| Terminális oxidáz | |
|---|---|
| Azonosítók | |
| Szimbólum | PTOX |
| Pfam | PF01786 |
| Elérhető fehérjeszerkezetek | |
| Pfam | szerkezetek |
| EKT | RCSB EKT ; PDBe ; EKTj |
| EKT-összeg | 3D modell |
A terminális oxidáz vagy alternatív plasztid oxidáz egy olyan enzim , amely a tilakoid membrán stromális oldalán található növényi és algakloroplasztiszokban , valamint a cianobaktériumok citoplazmatikus membránjának intracelluláris invaginációiban . A létezéséről szóló hipotézist először 1982-ben terjesztették fel, majd évekkel később, miután felfedezték a tilakoid membránban egy enzimet, az aminosavszekvenciája hasonló az alternatív mitokondriális oxidázéhoz [1] erősítette meg . Mindkét oxidáz egy közös prekurzorból, egy prokarióta fehérjéből származik , és szerkezetileg és funkcionálisan annyira hasonlóak, hogy a tilakoidba helyezett alternatív oxidáz helyettesítheti a letiltott terminális oxidázt [2] .
A terminális oxidáz katalizálja a plasztokinonok halmazának oxidációját azáltal, hogy elektronokat ad át oxigénnek , hogy víz keletkezzen. Ennek különféle hatásai vannak a kloroplasztiszok fejlődésére és működésére .
A terminális oxidáz fontos a karotinoidok bioszintézisében a kloroplasztisz biogenezisében . A plasztidok kifejlesztésében aktivitása megakadályozza a plasztokinonkészlet regenerálódását. Az e gén miatt kiütött növényeknek tarka levelei voltak, amelyeket fehér foltok borítottak. Ezen enzim nélkül a karotinoidok szintézise lelassul, mivel nincs elég oxidált plasztokinon, amely képes oxidálni a fitoént , a karotinoidok prekurzorát. Színtelen fitoén halmozódik fel a levelekben, ami fehér foltokat eredményez a festetlen sejtekből [3] . Azt is tartják, hogy a terminális oxidáz határozza meg a fejlődő fotoszintetikus apparátus redox egyensúlyát, és enélkül a növény nem tudja megszervezni a kloroplasztiszok belső membránszerkezetét erős fény hatására [1] [4] .
A terminális oxidázt kódoló rokkant IMMUTANS gént tartalmazó plasztidák nagyon érzékenyek lesznek a fotooxidatív stresszre. A leveleiken fehér foltok jelennek meg, ami a pigment hiányára és a szöveti fotokárosodásra utal. Ez a hatás a hőmérséklet és a fényintenzitás növekedésével növekszik. Ennek fő oka, hogy a karotinoidok szintézise oxidáz hiányában nagymértékben lelassul, és nem tudnak részt venni olyan védőfunkciók ellátásában, mint a violoxantin ciklus vagy a triplett klorofill kioltása [5] .
Kezdetben azt hitték, hogy a terminális oxidáz egyfajta "kipufogógáz", amelyen keresztül a növény felesleges redukáló egyenértékeket bocsát ki, hogy megvédje a II. fotorendszert a fénykárosodástól, de a modern koncepciók szerint minden valamivel bonyolultabb. Úgy tűnik, hogy ez az enzim fenntartja az egyensúlyt a szénhidrát-anyagcsere és az elektrontranszport sebessége között [6] . Ezenkívül néhány tanulmány kimutatta, hogy ennek a fehérjének a túlzott expressziója a reaktív oxigénfajták fokozott termeléséhez vezet . Ez azt jelenti, hogy a terminális oxidáz "kipufogó"ként való működéséhez hatékony antioxidáns rendszerre van szükség [7] .
A terminális oxidáz egyik legjobban tanulmányozott funkciója a kloroplasztisz légzésben való részvétele, a kloroplasztiszok NADH-dehidrogenáz komplexével együtt , hasonlóan a mitokondriumok NADH-dehidrogenáz komplexéhez, és homológ az I bakteriális komplexszel [8] [9] . A kloroplasztisz légzés olyan jelenség, amely akkor figyelhető meg, amikor a kloroplasztiszokat nagy intenzitású fénynek teszik ki. Ilyen körülmények között az oxigén felszabadítása helyett a kloroplasztiszok aktívan felszívják azt.
Ebben a folyamatban a NADH-dehidrogenáz komplex oxidálja a ferredoxint és helyreállítja a plasztokinonok készletét , a terminális oxidáz pedig oxidálja azokat, és ugyanazt a funkciót látja el, mint a citokróm c-oxidáz a mitokondriális elektrontranszportban . A Chlamydomonasban a terminális oxidázt kódoló gén két másolatát találták. A PTOX2 részt vesz az elektrontranszportban a sötétben, oxidálja a plasztokinonok készletét, és így a redoxpotenciál változásán keresztül napi szinten szabályozza a fotoszintézist [10] . Feltételezik, hogy magasabb rendű növényekben is képes hasonló funkciót ellátni [11] .
Ezenkívül a terminális oxidáz képes módosítani a nem ciklikus és ciklikus elektrontranszport közötti egyensúlyt az I fotorendszer körül , ami akkor következik be, amikor a szén asszimilációja éjszaka megszűnik [12] .
A terminális oxidáz egy integrált membránfehérje, amely a tilakoid membrán stromális oldalán horgonyoz le . A primer szekvencia homológiája alapján úgy gondolják, hogy az enzim négy alfa-spirális domént vesz körül egy kétatomos vasközpontot . Mindkét atom hat konzervatív hisztidinnel és glutamáttal van ligálva – Glu136, Glu175, His171, Glu227, Glu296 és His299 [13] . A megjósolt szerkezet hasonló egy alternatív oxidáz szerkezetéhez , és egy további Exon 8 domén szükséges ennek az oxidáznak a stabilitásához és megfelelő működéséhez. Az enzimet a membránhoz egy rövid ötödik alfa hélix rögzíti , amely tartalmazza a Tyr 212 maradékot, amelyről úgy gondolják, hogy részt vesz a szubsztrát megkötésében [14] .
A terminális oxidáz katalizálja négy elektron átvitelét a redukált plasztokinonból egy oxigénmolekulába és víz képződését :
2 QH 2 + O 2 → 2 Q + 2 H 2 OA szubsztrátspecifitás elemzése kimutatta, hogy az enzim szinte kizárólag a plasztokinonnal lép kölcsönhatásba, és nem lép kölcsönhatásba a kinonokkal , például az ubikinonnal és a durokinonnal . Ezenkívül a vas elengedhetetlennek bizonyult az enzim katalitikus aktivitásához, és nem helyettesíthető fémkationokkal , mint például Cu 2+ , Zn 2+ vagy Mn 2+ . Az alternatív oxidáztól eltérően a terminális oxidázt nem szabályozzák a piruvát cukrok vagy az AMP [15] .
Valószínűtlennek tűnik, hogy mind a négy elektron egyidejűleg ugyanabba a vasklaszterbe kerülne, ezért az összes javasolt mechanizmus azon a feltételezésen alapul, hogy a redukált plasztokinonból külön két elektron transzfer történik . Az első szakasz minden javasolt mechanizmusra jellemző: az egyik plasztokinon oxidálódik, és mindkét vasatom Fe(III)-ról Fe(II)-re redukálódik. A következő lépéshez, az oxigénleválasztáshoz négy különböző változat létezik. Az egyik mechanizmus magában foglalja a peroxid részvételét köztes reagensként, majd az egyik oxigénatomot víz előállítására használják, míg a másik a vasközponthoz kapcsolódik. A második plasztokinon oxidációja után egy második vízmolekula képződik, és a vasatomok visszatérnek az oxidált állapotba. Egy másik mechanizmus Fe(III)-OH vagy Fe(IV)-OH és tirozin gyök kialakulására utal . [16] . Ez a mechanizmus megmagyarázhatja, hogy a PTOX gén fokozott expressziójával miért nő a reaktív oxigénfajták termelése .
Ez az enzim jelen van az oxigénes fotoszintézisre képes szervezetekben , azaz növényekben , algákban és cianobaktériumokban . Feltehetően a terminális oxidáz és az alternatív oxidáz egy közös ősi fehérjéből származik, amelynek középpontjában két vasatom áll. Az oxigénredukció valószínűleg egy ősi védekező mechanizmus volt az oxidáció ellen az anaerob életről aerob életre való átmenet során . Az endoszimbiózis bekövetkezte előtt terminális oxidáz fejlődött ki az ősi cianobaktériumokban , és alternatív oxidáz az α-proteobaktériumokban , amelyek állítólag a mitokondriumok előfutárai voltak. Az endoszimbiózis után a terminális oxidáz eljutott az eukariótákhoz , amelyekből növények és algák fejlődtek . Számos növény- és algafaj genomszekvenálása kimutatta, hogy az aminosavszekvencia több mint 25%-ban konzervált, ami jelentős eredmény egy olyan enzim esetében, mint az oxidáz. Ezek az eredmények alátámasztják azt az elméletet, hogy mind az alternatív, mind a terminális oxidázok egymástól függetlenül fejlődtek ki az endoszimbiózis előtt, és nem mentek át jelentős változáson az eukarióta evolúció során [17] .
Léteznek PTOX cianofágok is , amelyek a terminális oxidáz gén másolatait tartalmazzák. Ismeretes, hogy vírusvektorok szerepét tölthetik be , biztosítva a génátvitelt a különböző típusú cianobaktériumok között. Egyes bizonyítékok arra utalnak, hogy a fágok ezt az oxidázt felhasználva stimulálhatják az elektronok körforgását, és több ATP- t és kevesebb NADPH -t termelnek , mivel több ATP-re van szükség a vírus kapszidszintéziséhez [1] .