| Alternatív oxidáz | |
|---|---|
| Azonosítók | |
| Szimbólum | AOX |
| Pfam | PF01786 |
| InterPro | IPR002680 |
| OPM szupercsalád | 471 |
| OPM fehérje | 3w54 |
| Elérhető fehérjeszerkezetek | |
| Pfam | szerkezetek |
| EKT | RCSB EKT ; PDBe ; EKTj |
| EKT-összeg | 3D modell |
Az alternatív oxidáz (AO) egy olyan enzim , amely alternatív elektrontranszportot biztosít minden magnövény , gomba , valamint algák , egyes protozoonok és számos ülő vagy hozzátartozó állat mitokondriumában [ 1] [2] [3] . Ennek a fehérjének homológjait számos baktérium genomjában találták meg [4] [5] . A bioinformatikai módszerekkel az archaea kivételével minden királyságban sikerült alternatív oxidázt azonosítani [1] .
Az alternatív oxidáz közvetlenül redukálja az O 2 -t H 2 O -vá , oxidálja az ubikinonkészletet , és hőként disszipálja az energiát . Ezzel a mechanizmussal azonban 3 konjugációs pontból legalább 2 elveszik, és potenciálisan protongradiens keletkezése csak az I. komplexen lehetséges a NADH oxidációja során , ami jelentősen csökkenti a végső ATP hozamot [6] .
A 19. században a botanikusok leírtak egy jelenséget, amelyet később az aroid növények termogenezisének neveztek : egyes fajok virágzása során a virág hőmérséklete meredeken emelkedett, néha több tíz fokkal meghaladta a környezeti hőmérsékletet. Ez a jelenség különösen szembetűnő olyan növények virágzása során, mint a foltos aronnik ( Arum maculatum ), Symplocarpus foetidus , Sauromatum guttatum [en , philodendron bipinnate ( Philodendron selloum ). Így a liliomvirág Arum italicum hőmérséklete 15 °C-os levegőhőmérséklet mellett elérheti az 51 °C-ot [6] . A jelenség adaptív jelentősége a szagos anyagok elpárolgásának fokozása és a beporzó rovarok vonzása . A jelenség tanulmányozása során kiderült, hogy a hőmérséklet-emelkedés a légzési aktivitás felrobbanásával jár együtt, míg a légzést a cianid és a CO , az állati légzés klasszikus gátlói nem nyomják el . Így felfedezték a cianid-rezisztens növényi légzést . Ennek a jelenségnek a céltudatos vizsgálata egy alternatív oxidáz és a hozzá kapcsolódó alternatív elektrontranszport -útvonal felfedezéséhez vezetett [7] .
Egy alternatív oxidáz, az ubikinon oxigénoxidoreduktáz egyetlen polipeptid , amelynek tömege körülbelül 32 kDa . Szilárdan rögzítve van a mitokondriumok belső membránján a mátrix oldaláról [8] . Szintézisét növényekben az Aox1 nukleáris gén kódolja . A Sauromatum guttatum , a szójabab és az Arabidopsis növények három AO izoformát kódoló maggénnel rendelkeznek, amelyek expressziója a szövet típusától függ [6] .
A reakcióközpontban az enzim két vasatomot tartalmaz , amelyeket négy glutamát , egy aszpartát és aszparagin , valamint két hisztidin köt össze [9] . Az Arabidopsis thaliana -ból származó alternatív AOX1a oxidáz EPR -vizsgálata kimutatta, hogy az enzim valóban tartalmaz egy hidroxo -hidas binukleáris centrumot két vegyes vegyértékű vasatomból (Fe(II)/Fe(III)) [10] . Az oxigénredukció pontos mechanizmusa nem ismert, de feltételezhető, hogy egy kétmagvú vascentrum és legalább egy , a fehérje által alkotott szabad gyököt magában foglaló katalitikus ciklus zajlik le , amely valószínűleg a tirozinmaradékon képződik [11] .
Az AO élettani szerepe csak az aroidok termogenezisében egyértelmű . Más esetekben az ilyen típusú enzim előnyei a növény számára nem mindig egyértelműek. Az Aox alternatív oxidáz gén expresszióját olyan stressztényezők befolyásolják, mint a hideg, a reaktív oxigénfajták és a kórokozók támadása , valamint olyan tényezők, amelyek csökkentik az elektronok áramlását a citokróm légzési útvonalon ( cianid ) [12] [13] .
Mivel több mint 2500 különböző családba tartozó növényfaj ( kúszó lóhere ( Trifolium repens ), szarvas lótusz ( Lotus corniculatus ), borsó ( Vicia ) sp.) [6] természetes körülmények között halmoz fel cianogén glikozidokat , amelyek bomlása A HCN képződés kíséri , úgy vélik, hogy az AO egy evolúciós módszer a légzés fenntartására, miközben azt cianiddal elnyomják. Egyes patogén gombák és baktériumok viszont cianidot termelnek . Ez azonban nem magyarázza meg, hogy miért van minden növényben AO, és milyen szerepet játszik a sejt normális működésében.
A modern koncepciók szerint az alternatív légzés a szénhidrát- anyagcsere és az elektronikus szállítás sebessége közötti egyensúly fenntartásának módja . Ismeretes, hogy a TCA enzimeket allosztérikusan szabályozzák a NAD H/NAD + és ATP / ADP arányok . A citoplazmatikus NADH és ATP magas szintje esetén a TCA működése blokkolva lesz, ami a kloroplasztiszok aktív munkájával fordulhat elő erős fényviszonyok mellett. Az AO funkciója a NADH gyors oxidációja lehet a légzőláncban . Ennek eredményeként a fék kikerül a TCA-ciklusból , amelynek intermediereit aktívan használják különféle bioszintetikus folyamatokban [6] .
Az AO második fontos funkciója a sejtek oxidatív stresszel szembeni védelme . A mitokondriumok a szuperoxid és a hidrogén-peroxid képződésének helyei . Ezeknek a veszélyes anyagoknak az intenzív képződését és felhalmozódását elősegíti az elektrontranszport gátlása és a lánc „regenerációja” magas proton gradiens esetén . Az AO a szállítás sebességének növekedéséhez és a lánc "kirakásához" vezet azáltal, hogy elektronokat dob az oxigénre biztonságos víz képződésével. Erős bizonyíték van arra, hogy az alternatív oxidáz zavarja a reaktív oxigénfajták képződését [14] . Így a hidrogén-peroxid egy második hírvivő az Aox1 gén expressziójához és az AO de novo szintéziséhez vezető jelátviteli kaszkádban [6] .
Az alvászavart okozó, véráramban élő protozoon parazita , a Trypanosoma brucei kizárólag alternatív elektrontranszport segítségével lélegzik [15] [16] . A parazita és humán gazdaszervezete közötti metabolizmusban tapasztalható jelentős különbség miatt a T. brucei alternatív oxidáz vonzó célponttá vált a gyógyszerfejlesztésben [17] [18] . Például az egyik ismert alternatív oxidáz inhibitor , az aszkofuranon antibiotikum gátolja ezt az enzimet a T. brucei -ben , és képes gyógyítani az egerek fertőzését [19] [20] .
A gombákban az alternatív légzés képessége segít leküzdeni az elektrontranszport lánc egyes részeinek gátlását, és fontos szerepet játszik a gombák fungicidekkel szembeni rezisztenciájában . Ez egyértelműen látható az azoxistrobin , pikoxistrobin és fluoxastrobin strobilurinokon , amelyek a III-as komplexre hatnak [21] . Mivel azonban az alternatív légzési útvonal kevesebb ATP -t termel , ezek a fungicidek még mindig hatékonyan megakadályozzák a spórák csírázását , ami nagyon energiaigényes folyamat [22] .
Sokáig azt hitték, hogy az alternatív oxidáz kizárólag a gombák, növények és protozoonok mitokondriumaiban van jelen. 2004 óta azonban a teljes genom szekvenálási módszereinek köszönhetően számos gerinctelen állat genomjában találtak alternatív oxidáz géneket [2] . Eddig tízféle állatfajban találtak alternatív oxidázt, például szivacsokban , lamellákban , cnidárokban ( korallpolipok és hidroidok ), puhatestűekben ( csigák és kagylók ), annelidákban , fonálférgekben , tüskésbőrűekben , hemihordátumokban és húrokban ( lándzsafélékben és zsákállatokban ). Cianid-rezisztens légzésről is beszámoltak szipunkulidák és kétlábú százlábúak esetében. A Ciona intestinalis zsákállat AO génjét emberi vese sejtkultúrába vitték át. Kimutatták, hogy az alternatív oxidáz a mitokondriumokban expresszálódik és lokalizálódik, és a sejtek rezisztenssé váltak a cianiddal szemben [1] .
Az állati alternatív oxidáz egyedi C-terminális motívummal rendelkezik, amely csak állatokban található meg. Hiányoznak belőle az N-terminális cisztein-maradékok is, amelyek fontosak ennek az enzimnek a szabályozásában a növényekben [1] .
Van egy hipotézis, amely megmagyarázza, hogy a legtöbb gerinces és ízeltlábú miért veszítette el az AO-t, annak ellenére, hogy nyilvánvaló előnyei vannak. A legtöbb faj, amelyben AO-t találtak, nyílt tengeri vagy kapcsolódó organizmus, ami azt jelenti, hogy mitokondriumaikat rendszeresen ki kell téve olyan energiastressznek, amelyet nem tudnak elkerülni, például: fotoszintézis növényekben, toxikus xenobiotikumok mikroorganizmusokban vagy helyi ingadozások tengeri környezet (hőmérséklet, oxigénszint). Ilyen körülmények között az AO segíti az inaktív szervezetek túlélését és megbirkózni a terhelésekkel, de az aktív, gyorsan mozgó szervezetek számára gyakorlatilag használhatatlan, ezért valószínűleg a természetes szelekciós nyomás hiánya miatt veszett el [23] .
Az alternatív oxidáz monomer és dimer formában létezhet . A növényi fehérje szerkezetében két ciszteinmaradék található , amelyek oxidációja során diszulfid kötés jön létre , kovalensen összekötve a két monomert. Erős megvilágítás mellett a NADP H pool a mitokondriális NADPH tioredoxin reduktázon keresztül redukálja a tioredoxin fehérjét , amely viszont helyreállítja a diszulfid kötést az AO dimerben. Az AO monomer felszabadulása aktivitásának többszörös növekedésével jár [24] [25] . Az enzimet allosztérikusan a piruvát aktiválja [26] .
A hidroxámsavak sói ( szalicilhidroxámsav ) és az n-propil-gallát [6] az AO specifikus inhibitorainak tekinthetők .
2013-ban egy olyan genetikailag módosított egérvonal létrehozásáról számoltak be, amely a Ciona intestinalisból származó integrált AO gént tartalmazza . Az enzim különböző intenzitással expresszálódott minden szövetben (legerősebben az agyban és a hasnyálmirigyben ). Egy alternatív oxidáz bevezetése nem okozott semmilyen rendellenességet az egerek fiziológiájában, viselkedésében vagy fejlődésében. Az ehhez a vonalhoz tartozó egerek fokozottan ellenállnak a cianid hatásának, valamint néhány más anyagnak, például az antimicinnek , amelyek blokkolják a légzőkomplexeket . Ezenkívül ezek az egerek csökkent reaktív oxigénfajták képződését mutatták a mitokondriumokban [23] .