Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Распределение полярных липидов и жирных кислот в морских макрофитах

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Хотимченко, Светлана Валентиновна, Владивосток



v" v v*)!

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ МОРЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

'¡Р „уу ^^у.уу На правах рукописи

ХОТИМЧЕНКО Светлана Валентиновна

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРНЫХ ЛИПИДОВ И ЖИРНЫХ КИСЛОТ В

МОРСКИХ МАКРОФИТАХ

03.00.04 - биохимия

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

л> <— /

Научный консультант: д.б.н., профессор, В. Е. Васьковский

Владивосток 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений............................................................................................................................................................5

1. Введение..........................................................................................................................................................................................7

2. Литературные обзор: Липиды морских макрофитов..........................................11

2.1. Краткие сведения о систематике морских макрофитов.... 11

2.2. Содержание липидов........................................................................................................................14

2.3. Структура и классификация липидов....................................................................15

2.4. Жирные кислоты........................................................................................................................................16

2.5. Триацилглицериды................................................................................................................................43

2.6. Гликолипиды...............................................................................................................44

2.7. Фосфолипиды..............................................................................................................................53

2.8. Редкие липиды............................................................................................................................................64

2.9. Распределение жирных кислот по классам липидов..................68

2.10. Влияние факторов окружающей среды и сезона на

липиды морских макрофитов............................................................................................................71

3. Обсуждение результатов.

3.1 .Усовершенствование микрометодов анализа липидов............83

3.1.1. Подбор систем растворителей для хроматографического разделения смесей полярных липидов водорослей и других растений..........................................................................................................................................................................83

3.1.2. Разработка метода определения активности фосфолипазы Б и его использование для анализа фермента в морских макрофитах..............................................................................................................................................................85

3.2. Распределение полярных липидов в морских макрофитах.... 90

3.2.1. Гликолипиды морских макрофитов....................................................................90

3.2.2. Фосфолипиды красных водорослей....................................................................93

3.2.3. Фосфолипиды бурых водорослей..........................................................................97

3.2.4. Новый амино-содержащий фосфолипид в бурых водорослях..........................................................................................................................................................................102

3.2.5. Диацилглицерогидроксиметилтриметил-р-аланин в бурых водорослях..........................................................................................................................................................................104

3.2.6. Фосфолипиды зеленых водорослей....................................................................108

3.2.7. Диацилглицеротриметилгомосерин в зеленых водорослях. 110

3.2.8. Фосфолипиды морских трав............................................................................................116

3.3. Распределение жирных кислот в морских макрофитах......................118

3.3.1. Распределение жирных кислот в красных водорослях... 118

3.3.2. Эйкозапентаеновая и арахидоновая кислоты в водорослях рода Gracilaria..............................................................................................................................................................125

3.3.3. Жирные кислоты бурых водорослей................................................................130

3.3.4. Жирные кислоты водорослей рода Sargassum................................139

3.3.5. Необычная 16:1п-5 кислота из Dictyota dichotoma и

жирные кислоты водорослей семейства Dictyotaceae............................144

3.3.6. Жирные кислоты зеленых водорослей........................................................151

3.3.7. Жирные кислоты водорослей рода Caulerpa....................................160

3.3.8. Жирные кислоты морских трав................................................................................166

3.4. Влияние некоторых факторов на состав липидов морских

макрофитов.................................................................................................................170

3.4.1. Липиды красной водоросли Gracilaria verrucosa на

разных стадиях онтогенеза....................................................................................................170

3.4.2. Распределение липидов в разных участках талломов водорослей-макрофитов............................................................................................................................173

3.4.3. Распределение дигомогаммалиноленовой кислоты (20:3п-6) в талломе Sargassum pallidum..........................................................................182

3.4.4. Влияние степени освещенности на липиды водорослей-макрофитов.......................................................................................................................................185

3.5. Заключение........................................................................................................................190

4. Экспериментальная часть............................... ....................................................................193

5. Выводы............................................................................................................................................................................................207

6. Литература..................................................................................................................................................................................210

Список сокращений

АК - арахидоновая кислота

ГЖХ - газожидкостная хроматография

ГЛ -гликолипиды

ДГДГ - дигалактозилдиацилглицерин ДГЛК - дигомогаммалиноленовая кислота

ДГТА - диацилглицерогидроксиметил-М, ГчГ, Ы-триметил-Р-аланин

ДГТС - диацилглицеро-Ы, К, Ы-триметилгомосерин

ДФГ - дифосфатидилглицерин

ЖК - жирные кислоты

МГДГ - моногалактозилдиацилглицерин

МЭЖК - метиловые эфиры жирных кислот

НМР - неметилен разделенные

М-АФЭ - Ы-ацилфосфатидилэтаноламин

ПНЖК - полиненасыщенные жирные кислоты

СЛ -сульфолипид

СХДГ - сульфохиновозилдиацилглицерин

ТГ - триацилглицериды

ТСХ - тонкослойная хроматография

ФГ - фосфатидилглицерин

ФГЭГ - фосфатидил-Ы-гидроксиэтилглицин

ФИ - фосфатидилинозит

ФК - фосфатидная кислота

ФЛ - фосфолипиды

ФМ - фосфатидилметанол

ФС - фосфатидилсерин

ФСХ - фосфатидилсульфохолин

ФХ - фосфатидилхолин ФЭ - фосфатидилэтаноламин ЭПК - эйкозапентаеновая кислота УЧ - углеродное число

ВВЕДЕНИЕ

Исследование липидов - одно из важнейших направлений современной биохимии. Долгое время относительно мало внимания было уделено изучению липидов растений. Считалось, что липиды выполняют две существенные роли в клетках: служат источниками энергии и играют важную роль в структуре и функции мембран. Последующие исследования этих соединений показали, что роль липидов в растениях более разнообразна и важна. Они являются не только структурными компонентами мембран хлоропластов, но и участвуют в процессах фотосинтеза [1]. В 80-ые годы было установлено, что некоторые липиды выполняют важную роль в регуляторных процессах клетки и передаче сигналов к клеткам [2-4]. В последнее десятилетие все чаще роль липидов рассматривается не как простых составляющих мембран, а как индивидуальных молекул [5]. Высказано предположение, что каждая молекула липидов имеет специфические биохимические функции в дополнение к пассивной структурной роли [6]. Все это способствовало возрастанию интереса к липидам растений, о чем свидетельствует появление довольно большого числа обзоров и ряда монографий [7-9]. Однако основная часть информации, приведенная в этих работах, получена при исследовании наземных растений и микроводорослей, а сведения о липидах морских макрофитов довольно ограничены.

Морские макрофиты представляют большую и практически важную группу растений. В нее входят водоросли и морские травы [10, 11]. В свою очередь морские водоросли-макрофиты - это обширная группа растений с довольно сложной таксономией, которые входят в три отдела: ШюёорЬу1а, РЬаеорЬу1а и СЫогор1ту1а.

Морские макрофиты - важный компонент морских экосистем. Они служат поставщиком органического вещества и энергии, являются местом обитания для многих видов беспозвоночных и рыб. Водоросли - это главное

звено в пищевых цепях подавляющего большинства морских организмов. Именно морские макрофиты во многом определяют своим развитием продуктивность морей и океанов. С древних времен морские водоросли используются человеком как пища, корм для животных, лекарственные средства и источники ценных веществ [12-14]. И как любой другой живой организм, эти растения содержат широкий спектр разнообразных химических соединений. Содержание липидов в морских макрофитах невелико, но благодаря разнообразию и высокому уровню жирных кислот, которые являются незаменимыми компонентами пищи, а также учитывая огромную биомассу водорослей, эти растения все чаще рассматриваются как потенциально важный, новый источник липидов [15].

Поиск источников биологически активных веществ и их предшественников представляет одну из актуальных задач биохимии и химии природных соединений. Знакомство с современными работами по биохимии и химии водорослей показывает, что они представляют довольно перспективную группу растений для этих целей. Многие водоросли и морские травы проявляют биологическую активность, антимикробную [16], антибактериальную [17, 18], антибиотическую [19], аллелопатическую [20, 21] и, по данным некоторых авторов, ответственными веществами за эту активность являются полиненасыщенные ЖК, например, эйкозапентаеновая и октадекатетраеновая [20, 21]. Недавно обнаружена биологическая активность сульфолипида - СХДГ морских водорослей. Он оказывает влияние на вирус иммунодефицита человека [22], опухолевые процессы [23] и обладает противовоспалительными свойствами [24]. Противоопухолевую активность проявили также гликолипидная и фосфолипидная фракции некоторых бурых водорослей [25, 26].

Важной особенностью липидов морских водорослей, которая отличает их от липидов высших наземных растений, является высокое содержание полиненасыщенных ЖК с 20 атомами углерода. Большой интерес вызывает

эйкозапентаеновая кислота, обладающая профилактическим действием против сердечно-сосудистых заболеваний [27, 28]. Но еще большее внимание Сго полиеновые жирные кислоты получили потому, что именно они служат предшественниками гормоноподобных веществ, известных как эйкозаноиды (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены и другие), которые образуются в организме человека и животных и участвуют в биорегуляции многих физиологических процессов [29, 30]. Недавно стало известно, что водоросли сами также способны превращать С]8 и С2о ПНЖК в соответствующие оксилипины подобно млекопитающим [31]. В нескольких видах красных водорослей обнаружены простагландины серии А, Е и F [32, 33].

Велико значение липидов водорослей в питании морских организмов, для которых эти растения служат природной пищей. Морские макрофиты являются источниками эссенциальных жирных кислот для морских животных. Уровень этих кислот в диете - один из главных факторов, влияющих на питательную ценность съедобных морских беспозвоночных [34, 35]. При искусственном разведении морских рыб и беспозвоночных большое внимание уделяется составу липидов их пищи, который существенно влияет на выживаемость, репродуктивные процессы, рост и развитие морских животных [36-39]. Некоторые липиды, такие как ФХ, ДГДГ и СХДГ из бурых и ДГТС из зеленых водорослей, действуют как фагостимуляторы в питании гастропод и морских ежей [40-42] и, таким образом, играют важную роль в питании травоядных беспозвоночных.

Знание состава липидов морских макрофитов необходимо для изучения пищевых взаимоотношений в морских экосистемах [43, 44].

Таким образом, для решения некоторых теоретических и ряда прикладных задач дальнейшее изучение липидов морских макрофитов представляется актуальным.

Как показали начатые в нашей лаборатории работы, некоторые липиды морских водорослей и трав обладают таксономической специфичностью [45,

46] и, следовательно, в перспективе их можно рассматривать в качестве химических признаков определенных таксономических уровней морских макрофитов. Поэтому важным направлением в исследовании липидов этой группы растений является выяснение закономерностей распределения различных групп липидов в морских водорослях и травах.

Есть еще одно обстоятельство, которое подчеркивает необходимость проведения данного исследования. Широкое использование современных более эффективных методов исследования жирных кислот, начатое в 70-80 годы, позволяет получить принципиально новую информацию, и для морских макрофитов критически оценить ранее полученные данные в этой области.

Поэтому основной целью данной работы явилось исследование полярных липидов и жирных кислот морских макрофитов: определение состава липидов, выяснение общих закономерностей распределения гликолипидов, фосфолипидов, бетаиновых липидов и ЖК в водорослях всех трех отделов и травах, определение возможного значения липидов как хемотаксономических маркеров. Мы начали исследование влияния разных факторов, как эндогенных так и экзогенных, на липиды морских водорослей, результаты которого приведены в данной работе.

Собственным результатам предшествует обзор литературы, в котором представлена вся существенная информация о липидах морских макрофитов.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ЛИПИДЫ МОРСКИХ МАКРОФИТОВ

Первые сведения о липидах водорослей-макрофитов появились в 30 годы [47, 48] и они касались главным образом жирных кислот. Разработка и применение методов хроматографии, таких как ТСХ и ГЖХ, в 1950-1960 годы способствовали расширению исследований липидов этих растений, когда предметом изучения стали не только жирные кислоты, но и более сложные липиды. К настоящему времени исследован состав липидов довольно большого числа морских макрофитов. Однако, хотя есть несколько обзоров о липидах морских водорослей [6, 49-53], они посвящены преимущественно жирным кислотам. Кроме того, в них липиды морских макрофитов рассматриваются наряду с липидами микроводорослей, которым и уделено основное внимание. Сведений о составе сложных полярных липидов в литературе значительно меньше. Однако, информация в этой области исследования липидов в последние годы постоянно пополняется новыми данными.

В настоящем обзоре мы попытались собрать основную информацию о полярных липидах и главных структурных компонентах липидов - жирных кислотах морских водорослей-макрофитов, а также морских трав. Отдельная глава посвящена сведениям о влияние факторов окружающей среды на липиды этих растений.

2.1. Краткие сведения о систематике морских макрофитов

Прежде чем рассматривать распределение липидов в морских макрофитах, необходимо дать некоторое представление о классификации этих растений. В Мировом океане насчитывают более 8000 видов макрофитов [10, 11, 54, 55]. Классификация такого большого количества растений крайне сложна и основана главным образом на рассмотрении морфологических признаков, хотя при классификации водорослей придается существенное

значение основным фотосинтетическим пигментам и другим биохимическим и структурным особенностям.

В систематике морских макрофитов различают таксономические группы (таксоны) основных категорий (рангов): отдел, класс, порядок, семейство, род и вид. Сходство между таксонами возрастает по мере перехода на более низкие таксономические уровни. Окончания названий таксонов определенного ранга постоянны и соответствуют правилам Международного кодекса ботанической номенклатуры [56]. Название отдела имеет окончание -phycota или -phyta, класса - -phyceae, порядка - -ales, семейства - -асеае.

Для современной альгологической систематики характерно использование разнообразных систем. Они отличаются друг от друга числом таксонов, их объемом, местом разных групп водорослей в системе. Даже на самых высоких таксономических уровнях царств (подцарств), отделов и классов систематики не могут прийти к единому мнению. Еще больше разногласий существует по поводу систематики на более низких уровнях. Нередко один и тот же таксон в одном и том же объеме может рассматриваться в качестве отдела (например, Phaeophyta [57]) или в качестве класса (Phaeophyceae, [58]). Некоторые авторы рассматривают красные, бурые и зеленые водоросли как отделы [54, 57, 59]. Другие придают этим группам водорослей таксономический ранг классов [58, 60]. В данной работе мы придерживаемся классификации тех авторов, которые придают красным, бурым и зеленым водорослям таксономический ранг отделов: Rhodophyta, Phaeophyta и Chlorophyta, соответственно [54, 57, 59].

Современная классификация красных водорослей основывается на исследованиях крупного альголога Г. Килина. В целом она принимается всеми альгологами, противоречия возникают только в отношении систематического положения некоторых мелких таксонов. По этой системе все красные водоросли делятся на два класса - Bangiophyceae и Florideophyceae [61]. Основная масса багрянок относится ко второму классу.

Во взглядах на классификацию бурых водорослей существуют некоторые расхождения. По мнению ряда исследователей [62, 63] отдел РЬаеорИуга делится на два класса: РЬаеоБрогорЬусеае и СусЬБрогорЬусеае. Широкое распространение получила также классификация бурых водорослей, предложенная Винне [60]. По этой системе бурые водоросли рассматриваются как один класс РЬаеор�