| Terminalt oxidas | |
|---|---|
| Identifierare | |
| Symbol | PTOX |
| Pfam | PF01786 |
| Tillgängliga proteinstrukturer | |
| Pfam | strukturer |
| PDB | RCSB PDB ; PDBe ; PDBj |
| PDBsumma | 3D-modell |
Terminalt oxidas , eller alternativt plastidoxidas , är ett enzym som finns på den stromala sidan av tylakoidmembranet i växt- och algkloroplaster och intracellulära invaginationer av cyanobakteriers cytoplasmatiska membran . Hypotesen om dess existens lades fram först 1982 och bekräftades år senare, efter upptäckten av ett enzym i tylakoidmembranet, vars aminosyrasekvens liknade den för alternativt mitokondriellt oxidas [1] . Båda oxidaserna härstammar från en gemensam prekursor, ett prokaryotiskt protein , och är så strukturellt och funktionellt lika att ett alternativt oxidas placerat i tylakoiden kan ersätta det inaktiverade terminala oxidaset [2] .
Terminalt oxidas katalyserar oxidationen av en pool av plastokinoner genom att donera elektroner till syre för att bilda vatten. Detta har olika effekter på kloroplasternas utveckling och funktion .
Terminalt oxidas är viktigt för karotenoidbiosyntesen under kloroplastbiogenes . Vid utveckling av plastider förhindrar dess aktivitet regenereringen av plastokinonpoolen. Växter som slogs ut för denna gen hade brokiga blad täckta med vita fläckar. Utan detta enzym saktar syntesen av karotenoider ner, eftersom det inte finns tillräckligt med oxiderade plastokinoner som kan oxidera fytoen , föregångaren till karotenoider. Färglöst fytoen ansamlas i bladen, vilket resulterar i vita fläckar från ofärgade celler [3] . Man tror också att terminalt oxidas bestämmer redoxbalansen för den framkallande fotosyntesapparaten och att utan den kan växten inte organisera kloroplasternas inre membranstrukturer när de utsätts för starkt ljus [1] [4] .
Plastider med en funktionshindrad IMMUTANS -gen som kodar för terminalt oxidas blir mycket känsliga för fotooxidativ stress. Vita fläckar visas på deras blad, vilket indikerar brist på pigment och vävnadsfotoskador. Denna effekt ökar med ökande temperatur och ljusintensitet. Den främsta anledningen till detta är att syntesen av karotenoider i frånvaro av oxidas är kraftigt reducerad, och de kan inte delta i utförandet av sådana skyddande funktioner som violoxantincykeln eller släckning av triplettklorofyll [5] .
Till en början trodde man att terminalt oxidas är ett slags "avgas" genom vilket anläggningen släpper ut överskott av reducerande ekvivalenter för att skydda fotosystem II från fotoskador, men enligt moderna koncept är allt något mer komplicerat. Detta enzym verkar upprätthålla en balans mellan kolhydratmetabolism och hastigheten för elektrontransport [6] . Dessutom har vissa studier visat att överuttryck av detta protein leder till ökad produktion av reaktiva syrearter . Detta betyder att för att det terminala oxidaset ska fungera som ett "avgas" är det nödvändigt att ha ett effektivt antioxidantsystem [7] .
En av de mest välstuderade funktionerna hos terminalt oxidas är dess deltagande i kloroplastandning , tillsammans med NADH-dehydrogenaskomplexet av kloroplaster , liknande NADH-dehydrogenaskomplexet i mitokondrier och homologt med bakteriekomplexet I [8] [9] . Kloroplastandning är ett fenomen som observeras när kloroplaster utsätts för högintensivt ljus. Under sådana förhållanden, istället för att frigöra syre , börjar kloroplaster att aktivt absorbera det.
I denna process oxiderar NADH-dehydrogenaskomplexet ferredoxin och återställer poolen av plastokinoner , och det terminala oxidaset oxiderar dem och utför samma funktion som cytokrom c-oxidas i mitokondriell elektrontransport . I Chlamydomonas har två kopior av genen som kodar för terminalt oxidas hittats. PTOX2 är involverad i elektrontransport i mörker, oxiderar poolen av plastokinoner och genomför därmed daglig reglering av fotosyntesen genom en förändring av redoxpotentialen [10] . Man tror att den kan utföra en liknande funktion i högre växter [11] .
Dessutom kan terminalt oxidas modulera balansen mellan icke-cyklisk och cyklisk elektrontransport runt fotosystem I , vilket inträffar när kolassimileringen upphör på natten [12] .
Terminalt oxidas är ett integrerat membranprotein som är förankrat på den stromala sidan av tylakoidmembranet . Baserat på primär sekvenshomologi tros enzymet ha fyra alfaspiralformade domäner som omger ett diatomiskt järncentrum . Båda atomerna är ligerade med sex konservativa histidiner och glutamater - Glu136, Glu175, His171, Glu227, Glu296 och His299 [13] . Den förutsagda strukturen liknar den för ett alternativt oxidas , med en ytterligare Exon 8-domän som krävs för stabiliteten och korrekt funktion av detta oxidas. Enzymet är förankrat till membranet av en kort femte alfa-helix som innehåller Tyr 212-resten, som tros vara involverad i substratbindning [14] .
Terminalt oxidas katalyserar överföringen av fyra elektroner från den reducerade plastokinonen till en syremolekyl och bildandet av vatten :
2 QH2 + O2 → 2 Q + 2 H2OSubstratspecificitetsanalys visade att enzymet nästan uteslutande interagerar med plastokinon och inte interagerar med kinoner som ubikinon och durokinon . Dessutom har järn visat sig vara absolut nödvändigt för enzymets katalytiska aktivitet och kan inte ersättas av metallkatjoner som Cu 2+ , Zn 2+ eller Mn 2+ . Till skillnad från alternativt oxidas regleras inte terminalt oxidas av pyruvatsocker eller AMP [15] .
Det verkar osannolikt att alla fyra elektronerna skulle överföras samtidigt till samma järnkluster, så alla föreslagna mekanismer är baserade på antagandet om en separat tvåelektronöverföring från den reducerade plastokinonen . Det första steget är gemensamt för alla föreslagna mekanismer: en plastokinon oxideras och båda järnatomerna reduceras från Fe(III) till Fe(II). För nästa steg, syreinfångning, finns det fyra olika versioner. En mekanism involverar deltagande av peroxid som en mellanreaktant, varefter en syreatom används för att skapa vatten, medan den andra förblir associerad med järncentret. Efter att den andra plastokinonen har oxiderats bildas en andra vattenmolekyl och järnatomerna återgår till det oxiderade tillståndet. En annan mekanism antyder bildningen av Fe(III)-OH eller Fe(IV)-OH och en tyrosinradikal . [16] . En sådan mekanism skulle kunna förklara varför, med ökat uttryck av PTOX -genen, det finns en ökad produktion av reaktiva syrearter .
Detta enzym finns i organismer som kan göra syrehaltig fotosyntes , dvs. växter , alger och cyanobakterier . Förmodligen härrörde terminalt oxidas och alternativt oxidas från ett gemensamt förfädersprotein, centrerat på två järnatomer. Syreminskning var sannolikt en gammal försvarsmekanism mot oxidation under övergången från anaerobt till aerobt liv. Innan endosymbios inträffade utvecklades terminalt oxidas i forntida cyanobakterier , och alternativt oxidas i α-proteobakterier , som förmodligen var prekursorer till mitokondrier. Efter endosymbios tog sig terminal oxidas till eukaryoter , som utvecklades till växter och alger . Genomsekvensering av många växt- och algerarter har visat att aminosyrasekvensen är mer än 25 % bevarad, vilket är ett signifikant resultat för ett enzym som oxidas. Dessa resultat stöder teorin att både alternativa och terminala oxidaser utvecklades oberoende före endosymbios och inte genomgick signifikanta förändringar under eukaryot evolution [17] .
PTOX-cyanofager finns också , som innehåller kopior av den terminala oxidasgenen. Det är känt att de kan spela rollen som virala vektorer , vilket ger genöverföring mellan olika typer av cyanobakterier. Vissa bevis tyder på att fager kan använda detta oxidas för att stimulera cykling av elektroner och producera mer ATP och mindre NADPH , eftersom mer ATP krävs för viral kapsidsyntes [1] .