Эта статья входит в число добротных статей

Альтернативная оксидаза

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Альтернативная оксидаза
Идентификаторы
Символ AOX
PfamPF01786
InterProIPR002680
OPM superfamily471
OPM protein3w54
Доступные структуры белков
Pfamструктуры
PDBRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum3D-модель

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[1][2][3]. Гомологи этого белка были обнаружены в геномах многих бактерий[4][5]. Биоинформатическими методами удалось выявить альтернативную оксидазу во всех царствах, кроме архей[1].

Альтернативная оксидаза прямо восстанавливает O2 до H2O, 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[6].

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), Symplocarpus foetidus[англ.], Sauromatum guttatum[англ.], филодендрон двоякоперистый (Philodendron selloum). Так, температура цветка лилии Arum italicum может достигать 51 °С при температуре воздуха 15 °С[6]. 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[7].

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[8]. 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[6].

В реакционном центре фермент содержит два атома железа, связанных остатками четырёх глутаматов, одним аспартатом и аспарагином, а также двумя гистидинами[9]. 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))[10]. 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[11].

Функции

Растения

Альтернативный путь дыхания. UQ — убихинон, C — цитохром c, AOX — альтернативная оксидаза.

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)[12][13].

Поскольку свыше 2500 видов растений, принадлежащих к разным семействам (клевер ползучий (Trifolium repens), лядвенец рогатый (Lotus corniculatus), горошек (Vicia) sp.)[6], в естественных условиях накапливают цианогенные гликозиды[англ.], 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 НАДН/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[6].

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[14]. Так, перекись водорода является вторичным мессенджером в сигнальном каскаде, приводящем к экспрессии гена Aox1 и синтезу АО de novo[англ.][6].

Простейшие

Обитающий в кровотоке протозойный паразит Trypanosoma brucei[англ.], вызывающий сонную болезнь, дышит, используя исключительно альтернативный транспорт электронов[15][16]. Такое серьёзное отличие в метаболизме между паразитом и его хозяином-человеком сделало альтернативную оксидазу T. brucei весьма привлекательной мишенью для разработки лекарств[17][18]. Так, один из известных ингибиторов альтернативной оксидазы — антибиотик аскофуранон[англ.] — подавляет работу этого фермента у T. brucei и может вылечить инфекцию у мышей[19][20].

Грибы

Фунгицид азоксистробин

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, пикоксистробин и флуоксастробин, которые действуют на комплекс III[21]. Однако, поскольку альтернативный путь дыхания производит меньше АТФ, эти фунгициды всё равно эффективны, так как предотвращают прорастание спор, которое является очень энергозатратным процессом[22].

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[2]. 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[1].

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[1].

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[23].

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 НАДФН 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[24][25]. Фермент аллостерически активируется пируватом[26].

Специфическим ингибитором АО считаются соли гидроксамовых кислот (салицилгидроксамовая кислота[англ.]) и n-пропилгаллат[6].

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[23].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 Allison E. McDonald, Greg C. Vanlerberghe, James F. Staples. Alternative oxidase in animals: unique characteristics and taxonomic distribution (англ.) // The Journal of Experimental Biology : journal. — The Company of Biologists[англ.], 2009. — Vol. 212. — P. 2627—2634. — doi:10.1242/jeb.032151.
  2. ↑ 1 2 McDonald A., Vanlerberghe G. Branched mitochondrial electron transport in the Animalia: presence of alternative oxidase in several animal phyla (англ.) // IUBMB Life : journal. — 2004. — Vol. 56, no. 6. — P. 333—341. — doi:10.1080/1521-6540400000876. — PMID 15370881.
  3. ↑ Sluse F. E., Jarmuszkiewicz W. Alternative oxidase in the branched mitochondrial respiratory network: an overview on structure, function, regulation, and role (англ.) // Braz. J. Med. Biol. Res.[англ.] : journal. — 1998. — Vol. 31, no. 6. — P. 733—747. — doi:10.1590/S0100-879X1998000600003. — PMID 9698817.
  4. ↑ McDonald A. E., Amirsadeghi S., Vanlerberghe G. C. Prokaryotic orthologues of mitochondrial alternative oxidase and plastid terminal oxidase (англ.) // Plant Mol. Biol. : journal. — 2003. — Vol. 53, no. 6. — P. 865—876. — doi:10.1023/B:PLAN.0000023669.79465.d2. — PMID 15082931.
  5. ↑ Atteia A., van Lis R., van Hellemond J. J., Tielens A. G., Martin W., Henze K. Identification of prokaryotic homologues indicates an endosymbiotic origin for the alternative oxidases of mitochondria (AOX) and chloroplasts (PTOX) (англ.) // Gene[англ.] : journal. — Elsevier, 2004. — Vol. 330. — P. 143—148. — doi:10.1016/j.gene.2004.01.015. — PMID 15087133.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ермаков, 2005, с. 252—268.
  7. ↑ Moore A. L., Siedow J. N. The regulation and nature of the cyanide-resistant alternative oxidase of plant mitochondria (англ.) // Biochim. Biophys. Acta[англ.] : journal. — 1991. — Vol. 1059, no. 2. — P. 121—140. — doi:10.1016/S0005-2728(05)80197-5. — PMID 1883834.
  8. ↑ Berthold D. A., Stenmark P. Membrane-bound diiron carboxylate proteins (неопр.) // Annual review of plant biology. — 2003. — Т. 54. — С. 497—517. — doi:10.1146/annurev.arplant.54.031902.134915. — PMID 14503001.
  9. ↑ Berthold D. A., Andersson M. E., Nordlund P. New insight into the structure and function of the alternative oxidase (англ.) // Biochim. Biophys. Acta[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 1460, no. 2—3. — P. 241—254. — doi:10.1016/S0005-2728(00)00149-3. — PMID 11106766.
  10. ↑ Berthold D. A., Voevodskaya N., Stenmark P., Graslund A., Nordlund P. EPR studies of the mitochondrial alternative oxidase. Evidence for a diiron carboxylate center (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 2002. — Vol. 277, no. 46. — P. 43608—43614. — doi:10.1074/jbc.M206724200. — PMID 12215444. Архивировано 5 ноября 2008 года.
  11. ↑ Affourtit C., Albury M. S., Crichton P. G., Moore A. L. Exploring the molecular nature of alternative oxidase regulation and catalysis (англ.) // FEBS Lett.[англ.] : journal. — 2002. — Vol. 510, no. 3. — P. 121—126. — doi:10.1016/S0014-5793(01)03261-6. — PMID 11801238.
  12. ↑ Vanlerberghe G. C., McIntosh L. Alternative oxidase: From Gene to Function (англ.) // Plant Physiology : journal. — American Society of Plant Biologists, 1997. — Vol. 48. — P. 703—734. — doi:10.1146/annurev.arplant.48.1.703. — PMID 15012279.
  13. ↑ Ito Y., Saisho D., Nakazono M., Tsutsumi N., Hirai A. Transcript levels of tandem-arranged alternative oxidase genes in rice are increased by low temperature (англ.) // Gene[англ.] : journal. — Elsevier, 1997. — Vol. 203, no. 2. — P. 121—129. — doi:10.1016/S0378-1119(97)00502-7. — PMID 9426242.
  14. ↑ Maxwell D. P., Wang Y., McIntosh L. The alternative oxidase lowers mitochondrial reactive oxygen production in plant cells (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1999. — Vol. 96, no. 14. — P. 8271—8276. — doi:10.1073/pnas.96.14.8271. — PMID 10393984. — PMC 22224. Архивировано 16 мая 2007 года.
  15. ↑ Chaudhuri M., Ott R. D., Hill G. C. Trypanosome alternative oxidase: from molecule to function (англ.) // Trends Parasitol.[англ.] : journal. — 2006. — Vol. 22, no. 10. — P. 484—491. — doi:10.1016/j.pt.2006.08.007. — PMID 16920028.
  16. ↑ Clarkson A. B., Bienen E. J., Pollakis G., Grady R. W. Respiration of bloodstream forms of the parasite Trypanosoma brucei brucei is dependent on a plant-like alternative oxidase (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 1989. — Vol. 264, no. 30. — P. 17770—17776. — PMID 2808350. Архивировано 29 сентября 2007 года.
  17. ↑ Nihei C., Fukai Y., Kita K. Trypanosome alternative oxidase as a target of chemotherapy (англ.) // Biochim. Biophys. Acta[англ.] : journal. — 2002. — Vol. 1587, no. 2—3. — P. 234—239. — doi:10.1016/s0925-4439(02)00086-8. — PMID 12084465.
  18. ↑ Grady R. W., Bienen E. J., Dieck H. A., Saric M., Clarkson A. B. N-n-alkyl-3,4-dihydroxybenzamides as inhibitors of the trypanosome alternative oxidase: activity in vitro and in vivo (англ.) // Antimicrob. Agents Chemother.[англ.] : journal. — 1993. — Vol. 37, no. 5. — P. 1082—1085. — doi:10.1128/aac.37.5.1082. — PMID 8517695. — PMC 187903. Архивировано 11 июня 2011 года.
  19. ↑ Minagawa N., Yabu Y., Kita K., Nagai K., Ohta N., Meguro K., Sakajo S., Yoshimoto A. An antibiotic, ascofuranone, specifically inhibits respiration and in vitro growth of long slender bloodstream forms of Trypanosoma brucei brucei (англ.) // Mol. Biochem. Parasitol. : journal. — 1997. — Vol. 84, no. 2. — P. 271—280. — doi:10.1016/S0166-6851(96)02797-1. — PMID 9084049.
  20. ↑ Yabu Y., Yoshida A., Suzuki T., Nihei C., Kawai K., Minagawa N., Hosokawa T., Nagai K., Kita K., Ohta N. The efficacy of ascofuranone in a consecutive treatment on Trypanosoma brucei brucei in mice (англ.) // Parasitol. Int. : journal. — 2003. — Vol. 52, no. 2. — P. 155—164. — doi:10.1016/S1383-5769(03)00012-6. — PMID 12798927.
  21. ↑ Miguez M., Reeve C., Wood P. M., Hollomon D. W. Alternative oxidase reduces the sensitivity of Mycosphaerella graminicola to QOI fungicides (англ.) // Pest Manag. Sci. : journal. — 2004. — Vol. 60, no. 1. — P. 3—7. — doi:10.1002/ps.837. — PMID 14727735.
  22. ↑ Avila-Adame C., Koller W. Impact of alternative respiration and target-site mutations on responses of germinating conidia of Magnaporthe grisea to Qo-inhibiting fungicides (англ.) // Pest Manag. Sci. : journal. — 2003. — Vol. 59, no. 3. — P. 303—309. — doi:10.1002/ps.638. — PMID 12639047.
  23. ↑ 1 2 Riyad El-Khoury, Eric Dufour, Malgorzata Rak, Nelina Ramanantsoa, Nicolas Grandchamp, Zsolt Csaba, Bertrand Duvillié, Paule Bénit, Jorge Gallego, Pierre Gressens, Chamsy Sarkis, Howard T. Jacobs, Pierre Rustin. Alternative Oxidase Expression in the Mouse Enables Bypassing Cytochrome c Oxidase Blockade and Limits Mitochondrial ROS Overproduction (англ.) // Plos One : journal. — January 2013. — doi:10.1371/journal.pgen.1003182.
  24. ↑ Gelhaye E., Rouhier N., Gerard J., Jolivet Y., Gualberto J., Navrot N., Ohlsson P.-I., Wingsle G., Hirasawa M., Knaff D. B., Wang H., Dizengremel P., Meyer Y., Jacquot J.-P. A specific form of thioredoxin h occurs in plant mitochondria and regulates the alternative oxidase // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2004. — 22 сентября (т. 101, № 40). — С. 14545—14550. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0405282101. [исправить]
  25. ↑ Ann L. Umbach, Vicki S. Ng,James Siedow. Regulation of plant alternative oxidase activity: A tale of two cysteines. (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics[англ.] : journal. — February 2006. — Vol. 106, no. 2. — P. 135—142. — doi:10.1016/j.bbabio.2005.12.005.
  26. ↑ David A. Day,A. Harvey Millar, Joseph T. Wiskich, and James Whelan. Regulation of Alternative Oxidase Activity by Pyruvate in Soybean Mitochondria (англ.) // PlantPhysiol. : journal. — 1994. — Vol. 106. — P. 1421—1427. Архивировано 24 сентября 2015 года.

Литература

  • Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др. Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. — М.: «Academia», 2005. — С. 252—268. — 640 с. — ISBN 978-5-7695-3688-5.

Ссылки