| Alternativ oxidase | |
|---|---|
| Identifikatorer | |
| Symbol | AOX |
| Pfam | PF01786 |
| Interpro | IPR002680 |
| OPM superfamilie | 471 |
| OPM protein | 3w54 |
| Tilgængelige proteinstrukturer | |
| Pfam | strukturer |
| FBF | RCSB FBF ; PDBe ; PDBj |
| PDBsum | 3D model |
Alternativ oxidase (AO) er et enzym , der giver alternativ elektrontransport i mitokondrierne af alle frøplanter , svampe , samt alger , nogle protozoer og en række stillesiddende eller vedhæftede dyr [1] [2] [3] . Homologer af dette protein er blevet fundet i genomerne af mange bakterier [4] [5] . Bioinformatiske metoder har været i stand til at identificere en alternativ oxidase i alle riger undtagen archaea [1] .
Den alternative oxidase reducerer direkte O 2 til H 2 O , oxiderer poolen af ubiquinoner og spreder energi som varme. Men med denne mekanisme går mindst 2 ud af 3 konjugationspunkter tabt, og potentielt er dannelsen af en protongradient kun mulig på kompleks I under oxidationen af NADH , hvilket signifikant reducerer det endelige ATP -udbytte [6] .
Tilbage i det 19. århundrede beskrev botanikere et fænomen, der senere blev kaldt termogenese af aroid- planter : under blomstringen af nogle arter steg blomstens temperatur kraftigt, og undertiden oversteg den omgivende temperatur med titusinder af grader. Dette fænomen er især udtalt under blomstringen af sådanne planter som plettet aronnik ( Arum maculatum ), Symplocarpus foetidus , Sauromatum guttatum , philodendron bipinnate ( Philodendron selloum ). Således kan temperaturen på en liljeblomst Arum italicum nå 51 °C ved en lufttemperatur på 15 °C [6] . Den adaptive betydning af dette fænomen er at øge fordampningen af lugtende stoffer og at tiltrække bestøvende insekter . Når man studerede dette fænomen, viste det sig, at en temperaturstigning ledsages af et udbrud af respiratorisk aktivitet, mens respirationen ikke blev undertrykt af cyanid og CO , de klassiske hæmmere af dyrs respiration . Således blev cyanid - resistent planterespiration opdaget . Målrettet undersøgelse af dette fænomen førte til opdagelsen af en alternativ oxidase og en alternativ elektrontransportvej forbundet med den [7] .
En alternativ oxidase, ubiquinon oxygenoxidoreduktase , er et enkelt polypeptid med en masse på ca. 32 kDa . Det er fast fikseret på mitokondriernes indre membran fra siden af matrixen [8] . Dets syntese i planter er kodet af det nukleare gen Aox1 . Sauromatum guttatum- , soja- og Arabidopsis - planter har tre nukleare gener, der koder for AO- isoformer , hvis ekspression afhænger af vævstypen [6] .
I reaktionscentret indeholder enzymet to jernatomer forbundet med rester af fire glutamater , en aspartat og asparagin og to histidiner [9] . En EPR -undersøgelse af den alternative oxidase AOX1a fra Arabidopsis thaliana viste, at enzymet faktisk indeholder et hydroxo -brokoblet binukleært center af to blandet valens jernatomer (Fe(II)/Fe(III)) [10] . Den nøjagtige mekanisme for iltreduktion kendes ikke, men en katalytisk cyklus, der involverer et binukleært jerncenter og mindst ét frit radikal dannet af proteinet, som sandsynligvis dannes på tyrosinresten [11] , antages at finde sted .
Den fysiologiske rolle af AO er kun klar i tilfælde af termogenese i aroider . I andre tilfælde er fordelen for planten ved denne slags enzymer ikke altid endegyldigt klar. Ekspressionen af det alternative oxidase- gen Aox påvirkes af stressfaktorer såsom kulde, reaktive oxygenarter og patogenangreb , såvel som faktorer, der reducerer strømmen af elektroner gennem cytochrom-respirationsvejen ( cyanid ) [12] [13] .
Da mere end 2500 arter af planter, der tilhører forskellige familier ( krybende kløver ( Trifolium repens ), hornet lotus ( Lotus corniculatus ), ærter ( Vicia ) sp.) [6] akkumulerer cyanogene glycosider under naturlige forhold , hvis henfald er ledsaget af dannelsen HCN , mener de, at AO er en evolutionær måde at opretholde respirationen på, mens den undertrykkes med cyanid. Til gengæld producerer nogle patogene svampe og bakterier cyanid . Dette forklarer dog ikke, hvorfor alle planter har AO, og hvilken rolle det spiller i cellens normale funktion.
Ifølge moderne koncepter er alternativ respiration en måde at opretholde en balance mellem kulhydratmetabolisme og hastigheden af elektronisk transport. Det er kendt, at TCA-enzymer reguleres allosterisk gennem NAD H/NAD + - og ATP / ADP-forhold . Med et højt niveau af cytoplasmatisk NADH og ATP vil TCA'ens arbejde blive blokeret, hvilket kan forekomme med kloroplasternes aktive arbejde under skarpe lysforhold. Funktionen af AO kan være at hurtigt oxidere NADH i åndedrætskæden. Som et resultat vil bremsen blive fjernet fra TCA-cyklussen , hvis mellemprodukter bruges aktivt i forskellige biosyntetiske processer [6] .
Den anden vigtige funktion af AO er at beskytte celler mod oxidativ stress . Mitokondrier er stedet for dannelse af superoxid og hydrogenperoxid . Intensiv dannelse og akkumulering af disse farlige stoffer lettes af hæmning af elektrontransport og "regenerering" af kæden ved høje værdier af protongradienten . AO fører til en stigning i transporthastigheden og "aflæsning" af kæden ved at dumpe elektroner på ilt med dannelse af rent vand. Der er stærke beviser for, at alternativ oxidase interfererer med dannelsen af reaktive oxygenarter [14] . Hydrogenperoxid er således en anden budbringer i signaleringskaskaden , der fører til ekspressionen af Aox1 -genet og syntesen af AO de novo [6] .
Den blodbanen-boende protozo - parasit Trypanosoma brucei , som forårsager sovesyge , trækker vejret udelukkende ved hjælp af alternativ elektrontransport [15] [16] . Denne store forskel i metabolisme mellem parasitten og dens menneskelige vært har gjort T. brucei alternative oxidase til et attraktivt mål for lægemiddeludvikling [17] [18] . For eksempel hæmmer en af de kendte alternative oxidasehæmmere , antibiotikumet ascofuranone , dette enzym i T. brucei og kan helbrede infektion hos mus [19] [20] .
Hos svampe hjælper evnen til alternativ respiration med at overvinde hæmning af dele af elektrontransportkæden og spiller en vigtig rolle i svamperesistens over for fungicider . Dette ses tydeligt i strobilurinerne azoxystrobin , picoxystrobin og fluoxastrobin , som virker på kompleks III [21] . Men da den alternative respirationsvej producerer mindre ATP , er disse fungicider stadig effektive til at forhindre sporespiring , hvilket er en meget energikrævende proces [22] .
I lang tid troede man, at alternativ oxidase udelukkende er til stede i mitokondrierne hos svampe, planter og protozoer. Siden 2004 er der imidlertid, takket være helgenomsekventeringsmetoder, fundet alternative oxidasegener i genomerne af en række hvirvelløse dyr [2] . Til dato er alternativ oxidase blevet fundet i ti typer dyr såsom svampe , lamellarer , cnidarians ( koralpolypper og hydroider ), bløddyr ( snegle og toskallede ), annelider , nematoder , pighuder , hemichordater og chordater ( lancetter og sækdyr ). Der er også rapporter om cyanid-resistent respiration hos sipunculider og tobenede tusindben. AO-genet fra sækdyret Ciona intestinalis blev overført til human nyrecellekultur. Det blev vist, at den alternative oxidase blev udtrykt og lokaliseret i mitokondrier, og cellerne erhvervede resistens over for cyanid [1] .
Den animalske alternative oxidase har et unikt C-terminalt motiv, der kun findes i dyr. Det mangler også N-terminale cysteinrester, som er vigtige for reguleringen af dette enzym i planter [1] .
Der er en hypotese, der forklarer, hvorfor de fleste hvirveldyr såvel som leddyr har mistet AO på trods af de åbenlyse fordele, det giver. De fleste af de arter, som AO er fundet i, er pelagiske eller vedhæftede organismer, hvilket betyder, at deres mitokondrier jævnligt skal udsættes for energistress, som de ikke kan undgå, for eksempel: fotosyntese i planter, giftige xenobiotika i mikroorganismer eller lokale udsving i havmiljø (temperatur, iltniveau). Under sådanne forhold hjælper AO inaktive organismer med at overleve og klare belastningen, men det er praktisk talt ubrugeligt for aktive hurtigt bevægende organismer, og derfor er det sandsynligvis gået tabt på grund af manglen på naturligt selektionstryk [23] .
Den alternative oxidase kan eksistere i monomer og dimer form . Der er to cysteinrester i strukturen af planteprotein , ved oxidation af hvilke der dannes en disulfidbinding , der kovalent forbinder de to monomerer. Under betingelser med kraftig belysning reducerer NADP H-puljen gennem mitokondriel NADPH thioredoxinreduktase proteinet thioredoxin , som igen genopretter disulfidbindingen i AO-dimeren. Frigivelsen af AO-monomeren er ledsaget af en stigning i dens aktivitet flere gange [24] [25] . Enzymet aktiveres allosterisk af pyruvat [26] .
Salte af hydroxamsyrer ( salicylhydroxamsyre ) og n-propylgallat [6] betragtes som specifikke hæmmere af AO .
I 2013 blev oprettelsen af en linje af genetisk modificerede mus med et integreret AO-gen fra Ciona intestinalis rapporteret . Enzymet blev udtrykt med varierende intensitet i alle væv (stærkest i hjernen og bugspytkirtlen ). Introduktionen af en alternativ oxidase forårsagede ingen abnormiteter i musenes fysiologi, adfærd eller udvikling. Mus af denne linje har øget modstandsdygtighed over for virkningen af cyanid, såvel som nogle andre stoffer, såsom antimycin , som blokerer de respiratoriske komplekser . Derudover viste disse mus reduceret dannelse af reaktive oxygenarter i mitokondrier [23] .