющиеся на настоящее время теории абиогенеза - происхождения живого из неживого - имеют свои недостатки. Концепция панспермии, в свою очередь, также не отвечает на вопрос о происхождении жизни, но уже вне земных условий.
Так или иначе, в древнейших из известных на Земле осадочных породах, возраст которых составляет 3.8 млрд. лет, обнаруживают остатки первых прокариот [5, с. 75]. Прокариоты безраздельно господствовали на нашей планете в течение 2 млрд. лет, что составляет больше половины от истории жизни на Земле в целом. При этом они формировали сообщества, так называемые циано(бактериальные маты, состоящие соответственно из цианобактерий и бактерий. Считается, что расцвет прокариот случился после "изобретения" цианобактериями примерно 3.5 млрд. лет назад оксигенного фотосинтеза, использующего в качестве источника электрона воду [6], но поскольку вода - очень доступный субстрат, это и дало возможность такой широкой экспансии.
Именно в период господства на Земле прокариот огромное количество СО2, находящегося в ранней атмосфере, оказывается связанными в виде строматолитов - слоистых отложений, состоящих в основном из карбоната кальция [1]. Древние строматолиты, обнаруживаемые в наши дни в разных уголках Земли, возраст которых составляет от 3.5 млрд. лет, разделяют по составу и происхождению [7, c. 1(4]. Все они представляют собой окаменевшие циано-бактериальные сообщества. Одновременно со стоком СО2, фотосинтетический кислород, выделявшийся в результате жизнедеятельности цианобактерий, постепенно насыщал атмосферу. Примерно 2 млрд. лет назад уровень его содержания достиг 1% от современного, что считается началом атмосферы нового, окислительного типа. К середине протерозоя (1.7(1.8 млрд. лет назад) "кислородная революция" в целом завершилась, и атмосфера Земли стала аэробной [1, 2]. Этот глобальный процесс затронул перестройку всей геосферно(биосферной системы Земли. Но именно эти события дали возможность эволюции развиваться по тому сценарию, который нам сегодня известен. С появлением кислорода в атмосфере стало возможно использовать энергетически более выгодный процесс кислородного дыхания вместо анаэробного брожения и получать 38 молекул АТФ вместо двух из одной молекулы глюкозы. Одновременно возник озоновый слой, преграждающий путь ультрафиолету. Все это дало возможность появлению высокоорганизованных эукариот, выходу жизни 470 млн. лет назад на сушу и появлению всех основных групп известных ныне животных и растений [5, c. 79].

РЕЛИКТОВЫЕ МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА

Морфология и ультраструктура циано-бактериального сообщества не претерпели существенных изменений за последние 3.5 млрд. лет. Остатки прокариот, обнаруживаемых в древних геологических пластах, с успехом можно классифицировать по современным альгологическим справочникам [1, 8]. Следовательно, изучая современные циано-бактериальные сообщества, можно составить представление о микробной биосфере протерозоя и моделировать процессы, происходящие в то время на Земле. Для этой цели особенно подходят микробные сообщества, развивающиеся в местах обитания, где отсутствуют высшие организмы. Они называются реликтовыми и считаются аналогами экосистем прошлого [1]. С появлением эукариот, последние постепенно вытеснили прокариотические сообщества в экологические ниши с экстремальными условиями обитания: соленые лагуны, гидротермы или содовые озера с высоким содержанием карбонатов и показателем рН. Основу таких сообществ обычно составляют филаментные цианобактерии - это различные виды Microcoleus, Phormidium, Mastigocladus, но имеются и одноклеточные организмы, такие как Rhabdoderma и Synechococcus [8(10].
Из цианобактерий, принадлежащих реликтовым сообществам, хорошо известен Microcoleus chthonoplastes. M. chthonoplastes - нитчатая цианобактерия, доминирующая форма алкалофильных и галофильных циано(бактериальных матов, аналогичных докембрийским [11]. Клетки M. chthonoplastes способны минерализоваться. Образование минералов кальция на наружном чехле цианобактерии хорошо документировано как на природных образцах в циано-бактериальном мате, так и подтверждено многочисленными лабораторными исследованиями [11(13].

СТРУКТУРА ЦИАНО(БАКТЕРИАЛЬНОГО СООБЩЕСТВА.
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СТРОМАТОЛИТОВ

Чтобы понять, как циано-бактериальные сообщества прошлого могли способствовать стоку СО2 из атмосферы протерозоя, необходимо обратиться к их структуре.
Сообщество прокариот, или циано-бактериальный мат, представляет собой плотный многослойный "ковер" толщиной до 2 см, основу которого составляют нитчатые или пальмеллоидные цианобактерии (рис. 1) [5, с. 83; 8]. В сообществе выделяют несколько слоев. (1) Верхний слой - поверхность роста. В нем присутствуют автотрофы-фотосинтетики, осуществляющие оксигенный фотосинтез, и гетеротрофы, представляющие собой облигатно-аэробные организмы. (2) Средний слой - подкладка. Автотрофы здесь представлены бактериями, осуществляющими некислородный фотосинтез. Гетеротрофы, обитающие в этом слое, - факультативные аэробы. (3) Нижний слой - бескислородная зона, в которой развиваются различные анаэробы. В отличие от нее, два верхних слоя называют фотической зоной мата. Поскольку именно здесь идут процессы фотосинтеза, и населяющие эту зону организмы нуждаются в свете. В целом, циано(бактериальный мат представляет собой высокоинтегрированное сообщество, где все участники объединены общей трофической структурой.
Что же представляет собой строматолит и как он формируется? В общих чертах этот механизм стал понятен после того, как в 30-х годах прошлого века у берегов Австралии были обнаружены известняковые образования, оказавшиеся современными строматолитами. Стало ясно, что их образование продолжается и в наши дни, однако представляет собой незначительный по масштабам процесс, вероятно, вследствие низкого содержания диоксида углерода в атмосфере в данную геологическую эпоху. Строматолиты (от греч. "каменный ковер") представляют собой слоистые известняковые отложения, образующиеся в результате минерализации циано-бактериального мата. В определенных условиях на полисахаридных чехлах цианобактерий начинают образовываться отдельные гранулы CaCO3. Далее минерализация затрагивает весь чехол клетки [3]. Следует отметить, что карбонатный тип минерализации характерен в основном для морских условий. В других местообитаниях возможно формирование осадков фосфата, кремнезема и т.п. [5, с. 84]. Гранулы карбоната резко ухудшают условия, необходимые для эффективного фотосинтеза. Клетки цианобактерий начинают проявлять положительный фототаксис и выползать из минеральных чехлов вверх, формируя новую поверхность роста. Осадок, оказавшийся в анаэробной зоне мата, постепенно уплотняется и наращивает верхнюю поверхность строматолита.
Механизм минерализации циано-бактериального сообщества до сих пор недостаточно изучен. Одни исследователи полагают, что в мате происходит только структурирование естественного осадконакопления [14, 15]. Другие считают, что образование CaCO3 может происходить опосредованно при активном фотосинтезе вследствие подщелачивания околоклеточного пространства [16, 17].

ВОЗМОЖНОЕ УЧАСТИЕ КАРБОАНГИДРАЗЫ В МИНЕРАЛИЗАЦИИ ЦИАНОБАКТЕРИЙ. РЕАКЦИЯ, КАТАЛИЗИРУЕМАЯ ФЕРМЕНТОМ

Нами было выдвинуто предположение о возможном участии фермента карбоангидразы (КА; карбонатгидролиаза, КФ 4.2.1.1.) в биогенном осаждении карбоната кальция и минерализации цианобактериальной клетки [18]. КА осуществляет реакцию обратимой гидратации СО2:
CO2 + H2O ( HCO3( + H+.
Наше предположение основывается на том, что фермент оперирует аналогичными формами Сi, участвующими в осаждении кальция в природе:
CO2 + H2O ( HCO3- + H+,
Ca2+ + 2HCO3- ( Ca(HCO3)2,
Ca(HCO3)2 ( CaCO3 + CO2 + H2O.
Реакция взаимопревращения СО2 и бикарбоната может происходить и неферментативно. Однако для этого требуется довольно большое время: установление равновесия занимает примерно минуту при 4°С и рН 8. Присутствие КА ускоряет реакцию во много раз. Фермент является одним из самых "быстрых" и способен катализировать примерно 106 превращений в секунду [19].
Следует отметить, что КА, катализируя реакцию взаимопревращения бикарбоната и СО2, не сдвигает равновесие в ту или иную сторону, а только ускоряет его наступление. Соотношение концентраций CO2 и HCO3( зависит от рН среды, в которой протекает реакция. Равновесие форм Сi наблюдается при рН 6.3 [20, c. 184]. При более кислых условиях оно сдвигается в сторону образования СО2, при более щелочных - в сторону образования НСО3( (рис. 2). Концентрации диоксида углерода и бикарбоната могут также быть рассчитаны по уравнению Гендерсона(Гассельбаха:
рН = 6.3 + lg([HCO3(]/[CO2]).
Однако при рН более 8 для расчетов видов Сi в среде или клетке необходимо учитывать образование карбонат-иона.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ КАРБОАНГИДРАЗЫ И ЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ

Существование КА было предсказано теоретически. Поскольку неферментативная реакция взаимопревращения СО2 и бикарбоната протекает довольно медленно, было сделано предположение, что для эффективного функционирования живых организмом необходимо наличие каталитического фактора. Поиск такого фактора был направлен на красные кровяные тельца, где бы он мог способствовать ускорению перехода бикарбоната в СО2 при газообмене в легких.
В 1933 г. КА была независимо открыта двумя исследовательскими группами [21, 22] и впервые выделена из эритроцитов животных. В 1939 г. из хлоропластов высших растений была выделена растительная КА [23]. В 1963 г. появилось первое сообщение о прокариотической КА, найденной у бактерий [24]. В 1989 г. фермент был обнаружен у архей [25].
В настоящее время не известно ни одного организма, жизнедеятельность которого протекала бы без участия КА. Фермент найден практически во всех органах и тканях высших животных и человека, выявлен у беспозвоночных, насекомых, земноводных, рыб и птиц [26]. КА найдена и у представителей всех систематических групп растений, включая водоросли и цианобактерии [27]. Присутствие КА у разнообразных прокариот, в том числе и у архей, также не вызывает сомнения [28].

КЛАССЫ КАРБОАНГИДРАЗ. МЕХАНИЗМ КАТАЛИЗА

В настоящее время все известные КА подразделяют на три основных класса: (, ( и ( [26]. Ферменты, принадлежащие к разным классам, не имеют между собой гомологии в аминокислотной последовательности. Поэтому считается, что они появились в процессе эволюции независимо друг от друга. Существование классов КА представляет собой наглядный пример так называемой конвергентной эволюции каталитической функции, когда одна и та же каталитическая реакция осуществляется разными белками. Наиболее эволюционно молодым считается (-класс КА, поскольку только он обнаруживается у млекопитающих. Более древними считаются ферменты (- и (-класса, обнаруживаемые у архей [28].
Белки, принадлежащие к разным классам КА, различаются между собой по пространственной структуре. КА (-класса представлены в основном мономерами [28, 29], (-класс включает белки с тримерной структурой [30]. Самым разнообразным по составу является (-класс: здесь можно встретить белки, имеющие структуру от димера до октамера [28, 31]. Тем не менее, существует фактор, объединяющий все КА: единая каталитическая функция, обусловленная сходной структурой активного центра у ферментов каждого класса и, как следствие, схожим механизмом катализа.
Оказалось, что практически все КА - цинк-содержащие ферменты. Исключение составляют недавно обнаруженные кадмиевые КА из морских диатомовых, которые однако активно заменяют кадмий на цинк при его появлении в окружающей среде [32]. КА имеет по одному иону Zn(II) на каждую субъединицу белка (рис. 3). Или, как в случае с красной водорослью Porphyridium purpureum, у которой мономер (-КА представлен аминокислотной последовательностью с идентичными повторами, - по одному иону цинка на каждый гомологичный повтор белка (рис. 3б) [33]. Цинк в активном центре фермента в большинстве случаев координирован тремя аминокислотными остатками и одной молекулой воды, ионизированной до гидроксид-иона. В свою очередь, последний связан водородными связями с аминокислотами, окружающими активный центр. У (- и (-КА цинк в активном центре координируется тремя гистидиновыми остатками, консервативными для каждого класса [29, 34], у (-фермента эту функцию выполняют один гистидиновый и два цистеиновых остатка [35]. Так же абсолютно консервативными являются и аминокислоты, которые формируют сеть цинк-связанного гидроксид-иона, и аминокислоты, участвующие в катализе. У некоторых (-КА роль четвертого лиганда вместо гидроксид-иона может играть остаток аспарагиновой кислоты [29]. В этом случае молекула воды все равно находится в непосредственном окружении атома цинка (рис. 3б). Еще одно исключение представляет собой единственный полностью охарактеризованный (-фермент из архебактерии Methanosarcina thermophila. Было показано, что у этой КА ион цинка в активном центре координируется не одной, а двумя молекулами воды (рис. 3г) [34].
Механизм катализа КА, который получил название "цинк-гидроксильный" в соответствии с устройством активного центра, хорошо изучен на примере (-КА [36]. Было показано, что процесс протекает в две стадии. Вначале происходит нуклеофильная "атака" СО2 на цинк-связанный гидроксид-ион в активном центре фермента "Е" и его превращение в бикарбонат:
E - Zn2+- OH( + CO2 ( E - Zn2+ - HCO3(,
E - Zn2+- HCO3( + H2O ( E - Zn2+ - H2O + HCO3(.
Вторым шагом является регенерация активной формы фермента посредством ионизации связанной с цинком молекулы воды и удаления протона из активного центра на внешний буфер "В":
E - Zn2+ - H2O ( H+ - E - Zn2+ - OH(,
H+ - E - Zn2+ - OH( + B ( E - Zn2+ - OH( + BH+.
Именно удаление протона из активного центра фермента является лимитирующей стадией всего механизма. Роль внешнего буфера играют аминокислотные остатки в активном центре фермента. Для КА (- и (-класса, строение активного центра которых, по крайней мере, в некоторых случаях, несколько отличается от (-фермента, предполагаемые схемы катализа в основных чертах сходны с "цинк-гидроксильным" механизмом [33, 34].
За последние десять с небольшим лет в литературе появились сообщения об обнаружении еще трех новых классов КА: (, (, и (. Белки, ставшие родоначальниками этих новых классов, не имели гомологии в аминокислотной последовательности с уже известными КА. В 1997 г. из морской диатомовой водоросли Thalassiosira weissflogii был выделен белок TWCA1, отнесенный к КА (-класса [37]. Структура активного центра этого фермента оказалась сходна с таковой у КА (- и (-классов, где атом цинка координируется тремя гистидиновыми остатками и молекулой воды, а его геометрия напоминала таковую у (-КА [38]. Поэтому вначале TWCA1 рассматривали как отдаленный гомолог (-КА, пренебрегая отсутствием гомологии в остальной аминокислотной последовательности. В настоящее время к (-классу относят ряд КА из морского фитопланктона [39(41] и его отдельное положение в классификации КА не вызывает сомнения.
В 2004 г. группа исследователей обнаружила КА активность у белка CsoS3, входящего в состав оболочек альфа-карбоксисом цианобактерий и хемоавтотрофных бактерий, и отнесла его к новому (-классу КА [42]. Однако спустя два года те же самые исследователи отнесли CsoS3 к подклассу (-КА на основе их структурного сходства [43].
Сообщение о КА еще одного класса, (, появилось в 2008 г., когда был открыт фермент, выделенный из морских диатомовых водорослей, использующий в активном центре кадмий из-за недостатка в морской воде цинка [32]. Структура активного центра (-КА оказалась сходна с таковой у (-фермента.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ КАРБОАНГИДРАЗ

Таким образом, к настоящему времени КА обнаружена во всех трех доменах органического мира: фермент найден у архей, эубактерий и эукариот [36]. Такое широкое распространение КА, вероятно, объясняется тем, что ее субстрат, Ci, является одним из важнейших метаболитов живой клетки, и ускорение его взаимопревращений может иметь значение для самых разнообразных процессов жизнедеятельности. Так, КА может способствовать транспорту СО2 и НСО3(, поставляя их для переносчиков Ci. Кроме того, у живых организмов существует ряд ферментов, катализирующих реакции, в которых СО2 и НСО3( являются субстратами или продуктами. КА может способствовать протеканию этих реакций, восстанавливая концентрацию СО2/НСО3( вблизи активного центра работающего фермента, либо, напротив, удаляя СО2/НСО3(-продукты [44]. Выполняя эти функции, КА принимает участие в самых разных биологических процессах.
Так, у бактерий КА участвует в ионном транспорте и хемосинтезе [28]. Хорошо изучена роль КА в деградации цианата в клетках Escherichia coli, который эта бактерия может использовать в качестве источника азота [45].
Биологическая значимость КА для животных и растительных клеток различна, что определяется различием ферментных систем, связанных с обменом СО2. В животных тканях весь метаболизм направлен на удаление СО2 из активно дышащих тканей, в то время как растения для осуществления фотосинтеза транспортируют большие количества СО2 из внешней среды в клетку [46]. Животная и растительная КА необходимы также для осуществления таких процессов, как рН-статирование, ионный транспорт и образование кальциевого скелета [36, 47]. Нарушение функциональной активности фермента может также являться причиной некоторых заболеваний у человека [48].

РОЛЬ КАРБОАНГИДРАЗ В СО2-КОНЦЕНТРИРУЮЩЕМ МЕХАНИЗМЕ

Предпосылки к возникновению СО2-концентрирующих механизмов

Для растений роль КА в регуляции фотосинтеза особенно велика. Перед растениями стоит задача накопления Сi из среды, где его концентрация достаточно мала.
Уровень атмосферной концентрации СО2 в верхнем докембрии, когда возникли первые цианобактерии, был как минимум в 100 раз выше современной. На протяжении 3.5 млрд. лет - со времени возникновения фотосинтеза - концентрация СО2 в атмосфере Земли неуклонно снижалась одновременно с повышением содержания в ней кислорода. В результате около 400 млн. лет назад возникла критическая ситуация для фотосинтетических микроорганизмов. СО2 стал лимитирующим ресурсом, а оксигеназная реакция РБФК/О приобрела статус серьезной проблемы. Таким образом, формирование механизмов, позволяющих сохранять фотосинтетическую активность, в этот период стало важным условием дальнейшего существования и развития фотосинтетиков [49]. Преодолеть проблему можно было двумя путями: 1) увеличить количество ключевого фермента фиксации СО2 - РБФК/О и ее сродство к диоксиду углерода. По этому пути пошли растения С3-типа; 2) увеличить внутриклеточную концентрацию СО2 - т.е. создать СО2-концентрирующий механизм. Этот механизм хорошо изучен для С4- и CAM-растений [46].
У С3-растений наиболее значимую роль в ассимиляции Ci играет КА, расположенная в строме хлоропластов клеток мезофилла. Фермент осуществляет перевод бикарбонат-иона, внутриклеточной формы Ci, в субстрат, доступный РБФК/О - СО2. Для С4-растений наибольшая активность КА обнаруживается в цитозоле клеток мезофилла, где она преобразует поступивший в клетку СО2 в форму НСО3(, используемую ФЕП-карбоксилазой для образования оксалоацетата [27]. Аналогичная функция КА предполагается и для ассимиляции Ci по CAM-типу метаболизма [50].
В начале 80-х гг. у водных фотосинтезирующих организмов, которые фиксируют СО2 по С3-типу метаболизма углерода (а именно, у микроводорослей и цианобактерий), был обнаружен третий тип концентрирования СО2, известный сейчас под аббревиатурой ССМ (от carbon concentration mechanism) [51(53]. Биологическое значение ССМ очень велико: было показано, что именно микроводоросли и цианобактерии обеспечивают образование примерно половины органического вещества Земли, производимого при фотосинтезе [54]. Необходимо отметить, что появление ССМ у водных фотосинтетиков спровоцировано многими факторами. Например, известно, что у этих организмов сродство РБФК/О к СО2 сохранилось очень низким даже после понижения концентрации диоксида углерода в атмосфере до современного значения. При этом сродство РБФК/О к СО2 значительно ниже, чем к О2 [46]. Кроме того, для водных организмов существует проблема диффузии СО2, которая протекает примерно в 104 раз медленнее в воде, чем в воздухе [54].

Механизм работы ССМ микроводорослей и цианобактерий

Общая схема действия ССМ была впервые предложена в 1981 г. (рис. 4) [52]. В настоящее время этот механизм достаточно хорошо изучен [46, 54(56]. ССМ представляет собой результат слаженной работы карбоангидраз и системы переносчиков соединений Сi, которые создают в районе активного сайта РБФК/О концентрацию СО2, в 1000 раз превышающую таковую в среде, окружающей клетку. КА участвует во всех стадиях ССМ (поглощение Сi, предотвращение утечки Сi из клетки, внутриклеточное преобразование форм Сi).
Внутриклеточное накопление Сi происходит за счет активного транспорта СО2 или НСО3( из внешней среды. Сi может также поступать внутрь клетки вследствие прямой диффузии СО2 и способности этого газа растворяться в клеточных мембранах. На настоящее время для клеток цианобактерий известно пять систем транспорта Ci внутрь клетки. Три из них представляют собой транспортеры HCO3(, еще две - системы облегченного переноса СО2 [54]. Для эукариотических водорослей схема транспорта Сi внутрь клетки остается гипотетической, хотя за несколько последних лет был обнаружен ряд генов потенциальных переносчиков Сi [56].
Поглощенный клеткой Ci накапливается в виде пула НСО3( в цитоплазме у цианобактерий или в цитоплазме и строме хлоропластов у эукариотических водорослей. Данная форма Ci обуславливается слабощелочным рН в этих компартментах, лежащим в районе 7.4(8.2, что позволяет существенно снизить риск спонтанных утечек CО2 [54, 57], (рис. 2).
Поскольку формы Сi, в которых он накапливается и фиксируется в клетке, различаются, возникает задача преобразования высокого пула НСО3( в СО2 для реакции карбоксилирования. Это преобразование происходит при участии КА в условиях ее тесной кооперации с РБФК/О. Последнее представляется важным в связи с тем, что внутриклеточное повышение содержания СО2 неизбежно приведет к его утечке из клетки по градиенту концентрации [46, 58]. Образование СО2 из бикарбоната химически оправдано только в кислом компартменте (рис. 2). У цианобактерий оно происходит в карбоксисомах. Эти многогранные микротельца диаметром около 120 нм были впервые обнаружены в 1956 г. в цитоплазме цианобактерии Phormidium uncinatum [59]. На настоящее время карбоксисомы найдены у некоторых хемоавтотрофов и во всех цианобактериальных клетках [60]. Эти тельца окружены белковой оболочкой, в состав которой входит КА (белки CsoSCA, СcaA или CcmM), а внутри содержат большое количество РБФК/О. Для преобразования НСО3( в молекулу СО2 для РБФК/О матрикс карбоксисом должен иметь кислый рН ниже 6.3, поскольку именно в этих условиях в равновесии форм Сi начинает преобладать диоксид углерода. Образование кислых продуктов фиксации СО2 (фосфоглицерат) может также способствовать дегидратации НСО3( [46].
Карбоксисомы подразделяются на два основных типа (( и β) в зависимости от находящейся в них формы РБФК/О (1А или 1В РБФК/О), которые различаются как по составу образующих их белков, так и по организации соответствующих генов на уровне ДНК. Цианобактериальные клетки могут содержать как (-, так и β-карбоксисомы [54]. О различии физиологических свойств обоих типов карбоксисом и об их потенциальных экологических преимуществах известно очень мало.
Функциональными аналогами карбоксисом прокариот в ССМ эукариотических микроводорослей служат пиреноиды. Пиреноиды представляют собой белковые структуры, расположенные в хлоропласте, которые содержат практически всю РБФК/О клетки [61]. Тилакоиды хлоропласта пронизывают или частично погружены в матрикс пиреноида. Для клеток Chlamydomonas reinhardtii было показано, что за преобразование внутриклеточного пула НСО3( в СО2 отвечает люменальная КА Cah3 [62], ассоциированная с ФС II [63] и локализованная преимущественно в тилакоидах пиреноида [58]. Образованная в люмене при рН на свету около 5 ед. молекула СО2 диффундирует по градиенту концентраций в матрикс пиреноида, где вступает в реакцию карбоксилирования, осуществляемую РБФК/О. Принцип тесной кооперации РБФК/О и КА в пиреноиде, так же, как и в карбоксисоме, важен для предотвращения утечки образованного диоксида углерода. Пиреноиды часто окружены крахмальным чехлом, толщина которого увеличивается в течение адаптации к низким концентрациям CO2. Считается, что он может препятствовать утечке образованного СО2 в строму. Однако для некоторых видов Chlamydomonas, не обладающих такой крахмальной обкладкой, было показано, что этот факт не препятствует эффективности их ССМ. Таким образом, функция этого чехла остается неясной [55].

УЧАСТИЕ КАРБОАНГИДРАЗЫ В БИОЛОГИЧЕСКОМ ОТЛОЖЕНИИ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ

В природе цикл Сi тесно связан с циклом кальция. Известно, что растворение и осаждение соединений кальция (в том числе, и CaCO3) контролируется рН среды. Высокие значения рН (свыше 9) приводят к удалению Са2+ из раствора. Таким образом, главной формой воздействия микроорганизмов на соединения кальция можно полагать локальные изменения рН [3, 10].
Способность хемоавтотрофных бактерий и цианобактерий к осаждению кальция сводится к тому, что сульфогруппы в гетерополисахаридах на поверхности их клеточной стенки могут служить центрами нуклеации при образовании минерала [3, 8]. Этот процесс был хорошо изучен в модельных опытах с Synechococcus. Было выдвинуто предположение, что осаждение СаСО3 происходит за счет увеличения рН околоклеточного слоя вследствие работы антипортера НСО3(/ОН( при поглощения из среды бикарбоната для обеспечения фотосинтеза. Однако наличие подобного антипортера у цианобактерий до сих пор не подтверждено. Тем не менее, аналогичные процессы подщелачивания возможны и в условиях плотных циано(бактериальных матов, где минерализация нитчатых цианобактерий составляет основу процесса минерализации всего сообщества. Особенно ярко отложение минералов показано для цианобактерии Microcoleus chthonoplastes [3, 13].
У эукариотической зеленой водоросли Halimeda карбонат кальция откладывается в межклеточном пространстве, что придает жесткость ее слоевищу [64, с. 289]. Механизм основан на увеличении рН межклеточного пространства вследствие фотосинтеза, куда из внешней среды поступают также ионы кальция и бикарбоната. Предполагается участие в этом процессе КА, высокая активность которой зарегистрирована в клетках Halimeda [3].
Еще один яркий пример отложения СаСО3 эукариотическими водорослями - морская планктонная водоросль Emiliania huxleyi. Она формирует наружный карбонатный скелет, состоящий из отдельных структурных компонентов - кокколитов. Для Emiliania характерна транс-кальцификация, при которой кокколиты образуются внутри клетки в специальных везикулах, а затем выводятся на поверхность для формирования скелета. В этом процессе также участвует фермент КА [39, 65]. Внутри кокколитовой везикулы предполагается щелочной рН, способствующий осаждению кальция. Этот процесс непосредственно связан с фотосинтезом, с которым кальцификация осуществляется в соотношении 1 : 1 [3].
КА играет важную роль и при образования кораллового скелета. Специфическое ингибирование фермента ведет к замедлению этого процесса или формированию мягкого скелета [66, 67]. Кроме того, образование карбоната, по-видимому, связано с фотосинтезом у симбиотических водорослей кораллов - зооксантелл [66].
Таким образом, механизм биологического отложения минералов кальция отличен для эу- и прокариотических клеток вследствие различий в их строении. Эукариотам, которые могут создать локальные условия с рН > 9 либо в микрокомпарментах клетки, либо в межклеточном пространстве, доступны прямые реакции биоминерализации, в то время как прокариоты воздействуют на соединения кальция во внеклеточном пространстве в биологически опосредованных реакциях [3]. Зачастую активность КА способствует этому процессу. Это дает основание предполагать, что минерализация циано-бактериальных сообществ может происходить при участии наружных форм КА у цианобактерий. Чтобы оценить возможность такой гипотезы, рассмотрим локализацию этого фермента в цианобактериальной клетке.

ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОАНГИДРАЗЫ У ЦИАНОБАКТЕРИЙ

В таблице приведены данные об охарактеризованных на настоящий момент КА цианобактерий и об их локализации внутри клетки. Данные не учитывают те литературные источники, в которых сообщается только о регистрации активности КА в гомогенате или отдельных клеточных фракциях цианобактерий. Кроме того, в базах данных NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide) имеется дополнительный ряд потенциальных генов КА, найденных после определения нуклеотидной последовательности фрагментов или полных геномов цианобактерий, и обнаруженных в них по гомологии с нуклеотидными или аминокислотными последовательностями уже известных генов и ферментов. Следует учитывать, что поскольку исследования обычно проводятся на культурах лабораторных штаммов, существует вероятность существования и других КА, например, в цианобактериях, неспособных к росту в лабораторных условиях.
Функция КА внутри цианобактериальной клетки связана с обеспечением работы ССМ (рис. 4). Для внеклеточных форм КА, локализованных во внешних слоях клетки цианобактерий, предполагается роль поставщика субстрата для переносчиков Сi, расположенных в периплазматической мембране, при фотосинтетической ассимиляции СО2 и НСО3( [28]. Кроме того, при использовании клеткой СО2 в качестве источника Ci, КА, расположенная в клеточных оболочках, может ускорять его переход в бикарбонат, тем самым удерживая поглощенный Сi внутри клетки вследствие полной нерастворимости НСО3( иона в клеточных мембранах. Наружные КА могут также принимать участие в стабилизации рН периплазматического пространства. Предполагается также роль внеклеточных КА как сенсоров уровня Ci в окружающей клетку среде. Другая возможная функция этих ферментов - предотвращение утечки СО2 из клетки путем его быстрого преобразования в НСО3( в околоклеточном пространстве, откуда он снова поглощается клеткой с помощью транспортеров [18].
Внутриклеточный пул Ci в клетках микроводорослей и цианобактерий представлен в виде формы НСО3-, что обусловлено поддержанием внутриклеточного рН в слабощелочной области даже в условиях высокого рН во внешней среде [57]. Предполагаемая роль внутриклеточных КА, расположенных в карбоксисоме, заключается в переводе накопленного НСО3- в форму, используемую РФБК/О в качестве субстрата - CO2 [54]. Тилакоидная КА Rhabdoderma lineare, по-видимому, выполняет аналогичную функцию, продуцируя дополнительное количество CO2 для реакции карбоксилирования [70]. Кроме того, этот фермент может препятствовать утечке из клетки СО2, вышедшей из карбоксисомы, переводя его в форму бикарбоната.

РОЛЬ НАРУЖНЫХ КАРБОАНГИДРАЗ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
В МИНЕРАЛИЗАЦИИ КЛЕТКИ

На основании имеющихся данных нами предложена схема, отражающая возможную роль наружных КА в отложением карбоната кальция у реликтовых цианобактерий - таких, как M. сhthonoplastes (рис. 5) [18]. Процесс минерализации может протекать опосредованно и быть следствием фотосинтетической ассимиляции Сi.
Отложение CaCO3 происходит только в тех условиях, где в воде присутствуют свободные ионы Са2+. Поэтому минерализацию клеток нельзя наблюдать в содовых озерах c рН > 9, когда весь кальций откладывается на дне в виде химически осажденного CaCO3 [10].
В морской воде с рН 7.5(8.0 весь растворенный в воде Сi присутствует, главным образом, в виде бикарбоната, который поступает через наружную мембрану клетки, вероятно, с помощью порина, и далее внутрь - при участии транспортных систем, расположенных в плазматической мембране [54]. Большинство накопленного НСО3( поступает далее в карбоксисому, где при участии карбоксисомальной КА преобразуется в форму, доступную РБФК/О - СО2. Однако СО2 может спонтанно образовываться из бикарбоната еще и в цитоплазме вследствие ее низкощелочных значений рН. Этот СО2 может "вытекать" из клетки по градиенту концентрации. Находящиеся в клеточных оболочках КА могут также препятствовать утечке СО2, ускоряя его превращение в бикарбонат, который поставляется обратно для переноса через мембраны цианобактерии внутрь клетки. Вместе с тем, масштабы этого процесса не должны быть очень велики: скорость некаталитического превращения НСО3( в СО2 довольно мала, а отсутствие КА в цитоплазме сокращает потерю Сi клеткой.
Механизм утилизации бикарбоната цианобактериальной клеткой связан с подщелачиванием околоклеточного пространства: при симпорте НСО3( и Na+ происходит последующий обмен ионов Na+ на протон из окружающей среды при участии Na+/H+-антипортера [54]. Таким образом, фотосинтетическое потребление бикарбоната, связанное с подщелачиванием околоклеточного слоя до значений рН > 9, будет приводить к образованию гранул CaCO3 на полисахаридном чехле (гликокаликсе) цианобактерий. Роль КА здесь сводится к стабилизации рН в околоклеточном пространстве и поддержанию концентрации субстрата (НСО3(), необходимого как для обеспечения фотосинтеза, так и отложения CaCO3.
Подобный механизм биогенной минерализации циано-бактериальных сообществ мог иметь место и в докембрии, при формировании толщ древних строматолитов в прибрежных зонах, наряду с хемогенным осаждением CaCO3.
Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№ 10-04-01463а) и Программой Президиума Российской академии наук "Молекулярная и клеточная биология".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Заварзин Г.А. Становление Биосферы // Вестн. РАН. 2001. T. 71. C. 988-1001.
2.Заварзин Г.А. Эволюция геосферно-биосферной системы // Природа. 2003. T. 1. C. 27-35.
3. Заварзин Г.А. Микробный геохимический цикл кальция // Микробиология. 2002. T. 71. C. 5-22.
4.Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. М.: МГУ, 2002. 560 с.
5.Еськов К.Ю. Удивительная палеонтология: история Земли и жизни на ней. М.: ЭНАС, 2008. 312 с.
6.Konhauser K. Biogeochemistry: Deepening the Early Oxygen Debate // Nature GeoSci. 2009. V. 2. P. 241-242.
7.Walter M.R. Introduction // Stromatolites / Ed. Walter M.R. Amsterdam: Elsevier, 1976. 790 p.
8.Сергеев В.Н., Герасименко Л.М., Заварзин Г.А. Протерозойская история цианобактерий и их современное состояние // Микробиология. 2002. T. 71. C. 725-740.
9. Заварзин Г.А., Герасименко Л.М., Жилина Т.Н. Циано-бактериальные сообщества гиперсоленых лагун Сиваша // Микробиология. 1993. Т. 62. С. 1113-1126.
10.Заварзин Г.А., Жилина Т.Н. Содовые озера - природная модель древней биосферы континента // Природа. 2000. T. 2. C. 45-55.
11.Герасименко Л.М., Митюшина Л.Л., Намсараев Б.Б. Маты Microcoleus из алкалофильных и галофильных сообществ // Микробиология. 2003. Т. 72. С. 84-92.
12.Заварзин Г.А., Орлеанский В.К., Герасименко Л.М., Пушко С.Н., Ушатинская Г.Т. Лабораторные модели циано-бактериальных матов щелочного геохимического барьера // Микробиология. 2003. Т. 72. С. 93-98.
13.Зайцева Л.В., Орлеанский В.К., Герасименко Л.М., Ушатинская Г.Т. Роль цианобактерий в кристаллизации магнезиальных кальцитов // Палеонтол. журн. 2006. Т. 40. С. 14-20.
14.Stolz J.F., Feinstein T.N., Salsi J., Visscher P.T., Reid R.P. TEM Analysis of Microbial Mediated Sedimentation and Lithification an Modern Marine Stromatolites // Am. Mineralog. 2001. V. 86. P. 826-833.
15.Билан М.И., Усов А.И. Полисахариды известковых водорослей и их влияние на процесс кальцификации // Биоорган. химия. 2001. Т. 27. С. 4-20.
16.Arp G., Reimer A., Reitner J. Photosynthesis-Induced Biofilm Calcification and Calcium Concentrations in Phanerozoic Oceans // Science. 2001. V. 292. P. 1701-1704.
17.Planavsky N., Reid R.P., Lyons T.W., Myshrall K.L., Visscher P.T. Formation and Diagenesis of Modern Marine Calcified Cyanobacteria // Geobiology. 2009. V. 7. P. 566-576.
18.Kupriyanova E., Villarejo A., Markelova A., Gerasimenko L., Zavarzin G., Samuelsson G., Los D., Pronina N. Extracellular Carbonic Anhydrases of the Stromatolite-Forming Cyanobacterium Microcoleus chthonoplastes // Microbiology. 2007. V. 153. P. 1149-1156.
19.Khalifah R.G. The Carbon Dioxide Hydration Activity of Carbonic Anhydrase. Stop-Flow Kinetic Studies on the Native Human Isoenzymes B and C // J. Biol. Chem. 1971. V. 246. P. 2561-2573.
20.Рабинович Е. Фотосинтез. Т. 1. М.: Иностранная литература, 1951. 648 с.
21.Meldrum N.N., Rounghton F.J.W. Carbonic Anhydrase: Its Preparation and Properties // Nature. 1933. V. 80. P. 113-142.
22.Stadie W.C., O'Brien H. The Catalysis of the Hydration of Carbonic Dioxide and Dehydration of Carbonic Acid by the Enzyme from Red Blood Cells // J. Biochem. 1933. V. 103. P. 521-529.
23.Neish A.C. Studies on Chloroplasts. Their Chemical Composition and the Distribution of Certain Metabolites between the Chloroplasts and the Remainder of the Leaf // Biochem. J. 1939. V. 33. P. 300-308.
24.Veitch F.P., Blankenship L.C. Carbonic Anhydrase Activity in Bacteria // Nature. 1963. V. 197. P. 76-77.
25.Karrasch M., Bott M., Thauer R.K. Carbonic Anhydrase Activity in Acetate Grown Methanosarcina barkeri // Arch. Microbiol. 1989. V. 151. P. 137-142.
26.Hewett-Emmett D., Tashian R.E. Functional Diversity, Conservation and Convergence in the Evolution of (-, (- and (-Carbonic Anhydrase Gene Families // Mol. Phylogenet. Evol. 1996. V. 5. P. 50-77.
27.Coleman J.R. Carbonic Anhydrase and Its Role in Photosynthesis // Photosynthesis: Physiology and Metabolism / Eds Leegood R.C., Sharkey T.D., von Caemmerer S. Dordrecht: Kluwer, 2000. P. 353-367.
28.Smith K.S., Ferry J.G. Prokaryotic Carbonic Anhydrases // FEMS Microbiol. Rev. 2000. V. 24. P. 335-366.
29.Supuran C.T. Carbonic Anhydrases: Catalytic and Inhibition Mechanisms, Distribution and Physiological Roles // Carbonic Anhydrase. Its Inhibitors and Activators / Eds Supuran C.T., Scozzafava A., Conway J. Boca Raton: CRC, 2004. P. 1-24.
30.Ferry J.G. The Gamma Class of Carbonic Anhydrases // Biochim. Biophys. Acta. 2010. V. 1804. P. 374-381.
31.Zimmerman S.A., Ferry J.G. The Beta and Gamma Classes of Carbonic Anhydrase // Curr. Pharm. Des. 2008. V. 14. P. 716-721.
32.Xu Y., Feng L., Jeffrey P.D., Shi Y., Morel F.M. Structure and Metal Exchange in the Cadmium Carbonic Anhydrase of Marine Diatoms // Nature. 2008. V. 452. P. 56-61.
33.Mitsuhashi S., Mizushima T., Yamashita E., Yamamoto M., Kumasaka T., Moriyama H., Ueki T., Miyachi S., Tsukihara T. X-ray Structure of (-Carbonic Anhydrase from the Red Alga, Porphyridium purpureum, Reveals a Novel Catalytic Site for CO2 Hydration // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. P. 5521-5526.
34.Iverson T.M., Alber B.E., Kisker C., Ferry J.G., Rees D.C. A Closer Look at the Active Site of Gamma-Class Carbonic Anhydrases: High-Resolution Crystallographic Studies of the Carbonic Anhydrase from Methanosarcina thermophila // Biochemistry. 2000. V. 39. P. 9222-9231.
35.Strop P., Smith K.S., Iverson T.M., Ferry J.G., Rees D.C. Crystal Structure of the "cab"-Type Beta Class Carbonic Anhydrase from the Archaeon Methanobacterium thermoautotrophicum // J. Biol. Chem. 2001. V. 276. P. 10 299-10 305.
36.Supuran C.T. Carbonic Anhydrases - an Overview // Curr. Pharm. Des. 2008. V. 14. P. 603-614.
37.Roberts S.B., Lane T.W., Morel F.M.M. Carbonic Anhydrase in the Marine Diatom Thalassiosira weissflogii (Bacillariophyceae) // J. Phycol. 1997. V. 33. P. 845-850.
38.Cox E.H., McLendon G.L., Morel F.M., Lane T.W., Prince R.C., Pickering I.J., George G.N. The Active Site Structure of Thalassiosira weissflogii Carbonic Anhydrase 1 // Biochemistry. 2000. V. 39. P. 12 128-12 130.
39.Soto A.R., Zheng H., Shoemaker D., Rodriguez J., Read B.A., Wahlund T.M. Identification and Preliminary Characterization of Two cDNAs Encoding Unique Carbonic Anhydrases from the Marine Alga Emiliania huxleyi // Appl. Environ. Microbiol. 2006. V. 72. P. 5500-5511.
40.Lapointe M., Mackenzie T.D., Morse D. An External Delta-Carbonic Anhydrase in a Free-Living Marine Dinoflagellate May Circumvent Diffusion-Limited Carbon Acquisition // Plant Physiol. 2008. V. 147. P. 1427-1436.
41.McGinn P.J., Morel F.M. Expression and Regulation of Carbonic Anhydrases in the Marine Diatom Thalassiosira pseudonana and in Natural Phytoplankton Assemblages from Great Bay, New Jersey // Physiol. Plant. 2008. V. 133. P. 78-91.
42.So A.K., Espie G.S., Williams E.B., Shively J.M., Heinhorst S., Cannon G.C. A Novel Evolutionary Lineage of Carbonic Anhydrase (Epsilon Class) Is a Component of the Carboxysome Shell // J. Bacteriol. 2004. V. 186. P. 623-630.
43.Sawaya M.R., Cannon G.C., Heinhorst S., Tanaka S., Williams E.B., Yeates T.O., Kerfeld C.A. The Structure of Beta-Carbonic Anhydrase from the Carboxysomal Shell Reveals a Distinct Subclass with One Active Site for the Price of Two // J. Biol. Chem. 2006. V. 17. P. 7546-7555.
44.Henry R.P. Multiple Roles of Carbonic Anhydrase in Cellular Transport and Metabolism // Annu. Rev. Physiol. 1996. V. 58. P. 523-538.
45.Kozliak E.I., Guilloton M.B., Fuchs J.A., Anderson P.M. Bacterial Carbonic Anhydrases // EXS. 2000. V. 90. P. 547-565.
46.Пронина Н.А. Организация и физиологическая роль СО2-концентрирующего механизма при фотосинтезе микроводорослей // Физиология растений. 2000. Т. 47. С. 801-810.
47.Raven J.A. Photosynthetic and Non-Photosynthetic Roles of Carbonic Anhydrase in Algae and Cyanobacteria // Phycologia. 1995. V. 34. P. 93-101.
48.Supuran C.T. Carbonic Anhydrases as Drug Targets - an Overview // Curr. Top. Med. Chem. 2007. V. 7. P. 825-833.
49.Badger M.R., Price G.D. CO2 Concentrating Mechanisms in Cyanobacteria: Molecular Components, Their Diversity and Evolution // J. Exp. Bot. 2003. V. 54. P. 609-622.
50.Holtum J.A.M., Summons R., Roeske C.A., Comins H.N., Oleary M.H. Oxygen-18 Incorporation into Malic-Acid during Nocturnal Carbon Dioxide Fixation in Crassulacean Acid Metabolism Plants: A New Approach to Estimating In Vivo Carbonic Anhydrase Activity // J. Biol. Chem. 1984. V. 259. P. 6870-6881.
51.Badger M.R., Kaplan A., Berry J.A. Internal Inorganic Carbon Pool of Chlamydomonas reinhardtii. Evidence for a Carbon Dioxide Concentrating Mechanism // Plant Physiol. 1980. V. 66. P. 407-413.
52.Пронина Н.А., Аврамова С., Георгиев Д., Семененко В.Е. Динамика карбоангидразной активности Chlorella и Scenedesmus при адаптации клеток к свету высокой интенсивности и к низкой концентрации СО2 // Физиология растений. 1981. Т. 28. С. 43-52.
53.Aizawa К., Miyachi S. Carbonic Anhydrase and CO2-Concentrating Mechanism in Microalgae and Cyanobacteria // Fed. Eur. Microbiol. Soc. Microbiol. Rev. 1986. V. 39. P. 215-233.
54.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. V. 59. P. 1441-1461.
55.Moroney J.V., Ynalvez R.A. Proposed Carbon Dioxide Concentrating Mechanism in Chlamydomonas reinhardtii // Eukaryot. Cell. 2007. V. 6. P. 1251-1259.
56.Spalding M.H. Microalgal Carbon-Dioxide-Concentrating Mechanisms: Chlamydomonas Inorganic Carbon Transporters // J. Exp. Bot. 2008. V. 59. P. 1463-1473.
57.Куприянова Е.В., Лебедева Н.В., Дудоладова М.В., Герасименко Л.М., Алексеева С.Г., Пронина Н.А., Заварзин Г.А. Активность карбоангидраз у алкалофильных цианобактерий содовых водоемов // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 598-606.
58.Маркелова А.Г., Синетова М.П., Куприянова Е.В., Пронина Н.А. Распределение и функциональная роль карбоангидразы Cah3 в тилакоидной мембране хлоропласта и пиреноида Chlamydomonas reinhardtii // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 844-853.
59.Drews G., Niklowitz W. Cytology of Cyanophycea. II. Centroplasm and Granular Inclusions of Phormidium uncinatum // Arch. Mikrobiol. 1956. V. 24. P. 147-162.
60.Yeates T.O., Kerfeld C.A., Heinhorst S., Cannon G.C., Shively J.M. Protein-Based Organelles in Bacteria: Carboxysomes and Related Microcompartments // Nat. Rev. Microbiol. 2008. V. 6. P. 681-691.
61.Маркелова А.Г., Владимирова М.Г., Семененко В.Е. Ультраструктурная локализация РБФК в клетках водорослей // Физиология растений. 1990. Т. 37. С. 907-911.
62.Karlsson J., Clarke A.K., Chen Z.Y., Hugghin S.Y., Par Y.I., Husic H.D., Moroney J.V., Samuelsson G. A Novel Alpha-Type Carbonic Anhydrase Associated with the Thylakoid Membrane in Chlamydomonas reinhardtii Is Required at Ambient CO2 // EMBO J. 1998. V. 17. P. 1208-1216.
63.Park Y.I., Karlsson J., Rojdestvenski I., Pronina N., Klimov V., Oquist G., Samuelsson G. Role of a Novel Photosystem II-Associated Carbonic Anhydrase in Photosynthetic Carbon Assimilation in Chlamydomonas reinhardtii // FEBS Let. 1999. V. 444. P. 102-105.
64.Саут Р., Уиттик А. Основы альгологии. М.: Мир, 1990. 597 с.
65.Quinn P., Bowers R.M., Zhang X., Wahlund T.M., Fanelli M.A., Olszova D., Read B.A. cDNA Microarrays as a Tool for Identification of Biomineralization Proteins in the Coccolithophorid Emiliania huxleyi (Haptophyta) // Appl. Environ. Microbiol. 2006. V. 72. P. 5512-5526.
66.Furla P., Galgani I., Durand I., Allemand D. Sources and Mechanisms of Inorganic Carbon Transport for Coral Calcification and Photosynthesis // J. Exp. Biol. 2000. V. 203. P. 3445-3457.
67.Moya A., Tambutté S., Bertucci A., Tambutté E., Lotto S., Vullo D., Supuran C.T., Allemand D., Zoccola D. Carbonic Anhydrase in the Scleractinian Coral Stylophora pistillata: Characterization, Localization, and Role in Biomineralization // J. Biol. Chem. 2008. V. 283. P. 25 475-25 484.
68.Soltes-Rak E., Mulligan M.E., Coleman J.R. Identification and Characterization of Gene Encoding a Vertebrate-Type Carbonic Anhydrase in Cyanobacteria // J. Bacteriol. 1997. V. 179. P. 769-774.
69.So А.К., van Spall Н.G.С., Coleman J.R., Espie О.S. Catalytic Exchange of 18O from 13С18О-Labelled CO2 by Wild Type Cells and есаА, есаВ, and ссаА Mutants оf the Cyanobacteria Synechococcus PCC7942 and Synechocystis PCC6803 // Can. J. Bot. 1998. V. 76. P. 1153-1160.
70.Dudoladova M.V., Kupriyanova E.V., Markelova A.G., Sinetova M.P., Allakhverdiev S.I., Pronina N.A. The Thylakoid Carbonic Anhydrase Associated with Photosystem II Is the Component of Inorganic Carbon Accumulating System in Cells of Halo- and Alkaliphilic Cyanobacterium Rhabdoderma lineare // Biochim. Biophys. Acta. 2007. V. 1767. P. 616-623.
71.Fukuzawa Н., Suzuki Е., Komukai Y., Miyachi S. А Gene Homologous to Chloroplast Carbonic Anhydrase (icfA) Is Essential to Photosynthetic Carbon Dioxide Fixation by Synechococcus PCC7942 // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V. 89. P. 4437-4441.
72.So А.К., Espie G.S. Cloning, Characterization and Expression Carbonic Anhydrase from the Cyanobacterium Synechocystis PCC6803 // Plant Моl. Biol. 1998. V. 37. P. 205-215.
73.Price G.D., Howitt S.M., Harrison K., Badger M.R. Analysis of a Genomic DNA Region from the Cyanobacterium Synechococcus sp. Strain PCC7942 Involved in Carboxysome Assembly and Function // J. Bacteriol. 1993. V. 175. P. 2871-2879.
74.Price G.D., Sultemeyer D., Klughammer В., Ludwig М., Badger М.R. The Functioning of the CO2 Concentrating Mechanism in Several Cyanobacterial Strains: A Review of General Physiological Characteristics, Genes, Proteins and Recent Advances // Can. J. Bot. 1998. V. 76. P. 973-1002.
75.Peña K.L., Castel S.E., de Araujo C., Espie G.S., Kimber M.S. Structural Basis of the Oxidative Activation of the Carboxysomal Gamma-Carbonic Anhydrase, CcmM // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 2455-2460.


ПОДПИСИ К РИСУНКАМ

Рис. 1. Вертикальный разрез циано-бактериального сообщества (схематическая структура).

Рис. 2. Соотношение форм неорганического углерода в зависимости от рН среды [20, c. 184].

Рис. 3. Схематическое представление активных центров КА, принадлежащих к разным классам.
а ( (-КА II человека [29]; б ( (-КА из красной водоросли Porphyridium purpureum: мономер фермента представляет собой два идентичных повтора, каждый из которых содержит по активному центру [33]; в ( (-КА из архебактерии Methanobacterium thermoautotrophicum [35]; г ( (-КА из Methanosarcina thermophila [34].

Рис. 4. Общая схема работы ССМ у микроводорослей и цианобактерий.

Рис. 5. Роль КА в фотосинтетической ассимиляции Ci и минерализации клетки у реликтовых цианобактерий.
КС - клеточная стенка; ПМ - плазмалемма; ТМ - тилакоидная мембрана.