ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 6, с. 765- 777
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1
ДЫХАТЕЛЬНЫЕ СУПЕРКОМПЛЕКСЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ МИТОХОНДРИЙ: СТРУКТУРА И ВОЗМОЖНЫЕ ФУНКЦИИ
© 2014 г. З. Ф. Рахманкулова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 11.02.2014 г.
За последние годы накоплен большой объем информации о структурной организации митохондри-альной электрон-транспортной цепи. Показано, что дыхательные комплексы организованы в более сложные динамичные структуры, так называемые суперкомплексы и мегакомплексы, которые определяют более стабильное и эффективное функционирование дыхательной электрон-транспортной цепи. В обзоре рассматриваются структурные и функциональные особенности растительных суперкомплексов и их возможная роль в энергетической адаптации растений к стрессу. Предполагается, что суперкомплексы в растениях являются первым уровнем защиты электрон-транспортной цепи от активных форм кислорода при стрессе, после чего включаются альтернативные дыхательные пути, разобщающие механизмы и другие антиоксидантные системы.
Ключевые слова: растения — дыхание — электрон-транспортная цепь — суперкомплексы — стресс — адаптация
DOI: 10.7868/S0015330314060165
ВВЕДЕНИЕ
Основную массу белков внутренней митохон-дриальной мембраны составляют компоненты системы трансформации энергии, включающей дыхательную электрон-транспортную цепь (ЭТЦ), Н+-АТФазу и сопряженные с ней переносчики адениновых нуклеотидов и неорганического фосфата. Дыхательная цепь состоит из четырех белковых комплексов, катализирующих парциальные реакции переноса электронов, — НАД • Н-убихи-нон оксидоредуктазы (комплекс I), сукцинат-уби-хинон оксидоредуктазы (комплекс II), убихинол-цитохром с-оксидоредуктазы (комплекс III) и ци-тохром с-О2 оксидоредуктазы (комплекс IV). Вместе с Н+-АТФазой (комплексом V) они занимают значительную часть поверхности внутренней митохондриальной мембраны.
Считается, что структура и функции растительных дыхательных комплексов подобны таковым у гетеротрофных эукариот [1]. Все пять ком-
Сокращения: АНТ — АДФ/АТФ-транслокатор, АО — альтернативная оксидаза, СЬ — кардиолипин, СЬ8 — кардиоли-пинсинтаза, СОХ — цитохром с-оксидаза, ИЗС — суперкомплексы, ETF/ETFQO — флавопротеин/флавопротеин-уби-хинон оксидоредуктаза, РЕ — фосфатидилэтаноламин. Адрес для корреспонденции: Рахманкулова Зульфира Фаузиев-на. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Электронная почта: Zulfirar@mail.ru
плексов состоят из субъединиц, большинство которых гомологичны соответствующим компонентам белковых комплексов дрожжей или млекопитающих [2]. Однако у растений имеются некоторые специфические субъединицы, которые в некоторых случаях приводят к функциональным особенностям. Анализ комплекса I у Aabidopsis показывает, что более 30% субъединиц являются специфическими для растений [3]. Например, частью мембранной "руки" растительного комплекса I являются так называемый у-кар-боангидразный структурный модуль и L-галакто-но-1,4-лактондегидрогеназа, которая в то же время представляет собой терминальный фермент митохондриального пути биосинтеза аскорбиновой кислоты [4]. Кроме того, комплексы II, III и IV включают некоторые специфичные для растений субъединицы, на сегодняшний день мало изученные и, как предполагается, связанные с дополнительными функциями этих дыхательных комплексов [5, 6].
Функциональные особенности митохондри-ального дыхания у автотрофных организмов связаны также с тем, что в растениях в поддержании окислительно-восстановительного и энергетического баланса клетки участвуют помимо митохондрий пластиды [7—9]. При этом существенное влияние на энергетику клетки оказывает фотодыхание, которое, синхронизируя работу основных
энерготрансформирующих процессов в растительной клетке, играет большую роль при ответе на абиотический стресс, в том числе за счет минимизации образования активных форм кислорода (АФК) [8—10]. Показана связь фотодыхания с дыхательной ЭТЦ через НАД • Н, образующийся при участии глициндекарбоксилазы в митохондриях. Причем при поступлении фотодыхательного восстановителя в дыхательную цепь в ней активно задействуются альтернативные пути переноса электронов, такие как альтернативная ок-сидаза и внутренние ротенон-нечувствительные НАД(Ф) • Н-дегидрогеназы [11].
Альтернативные пути переноса электронов также являются характерной особенностью растительных митохондрий, обеспечивая высокую пластичность и надежность дыхательного метаболизма [12]. Как известно, эти ферменты принимают участие в транспорте электронов, но не в создании протонного градиента на внутренней ми-тохондриальной мембране и выполняют в основном диссипативную функцию, имеющую особое значение в стрессовых ситуациях [13, 14]. Структурно эти ферменты не являются частью мультиферментных комплексов, а существуют в виде мономеров или гомодимеров [15]. В отличие от классических дыхательных комплексов, которые включают в себя субъединицы ядерного и митохондриального кодирования, альтернативные переносчики электронов кодируются ядерным геномом [1].
В последние годы в растениях были обнаружены еще несколько дополнительных доноров электронов в дыхательной ЭТЦ. Их нельзя отнести к характерным особенностям растительных митохондрий, поскольку гомологичные комплексы имеются в митохондриях дрожжей и животных. Как показано на растительных объектах, эти системы принимают участие в редокс-регуля-ции энергетического обмена в нормальных и стрессовых условиях. Во-первых, это система ETF/ETFQO (флавопротеин/флавопротеин-уби-хинон оксидоредуктаза), участвующая в окислении жирных кислот и различных аминокислот [12]. Впервые этот путь был обнаружен у растений в 2005 г. [16]. Позже в опытах с ЛгаЪ1йор515 установили, что окислительный стресс индуцирует экспрессию генов ETF/ETFQO [17], а дефицит этого фермента снижает устойчивость ко многим видам стресса [18]. Во-вторых, установлено, что наряду с внешними, альтернативными дегидрогеназами, цитозольный НАД • Н в растениях может передавать электроны непосредственно к митохондри-альной ЭТЦ через глицерин-3-фосфат-дегидро-геназный цикл. На растениях арабидопсиса показано, что НАД • Н участвует в поддержании цитозольного редокс-статуса и предотвращает подавление гликолиза высоким отношением НАД • Н/НАД [12, 19].
Идея о том, что дыхательные ферменты ЭТЦ объединены в более крупные структурные образования, т.е. суперкомплексы (RSC), не нова [20]. Еще в 1955 г. Chance и Williams [21] предположили, что дыхательные ферменты существуют как функциональная дыхательная единица. Однако дальнейшие исследования показали, что выделенные отдельные дыхательные комплексы обладают биохимической активностью [22]. При этом процесс переноса электронов между различными комплексами обеспечивается столкновением и взаимодействием небольших связующих молекул, таких как цитохром с и убихинон [23, 24], и следовательно дыхательные ферменты не находятся в тесном контакте друг с другом. Полученные данные способствовали формированию так называемой "жидкостной модели" (fluid-state model), которая основывается на том, что все индивидуальные белковые комплексы ЭТЦ могут быть очищены до гомогенного состояния в фер-ментативно активной форме. При этом постулируется, что дыхательные комплексы цепи диф-фузно расположены в мембране и что перенос электронов осуществляется на основе случайного столкновения отдельных комплексов.
Однако представления об общей организации пяти основных комплексов, которые в совокупности образуют цепь окислительного фосфори-лирования и осуществляют синтез АТФ, со временем менялись. В противовес существующей возникла другая модель, так называемая "solidstate model", предполагающая твердое стабильное взаимодействие между дыхательными комплексами внутри RSC [25]. Эта модель теперь поддерживается большим числом экспериментальных данных, полученных на дрожжах, растительных и животных объектах [26], которые можно рассматривать как доказательства наличия суперкомплексов. Так, применительно к растениям можно привести следующие доказательства.
1. Выделены интактные дыхательные RSC из митохондриальной фракции клеток растений арабидопсиса, картофеля, фасоли и ячменя с помощью голубого нативного полиакриламидного гель-электрофореза (BN-PAGE) [5].
2. Суперкомплексы функционально активны. RSC, состоящие из комплексов I + III + IV, так называемые "респирасомы", могут автономно осуществлять дыхание в присутствии убихинона и цитохрома с (измерено по поглощению кислорода с помощью электрода Кларка) [27]. При этом интенсивность поглощения кислорода изолированными митохондриями, выделенными из клеток растений картофеля, коррелирует с количеством RSC [28].
3. С помощью электронной микроскопии с высоким разрешением на митохондриальных мембранных структурах Arabidopsis и водоросли
(I ® г® Ä ß! 8
Рис. 1. Варианты дыхательных комплексов и суперкомплексов ЭТЦ растений. Отдельные комплексы сосуществуют с суперкомплексами. I, III, IV — дыхательные комплексы; Fi и F0 — компоненты АТФазы.
Polytomella показано, что отдельные дыхательные комплексы взаимодействуют внутри изолированного дыхательного суперкомплекса I + III2 и ди-мера АТФ-синтазы [26, 29, 30].
Таким образом, существует ряд доказательств того, что растительные дыхательные комплексы I, III, IV, а также Н+-АТФаза и функционально связанные с ними белки формируют во внутренней митохондриальной мембране еще более сложные структуры, или суперкомплексы (RSC).
Исключение составляет комплекс II (сукци-натдегидрогеназа), который не является частью одного из RSC дыхательной цепи. Возможно, это связано с особенностями строения данного комплекса; как известно, он также участвует в цикле лимонной кислоты. Хотя следует отметить, что имеется публикация, в которой сообщается о выявлении с помощью BN-PAGE в митохондриаль-ной ЭТЦ мыши комплекса II в составе RSC [26]. Альтернативные оксидоредуктазы растительной дыхательной цепи напрямую также не связаны с RSC. Тем не менее, возможно, что формиров
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.