БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 4, с. 472 - 479
УДК 579.017.7
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ОКСИДАЗЫ (ОТ ДРОЖЖЕЙ ДО РАСТЕНИЙ)
Обзор
© 2015 А.Г. Рогов*, Р.А. Звягильская
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва; факс: +7(495)954-2732, электронная почта: lloss@rambler.ru
Поступила в редакцию 20.11.14
Митохондрии многих организмов (кроме млекопитающих, архей, некоторых грибов и простейших) помимо классической цитохромоксидазы дыхательной цепи содержат нечувствительную к действию цианида т.н. альтернативную оксидазу (АО), локализованную на внутренней митохондриальной мембране, перенос электронов через которую не сопряжен с синтезом ATP и запасанием энергии. В обзоре рассмотрены механизмы, лежащие в основе многочисленных функций, выполняемых АО у организмов разной сложности организации (от дрожжей до растений). Это, прежде всего, возможность выживания за счет работы АО при ингибировании терминальных компонентов основной дыхательной цепи или утрате способности синтезировать эти компоненты. Очевидна жизненно важная роль альтернативной оксидазы в термогенезе термогенных органов растений, когда АО становится единственной высокоактивной терминальной оксидазой и энергия окисления субстратов через этот окислительный путь превращается в тепло, используемое для испарения летучих веществ, привлекающих насекомых, которые опыляют растения. Важнейшую роль АО играет в уменьшении или предотвращении окислительного стресса, что обеспечивает защиту при действии различных факторов стресса (изменение температуры и интенсивности света, осмотический стресс, засуха, атака несовместимыми штаммами бактериальных патогенов или фитопатогенов или их элиситоров). Показана роль АО при выживании патогенов в клетках хозяина, антивирусной защите, метаболической реорганизации растения во время эмбриогенеза и дифференциации клеток. Приведены примеры использования альтернативной оксидазы в качестве возможного терапевтического средства при различных повреждениях системы митохондриального окислительного фосфорилирования в культивируемых клетках и целых животных.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: альтернативная оксидаза, активные формы кислорода, атака патогенами, грибы, дрожжи, простейшие, растения, окислительный стресс.
Митохондрии многих организмов (большинства грибов, водорослей и некоторых простейших) в дополнение к канонической цитохром-оксидазе дыхательной цепи, ингибируемой цианидом, содержат нечувствительную к действию цианида, но ингибируемую гидроксамовыми кислотами, терминальную оксидазу, названную альтернативной оксидазой (АО). АО — это кодируемый ядерным геномом белок с мол. массой 32—36 кДа, локализованный на внутренней стороне митохондриальной мембраны и катализирующий четырехэлектронное окисление восстановленного убихинона (убихинола) кислородом до воды [1—3]. Перенос электронов через АО не сопряжен с синтезом ATP и запасанием энер-
Принятые сокращения: АО — альтернативная оксидаза; АФК — активные формы кислорода.
* Адресат для корреспонденции.
гии, а энергия окисления убихинола кислородом выделяется в виде тепла [1, 4—6].
В ряде дрожжевых организмов аэробного типа обмена, активная АО присутствует на всех исследованных стадиях роста [1]. Напротив, в дрожжах Б. magnusii (Е. та^пшЩ [1] и некоторых других организмах в нормальных условиях (т.е. в условиях функционирования основной, фосфо-рилирующей дыхательной цепи и в отсутствие факторов стресса) активность АО либо низка, либо совсем не обнаруживается. Однако ее активность (на примере дрожжей) значительно возрастает при ингибировании терминальной части основной дыхательной цепи в результате: 1) выращивания клеток на средах, дефицитных по ионам железа, серы или меди; 2) выращивания или инкубации покоящихся клеток в присутствии антимицина А, цианида или азида; 3) выращивания или инкубации покоящихся клеток
в присутствии ингибиторов митохондриальной транскрипции и трансляции; 4) мутационных изменений ядерного или митохондриального генома; 5) ингибирования системы окислительного фосфорилирования; 6) снижения концентрации кислорода [1]. Такого рода изменения (выводы сделаны на основании увеличения количества транскрипта или белка АО, а также активации цианид-резистентного альтернативного окислительного пути) показаны не только для дрожжей [1, 7—10] и грибов [11—14], но и водорослей [15], растений [16], простейших [17] и дрозофилы [18].
Появление цианид- и антимицин А-нечув-ствительного дыхания в митохондриях может быть связано с изменением физиологического состояния ткани, органа или организма. Классический пример — это многократное, лавинообразное возрастание активности АО в термогенных тканях ароидных растений в течение нескольких дней [19—21], при этом АО становится единственной терминальной оксидазой и окисление субстратов в дыхательной цепи сопровождается выделением тепла, достаточного для образования летучих аттрактантов, привлекающих насекомых, опыляющих эти растения. Другой яркий пример — это различная степень экспрессии АО у трипаносом на разных стадиях развития организма. В форме, находящейся в кровотоке, митохондрии лишены цитохромов, и дыхание осуществляется исключительно через АО. С другой стороны, у насекомых имеется полностью сформированная цитохромная система, а стабильность транскрипта АО многократно уменьшается [22]. В клетках дрожжей Y. lipo-lytica (ранее C. lipolytica и Schizosaccharomycopsis lipolytica) и P. membranifaciens, выращенных на глюкозе, АО индуцировалась при переходе культуры в стационарную фазу роста, при этом АО функционировала одновременно с цитохром-ной частью дыхательной цепи [23—25]. В дрожжах P. pastoris активность АО монотонно возрастала по мере роста культуры, а затем резко снижалась при исчерпании глюкозы в среде выращивания [2]. В митохондриях гриба Metarhizium anisopliae наибольшая активность АО наблюдалась в начале и конце цикла развития, при прорастании воздушных конидий и формировании погруженных конидий [26]. В диморфном грибе P. brasiliensis, вызывающем паракокцидиомикоз человека, экспрессия гена, кодирующего АО, существенно возрастала при прорастании конидий и образовании дрожжевой формы [27—28]. У гемибиотрофного гриба M. perniciosa, тропического патогена, вызывающего болезнь какао, колонизирующего сначала живые ткани хозяина (биотрофная фаза), а затем растущего на
мертвом растении (некротическая фаза), наибольшее количество транскрипта АО имело место в биотрофной фазе [29]. Старение срезов картофеля [30] и созревание плодов [31—32], как было показано, также сопровождается значительной активацией АО.
В дрожжах [33—34] и растениях [35—40] уровень экспрессии АО зависел от доступности питательных веществ и источника углерода.
У грибов активность АО или количество транскрипта АО существенно возрастало при мягком тепловом шоке [41], а также в условиях окислительного [9—10, 19, 28, 41—43] и осмотического [41] стрессов. В грибах-патогенах активность АО резко возрастала при действии антигрибковых препаратов [44]. Для растений также показано, что в зависимости от типа ткани, органа, фазы развития и метаболического статуса [3, 45—47] уровень экспрессии АО значительно возрастал в ответ на широкий диапазон условий стресса и неблагоприятных экологических условий, таких как изменение температуры и интенсивности света [47—53], осмотический стресс [54—56], засуха [54, 57], окислительный стресс [58—59], атака несовместимыми штаммами бактериальных патогенов или фитопатогенов или их элиситорами [60—64], при обработке этиленом [65], N0 [65], добавлении салициловой кислоты [66—68].
Роль не связанного с запасанием энергии альтернативного пути привлекает внимание исследователей в течение нескольких десятилетий. Было высказано несколько гипотез, с которыми мы и познакомим читателя.
Очевидна физиологическая роль АО в тер-могенезе термогенных растений. В митохондриях цветущих термогенных органов происходит кардинальная перестройка структуры дыхательной цепи, при которой АО становится единственной терминальной оксидазой, ее активность очень высока и энергия окисления субстратов через дыхательную цепь превращается в тепло, которое используется для испарения летучих веществ, привлекающих насекомых, опыляющих растения [19, 20].
Понятна роль АО и при ингибировании терминальных компонентов основной дыхательной цепи или утрате способности синтезировать эти компоненты. Функционирование альтернативного пути в этих условиях обеспечивает возможность реокисления цитоплазматического NADH и, следовательно, возможность выживания. Кроме того, при этом поддерживается фос-форилирующая активность за счет совместного функционирования 1-го пункта сопряжения и субстратного фосфорилирования, а также высокая окислительная активность, необходимая
для поддержания биосинтетических процессов, протекающих в митохондриях. Описанная ситуация имеет место и в T. brucei, возбудителе сонной болезни. На определенной стадии развития (в форме, живущей в крови) АО является единственной терминальной оксидазой, обеспечивающей дыхание и выживание патогена в клетках хозяина [22]. Сходная картина наблюдается и в патогенном грибе Philasterides dicentrarchi, вызывающем болезнь палтуса. В условиях нормоксии дыхание патогена чувствительно к действию ан-тимицина А, ингибитора цитохромной цепи, а в услових гипоксии индуцируется цианид- и анти-мицин А-резистентное дыхание [69].
Ясна также фундаментальная функция АО в уменьшении или предотвращении окислительного стресса. Недавние работы показали, что промотор гена AOX1a чувствителен к действию пероксида водорода [70]. Снижение степени восстановления коэнзима Q, донора восстановительных эквивалентов для АО, снижает образование супероксид-анион радикала и, в конечном итоге, пероксида водорода, наиболее устойчивой активной формы кислорода. Такие данные получены для дрожжей [2, 9, 24, 26, 71, 72], грибов [28, 41—43, 73—76], водорослей [15] и растений A. thaliana [77—78]. Благодаря своему участию в подавлении окислительного стресса АО может снижать порог, вызывающий гибель клеток [79].
В этой связи понятна и функция АО в ответе на засуху,
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.