И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Восстановителем является НАДФН или белок тиоредоксин, предварительно восстановленный НАДФН. Пул НАДФН в митохондриях поддерживается за счет окисления изоцитрата НАДФ- зависимой изоцитратдегидрогеназой, В восстановленном состоянии фермент аллостерически ак- тивируется пируватом НАДН генеРациа А)гн. потенциально возможна только на комплексе 1„т.е.
как минимум два из трех пунктов сопряжения теряются. При окислении сукцината или, если в окислении НАДН участвуют альтернативные НАДН-дегидрогеназы, вся заключенная в субстратах дыхания энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, вклад альтернативного пути в энергетический баланс в лучшем случае составляет треть от возможного*. Поэтому в случае преобладания альтернативного дыхания клетки для получения АТФ должны использо- ' Есть мнение, что альтернативное дыхание, снижая термодинамическую эффективность запасания энергии, в определенном смысле убыстряет генерацию аря и процесс синтеза АТФ.
НАДН НАД+ НАЧФН НАДФ+ арат Рис. 4.23. Альтернативные пути переноса электронов в дыхательной цепи растений. Перенос электрона по иитохромному пути (темная стрелка) идет через комплексы ! — (Н и проходит через три пункта сопрюкения (комплексы 1, Ш и (Н). У растений с пула убихинона злектроны могут идти по альтернативноу пути (светлая стрелка) на альтернативную оксидазу (АО), минуя два из трех пунктов сопряжения. Кроме того, у растений ротеноннечувствительные легидрогеназы могут пополнять пул ()ип окисляя НАДН и НАДФН гю обе стороны митохонд- риалы<ой мембраны вать в три раза больше субстрата. Избьгточное тепло, образуемое из-за необходимости сжигать большее количество субстрата для получения того же количества АТФ, лежит в основе термогенеза. Можно сказать, что альтернативное дыхание представляет собой вид несопряжслного электронного транспорта, который не зависит от дыхательного контроля.
В митохондриях растений цитохромный и альтернативный пути дыхания конкурируют за электроны, а их вклад в общее погло)цение Оз объективно зависит от активности каждого. В первую очередь их соотношение будет зависеть от содержания и активности альтернативной оксидазы. Определить вклад ыгьтернативной оксидазы в общее поглощение Оз гп иро достаточно трудно. Долгое время считали, что электроны идут преимущественно по цитохромному пути и переключение потока е на альтернативный путь наступает только в условиях «сверхпотока», т.е. прн насыщении основного пути.
Полагали, что «диспетчером» в этом процессе выступает пул убихинона: при переходе 40— 60% пула в восстановленное состояние цитохромный путь насыщается и избыточные электроны начинают уходить, можно сказать «переливаться» на альтернативную цепь. Основываясь на этом допущении, вклад цитохромного и альтернативного пути в общее поглощение Оз определяли с помощью ингибиторного анализа, используя цианид как ингибитор цитохромоксидазы и ЯНАМ как ингибитор АО. Считалось, что подавление поглощения Оз ЯНАМ отражает реальный вклад альтернативного дыхания в общую дыхательную активность.
Однако оказалось, что все обстоит гораздо сложнее. Дело в том, что цитохром- 255 ный путь дыхания гл ргро практически не достигает насыщения. АО включается при достижении определенного уровня восстановленности пула (), после чего активно конкурирует с цитохромной цепью за электроны. Стало ясно, что в норме электроны с пула убихинона сразу перераспределяются по двум путям в соответствии с активностью каждого из них. Отсюда следует, что при подавлении одного из путей ингибитором, электронный поток быстро сворачивает в другое русло„что может привести даже к усилению дыхания.
Например, при подавлении АО ЯНАМ эффект ингибитора будет компенсирован усилением электронного потока по цитохромной цепи и не отразится на общем поглощении кислорода. В настоящее время реальный вклад АО определяют довольно сггожным и малодоступным методом масс-спектрометрии. Метод основан на разном дифференциальном фракционировании АО и цитохромоксидазой изотопов кислорода Ока и Ом в составе образующейся воды.
Следует отметить, что даже в присутствии КСХ и ЯНАМ поглощение кислорода растительной клеткой полностью не подавляется. Так называемое «остаточное» дыхание может варьировать от 5 до 30 % от общего и обусловлено поглощением От в реакциях, прямо не связанных с дьгханием и протекающих в цнтозоле и пероксисомах. Активность АО прежде всего определяется тем„в каком состоянии находится фермент — окисленном или восстановленном.
В то же время непосредственный восстановитель дисульфидной связи фермента точно не установлен (см. рис. 4.22). Им скорее всего является НАДФН, образованный в матриксе при участии НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназы. По-видимому, НАДФН сначала восстанавливает белок тиоредоксина, который в свою очередь прямо восстанавливает дисульфидную связь в составе АО.
Кроме того, активность АО зависит от уровня пирувата, который аллостерически активирует фермент. Соотношение цитохромного и альтернативного дыхания варьирует достаточно широко и зависит как от стадии онтогенеза, так и от физиологического состояния растения. Наиболее впечатляющий тому пример — резкое увеличение интенсивности альтернативного дыхания при цветении ароидных. Но активация альтернативной оксидазы наблюдается и во многих других случаях: при прорастании семян, при старении листьев и цветков, при формировании пыльцы.
Вспышка дыхательной активности (так называемый климактерический подъем дыхания) при созревании плодов также связана с усилением альтернативного дыхания. Интересно, что стимуляция альтернативного дыхания, связанная с экспрессией гена Аох, и синтезом АО гге поко, часто наблюдается в неблагоприятных условиях. Стрессы разной природы, такие, как низкотемпературный стресс, засоление, засуха, поранение или внедрение патогена, сопровождаются увеличением активности АО.
Физиологическая роль АО понятна только в случае термогенеза в цветках ароидных. В других случаях интенсивность дыхания и активность АО не столь велики, чтобы вызвать заметное повышение температуры тканей. Тогда зачем же у растений существует этот способ дыхания„в котором энергия дыхатель- ' Тиоредоксин — неболылой (мол. масса ! 2 — 14 кда) регуляторный белок с двумя остатками цистеина в активном сайте, которые могут окисляться с образованием дисуль4гидной связи.
В восстановленном состоянии тиоредоксин способен восстанавливать регуляторную дисульфидную связь в составе других белков. Тиоредоксин включен в регуляцию активности многих 4юрмеггтов, например ферментов цикла Кальвина. Недавно тиоредоксин обнаружен в митохондриях растений. 256 иых субстратов рассеивается и не используется для синтеза АТФ? На этот вопрос существует несколько ответов, и возможно, все они правильные.
Есть мнение, что альтернативное дыхание — это эволюционно возникший способ, позволяющий растениям поддерживать дыхание при подавлении основной цитохромной цепи цианидом. Дело в том, что многие виды (около 2500 видов, принадлежащих к разным семействам) в естественных условиях в качестве продуктов вторичного метаболизма образуют цианкогенные гликозиды, распад которых может сопровождаться образованием НСЬ).
К таким растениям относятся, например, клевер (Тп/о(шт герелз), лотос (/.огиз сопиев(азиз), кассава (Матйо! езси(елга), »?сат зр., многие виды акаций. Растения, накапливающие иианкогенные гликозиды, иногда становятся причиной массовых отравлений скота. Есть мнение, что причиной одного из заболеваний, распространенного среди населения Африки, является перманентное отравление организма цианидами из-за употребления в пишу клубней кассавы. Биологическая роль этих соединений может быть защитной, направленной против патогенных микроорганизмов или травоядных животных. В свою очередь цианид может продуцировать и некоторые патогенные бактерии и грибы.
Так, грибок Ягетрйуйит (ог/, поражающий растение /оягг согтпси/ап«г, способен к образованию цианида, и инфекция сопровождается активацией АО в клетках растения. Однако образование в ряде случаев цианнда некоторыми растениями не объясняет, почему АО есть у всех растений и какую роль она выполняет в нормально функционирующей клетке. Впервые подобное объяснение было предложено Х.Ламберсом (ГатЬегз, 1985). Гипотеза «сверхпотока» предполагала, что альтернативное дыхание— зто своего рода «выхлопной клапан», через который «сжигается» избыток углеводов, если клетка не в состоянии эффективно использовать их или запасти.
Сейчас эта гипотеза трансформировалась: альтернативное дыхание рассматривают как механизм поддержания баланса между углеводным метаболизмом и скоростью электронного транспорта. Понять смысл этого утверждения поможет следующий пример. Известно„что скорость электронного транспорта контролируется через систему дыхательного контроля и снижается при высоком соотношении АТФ/АДФ в матриксе (см. подразд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
