| Alternativt oxidas | |
|---|---|
| Identifierare | |
| Symbol | AOX |
| Pfam | PF01786 |
| Interpro | IPR002680 |
| OPM superfamilj | 471 |
| OPM-protein | 3w54 |
| Tillgängliga proteinstrukturer | |
| Pfam | strukturer |
| PDB | RCSB PDB ; PDBe ; PDBj |
| PDBsumma | 3D-modell |
Alternativt oxidas (AO) är ett enzym som tillhandahåller alternativ elektrontransport i mitokondrierna hos alla fröväxter , svampar , såväl som alger , vissa protozoer och ett antal stillasittande eller fästa djur [1] [2] [3] . Homologer av detta protein har hittats i arvsmassan hos många bakterier [4] [5] . Bioinformatikmetoder har kunnat identifiera ett alternativt oxidas i alla riken utom archaea [1] .
Det alternativa oxidaset reducerar direkt O 2 till H 2 O , vilket oxiderar poolen av ubikinoner och avleder energi som värme. Men med denna mekanism går åtminstone 2 av 3 konjugationspunkter förlorade, och potentiellt är genereringen av en protongradient endast möjlig på komplex I under oxidationen av NADH , vilket avsevärt minskar det slutliga ATP -utbytet [6] .
Tillbaka på 1800-talet beskrev botaniker ett fenomen som senare kallades termogenes av aroidväxter : under blomningen av vissa arter ökade blommans temperatur kraftigt , ibland översteg den omgivande temperaturen med tiotals grader. Detta fenomen är särskilt uttalat under blomningen av sådana växter som fläckig aronnik ( Arum maculatum ), Symplocarpus foetidus , Sauromatum guttatum , philodendron bipinnate ( Philodendron selloum ). Således kan temperaturen på en liljablomma Arum italicum nå 51 °C vid en lufttemperatur på 15 °C [6] . Den adaptiva betydelsen av detta fenomen är att öka avdunstningen av luktämnen och att locka till sig pollinerande insekter . När man studerade detta fenomen visade det sig att en ökning av temperaturen åtföljs av en explosion av andningsaktivitet, medan andningen inte undertrycktes av cyanid och CO , de klassiska hämmarna av andning hos djur . Således upptäcktes cyanidresistent växtandning . Målmedvetna studier av detta fenomen ledde till upptäckten av ett alternativt oxidas och en alternativ elektrontransportväg associerad med den [7] .
Ett alternativt oxidas, ubiquinon oxygen oxidoreductase , är en enda polypeptid med en massa på cirka 32 kDa . Den är stadigt fixerad på mitokondriernas inre membran från sidan av matrisen [8] . Dess syntes i växter kodas av kärngenen Aox1 . Sauromatum guttatum- , sojabön- och Arabidopsis - växter har tre kärngener som kodar för AO- isoformer , vars uttryck beror på vävnadstypen [6] .
I reaktionscentret innehåller enzymet två järnatomer kopplade av rester av fyra glutamater , en aspartat och asparagin och två histidiner [9] . En EPR- studie av det alternativa oxidaset AOX1a från Arabidopsis thaliana visade att enzymet verkligen innehåller ett hydroxo -bryggt binukleärt centrum av två blandade järnatomer (Fe(II)/Fe(III)) [10] . Den exakta mekanismen för syrereduktion är inte känd, men en katalytisk cykel som involverar ett binukleärt järncentrum och åtminstone en fri radikal som bildas av proteinet , som troligen bildas på tyrosinresten [ 11] , antas ske .
Den fysiologiska rollen för AO är tydlig endast i fallet med termogenes i aroider . I andra fall är fördelen för växten av denna typ av enzym inte alltid helt klar. Uttrycket av den alternativa oxidasgenen Aox påverkas av stressfaktorer som kyla, reaktiva syrearter och patogenattacker , såväl som faktorer som minskar flödet av elektroner genom cytokrom-andningsvägen ( cyanid ) [12] [13] .
Eftersom mer än 2500 arter av växter som tillhör olika familjer ( krypklöver ( Trifolium repens ), behornad lotus ( Lotus corniculatus ), ärtor ( Vicia ) sp.) [6] ackumulerar cyanogene glykosider under naturliga förhållanden , vars förfall åtföljs av bildningen HCN , de tror att AO är ett evolutionärt sätt att upprätthålla andningen samtidigt som den undertrycks med cyanid. Vissa patogena svampar och bakterier producerar i sin tur cyanid . Detta förklarar dock inte varför alla växter har AO och vilken roll det spelar för cellens normala funktion.
Enligt moderna koncept är alternativ andning ett sätt att upprätthålla en balans mellan kolhydratmetabolism och hastigheten på elektronisk transport. Det är känt att TCA-enzymer regleras allosteriskt genom NAD H/NAD +- och ATP / ADP-förhållandena . Med en hög nivå av cytoplasmatisk NADH och ATP kommer TCA :s arbete att blockeras, vilket kan inträffa med kloroplasternas aktiva arbete i starkt ljus. AO:s funktion kan vara att snabbt oxidera NADH i andningskedjan. Som ett resultat kommer bromsen att tas bort från TCA-cykeln , vars mellanprodukter används aktivt i olika biosyntetiska processer [6] .
Den andra viktiga funktionen hos AO är att skydda cellerna från oxidativ stress . Mitokondrier är platsen för bildning av superoxid och väteperoxid . Intensiv bildning och ackumulering av dessa farliga ämnen underlättas av hämning av elektrontransport och "regenerering" av kedjan vid höga värden av protongradienten . AO leder till en ökning av transporthastigheten och "lossning" av kedjan genom att dumpa elektroner på syre med bildning av rent vatten. Det finns starka bevis för att alternativt oxidas stör genereringen av reaktiva syrearter [14] . Således är väteperoxid en andra budbärare i signalkaskaden som leder till uttrycket av Aox1 -genen och syntesen av AO de novo [6] .
Den blodomloppsboende protozoparasiten Trypanosoma brucei , som orsakar sömnsjuka , andas uteslutande genom att använda alternativ elektrontransport [15] [16] . Denna stora skillnad i metabolism mellan parasiten och dess mänskliga värd har gjort T. brucei alternativ oxidas till ett attraktivt mål för läkemedelsutveckling [17] [18] . Till exempel, en av de kända alternativa oxidashämmarna , antibiotikumet ascofuranone , hämmar detta enzym i T. brucei och kan bota infektion hos möss [19] [20] .
Hos svampar hjälper förmågan till alternativ andning att övervinna hämning av delar av elektrontransportkedjan och spelar en viktig roll för svampresistens mot fungicider . Detta ses tydligt i strobilurinerna azoxystrobin , picoxystrobin och fluoxastrobin , som verkar på komplex III [21] . Men eftersom den alternativa andningsvägen producerar mindre ATP , är dessa fungicider fortfarande effektiva för att förhindra sporgroning , vilket är en mycket energikrävande process [22] .
Under lång tid trodde man att alternativt oxidas uteslutande finns i mitokondrierna hos svampar, växter och protozoer. Men sedan 2004, tack vare helgenomsekvenseringsmetoder, har alternativa oxidasgener hittats i arvsmassan hos ett antal ryggradslösa djur [2] . Hittills har alternativa oxidaser hittats i tio typer av djur såsom svampar , lamellar , cnidarians ( korallpolyper och hydroider ), blötdjur ( snäckor och musslor ), annelids , nematoder , tagghudingar , hemichordates och chordates ( lansletter och manteldjur ). Det finns också rapporter om cyanidresistent andning hos sipunculider och tvåbenta tusenfotingar. AO-genen från manteldjuret Ciona intestinalis överfördes till human njurcellkultur. Det visades att det alternativa oxidaset uttrycktes och lokaliserades i mitokondrier, och cellerna förvärvade resistens mot cyanid [1] .
Djuralternativet oxidas har ett unikt C-terminalt motiv som endast finns hos djur. Den saknar också N-terminala cysteinrester, som är viktiga för regleringen av detta enzym i växter [1] .
Det finns en hypotes som förklarar varför de flesta ryggradsdjur såväl som leddjur har förlorat AO trots de uppenbara fördelarna det ger. De flesta av de arter som AO har hittats i är pelagiska eller bundna organismer, vilket innebär att deras mitokondrier regelbundet måste utsättas för energistress som de inte kan undvika, till exempel: fotosyntes i växter, giftiga främlingsfientliga organismer i mikroorganismer eller lokala fluktuationer i havsmiljö (temperatur, syrenivå). Under sådana förhållanden hjälper AO inaktiva organismer att överleva och klara av belastningen, men det är praktiskt taget oanvändbart för aktiva snabbt rörliga organismer och därför har det förmodligen förlorats på grund av bristen på naturligt urvalstryck [23] .
Det alternativa oxidaset kan finnas i monomer- och dimerform . Det finns två cysteinrester i strukturen av växtprotein , vid oxidation av vilka en disulfidbindning bildas , som kovalent binder de två monomererna. Under förhållanden med stark belysning minskar NADP H-poolen, genom mitokondriellt NADPH tioredoxinreduktas, proteinet tioredoxin , vilket i sin tur återställer disulfidbindningen i AO-dimeren. Frisättningen av AO-monomeren åtföljs av en ökning av dess aktivitet med flera gånger [24] [25] . Enzymet aktiveras allosteriskt av pyruvat [26] .
Salter av hydroxamsyror ( salicylhydroxamsyra ) och n-propylgallat [6] anses vara specifika hämmare av AO .
Under 2013 rapporterades skapandet av en rad genetiskt modifierade möss med en integrerad AO-gen från Ciona intestinalis . Enzymet uttrycktes med varierande intensitet i alla vävnader (starkast i hjärnan och bukspottkörteln ). Införandet av ett alternativt oxidas orsakade inte några abnormiteter i fysiologi, beteende eller utveckling hos möss. Möss av denna linje har ökad resistens mot verkan av cyanid, såväl som vissa andra ämnen som antimycin , som blockerar andningskomplexen . Dessutom visade dessa möss minskad bildning av reaktiva syrearter i mitokondrier [23] .