Альтернати́вная оксида́за (AO) — фермент , обеспечивающий альтернативный транспорт электронов в митохондриях всех семенных растений , грибов , а также водорослей , некоторых простейших и ряда малоподвижных или прикреплённых животных . Гомологи этого белка были обнаружены в геномах многих бактерий . Биоинформатическими методами удалось выявить альтернативную оксидазу во всех царствах, кроме архей .

Альтернативная оксидаза прямо восстанавливает O 2 до H 2 O , окисляя пул убихинонов , и рассеивает энергию в виде тепла. Однако при таком механизме по крайней мере 2 из 3 пунктов сопряжения теряются, и потенциально генерация градиента протонов возможна только на комплексе I при окислении НАДН , что значительно снижает конечный выход АТФ .

История открытия

Ещё в XIX веке ботаники описали явление, которое впоследствии назвали термогенезом ароидных растений : при цветении некоторых видов температура цветка резко повышалась, иногда превышая температуру окружающей среды на десятки градусов. Особенно ярко этот феномен выражен при цветении таких растений, как аронник пятнистый ( Arum maculatum ), , , филодендрон двоякоперистый ( Philodendron selloum ). Так, температура цветка лилии Arum italicum может достигать 51 °С при температуре воздуха 15 °С . Приспособительное значение этого явления состоит в усилении испарения пахучих веществ и привлечении насекомых - опылителей . При исследовании этого феномена оказалось, что повышение температуры сопровождается вспышкой дыхательной активности, при этом дыхание не подавлялось цианидом и CO — классическими ингибиторами дыхания животных . Так было открыто цианидрезистентное дыхание растений . Целенаправленное изучение этого явления привело к открытию альтернативной оксидазы и связанного с ней альтернативного пути переноса электронов .

Структура

Альтернативная оксидаза — убихинон-кислород-оксидоредуктаза — представляет собой один полипептид с массой около 32 кДа . Он прочно закреплён на внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса . Его синтез у растений кодируется ядерным геном Aox1 . У растений Sauromatum guttatum , сои и арабидопсиса обнаружено три ядерных гена, кодирующих изоформы АО, экспрессия которых зависит от типа ткани .

В реакционном центре фермент содержит два атома железа , связанных остатками четырёх глутаматов , одним аспартатом и аспарагином , а также двумя гистидинами . Проведённое методом ЭПР исследование альтернативной оксидазы AOX1a из Arabidopsis thaliana показало, что фермент действительно содержит связанный гидроксо -мостиками двухъядерный центр из двух атомов железа смешанной валентности (Fe(II)/Fe(III)) . Точный механизм восстановления кислорода неизвестен, но предполагают, что имеет место каталитический цикл с участием двухъядерного железного центра и по крайней мере одного образованного белком свободного радикала , который, вероятно, формируется на тирозиновом остатке .

Функции

Растения

Физиологическая роль АО понятна только в случае термогенеза ароидных . В других случаях выгода получаемая растением от такого рода фермента не всегда окончательно ясна. На экспрессию гена альтернативной оксидазы Aox влияют такие стрессовые факторы, как холод, активные формы кислорода и поражение патогеном , а также факторы, уменьшающие поток электронов через цитохромный путь дыхания ( цианид ) .

Поскольку свыше 2500 видов растений, принадлежащих к разным семействам ( клевер ползучий ( Trifolium repens ), лядвенец рогатый ( Lotus corniculatus ), горошек ( Vicia ) sp.) , в естественных условиях накапливают , распад которых сопровождается образованием HCN , то полагают, что АО — это возникший в ходе эволюции способ, позволяющий поддерживать дыхание при подавлении его цианидом. В свою очередь цианид продуцируют некоторые патогенные грибы и бактерии . Однако это не объясняет, почему АО есть у всех растений и какую роль она играет в нормальном функционировании клетки.

Согласно современным представлениям, альтернативное дыхание — это способ поддержания баланса между углеводным метаболизмом и скоростью электронного транспорта. Известно, что ферменты ЦТК аллостерически регулируются через соотношения НАД Н/НАД ⁺ и АТФ / АДФ . При высоком уровне цитоплазматического НАДН и АТФ работа ЦТК будет блокирована, что может происходить при активной работе хлоропластов в условиях яркого освещения. Функция АО может заключаться в быстром окислении НАДН в дыхательной цепи. В результате будет снят тормоз с ЦТК , интермедиаты которого активно используются в различных биосинтетических процессах .

Вторая важная функция АО заключается в защите клетки от окислительного стресса . Митохондрия — место образования супероксидрадикала и перекиси водорода . Интенсивному образованию и накоплению этих опасных веществ способствует торможение электронного транспорта и «перевосстановление» цепи при высоких значениях протонного градиента . АО ведёт к увеличению скорости транспорта и «разгрузке» цепи за счёт сброса электронов на кислород с образованием безопасной воды. Существуют убедительные доказательства, что альтернативная оксидаза препятствует генерации активных форм кислорода . Так, перекись водорода является вторичным мессенджером в сигнальном каскаде , приводящем к экспрессии гена Aox1 и синтезу АО .

Простейшие

Обитающий в кровотоке протозойный паразит , вызывающий сонную болезнь , дышит, используя исключительно альтернативный транспорт электронов . Такое серьёзное отличие в метаболизме между паразитом и его хозяином - человеком сделало альтернативную оксидазу T. brucei весьма привлекательной мишенью для разработки лекарств . Так, один из известных ингибиторов альтернативной оксидазы — антибиотик — подавляет работу этого фермента у T. brucei и может вылечить инфекцию у мышей .

Грибы

У грибов способность к альтернативному дыханию помогает преодолеть ингибирование частей электрон транспортной цепи и играет важную роль в устойчивости грибов к фунгицидам . Это хорошо видно на примере таких препаратов, как стробилурины азоксистробин , и , которые действуют на комплекс III . Однако, поскольку альтернативный путь дыхания производит меньше АТФ , эти фунгициды всё равно эффективны, так как предотвращают прорастание спор , которое является очень энергозатратным процессом .

Животные

Длительное время считалось, что альтернативная оксидаза присутствует исключительно в митохондриях грибов, растений и простейших. Тем не менее, начиная с 2004 года, благодаря методам полногеномного секвенирования в геномах ряда беспозвоночных удалось обнаружить гены альтернативной оксидазы . На сегодняшний день альтернативная оксидаза обнаружена в десяти типах животных таких как губки , пластинчатые , стрекающие ( коралловые полипы и гидроидные ), моллюски ( брюхоногие и двустворчатые ), кольчатые черви , нематоды , иглокожие , полухордовые и хордовые ( ланцетники и оболочники ). Есть также сообщения о наличии цианидрезистентного дыхания у сипункулид и двупарноногих многоножек. Ген АО из оболочника Ciona intestinalis был перенесён в культуру клеток почки человека. Было показано, что альтернативная оксидаза экспрессировалась и локализовалась в митохондриях, а клетки обрели устойчивость к цианиду .

Альтернативная оксидаза животных имеет уникальный C-концевой мотив, характерный только для животных. Также у неё отсутствуют N-концевые остатки цистеина, которые важны для регуляции этого фермента у растений .

Существует гипотеза, объясняющая почему большинство позвоночных а также членистоногих утратили АО несмотря на очевидные преимущества, которые она даёт. Большинство видов, у которых была обнаружена АО, относятся к пелагическим или прикреплённым организмам, а значит их митохондрии должны регулярно подвергаться энергетическому стрессу, которого они не могут избежать, например: фотосинтез у растений, токсичные ксенобиотики у микроорганизмов или локальные флуктуации морской среды (температура, уровень кислорода). В таких условиях АО помогает малоподвижным организмам выжить и справится с нагрузкой, однако она практически бесполезна для активных быстро движущихся организмов и поэтому, вероятно, было утрачена из-за отсутствия давления естественного отбора .

Регуляция

Альтернативная оксидаза может существовать в форме мономера и димера . В структуре растительного белка есть два остатка цистеина , при окислении которых образуется дисульфидная связь , ковалентно связывающая два мономера. В условиях сильного освещения пул НАДФ Н посредством митохондриальной НАДФН-тиоредоксинредуктазы восстанавливает белок тиоредоксин , который, в свою очередь, восстанавливает дисульфидную связь в димере АО. Высвобождение мономера АО сопровождается повышением её активности в несколько раз . Фермент аллостерически активируется пируватом .

Специфическим ингибитором АО считаются соли гидроксамовых кислот ( ) и n-пропилгаллат .

Альтернативная оксидаза в млекопитающих

В 2013 году поступило сообщение о создании линии генно-модифицированной мышей со встроенным геном АО из Ciona intestinalis . Фермент с разной интенсивностью экспрессировался во всех тканях (сильнее всего в мозге и поджелудочной железе ). Внедрение альтернативной оксидазы не вызвало каких либо отклонений в физиологии, поведении или развитии мышей. Мыши этой линии имеют повышенную устойчивость к действию цианида, а также некоторых других веществ, таких как антимицин , блокирующих дыхательные комплексы . Кроме того у этих мышей наблюдалось пониженное образование активных форм кислорода в митохондриях .

См. также

• Фотосистема I
• Терминальная оксидаза
• Металлопротеины

Примечания

Литература

• Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др. / Под ред. И. П. Ермакова. — М. : «Academia», 2005. — С. —268. — 640 с. — ISBN 978-5-7695-3688-5 .

Ссылки

• MeSH
• Root Research Introduction Virtual Course Seminar