Nitrogen vô cơ là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho các sinh vật quang hợp. Sử dụng hiệu quả N trong tự nhiên liên quan đến sự thích nghi của các sinh vật đối với quá trình cung cấp N, sự thay đổi của các điều kiện môi trường, cung cấp carbon và các chất dinh dưỡng khác (Fernandez and Galvan, 2007).
Sự đồng hóa N vô cơ là một quá trình quan trọng và dường như đơn giản trong dinh dưỡng khoáng. Đối với nitrate (NO3-) bao gồm hai bước vận chuyển và hai bước khử riêng biệt trong tế bào chất (NO3- → NO2-) và lục lạp (NO2- → NH4+). NH4+ (ammonium) cuối cùng kết hợp vào sườn carbon qua con đường glutamine synthetase/glutamate synthase (GS/GOGAT) (Fernandez and Galvan, 2007).
Hình 1.6: Mô hình các cơ chế tập trung carbon (CCM) ở tảo silic dựa trên các phân tích bộ gene của Phaeodactylum tricornutum và Thalassiosira pseudonana (Kroth
et al., 2008)
CA: carbonic anhydrase; MDH: malate dehydrogenase; ME1: NAD malic enzyme, ty thể;
PEPC: phosphoenolpyruvate carboxylase; PEPCK: phosphenolpyruvate carboxykinase; PK: pyruvate kinase; PPDK: pyruvate-phosphate dikinase; PYC: pyruvate carboxylase; RUBISCO: ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase
Quá trình biến dưỡng N vô cơ ở Chlamydomonas được tóm tắc trong hình 1.8 bao gồm hai bước vận chuyển và hai bước khử. Thứ nhất, NO3- đi vào tế bào qua các hệ thống vận chuyển đặc hiệu. Tiếp theo, NO3- được khử thành NO2- trong tế bào chất bởi nitrate reductase (NR). NO2- sau đó được chuyển vào lục lạp bởi các chất vận chuyển đặc hiệu và ở đây, nitrite reductase (NiR) xúc tác phản ứng khử thành NH4+. Cuối cùng, NH4+ được kết hợp vào L-glutamate qua chu trình GS/GOGAT (Stern, 2009).
Quá trình sử dụng NO2- và NH4+ khác với sự đồng hóa NO3-, trong đó NR hoặc (và) NiR không cần thiết và sự đồng hóa NO3- phụ thuộc vào sự sinh tổng hợp Moco và sự vận chuyển nó đến apo-enzyme NR. Mặc khác, NO2- và NH4+ phải qua hai màng để đến lục lạp, vị trí chính của sự kết hợp NH4+, do đó, các hệ thống vận chuyển là cần thiết. ỞChlamydomonas không có sự tích lũy NO3-, NO2- hoặc NH4+ trong các ngăn của tế bào. Thay vào đó, tế bào sẽ tiết NO2- hoặc NH4+ khi khả năng đồng hóa chúng vượt quá (hình 1.8 A), do đó tránh được bất kì ảnh hưởng độc hại của hàm lượng quá mức trong tế bào. Hoạt động tiết NO3-, NO2- và NH4+ cũng quan sát thấy ở thực vật và các vi sinh vật khác (Stern, 2009).
Sự vận chuyển NH4+, hai hệ thống vận chuyển theo nhiệp sinh học đặc trưng sinh lý ởChlamydomonas: một hệ thống ái lực thấp và hiệu suất cao (LATS) được biểu hiện chủ yếu, có thể liên quan đến các kênh K+ thụđộng và một hệ thống ái lực cao và hiệu suất thấp (HATS) được điều hòa âm tính bởi NH4+ (Stern, 2009).
Sự vận chuyển NO3- và NO2- thông qua các chất vận chuyển được phân bố rộng ở eukaryote, prokaryote và các hệ thống vận chuyển (hình 1.8 A) (Stern, 2009).
Chu trình GS/GOGAT (hình 1.8 B), GS xúc tác hình thành glutamine phụ thuộc ATP từ NH4+ và glutamate. Tương tự như thực vật có mạch, Chlamydomonas
có hai GS, GS1 trong tế bào chất và GS2 trong lục lạp (Stern, 2009).
Glutamine oxoglutarate amidotransferase (GOGAT) xúc tác chuyển nhóm amide từ glutamine thành 2-oxoglutarate trong một phản ứng cần năng lượng khử từ
NADP hoặc ferodopxin khử (Fd) tạo ra hai phân tử glutamate và cơ chất của GS. Ở
Chlamydomonas có hai GOGAT trong lục lạp là Fd-GOGAT và NADH-GOGAT.