Русская Википедия:Альтернативная оксидаза

Шаблон:Infobox protein family 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 Шаблон:Sfn.

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 Шаблон:Bt-ruslat, Шаблон:Нп5, Шаблон:Нп5, Шаблон:Bt-ruslat. Так, температура цветка лилии Arum italicum может достигать 51 °С при температуре воздуха 15 °СШаблон:Sfn. 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^[6].

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^[7]. 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 Шаблон:Sfn.

В реакционном центре фермент содержит два атома железа, связанных остатками четырёх глутаматов, одним аспартатом и аспарагином, а также двумя гистидинами^[8]. 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))^[9]. 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^[10].

Функции

Растения

Файл:AOX.png

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)^[11]^[12].

Поскольку свыше 2500 видов растений, принадлежащих к разным семействам (Шаблон:Bt-ruslat, Шаблон:Bt-ruslat, Шаблон:Bt-ruslat sp.)Шаблон:Sfn, в естественных условиях накапливают Шаблон:Нп5, 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 процессахШаблон:Sfn.

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^[13]. Так, перекись водорода является вторичным мессенджером в сигнальном каскаде, приводящем к экспрессии гена Aox1 и синтезу АО Шаблон:Нп5Шаблон:Sfn.

Простейшие

Обитающий в кровотоке протозойный паразит Шаблон:Нп5, вызывающий сонную болезнь, дышит, используя исключительно альтернативный транспорт электронов^[14]^[15]. Такое серьёзное отличие в метаболизме между паразитом и его хозяином-человеком сделало альтернативную оксидазу T. brucei весьма привлекательной мишенью для разработки лекарств^[16]^[17]. Так, один из известных ингибиторов альтернативной оксидазы — антибиотик Шаблон:Нп5 — подавляет работу этого фермента у T. brucei и может вылечить инфекцию у мышей^[18]^[19].

Грибы

Файл:Azoxystrobin-2D-skeletal.png

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^[20]. Однако, поскольку альтернативный путь дыхания производит меньше АТФ, эти фунгициды всё равно эффективны, так как предотвращают прорастание спор, которое является очень энергозатратным процессом^[21].

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^[22].

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^[23]^[24]. Фермент аллостерически активируется пируватом^[25].

Специфическим ингибитором АО считаются соли гидроксамовых кислот (Шаблон:Нп5) и n-пропилгаллат Шаблон:Sfn.

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^[22].

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Книга

Ссылки

Electron transport proteins
InterPro entry on alternative oxidases
Шаблон:MeshName
Alternative respiration Root Research Introduction Virtual Course Seminar

Шаблон:Добротная статья

[Alternative_oxidase_in_animals-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Шаблон:Статья

[McDonald-2] 2,0 ^2,1 Шаблон:Статья

[3] Шаблон:Статья

[4] Шаблон:Статья

[5] Шаблон:Статья

[6] Шаблон:Статья

[7] Шаблон:Статья

[8] Шаблон:Статья

[9] Шаблон:Статья

[10] Шаблон:Статья

[11] Шаблон:Статья

[12] Шаблон:Статья

[13] Шаблон:Статья

[14] Шаблон:Статья

[15] Шаблон:Статья

[16] Шаблон:Статья

[17] Шаблон:Статья

[18] Шаблон:Статья

[19] Шаблон:Статья

[20] Шаблон:Статья

[21] Шаблон:Статья

[mous-22] 22,0 ^22,1 Шаблон:Статья

[23] Шаблон:Cite doi

[24] Шаблон:Статья

[25] Шаблон:Статья

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

Партнерские ресурсы
Криптовалюты	Обмен криптовалют - www.bestchange.ru Криптовалютная биржа CoinEx Криптовалютная биржа Binance HIVE OS - операционная система для майнинга e4pool - Мультивалютный пул для майнинга.
Магазины	AliExpress — глобальная виртуальная (в Интернете) торговая площадка, предоставляющая возможность покупать товары производителей из КНР; computeruniverse.net - Интернет-магазин компьютеров(Промо код 5 Евро на первую покупку:FWWC3ZKQ);
Хостинг	DigitalOcean - американский провайдер облачных инфраструктур, с главным офисом в Нью-Йорке и с центрами обработки данных по всему миру;
Разное	Викиум - Онлайн-тренажер для мозга Like Центр - Центр поддержки и развития предпринимательства. Gamersbay - лучший магазин по бустингу для World of Warcraft. Ноотропы OmniMind N°1 - Усиливает мозговую активность. Повышает мотивацию. Улучшает память. Санкт-Петербургская школа телевидения - это федеральная сеть образовательных центров, которая имеет филиалы в 37 городах России. Lingualeo.com — интерактивный онлайн-сервис для изучения и практики английского языка в увлекательной игровой форме. Junyschool (Джунискул) – международная школа программирования и дизайна для детей и подростков от 5 до 17 лет, где ученики осваивают компьютерную грамотность, развивают алгоритмическое и креативное мышление, изучают основы программирования и компьютерной графики, создают собственные проекты: игры, сайты, программы, приложения, анимации, 3D-модели, монтируют видео. Умназия - Интерактивные онлайн-курсы и тренажеры для развития мышления детей 6-13 лет SkillBox - это один из лидеров российского рынка онлайн-образования. Среди партнеров Skillbox ведущий разработчик сервисного дизайна AIC, медиа-компания Yoola, первое и самое крупное русскоязычное аналитическое агентство Tagline, онлайн-школа дизайна и иллюстрации Bang! Bang! Education, оператор PR-рынка PACO, студия рисования Draw&Go, агентство performance-маркетинга Ingate, scrum-студия Sibirix, имидж-лаборатория Персона. «Нетология» — это университет по подготовке и дополнительному обучению специалистов в области интернет-маркетинга, управления проектами и продуктами, дизайна, Data Science и разработки. В рамках Нетологии студенты получают ценные теоретические знания от лучших экспертов Рунета, выполняют практические задания на отработку полученных навыков, общаются с экспертами и единомышленниками. Познакомиться со всеми продуктами подробнее можно на сайте https://netology.ru, линейка курсов и профессий постоянно обновляется. StudyBay Brazil – это онлайн биржа для португалоговорящих студентов и авторов! Студент получает уникальную работу любого уровня сложности и больше свободного времени, в то время как у автора появляется дополнительный заработок и бесценный опыт. Автор24 — самая большая в России площадка по написанию учебных работ: контрольные и курсовые работы, дипломы, рефераты, решение задач, отчеты по практике, а так же любой другой вид работы. Сервис сотрудничает с более 70 000 авторов. Более 1 000 000 работ уже выполнено. StudyBay – это онлайн биржа для англоязычных студентов и авторов! Студент получает уникальную работу любого уровня сложности и больше свободного времени, в то время как у автора появляется дополнительный заработок и бесценный опыт.