научная статья по теме СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАДФН-ОКСИДАЗЫ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАДФН-ОКСИДАЗЫ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР)»

УДК 581.138.1

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАДФН-ОКСИДАЗЫ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР)

© 2010 г. А. К. Глянько, А. А. Ищенко

Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения РАН, Иркутск, 664033

e-mail: akglyanko@sifibr.irk.ru Поступила в редакцию 19.10.2009 г.

Обобщены сведения о структурных и функциональных особенностях НАДФН-оксидазы (Rboh) растений. В растениях найдены гомологи фермента, идентичные субъединице gp91phox ферментного комплекса животных клеток. Активация Rboh зависит от притока ионов Са2+ в цитоплазму и фос-форилирования N-концевой области фермента при участии Са2+-зависимой протеинкиназы. Обсуждается возможность участия в активации Rboh цитозольного компонента Rop ГТФазы. Констатируется локализация Rboh на плазматической мембране клеток растений. Увеличение активности Rboh происходит под влиянием как биотических, так и абиотических факторов, что связывается с потоками Са2+, активными формами кислорода, азота и передачей информации на ядерный геном.

Оксидазы — ферменты, катализирующие одно-электронное восстановление кислорода с образованием активных форм кислорода (АФК). К ним относят НАДФН-оксидазу, оксалатоксидазу, связанную с клеточной стенкой пероксидазу, флавинсодержа-щие оксидазы [1]. Многообразие биологического

действия АФК (O2-, Н2О2) и других производных кислорода на метаболизм организмов обусловливает интенсивное их изучение. В последние десятилетия внимание исследователей привлекают также активные формы азота (АФА), биологическое действие которых тесно связано с АФК [2]. Считают, что основным производителем АФК в животных и растительных клетках является НАДФН-оксидаз-ная ферментная система, вовлеченная в защитные реакции растений и животных, рост и развитие организмов, биосинтез гормонов, клеточную сигнальную трансдукцию и др. процессы [3—5]. В дальнейшем будут кратко суммированы сведения, касающиеся структурных, функциональных особенностей НАДФН-оксидазы животных и на основе этих знаний будут обобщены данные о растительной НАДФН-оксидазе.

НАДФН-оксидаза животных. Явление резкого поглощения кислорода фагоцитарными клетками c

образованием O^ послужило основанием для интенсивного изучения источников генерации АФК и их роли в обменных процессах организмов [6, 7]. Само явление получило название окислительного, или дыхательного взрыва (oxidative or respiratory burst). В этом процессе около 90% поглощенного фагоцитарными клетками кислорода во время дыхательного взрыва расходуется на образование O^, а затем и других активированных АФК и АФА — пе-

роксида водорода (H2O2), гидроксильного радикала (*OH), синглетного кислорода (xO2), оксида азота (NO*), пероксинитрита (ONOO) и др.

НАДФН-оксидаза (КФ 1.6.99.6), или оксидаза дыхательного взрыва, представляет ферментный комплекс и локализована на плазматической мембране. При соответствующей активации использует цитоплазматический НАДФН, электроны от которого через ФАД и гем переносятся через мембрану на наружную ее сторону к кислороду с образованием супероксидрадикала (O2 ). Процесс осуществляется по следующей реакции: НАДФН + 2О2 —«-

— НАДФ+ + 2 O2- + Н+.

НАДФН-оксидаза хорошо изучена на фагоцитарных клетках, где ее функция связана с уничтожением с помощью производимых ею АФК патогенных микроорганизмов [5]. Однако последующие исследования показали локализацию НАДФН-ок-сидазы во многих других типах клеток млекопитающих, где уровень генерируемых ею АФК гораздо ниже и сам процесс продолжителен по времени. В этом случае АФК могут использоваться как регуля-торные и сигнальные молекулы для модуляции обменных процессов, приводящих к различным биологическим эффектам [8, 9].

НАДФН-оксидаза фагоцитирующих клеток — это сложный ферментный комплекс, состоящий из нескольких белковых компонентов. Установлено, что два из них — gp91phox (ß-субъединица) и p22phox (а-субъединица), локализованы на мембране и образуют флавоцитохром b558. Остальные четыре субъединицы - p47phox, p40phox, p67phox и Racl или Rac2 (ГТФазы), являются цитоплазматическими и при активации перемещаются к мембране плазмы,

образуя с флавоцитохромом b558 ферментный комплекс, генерирующий супероксидный анион-радикал. Установлено, что флавоцитохром b558 содержит все редокс-компоненты НАДФН-оксидазы, необходимые для трансмембранного переноса электронов на О2 и образования супероксидного анион-радикала [9]. Однако он не может функционировать автономно без участия цитозольных компонентов — субъединиц p47phox, p40phox, p67phox и Racl или Rac2. Активация их (фосфорилирование, конформаци-онные изменения, транслокация) инициирует самосборку функционирующего НАДФН-фермент-ного комплекса. Генные мутации любого белкового компонента системы приводят к нарушению работы НАДФН-оксидазы и являются причиной развития у человека болезни — хронического гранулема-тоза, характеризующегося снижением или полным отсутствием ферментативной активности НАДФН-оксидазы в фагоцитирующих и других клетках [9].

Ферментная система, сходная с НАДФН-окси-дазной системой фагоцитов, обнаружена и в других типах клеток млекопитающих: лимфоциты, тромбоциты, фибропласты и др. Однако генерируемый этими клетками в сравнительно в небольших

количествах O2- выполняет скорее регуляторную и сигнальную роль, чем антибактериальную и ци-тотоксическую [9]. Есть данные, что активация НАДФН-оксидаз в нефагоцитирующих клетках (эндотелиальные и гладкомышечные) сопровождается внутриклеточным образованием супероксида, который может служить цитоплазматиче-ским регулятором [10].

В настоящее время в животных клетках наряду с субъединицами, полностью идентичными соответствующим компонентам НАДФН-оксидазной системы фагоцитов, найдены их изоформы (гомологи). Наибольшим количеством изоформ представлен белок gp91phox (glycoprotein of 91 kDa, phagocyte oxidase-specific), содержащий все необходимые элементы электронтранспортной цепи и осуществляющим катализируемую реакцию восстановления О2 до супероксида. Изомеры этой субъединицы получили обозначения Nox (NADPH oxidase). В настоящее время известны гомологи Noxl, Nox3, Nox4, Nox5 и Nox2. Последний представляет собственно gp91phox. Все изоформы обладают разной степенью гомологичности к Nox2 и могут участвовать в НАДФН-оксидазных реакциях в соответствующих клетках млекопитающих. Представляет интерес гомолог Nox5, который активируется ионами Ca2+ и синтезирует O^ в относительно больших количествах, чем другие Nox по сравнению с фагоцитарным Nox2 [9]. Особенностью структуры Nox5 является наличие N-концевой области, содержащей 4 участка (мотива) типа "EF-рука" (elongation factor), характерные для специфических доменов, связывающих ионы кальция.

К семейству НАДФН-оксидаз животных клеток также относят так называемые "двойные оксида-зы": Duoxl и Duox2 (dual oxidase/thyroid oxidase), которые найдены в больших количествах в клетках щитовидной железы, а также на слизистой поверхности трахей и бронхов, воздушных полостях эпите-альных клеток. Кроме способности к генерации супероксида, Duox обладают пероксидазной активностью и имеет (помимо субъединицы Nox2) специфический домен, обращенный во внеклеточное пространство [11, 12]. Этот домен также имеет Са2+-связывающие мотивы (EF-рука) и активируется этим ионом [12].

Кроме gp91phox, найдены изоформы и для других цитозольных субъединиц: p47phox, p67phox и p40phox, играющих определенную роль в НАДФН-оксидаз-ной активности клеток животных организмов [9]. Нет данных об изоформах мембранной субъединицы p22phox. По-видимому, эта субъединица является неизменным элементом НАДФН-оксидазного ферментного комплекса по крайней мере в гладкомы-шечных клетках кровеносных сосудов [13].

Цитоплазматический белок Rac, относящийся к семейству Rho малых ГТФаз, имеет две изоформы: Rac1 и Rac2. Их присутствие в животных клетках абсолютно необходимо для функционирования ферментного комплекса [14].

Структура субъединиц НАДФН-оксидазы животных клеток по Меньщиковой, Зенкову [9] представлена на рисунке, на котором отображены гомологи Nox1, Nox2, Nox3, Nox4, Nox5, Duox1 и Duox2 (рис. 1а—1в).

В настоящее время четко доказано, что помимо антибактериальной защиты в нейтрофильных клетках, НАДФН-оксидаза выполняет в других типах клеток животных функции, связанные с иммунитетом, сигнальной трансдукцией и модификацией внутриклеточного матрикса [11, 15].

Структурные особенности растительной НАДФН-оксидазы. На растительных объектах НАДФН-ок-сидаза начала изучаться гораздо позднее, чем на животных и этим исследованиям способствовали данные о ее сходстве с оксидазой дыхательного взрыва животных клеток [16—18]. Для доказательства присутствия НАДФН-оксидазы в растительных клетках широко используется иммунохимический метод с применением антител, специфичных к животным субъединицам Nox [4]. Используются мутанты, особенно Arabidopsis, дефектные по генам, кодирующие синтез гомологов Rboh. Наличие НАДФН-оксида-зы в растительных клетках в настоящее время подтверждено многими фактами [4]. В противоположность мультиферментному комплексу НАДФН-ок-сидазы фагоцитов в растениях найдены только гомологи ß-субъединицы gp91phox (Nox2) и один ци-тозольный регулятор семейства малых ГТФаз (Ra^ белки) [19, 20]. Гомологи Nox p22phox, p67phox, p47phox и p40phox не найдены в геноме Arabidopsis [21], хотя

по данным [22], в цитоплазме суспензионных клеток томата присутствуют белковые компоненты, подобные животным p67phox, p47phox, которые активируются при действии на клетки грибного элисито-ра, перемещаются к плазмалемме и встраиваются в цитоскелет мембраны. Яас-белок в растениях получил название Rop (Rho-related GTPases from plants).

Nox-гомологи в растениях обозначаются как Rboh (respiratory burst oxidase homologs). Rboh найдены в рисе, арабидопсисе, табаке, картофеле и в других видах [23—28]. В отличие от животной субъединицы gp91phox растительная Rboh имеет N-кон-цевой участок, который связывает ионы Са2+ с помощью двух мотивов (EF-рука) (рис. 2). В животных клетках EF-мотивы содержат гомологи Nox 5 и Duox (см. рис. 1). Это дает возможность предположить регулирующую роль Са2+ в активности НАДФ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»