УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 134, № 1, с. 48-60
УДК 576.311.314
ПЕРОКСИСОМЫ РАСТЕНИЙ: РОЛЬ В МЕТАБОЛИЗМЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА И ОПОСРЕДОВАННЫХ ИМИ ПРОЦЕССАХ
© 2014 г. А. В. Реунов
Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН, Владивосток
Е-таИ: antreunov@mail.ru
Изложены современные представления о биогенезе пероксисом растений, их участии в продукции и детоксификации активных форм кислорода, роли в процессах, опосредованных активными формами кислорода. Рассмотрены данные по пролиферации и деградации этих органелл в клетке при окислительном стрессе и по участию их в генерации сигнальных молекул.
Ключевые слова: пероксисомы, активные формы кислорода, антиоксидазные системы, окислительный стресс, сигнальные молекулы.
ВВЕДЕНИЕ
Пероксисомы - ограниченные единичной мембраной органеллы диаметром 0.1-1.7 мкм, характеризующиеся тонкозернистым умеренно плотным матриксом, в котором встречаются кри-сталлоидные или аморфные включения. Первое упоминание об этих органеллах принадлежит Ж. Родину, который в 1954 г. описал их в эпителиальных клетках почечных канальцев мыши и применил для их обозначения термин "микротельца" (Грубан, Рехцигл, 1972). Позже данные органеллы были обнаружены вместе с лизосомами в легкой фракции печени крысы и названы пероксисомами из-за предполагаемого участия в метаболизме перекиси водорода фе Duve, Baudhuin, 1996).
Удивительно, но почти два десятилетия после открытия пероксисом им не уделялось должного внимания. Вероятно, это было связано с тем, что в противоположность другим органеллам перок-сисомам не свойственна унифицированная метаболическая функция. Отношение к этим органел-лам изменилось после открытия пероксисомного пути Р-окисления жирных кислот в печени крысы (Lazarow, de Duve, 1976) и установления связи между аномалиями в пероксисомах и заболеваниями человека (Goldfischer, Reddy, 1984). Стало ясно, что пероксисомы играют в метаболизме клеток весьма важную роль. С этого момента началось их интенсивное изучение. Было показано, что пероксисомы присутствуют в клетках у всех эукариот, в них протекают различные фермента-
тивные реакции, они выполняют многочисленные функции, позволяющие рассматривать их как "многоцелевые" (multi-purpose) органеллы (Opperdoes, 1988).
Описаны три модели биогенеза пероксисом. В соответствии с одной из них (модель синтеза de novo), пероксисомы постоянно образуются эндо-плазматическим ретикулумом, отпочковываются от него и созревают в функциональные органел-лы (Perry et al., 2009; Tabak et al., 2003; Titorenko, Mullen, 2006). По другой модели (роста и деления), они, подобно хлоропластам и митохондриям, размножаются в результате роста и деления существующих органелл (Lazarow, 2003; Mullen, Trelease, 2006; Perry et al., 2009). Третья модель имеет признаки первых двух. В соответствии с ней, происходящие от эндоплазматического ре-тикулума пероксисомные структуры созревают в пероксисомы, которые затем делятся (Thoms, Erdmann, 2005; Titorenko, Mullen, 2006).
Пероксисомы лишены генетического материала. Их белки кодируются ядерными генами, синтезируются на свободных рибосомах в цитозоле и затем импортируются в органеллы. Импорт матриксных белков в пероксисомы осуществляется посредством метящих сигналов PTS1 или PTS2 ("peroxisomal targeting signals") и белков пероксинов РЕХ5 и РЕХ7, которые функционируют как цитозольные рецепторы, распознающие белки, меченные, соответственно, PTS1 и PTS2 (Khan, Zolman, 2010). PTS1 - С-терминальный трипептид, представленный у растений преимущественно последователь-
ностью Ser-Lys-Leu (Reumann, 2007). После импорта белка в пероксисому PTS1 не отщепляется. Последовательности PTS2 состоят из девяти аминокислот, локализованных на N-конце пероксисом-ных белков, и удаляются после их импорта в орга-неллу. Наиболее распространенным сигналом PTS2 у растений является последовательность RL-X5-HL (Reumann et al., 2004). Некоторые пероксисомные белки, например каталаза, не имеют PTS-последо-вательностей на С- и N-концах, но обладают внутренними последовательностями, выполняющими функцию метящих сигналов (Kamigaki et al., 2003; Oshima et al., 2008).
Перемещение меченных сигнальными последовательностями белков из цитозоля в матрикс пероксисомы осуществляется с помощью мембранных белков органеллы. Так, образующийся комплекс рецептора PEX5 c PTSl-меченным белком взаимодействует с мембранными белками пероксисомы PEX13 и PEX14 (Nito et al., 2002; Mano et al., 2006). Затем матриксный белок в составе комплекса перемещается в пероксисому при участии белков PEX2, PEX10 и PEX12 (Fan et al., 2005; Hu et al., 2002; Sparkes et al., 2003). После транслокации в матрикс PTSl-содержащий белок высвобождается, а рецептор рециклирует-ся в цитозоль (Nair et al., 2004). Рециклирование рецептора происходит с участием аденозинтри-фосфатаз PEX1 и PEX6 и убиквитин-конъюги-рующего фермента PEX4, который заякоривает-ся в пероксисомной мембране с помощью белка PEX22 (Zolman et al., 2005).
Пероксисомные мембранные белки не имеют последовательностей PTS1 и PTS2, но содержат ряд положительно заряженных аминокислот, который иногда обозначается как мембранный метящий сигнал mPTS (Eubel et al., 2008). Мембранные белки типа 1 (mPTSl) синтезируются в цитозоле и прямо "вставляются" в пероксисом-ную мембрану. Мембранные белки, обозначаемые как mPTS2, синтезируются на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем везикулы, содержащие эти белки, отпочковываются от ретикулума и сливаются с перокси-сомной мембраной.
Важным свойством пероксисом является метаболическая пластичность, позволяющая им изменять размер, форму и набор ферментов в зависимости от типа клетки, организма и окружающих условий (Nyathi, Baker, 2006). Пероксисомы могут рассматриваться как специализированные органеллы, классификация которых зависит от превалирующего в них в данное время метаболического процесса (Igamberdiev, Lea, 2002; Nyathi, Baker, 2006).
У растений эти органеллы дифференцируются на четыре класса: глиоксисомы, фотодыхательные пероксисомы листьев, пероксисомы клубеньков бобовых и неспециализированные пероксисомы (Игамбердиев, 2000). Глиоксисомы обнаружены в запасающих тканях жиросодержащих семян и содержат ферменты Р-окисления жирных кислот и глиоксилатного цикла, катализирующие превращение резервных липидов семян в сахара, которые используются для прорастания и роста растений. Пероксисомы, присутствующие в фо-тосинтезирующих тканях, содержат ферменты, обеспечивающие реакции фотодыхания. В перок-сисомах, обнаруженных в клубеньках корней бобовых, осуществляется синтез аллантоина, ответственного за транспорт азота.
Пероксисомы растений обладают ферментативными системами образования и утилизации перекиси водорода, регулируют окислительно-восстановительное равновесие внутри клетки и концентрацию активных форм кислорода, содержат ферменты, которые вовлекаются в Р-окисле-ние жирных кислот, глиоксилатный цикл, фотодыхание (гликолатный путь), а также в уреидный метаболизм в корневых узелках бобовых (Игам-бердиев, 2000; del Rio et al., 1992, 2003). Значительную роль они играют в фотоморфогенезе (Hu et al., 2002), биосинтезе жасмоновой кислоты и ауксина (Reumann et al., 2004; Strader et al., 2010; Wasternack, Kombrink, 2010). Есть данные о существовании в этих органеллах регуляторных белков, подобных белкам теплового шока, киназам и фосфатазам (Hayashi, Nishimura, 2003; Reumann, 2004). Пероксисомы содержат протеазы, которые могут удалять поврежденные и изношенные белки, регулировать метаболические и сигнализирующие пути, а также осуществлять оборот пероксисом-ных матриксных белков в процессе ремоделирова-ния содержимого этих органелл (Helm et al., 2007; Lingard, Bartel, 2009; Palma et al., 2009; Schuhmann et al., 2008; Schuhmann, Adamska, 2012). Таким образом, пероксисомы являются полифункциональными органеллами, оказывающими влияние на различные физиологические процессы растений.
В данном обзоре основное внимание уделено роли пероксисом в метаболизме активных форм кислорода (АФК) и связанных с ними процессaх.
ПРОДУКЦИЯ АФК И АНТИОКСИДАЗНЫЕ СИСТЕМЫ В ПЕРОКСИСОМАХ
Пероксисомы растений, так же как и других эукариот, являются одним из основных клеточных компартментов, генерирующих АФК, прежде
Матрикс
„ ко. мочевая . г>-Ксантин-►кислота + 02
фотодыхание ß-окисление жирных кислот флавиноксидазы СОД
НДДФ^^Гв дд П Дегидрогеназы f УТР УДАР / '
НАГТФИ Го ^Ав-чН202Кката
НАДФ+
Рис. 1. Схема функционирования аскорбат-глютатионового цикла в пероксисомах листьев растений (по (del Rio et al., 2006)). Ав - аскорбат (восстановленная форма); АП - аскор-батпероксидаза; Гв - глютатион восстановленный; Го - глю-татион окисленный; ГР - глютатионредуктаза; ДА - аскорбат (окисленная форма; дегидроаскорбат); ДАР - дегидроаскор-батредуктаза; КО - ксантиноксидаза; МДА - монодегидро-аскорбат; МДАР - монодегидроаскорбатредуктаза; ПМБ -пероксисомные мембранные белки; НАД+ - окисленный никотинамидадениндинуклеотид; НАДН - восстановленный никотинамидадениндинуклеотид; НАДФ+ - окисленный ни-котинамидадениндинуклеотидфосфат; НАДФН - восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат.
всего супероксид О2 и перекись водорода (H2O2) (рис. 1).
Супероксид О2-, как показано на пероксисомах из листьев гороха, может продуцироваться в мат-риксе пероксисом в процессе опосредованного ксантиноксидазой окисления пуриновых оснований: ксантина и гипоксантина - до мочевой кислоты (del Rio et al., 2002; 2006). Кроме того, генерация О2- может осуществляться в мембране пероксисом с участием трех интегральных пе-роксисомных мембранных белков (ПМБ) с молекулярной массой 18, 29 и 32 кДа (Lopez-Huer-tas et al., 1999; del Rio et al., 2006). По имеющимся данным, ПМБ18 является цитохромом b, ПМБ29 родственен НАДФН-цитохром Р-450 редуктазе, а ПМБ32 соответствует монодегидроаскорбатре-дуктазе (Lopez-Huertas et al., 1999; del Rio et al., 2003). При этом ПМБ18 и ПМБ32 используют в качестве доноров электронов НАДН, а ПМБ29 -НАДФН (del Rio et al., 2002; 2003).
H2O2 продуцируется в пероксисомах в процес
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.