Plastydowa oksydaza końcowa
| Plastydowe | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| identyfikatory końcowej oksydazy | |||||||||
| Symbol | PTOX | ||||||||
| Pfam | PF01786 | ||||||||
| |||||||||
Plastydowa oksydaza końcowa lub plastydowa oksydaza końcowa (PTOX) jest enzymem , który znajduje się na błonach tylakoidów chloroplastów roślin i alg oraz na błonach sinic . Postawiono hipotezę, że enzym istnieje jako oksydaza fotosyntetyczna w 1982 roku i został zweryfikowany przez podobieństwo sekwencji do mitochondrialnej oksydazy alternatywnej (AOX). Dwie oksydazy wyewoluowały ze wspólnego białka przodków u prokariotów i są tak funkcjonalnie i strukturalnie podobne, że AOX zlokalizowane w tylakoidach mogą przywrócić funkcję nokautu PTOX.
Funkcjonować
Plastidowa oksydaza końcowa katalizuje utlenianie puli plastochinonu , co wywiera różnorodny wpływ na rozwój i funkcjonowanie chloroplastów roślinnych .
Biosynteza karotenoidów i rozwój plastydów
Enzym ten jest ważny dla biosyntezy karotenoidów podczas biogenezy chloroplastów . W rozwoju plastydów jego aktywność zapobiega nadmiernej redukcji puli plastochinonu. Rośliny z nokautem dla PTOX wykazują fenotypy pstrokatych liści z białymi plamami. Bez enzymu szlak syntezy karotenoidów spowalnia z powodu braku utlenionego plastochinonu, za pomocą którego utlenia się fitoen , karotenoidowy związek pośredni. Bezbarwny związek fitoenowy gromadzi się w liściach, powodując białe plamy komórek. Uważa się również, że PTOX określa stan redoks rozwijającego się aparatu fotosyntetycznego, a bez niego rośliny nie są w stanie złożyć zorganizowanych wewnętrznych struktur błonowych w chloroplastach, gdy są wystawione na silne światło podczas wczesnego rozwoju.
Fotoochrona
Rośliny z niedoborem genu IMMUTANS kodującego oksydazę są szczególnie podatne na stres fotooksydacyjny podczas wczesnego rozwoju plastydów . Rośliny z nokautem wykazują fenotyp pstrokatych liści z białymi plamami, które wskazują na brak pigmentacji lub fotouszkodzeń. Efekt ten jest wzmacniany wraz ze wzrostem światła i temperatury podczas rozwoju roślin. Brak plastydowej oksydazy końcowej pośrednio powoduje fotouszkodzenia podczas rozwoju plastydu, ponieważ ochronne karotenoidy nie są syntetyzowane bez oksydazy.
Uważa się również, że enzym działa jako zawór bezpieczeństwa dla warunków stresowych w aparacie fotosyntetycznym . Uważa się, że zapewniając pochłaniacz elektronów, gdy pula plastochinonu jest nadmiernie zredukowana, uważa się, że oksydaza chroni fotosystem II przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Nokaut dla Rubisco a kompleksy fotosystemu II, które doznałyby więcej fotouszkodzeń niż normalnie, wykazują zwiększoną regulację plastydowej oksydazy końcowej. Efekt ten nie jest uniwersalny, ponieważ wymaga od roślin posiadania dodatkowych mechanizmów regulacji PTOX. Podczas gdy wiele badań zgadza się z rolą enzymu chroniącą przed stresem, jedno badanie wykazało, że nadekspresja PTOX zwiększa produkcję reaktywnych form tlenu i powoduje więcej fotouszkodzeń niż normalnie. To odkrycie sugeruje, że do działania oksydazy jako zaworu bezpieczeństwa w warunkach stresowych wymagany jest skuteczny system antyoksydacyjny i że jest on ważniejszy podczas biogenezy chloroplastów niż w normalnym funkcjonowaniu chloroplastów.
Chlororespiracja i strumień elektronów
Najbardziej potwierdzoną funkcją plastydowej oksydazy końcowej w rozwiniętych chloroplastach jest jej rola w chlorooddychaniu . W tym procesie dehydrogenaza NADPH (NDH) zmniejsza pulę chinonów, a końcowa oksydaza ją utlenia, pełniąc tę samą funkcję, co oksydaza cytochromu c z mitochondrialnego transportu elektronów . U Chlamydomonas występują dwie kopie genu oksydazy. PTOX2 znacząco przyczynia się do strumienia elektronów poprzez chloroddychanie w ciemności. Istnieją również dowody z eksperymentów z tytoń , który działa również w chlorooddychaniu roślin.
W w pełni rozwiniętych chloroplastach przedłużona ekspozycja na światło zwiększa aktywność oksydazy. Ponieważ enzym działa w puli plastochinonu pomiędzy fotosystemem II a fotosystemem I , może odgrywać rolę w kontrolowaniu przepływu elektronów podczas fotosyntezy , działając jako alternatywny pochłaniacz elektronów. Podobnie jak jego rola w karotenoidów , jego aktywność oksydazowa może zapobiegać nadmiernej redukcji akceptorów elektronów fotosystemu I i uszkodzeniom przez fotoinhibicję. Niedawna analiza przepływu elektronów przez szlak fotosyntezy pokazuje, że nawet po aktywacji elektron strumień plastydowej końcowej oksydazy jest o dwa rzędy wielkości mniejszy niż całkowity strumień przechodzący przez fotosyntetyczny transport elektronów . Sugeruje to, że białko może odgrywać mniejszą rolę niż wcześniej sądzono w łagodzeniu stresu oksydacyjnego w fotosyntezie.
Struktura
Plastydowa oksydaza końcowa jest integralnym białkiem błonowym , a dokładniej integralnym białkiem monotopowym i jest związana z błoną tylakoidów zwróconą do zrębu . Na podstawie homologii sekwencji przewiduje się, że enzym zawiera cztery helisy alfa , które otaczają centrum di-żelaza. Dwa żelaza są połączone przez sześć niezbędnych konserwowanych histydyny i glutaminianu reszty – Glu136, Glu175, His171, Glu227, Glu296 i His299. Przewidywana struktura jest podobna do struktury alternatywnej oksydazy , z dodatkową domeną eksonu 8, która jest wymagana dla aktywności i stabilności plastydowej oksydazy. Enzym jest zakotwiczony w błonie przez krótką piątą helisę alfa , która zawiera resztę Tyr212, która przypuszczalnie bierze udział w wiązaniu substratu .
Mechanizm
Oksydaza katalizuje przeniesienie czterech elektronów ze zredukowanego plastochinonu do tlenu cząsteczkowego , tworząc wodę . Reakcja netto jest zapisana poniżej:
2 QH 2 + O 2 → 2 Q + 2 H 2 O
, że enzym ten katalizuje prawie wyłącznie redukcję plastochinonu w stosunku do innych chinonów , takich jak ubichinon i durochinon . Ponadto żelazo jest niezbędne do katalitycznej funkcji enzymu i nie może być zastąpione innym kationem metalu, takim jak Cu 2+ , Zn 2+ lub Mn 2+ w centrum katalitycznym.
Jest mało prawdopodobne, aby cztery elektrony mogły zostać przeniesione jednocześnie w jednym klastrze żelaza, więc wszystkie proponowane mechanizmy obejmują dwa oddzielne transfery dwóch elektronów ze zredukowanego plastochinonu do centrum di-żelaza. W pierwszym etapie, wspólnym dla wszystkich proponowanych mechanizmów, jeden plastochinon jest utleniany, a oba żelazka są redukowane z żelaza (III) do żelaza (II). Proponuje się cztery różne mechanizmy dla następnego kroku, wychwytywania tlenu. Jeden mechanizm proponuje nadtlenkowy , po którym jeden atom tlenu jest używany do wytworzenia wody, a drugi pozostaje związany w konfiguracji diferrylowej. Na jeszcze jeden plastochinon utlenianie, powstaje druga cząsteczka wody i żelazo powraca do stopnia utlenienia +3. Inne mechanizmy obejmują tworzenie Fe(III)-OH lub Fe(IV)-OH i rodnika tyrozynowego. Te rodnikowe mechanizmy mogą wyjaśniać, dlaczego nadmierna ekspresja genu PTOX powoduje zwiększone wytwarzanie reaktywnych form tlenu .
Ewolucja
Enzym ten występuje w organizmach zdolnych do fotosyntezy tlenowej , w tym w roślinach , algach i sinicach . Uważa się, że plastydowa oksydaza końcowa i alternatywna oksydaza pochodzą od wspólnego przodka białka karboksylanu diżelaza. Aktywność reduktazy tlenowej była prawdopodobnie starożytnym mechanizmem wychwytywania tlenu we wczesnym przejściu ze świata beztlenowego do tlenowego . Oksydaza plastydowa po raz pierwszy wyewoluowała w starożytnych sinicach oraz alternatywna oksydaza u Pseudomonadota przed ewolucją eukariotyczną i zdarzeniami endosymbiozy . Poprzez endosymbiozę oksydaza plastydowa była dziedziczona pionowo przez eukarionty, które ewoluowały w rośliny i glony . Zsekwencjonowane genomy różnych gatunków roślin i alg pokazują, że sekwencja aminokwasowa jest konserwowana w ponad 25%, co stanowi znaczną ilość konserwacji dla oksydazy. Ta konserwacja sekwencji dodatkowo potwierdza teorię, że zarówno oksydazy alternatywne, jak i plastydowe ewoluowały wcześniej endosymbiozy i nie zmienił się znacząco podczas ewolucji eukariontów.
Istnieją również cyjanofagi PTOX , które zawierają kopie genu oksydazy plastydowej. Wiadomo, że działają jako wektory wirusowe do przenoszenia genu między gatunkami sinic. Niektóre dowody sugerują, że fagi mogą wykorzystywać oksydazę do wpływania na fotosyntetyczny przepływ elektronów w celu wytworzenia większej ilości ATP i mniejszej ilości NADPH , ponieważ synteza wirusów wykorzystuje więcej ATP.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Wejście Uniprot dla pomidorowego PTOX
- Wpis InterPro dotyczący alternatywnych oksydaz
- alternatywa + oksydaza w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)