БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 6, с. 798 - 813
УДК 577.1
КАРБОАНГИДРАЗЫ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ КЛЕТОК ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Обзор
© 2015 Н.Н. Руденко, Л.К. Игнатова, Т.П. Федорчук, Б.Н. Иванов*
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290Пущино; факс: +7(4967)330-532, электронная почта: ivboni@rambler.ru
Поступила в редакцию 13.01.15 После доработки 27.02.15
Представлены сведения о карбоангидразах — ферментах, катализирующих реакцию взаимопревращения углекислого газа и бикарбоната в водных растворах, описаны их семейства и рассмотрены данные о наличии представителей этих семейств в разных классах организмов, прежде всего, в высших растениях. Перечислены доказанные и предполагаемые функции карбоангидраз в организмах. Особое внимание обращено на функции фермента, обеспечивающие протекание реакций фотосинтеза, в частности, в водорослях. Обсуждаются сведения о возможных функциях карбоангидраз плазматической мембраны, митохондрий и стромы хлоропластов высших растений, а также о карбоангидразах тилакоидов хлоропластов, их количестве и возможном участии в фотосинтетических реакциях в этой структуре.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: карбоангидраза, семейства карбоангидраз, растения, фотосинтез, хлоропласты, ти-лакоиды.
Карбоангидразы катализируют реакцию обратимой гидратации углекислого газа:
к}
С02(801) + Н2О ^ н2со3 ^ н+ + исо3- ^ к-!
^ 2H+ + CO2-
(1)
которая в отсутствие карбоангидразы при 37° и нейтральных рН имеет константу скорости второго порядка к1, равную 0,0027 М-1 с-1, что соответствует константе псевдопервого порядка 0,15 с-1; реакция дегидратации имеет константу к_1, равную 50 с-1. Эти константы обусловливают отношение [С02] : [Н2С03] в водном растворе, равное 340 : 1. Угольная кислота Н2С03 в водном растворе диссоциирует с рК1 6,35 и рК210,25, т.е. при нейтральных рН преобладает бикарбонат ион НС03. Поэтому часто реакцию (1) записывают без угольной кислоты. Карбоангидразы сильно ускоряют обе реакции, особенно гидра-
Принятые сокращения: КА- карбоангидраза; Ру-биско — рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа; ФС1 и ФС2 — фотосистемы 1 и 2.
* Адресат для корреспонденции.
тацию. Наиболее активные ферменты, карбоангидразы II человека, гидратируют С02 с ксаЬ превышающей 106 с-1, при том, что константа дегидратации возрастает до 2,5 х 105 с-1 [1]. Скорость реакции гидратации СО2, катализируемой данной КА, является одной из самых быстрых ферментативных реакций. КА растений имеют, как правило, более низкие величины констант соответствующих реакций; величина кса1 гидратации СО2 растворимой КА гороха равна 4 х 105 с-1 [2].
СЕМЕЙСТВА КАРБОАНГИДРАЗ И НАЛИЧИЕ ИХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ В ОРГАНИЗМАХ
Карбоангидраза впервые была найдена в красных кровяных тельцах в 1933 г. [3]. В дальнейшем многочисленные биохимические исследования КА позволили обнаружить ее во всех органах, тканях и клетках живых организмов, от прокариот до человека [4]. Согласно наличию консервативных последовательностей в генах, кодирующих КА, выделяют шесть эволюционно независимых семейств [5, 6], названных а, в, у, 8, в и Хотя эти ферменты негомологичны по структуре и имеют различия в строении актив-
ного центра, все они были названы карбоангид-разами, поскольку катализируют одну и ту же реакцию по схожим механизмам, отличающихся в деталях, связанных с особенностями окружения атома металла (чаще всего — цинка), присутствующего в активном центре всех КА. Как считается в настоящее время, КА возникали в ходе эволюции не один раз. Имеется яркий пример, когда в одном одноклеточном организме присутствуют представители четырех семейств: в диатомовой водоросли Thalassiosira pseudonana найдены две а-КА, четыре у-КА, четыре 8-КА и одна С-КА [6].
а-КА. Представители семейства а-КА широко распространены и встречаются в эубактериях [7, 8], аскомицетах [9], водорослях [10, 11], высших растениях [12—14] и животных. Только а-КА присутствуют в тканях позвоночных животных; при этом представлены они 16 изофор-мами [15] и, несмотря на то, что принадлежат одному семейству, имеют различия в структуре активного центра, что определяет степень их активности.
Первыми а-КА, обнаруженными в клетках растений, были периплазматические КА водоросли Chlamydomonas reinhardtii; эти КА были названы САН1 и САН2 [10, 11]. Несмотря на высокое структурное сходство, САН1 интенсивно экспрессируется при низкой концентрации СО2 в воде, тогда как САН2 обладает невысоким уровнем экспрессии при любых условиях, повышающимся, напротив, при высокой концентрации углекислоты. Еще одна а-КА, мембрано-связанная форма фермента, САН3, была обнаружена в частицах ФС2, выделенных из ^. кт-hardtii [16].
В геноме Arabidopsis ^Шт обнаружено восемь генов, кодирующих а-КА, и о местоположении только одной из них а-КА1 были получены убедительные данные. а-КА1 присутствует во всех органах растения, кроме корней [12]. Эта КА была найдена с помощью вестерн-блот анализа при исследовании недавно обнаруженного пути прохождения вновь синтезированных белков в хлоропласт через мембранную систему аппарата Гольджи [13]. О других а-КА A. ^Шт имеются только отрывочные сведения. Ген, кодирующий а-КА2, экспрессировался в стебле и корнях, а-КА3 — в цветах и стручках [12]. Последняя была найдена при проведении протеом-ного анализа белков зрелой пыльцы [17, 18]. При проведении такого анализа белков тилакоидных мембран была обнаружена а-КА4 [19, 20].
Большинство а-КА представляют собой мономеры с мол. массой ~30 кДа, одним из немногих исключений является САН1 ^. reinhardtii — гетеротетрамер, состоящий из двух субъединиц
с мол. массой 37 кДа и двух — 4 кДа [21]. Активный центр а-КА — коническая полость слегка искаженной тетраэдрической формы, на дне которой расположен 2и [22], координированный тремя гистидинами. Кроме взаимопревращения СО2 и НСО-, а-КА способны катализировать ряд других реакций, таких как гидратация альдегидов [23], гидролиз карбоксилированных эфиров [24] и различных производных галогенов [25].
Р-КА. В 1939 г. Нейш [26] обнаружил КА в составе белков хлоропластов, но лишь спустя 50 лет, с появлением технологии секвенирова-ния ДНК, было показано, что фермент не гомологичен известным на тот момент КА из тканей животных, и КА были разделены на два семейства — а-КА животных и р-КА растений [27]. Представители р-КА встречаются в клетках бактерий [28—31], грибах рода Saccharomyces [32], водорослях [33, 34], двудольных и однодольных высших растениях, как с С3-, так и с С4-типом фотосинтеза [35—37]. Ни одно другое семейство КА не обнаруживает такого широкого структурного разнообразия. Мол. масса р-КА варьирует от 45 до 200 кДа [38], и в структуре этих КА блоками являются димеры (или псевдодимеры), из которых формируются молекулы тетрамеров и октамеров, мономеры которых содержат один реакционный центр с атомом цинка, координированным двумя остатками цистеина и одним остатком гистидина [39].
В высших растениях (с С3-типом фотосинтеза) растворимая КА хлоропластов (фермент с высокой скоростью катализа) — самый распространенный (после Рубиско) белок в клетке и один из основных компонентов растворимого белка листьев (0,5—2,0% от общего количества) [40]. В тканях листа были обнаружены две изо-формы растворимого фермента [41], и позже показана экспрессия двух разных генов р-КА в листьях арабидопсиса [37]. Долгое время эти две КА считались единственными в клетках С3-рас-тений; данные указывали, что вторая КА расположена в цитоплазме [42]. Всего в геноме A. liana присутствуют шесть генов, кодирующих Р-КА, и все эти гены экспрессируются [12]. Авторы работы [12] предложили нумерацию а- и Р-карбоангидраз, которая теперь используется в литературе. Той же группой исследователей с использованием метода встраивания гена зеленого флуоресцирующего белка (GFP-fusion) было подтверждено местонахождение двух самых активных КА, которые были названы Р-КА1 (стромальная) и Р-КА2 (цитоплазматическая). Также было показано расположение в клетках арабидопсиса еще нескольких р-КА: Р-КА3 — в цитоплазме, Р-КА4 — в плазмалемме, Р-КА6 — в
матриксе митохондрий и Р-КА5 — в хлороплас-тах. Более точное положение последней не было установлено.
у-КА. Первый представитель семейства у-КА был впервые открыт в архебактерии ЫеШапозагапа ЛегторЫ1а [43] и, как теперь известно, у-КА присутствуют в клетках не только бактерий, но и зеленых, и диатомовых водорослей [6]. В высших растениях у-КА найдены в митохондриях. Строение у-КА сильно отличается от строения а- и р-КА. Они функционируют как тримеры, состоящие из идентичных субъединиц, в которых превалируют р-складчатые структуры [44], и содержат один атом цинка на каждую субъединицу; в у-КА в отличие от а- и р-КА, активный центр расположен между субъединицами. Активный центр у-КА образован тремя остатками гистидина и Н20, координирующими атом 2и, как и активный центр а-КА, но у у-КА это — гистидины двух противоположных субъединиц [44].
8-КА и в-КА. Представители этих семейств, обнаруженные в клетках диатомовой водоросли ПаШтоэ^а weissfloggi и бактерии ТкюЬаеШш пеароШапш, соответственно, не имеют гомологии в аминокислотной последовательности с представителями других семейств КА, хотя строение их активного центра похоже на таковое у представителей а-семейства [45—47].
¿¡-КА. Эти КА встречаются у морских одноклеточных организмов, в частности, у диатомовой водоросли ТНаШззш^а рзеыйопапа [6], и по своему строению сильно напоминают р-КА [48, 49]. Все <^-КА, по-видимому, являются псевдо-тримерами с тремя немного отличающимися друг от друга каталитическими центрами [50], содержащими Сё2+ вместо 2и2+. Считается, что в клетках диатомовых водорослей 8- и <^-КА играют роль в фиксации СО2 [50].
ФУНКЦИИ КАРБОАНГИДРАЗ
Наличие карбоангидраз во всех организмах обусловлено, вероятно, тем, что компоненты катализируемых ими реакций вовлечены практически во все метаболические процессы. По нашему мнению, основной причиной широкого распространения карбоангидраз в живой природе явилось присутствие бикарбонатного буфера в водной среде, а затем и цитоплазме на всех этапах эволюции живого; эти ферменты обеспечивают ускорение достижения необходимо
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.