Аминокислоты и кораллы: Источники, роль и добавки
06.09.2014
Разделы: Химия
Кораллы
Автор: Тим Уиджгерде 

Перед тем, как говорить о влиянии аминокислот на кораллы, я хотел бы задать следующий вопрос: что такое аминокислоты? По сути, аминокислоты принадлежат к классу органических соединений, необходимых для всех форм жизни. Аминокислоты являются составными элементами белков, которые, в свою очередь, выполняют важнейшие функции для живых организмов. Существует много различных аминокислот, но только 21 из них встречается у эукариот, т.е. у животных, растений, грибов и простейших. Несмотря на тот факт, что бактерии, растения и грибы способны синтезировать большинство аминокислот, животные не способны вырабатывать некоторые из них в количестве, необходимом для удовлетворения метаболических потребностей (Shinzato et al. 2014). Например, люди способны синтезировать в достаточном количестве 11 аминокислот, тогда как другие 9 им необходимо получать с пищей. Соответственно, эти 9 аминокислот называются незаменимыми аминокислотами и включают: гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаламин, треонин, триптофан и валин. 

Таблица 1. Обзор 22 известных аминокислот, 9 из которых не могут быть синтезированы человеком. 

 Незаменимые Заменимые
ГистидинАланин
ИзолейцинАргинин*
ЛейцинАспарагин
ЛизинАспартат
МетионинЦистеин*
ФенилаламинГлутаминовая кислота (глютамат)
ТреонинГлутамин*
ТриптофанГлицин
ВалинОрнитин*
Пролин*
Селеноцистеин*
Серин*
Тирозин*
Пирролизин**

*Незаменимые только в некоторых случаях (Reeds 2000; Fürst and Stehle 2004),
**Встречаются только у определенных бактерий и архебактерий (Srinivasan et al. 2002). 

Несмотря на то, что химические формулы аминокислот отличаются, все они имеют одинаковую структуру. С одной стороны молекулы у них имеется так называемая аминогруппа (NH2), благодаря которой они и получили свое название. С другой стороны расположена карбоксильная группа (COOH), благодаря которой аминокислоты обладают свойствами кислот. Амино- и карбоксильная группы объединяются с атомом углерода и с изменяющейся боковой цепочкой (R), индивидуальной для каждой аминокислоты. Общая химическая формула аминокислот выглядит следующим образом: R-CH(NH2)-COOH

В живых клетках аминокислоты могут быть связаны друг с другом, образуя белки, этот процесс называется белковым биосинтезом (или биогенезом или анаболизмом). Процесс подразумевает связывание амино- и карбоксильных групп двух аминокислот вместе, где атом водорода (H+) отделяется от аминогруппы, а гидроксильная группа (OH-) отделяется от карбоксильной группы. Поэтому, в результате этой реакции получается вода (H2O). Белковый биосинтез имеет место, когда клетки переводят генетическую информацию в белки, считывая генетический код из ДНК побуквенно (в действительности, по группам из трех букв), где каждая комбинация из трех букв соответствует конкретной аминокислоте. Цепочка из нескольких аминокислот пептидом. Белки – более крупные версии пептидов: в каждом белке соединены воедино несколько сотен аминокислот. Белки это молекулы сложной формы, функционирующие внутри или снаружи клетки в качестве структурной единицы клеточной мембраны и других частей клетки, гормонов, антител или энзимов (ферментов). 

AminoAcidball.svg.jpg
Базовая структура альфа-аминокислоты, где аминогруппа (NH2) представлена слева, а кислотная карбоксильная группа (COOH) - справа.
R отображает боковую цепочку, которая у разных аминокислот отличается
(изображение: Y. Mrabet). 

Источники аминокислот для кораллов

Сейчас, когда мы знаем, что аминокислоты являются необходимыми компонентами живых систем, следующий вопрос: каким образом организмы получают аминокислоты. Как уже было сказано выше, источник аминокислот – биосинтез. Кроме того, получить аминокислоты можно из внешней среды. Далее в статье я сконцентрирую внимание на жестких, или мадрепоровых кораллах (отряд Scleractinia). 

Биосинтез 
Помимо того, что белки могут быть получены из отдельных аминокислот, аминокислоты могут быть синтезированы живыми организмами. Составными элементами, или основой, для биосинтеза аминокислот могут быть другие кислоты (например, 3-фосфоглицерат и оксалоацетат) или сами аминокислоты. В основе всего этого находятся микроорганизмы, потому что они способны использовать неорганический азот в форме газа (N2) для выработки аммиака/аммония (NH3/NH4+), основных азотных ингредиентов для общего синтеза аминокислот. Аммиак и аммоний, в свою очередь, более сложными организмами трансформируются в органическую форму, например, в аминокислоты глутамат и глутамин. 

Кораллы способны вырабатывать свои собственные аминокислоты и, в отличие от большинства животных, по крайней мере, некоторые кораллы способны синтезировать незаменимые аминокислоты. Однако, складывается впечатление, что разные виды кораллов в разной степени обладают способностью вырабатывать (незаменимые) аминокислоты. Фицджеральд и Смант (1997) проводили опыты с применением радиоактивных атомов с радиоактивной глюкозой и обнаружили, что пять различных видов кораллов (Montastraea faveolata, Acropora cervicornis, Porites divaricata, Tubastraea coccinea и Astrangia poculata) были способны синтезировать не менее 15 различных аминокислот, 8 из которых – незаменимые. Однако, анализ всех генов Acropora digitifera, так называемого генома, показал, что этот вид способен синтезировать только десять заменимых аминокислот, за исключением цистеина, и не синтезирует незаменимые аминокислоты (Shinzato et al. 2011). И наоборот, Porites australiensis, вырабатывает цистеин (Shinzato et al. 2014). Несоответствие между этими исследованиями можно объяснить исследованием различных видов, обладающих разными способностями синтезировать аминокислоты. Однако, Фицджеральд и Смант (1997) допускают, что незаменимые аминокислоты, которые они обнаружили, отчасти могут быть результатом биосинтеза бактерий, присутствующих в гастральной полости коралловых полипов. Они исключили вероятность того, что биосинтез симбиотических зооксантелл повлиял на полученные результаты. 

Кораллы интересные и сложные животные по той причине, что они несут симбиотические зооксантеллы и динофлагелляты со способностью вырабатывать не менее 14 аминокислот, 7 из которых являются незаменимыми (Shinzato et al. 2014). Способность расположенных в кораллах зооксантелл вырабатывать лизин и метионин остается неясной, потому что в их геноме не были обнаружены некоторые необходимые гены кодирующие ферменты (Shinzato et al. 2014); тем не менее, синтез лизина был подтвержден для зооксантелл Aiptasia pulchella (Wang and Douglas 1999). Метионин может вырабатываться благодаря комбинации зооксантелл и ферментов кораллов, соответственно, можно предположить, что оба симбионта эволюционировали таким образом, чтобы дополнять друг друга (Shinzato et al. 2014). Фон Хольт (1969) предположил нечто подобное, потому что зоантус Zoanthus flosmarinus (в настоящее время известный как Zoanthus sociatus) способен вырабатывать глицин, в отличие от его зооксантелл, которые, возможно, по этой причине являются зависимыми от этого коралла. 

DSCN3213.JPG
Совместно, кораллы и их зооксантеллы способны вырабатывать большое количество
аминокислот (Acropora cervicornis неподалеку от Кюрасао, Голландские Карибы.
Фото: Бенджамин Мюллер, Королевский Институт Морских Исследований (Нидерланды).  

Опыты с применением радиоактивных индикаторов с радиоактивным карбонатом натрия (Na214CO3) продемонстрировали, что зооксантеллы также передают аминокислоты, или их предшественников (гликоконъюгаты), своему животному-хозяину (von Holt and von Holt 1968; Markell and Trench 1993; Wang and Douglas 1999). Зооксантеллы превращают радиоактивный карбонат в аминокислоты посредством фотосинтеза, в результате которого аминокислоты, обозначенные «14C» переходят кораллу-хозяину. Это соответствует генетическому объяснению, демонстрирующему, что зооксантеллы обладают необходимыми генами для выработки переходных белков для передачи аминокислот кораллу-хозяину (Shinzato et al. 2014). В результате, можно предположить, что кораллы получают большую часть аминокислот (а возможно, и все аминокислоты) посредством прямого биосинтеза или при помощи симбиотических зооксантелл и бактерий. Существует гипотеза, что, когда кораллы питаются планктоном, они получают дополнительный азот, благодаря которому зооксантеллы вырабатывают и передают кораллу-хозяину больше аминокислот (Swanson and Hoegh-Guldberg 1998; Wang and Douglas 1999). 

Поглощение из внешней среды  
Помимо синтеза аминокислот посредством биосинтеза, кораллы способны получать ряд аминокислот из морской воды (Goreau 1971; Ferrier 1991; Fitzgerald and Szmant 1997; Grover et al. 2008). Речь идет о следующих аминокислотах, но список не ограничивается ими: гистидин, лейцин, метионин, валин, аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, глутамин, глицин и серин (Grover et al. 2008). Несмотря на тот факт, что концентрация аминокислот в воде у рифов очень низкая (0.2-0.5 µmol L-1), кораллы обладают очень эффективными механизмами поглощения (Goreau et al. 1971; Grover et al. 2008). Транспортные белки (белки-транспортеры), также называемые «перевозчиками», расположенные в клеточных мембранах тканей кораллов (в этом случае, и всех живых организмов), позволяют кораллам получать соединения, присутствующие в малом количестве в воде.  

Было обнаружено, что поглощение аминокислот может быть важным источником азота. В случае с Stylophora pistillata, аминокислоты отвечают за получение 21% азота (Grover et al. 2008), хотя показатель может изменяться в зависимости от условий окружающей среды, т.е. концентрации аммония, нитратов, мочевины и аминокислот, а также количества планктона. Например, Гровер и др. (Grover et al., 2008) обнаружили, что скорость поглощения аминокислот S. pistillata увеличивается в 6 раз, если искусственно увеличить общую концентрацию аминокислот до 8 µmol L-1. У кораллов S. pistillata и Galaxea fascicularis, а также зоантида Zoanthus sociatus, поглощение аминокислот и их включение в белок существенно выше при наличии освещения, чем в темноте, тогда как для Pocillopora damicornis характерна обратная зависимость (von Holt 1969; Al-Moghrabi et al. 1993; Hoegh-Guldberg and Williamson 1999; Grover et al. 2008). Получается, для некоторых видов важную роль играет фотосинтез, который, возможно, способствует синтезу белков животными. Этот механизм был назван светозависимой ассимиляцией (усвоением) аминокислот (Al-Moghrabi et al. 1993). 

Приведенное к биомассе, поглощение аминокислот зооксантеллами может быть в 5-7 раз выше, чем у коралла-хозяина (Grover et al. 2008), хотя непонятно, почему, т.к. зооксантеллы способны самостоятельно синтезировать большинство аминокислот. Поглощение аминокислот зооксантеллами происходит быстро, в течение двух часов, возможно, сначала посредством наполнения морской водой гастральной полости коралловых полипов. Похоже на правду, потому что зооксантеллы находятся в гастродерме, выстилающей эту полость. 

Zoanthus_sp.jpg
Помимо биосинтеза, кораллы и зоантиды способны получать аминокислоты из морской воды, в растворенном виде или в виде частиц
(фото: Т. Уиджгерде).  

Планктон также является важным источником аминокислот, потому что бактерии, фитопланктон и зоопланктон богаты белками. Когда кораллы питаются планктоном, они расщепляют белки в процессе пищеварения, освобождая аминокислоты. Такой пищеварительный процесс известен как «гидролиз белка или белковый гидролиз»; протеканию процесса способствуют ферменты – «протеазы». 

Если рассматривать все источники вместе, становится очевидно, что кораллы получают все необходимые аминокислоты, либо в процессе биосинтеза, либо из воды в растворенном виде или в виде частиц. Вопрос заключается в том, достаточно ли получаемого кораллами количества аминокислот для усиления роста, а именно, не ограничивает ли количество получаемых веществ рост кораллов в естественных условиях (см. ниже). 

overviewAAsources.jpg
Обзор двух основных источников аминокислот для мадрепоровых кораллов; биосинтез и поглощение из воды. Совместно, кораллы и зооксантеллы способны синтезировать 20 различных аминокислот, часть которых синтезируется кораллами, другие – зооксантеллами, а некоторые – обоими симбионтами. Важно отметить, однако, что различные виды кораллов обладают разными способностями к синтезу аминокислот. Аминокислоты также поглощаются из планктона, детрита и в растворенном виде, что называется гетеротрофным питанием. Полученные аминокислоты используются кораллами для синтеза белков, необходимых для роста тканей, кальцификации и других процессов (изображение: Т. Уиджгерде, основанное на следующих источниках: Fitzgerald and Szmant 1997; Grover et al. 2008 and Shinzato et al. 2011, 2014).  

Влияние аминокислот на питание и рост кораллов

Питание 
Также как и для других животных, аминокислоты играют важную роль в жизни кораллов, поскольку они необходимы для выработки ферментов, роста тканей и формирования скелета. Кроме того, известно, что аминокислоты влияют на пищевое поведение кораллов. После добавления в аквариум замороженного или живого корма, зачастую можно наблюдать, как кораллы вытягивают свои щупальца, феномен, который может быть связан с аминокислотами. Горо и др. (Goreau et al., 1971) обнаружили, что добавление аминокислот глицина, аланина или глутамата в воду приводит к раскрытию рта, вытягиванию щупалец, набуханию тканей и выбросу пищеварительных нитей у многих мадрепоровых кораллов. Получается, эти аминокислоты вызывают такую же пищеварительную реакцию, как при добавлении зоопланктона. Вполне возможно, что у кораллов имеются рецепторы, которые распознают органические соединения, включая аминокислоты. Эта способность различать определенные химические соединения, известная как хемотаксис, помогает коралловым полипам распознавать зоопланктон и готовиться к захвату добычи. 

Рост скелета 
Большое значение аминокислот для роста живых организмов подтверждается рядом исследований, и мадрепоровые кораллы – не исключение. Аминокислоты необходимы кораллам не только для синтеза белков, необходимых для роста тканей, но и для синтеза так называемой органической матрицы (межклеточного материала) (Allemand et al. 2004). Эта органическая матрица представляет собой структуру из белков, полисахаридов, гликозаминогликанов, жиров и хитина; органическая матрица необходима для биоминерализации (Wainwright 1963; Young et al. 1971; Constanz and Weiner 1988; Falini 1996). У многих кораллов она образует физическую связку между мягкой тканью и скелетом, регулирует и ускоряет отложение карбоната кальция на скелете (кальцификация) и выступает в роли арматуры, обеспечивая прочность (Allemand et al. 2004). Составные элементы органического матрикса выделяются клетками коралла в скелет. Важная роль органического матрикса для роста кораллов была продемонстрирована Аллемандом и др. (Allemand et al., 1998): им удалось значительно уменьшить показатели кальцификации Stylophora pistillata, препятствуя синтезу органического матрикса при помощи отдельных медикаментов (эметин, циклогексимид и туникамицин). 

organic_matrix.jpg
Схематическое изображение кальцификации кораллов. Энергия выделяется каликобластическими клетками, расположенными в скелете коралла в нижней части кораллового полипа. Эта энергия используется для закачивания ионов кальция и выкачивания протонов из тонкого слоя жидкости между тканями и скелетом коралла – каликобластическая жидкость (calicoblastic fluid, CF). Кроме того, ионы бикарбоната переносятся к CF и генерируются в CF из метаболически извлеченного ферментами углеродной ангидразы диоксида углерода (CO2) (не представлено на изображении). Высокая концентрация ионов кальция и (би)карбоната, совместно с высоким уровнем pH приводят к выпадению кристаллов карбоната кальция вокруг органического матрикса. Этот матрикс регулирует и ускоряет отложение карбоната кальция и выступает в качестве арматуры, обеспечивая прочность. Необходимый компонент органического матрикса – аминокислота аспарагиновая кислота (изображение: Т. Уиджгерде, на основе данных Furla et al. 2000, Al-Horani et al. 2003a,b, Allemand et al. 2004 and Venn et al. 2011).  

Несмотря на различное молекулярное строение, в белковом компоненте органического матрикса скелетов кораллов доминирует аминокислота «аспарагиновая кислота». У мадрепоровых кораллов, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота и глицин составляют значительную часть белков органического матрикса, при этом доля аспарагиновой кислоты достигает 37% (Таблица 2). Аспарагиновая кислота является еще более доминантной в спикулах внутренней оси горгонарий, ее доля в белках органической матрицы достигает 74.3%. У гидрокоралла Millepora alcicornis, дальнего родственника настоящих кораллов, мы обнаружили тоже высокий показатель - 56.4%. 

Таблица 2. Процентное содержание аминокислот в белках органической матрицы трех мадрепоровых кораллов (P. porites, A. palmata и A. fragilis), двух горгонарий (E. tourneforti и Gorgonia sp.) и одного гидрокоралла (M. alcicornis). Для всех таксонов кораллов аспарагиновая кислота является доминирующей аминокислотой. Согласно Mitterer (1978). 

Процентное содержание в белках органической матрицы  

АминокислотаPorites
porites
Acropora
palmata
Agaricia
fragilis
Eunicea
tourneforti
Gorgonia sp.Millepora
alcicornis
Аспарагиновая кислота34.337.0030.0074.3065.3056.40
Глутаминовая кислота10.0012.5010.303.865.7811.00
Треонин2.093.092.541.290.634.41
Серин2.925.805.571.310.654.30
Пролин3.543.833.961.051.261.88
Цистеин0.190.960.11
Метионин1.141.210.100.17
Глицин11.4012.0017.107.919.805.42
Аланин6.684.7312.206.0211.004.31
Валин5.584.575.561.361.742.30
Изолейцин4.602.182.380.510.941.67
Лейцин6.874.364.500.591.352.23
Тирозин0.990.800.780.120.12
Фенилаланин3.332.132.790.330.550.80
Гистидин1.190.210.140.160.71
Лизин2.734.890.420.460.132.95
Аргинин1.321.170.380.430.300.64

Поскольку в органическом матриксе кораллов имеется большое количество аспарагиновой кислоты, можно предположить, что именно ее наличие является необходимым для роста кораллов. И действительно, при ежедневном кормлении мадрепоровых кораллов зоопланктоном (концентрация 1,000-13,000 prey L-1 seawater) было отмечено усиление роста тканей и скелета кораллов, что отчасти может быть связано с повышенным содержанием аспарагиновой кислоты и других аминокислот, способствующих синтезу органического матрикса и, соответственно, отложению карбоната кальция (Lavorano et al. 2008; Houlbrèque and Ferrier-Pagès 2009; Osinga et al. 2011). Поскольку кормление мадрепоровых кораллов большим, чем естественное, количеством пищи приводит к усиленному росту, возможно, рост кораллов на рифах ограничивается имеющейся в наличии пищи, а также аминокислот, жиров и прочих органических соединений. Точно также, рост кораллов, обитающих на глубине или на участках со слабым течением, может быть естественным образом ограничен недостаточной интенсивностью освещения и скоростью течения (Wijgerde and Tilstra 2014). 

DSC_7921.jpg
Органический матрикс встречаются в частях скелета всех кораллов, включая горгонарии (слева),
гидрокораллы (Distichopora sp., наверху по центру), черные кораллы (Cirrhipathes sp., наверху справа),
мадрепоровые кораллы (Cycloseris sp., внизу справа) и мягкие кораллы (Dendronephthyasp., внизу по центру, фото: Т . Уиджгерде).  

Стоит ли добавлять в аквариум концентрированные аминокислоты? 

Для аквариумистов этот вопрос является самым важным и одновременно сложным. Однако, ответ не столь однозначен. С одной стороны, также как людям для поддержания здоровья не требуются особые, содержащие аминокислоты, таблетки, при поддержании естественного рациона питания кораллы вполне способны обойтись без добавок, содержащих аминокислоты. В случае с кораллами, естественный рацион подразумевает регулярное кормление живым или замороженным зоопланктоном (<10 prey L-1 seawater) и фитопланктоном (~1,000,000 cells L-1seawater), в зависимости от видовой принадлежности (Yahel et al. 1998; Heidelberg et al. 2004, 2010; Holzman et al. 2005; Yahel et al. 2005a,b; Palardy et al. 2006). С другой стороны, несмотря на то, что кораллы способны расти в условиях низкой концентрации аминокислот и небольшого количества зоопланктона, скорее всего, их рост ограничен при таком естественном рационе. Поэтому, предоставление кораллам большего, по сравнению с естественным, количества пищи, усиливает темп их роста (Lavorano et al. 2008), однако, не всегда (Forsman et al. 2011). В этом отношении, дозирование концентрированных аминокислот может усилить рост кораллов, точно также как и кормление зоопланктоном. Данная теория подтверждается результатами исследований Гровера и др. (Grover et al., 2008), обнаруживших, что можно усилить поглощение кораллами аминокислот, искусственно увеличив концентрацию аминокислот. Если аквариум густо заселен кораллами, их желательно кормить большим количеством планктона или ежедневно дозировать концентрированные аминокислоты, чтобы компенсировать возможные повреждения и конкуренцию за питательные вещества. 

Anthias.jpg
Большинство густо заселенных рыбами домашних аквариумов получают значительное количество добавок с аминокислотами
(фото: Т. Уиджгерде).  

Несмотря на научные знания об аминокислотах и кораллах, до сих пор не проводились исследования о влиянии дозирования концентрированных аминокислот на кораллы. В перспективе, перед аквариумистами и учеными открывается огромное поле для изучения воздействия концентрированных аминокислот на рост и окраску кораллов. Аспарагиновая кислота – интересный кандидат для начала исследований в связи с ее важной ролью в синтезе органической матрицы и росте скелета. Возможно, кораллы, ежедневно получающие концентрированную аспарагиновую кислоту, демонстрируют более высокие темпы роста по сравнению с кораллами, получающими зоопланктон (который обеспечивает меньшее количество аспарагиновой кислоты). Результаты подобного эксперимента определяются тем, ограничен ли рост кораллов, питающихся зоопланктоном, количеством аспарагиновой кислоты, полученной как из внешних, так и внутренних источников. При достаточном количестве аминокислот, включая аспарагиновую кислоту, в растворенном виде или в виде частиц источник уже не имеет особого значения. Поэтому, аквариумисты, которые усиленно кормят свои кораллы, могут не заметить воздействие добавок концентрированных аминокислот, в частности, аспарагиновой кислоты. 

Чтобы эксперимент привел к значимым результатам, необходимо придерживаться научных стандартов, с достаточным количеством повторных экспериментов и контрольных экземпляров для получения значимых результатов. Это означает, что придется использовать, как минимум, два отдельных аквариума с несколькими фрагами, куда будут добавляться аминокислоты, и не менее двух дополнительных отдельных аквариумов с фрагами этой же родительской колонии, получающими альтернативное питание, или вообще никакого питания, в качестве контрольных систем для сравнения. Кроме того, все остальные условия, в частности, спектр и интенсивность освещения, скорость течения и качество воды должны быть максимально идентичными для четырех аквариумов, чтобы не допустить смешивания воздействия факторов. Разумеется, вполне возможно, что различные виды и различные генотипы (генетически различные экземпляры) в рамках одного вида по-разному реагируют на концентрированные аминокислоты (Osinga et al. 2011). 

Заключение 

В заключение хотел бы отметить, что аминокислоты – очень важные соединения для кораллов и других видов. Вы самостоятельно решаете, добавлять ли в аквариум аминокислоты посредством кормов или в растворенном виде. В любом случае, кораллы – легко адаптирующиеся существа: в большинстве случаев они найдут способ получить необходимый для поддержания жизнедеятельности и роста минимум аминокислот, либо посредством биосинтеза, либо поглощая аминокислоты из воды. 

Первоисточник: advancedaquarist.com
Переведено специально для ReefCentral.ru
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru
Количество показов статьи: 3957