С.С. Медведев - Физиология растений (PDF) (1134225), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Субъединичный состав комплексаропластов и митохондрий (см . рис .2.15).F 1 очень консервативен и совпадает у хло­Комплекс F 1 включает пять различных бел­ков- три ,6-субъединицы, три а-субъединицы и по одной 'У-,единичный состав комплексов98F08-и с:-субъединице.

Субъ­у различных организмов более вариабелен. У Е.colirЕ. coli в состав F 0ersen е. а., 2000) :АТР-синтаза Е.F1 :Fo:входит15субъединиц, а у млекопитающих -(Ped-F1 : аз , f3з, у , Б , е:Fo : a , b2 , CI0-14 , d, e , f , g(Fб)2 , АбL , OSCPРегуляторный белок IF1а, ь2 , CJ 224субъединицl'v1итохондриальная АТР-синтаза животныхcoliаз , (3з , у , Б, ЕКомплекс из22- 26субъединицКомплекс из31субъединицыНа рис .3.7 приведено строение наиболее хорошо изу­coli. l'Ложно ви­деть, что в состав F 0 - комплекса входит одна а-субъеди­ница, две Ь-субъединицы и 12 с-субъединиц .

Когда ком­плекс F 1 диссоциирует от мембраны, он функционируеткак АТРаза . В определенных условиях комплекс F 1 Foченного АТР- синтазного комплекса Е.аможет функционировать как протонный насос, исполь­зуюiЦИй энергию гидролиза АТР для транспорта н+ че­рез мембрану (см . рис.5.5).Об.мен:но-св.язъtвшощий .механиз.м Бойера включает+три принципиальных элемента .1.Основным этапом, требующим энергии, являетсяне синтез АТР из ADP и Рн , а процесс отделения АТРот фермента.2.Рис . 3.7. Структура АТРсинтазного комплекса Е. coli(Dunn е. а.

, 2000) .В АТР-синтазном комплексе связывание субстратов и высвобождение продуктовреакции происходит в трех отдельных, но взаимодействующих между собой катали­тических участках фермента. При этом каждый каталитический участок может суще­ствовать только в одном из трех конформационных состояний.3.Поток ионов н+ через протонный каналFoпо градиенту электрохимическогопотенциала вызывает вращение -у-субъединицы АТР-синтазного комплекса. Это вра­щение приводит к конформационным изменениям в каталитических участках, которыепозволяют АТР высвобождаться от фермента и процессу идти дальше.Два первых постулата Бойера получили много подтверждений, основанных главнымобразом на анализе кинетики процесса, и являются общепринятыми.

Утверждение жео вращательном механизме процесса сопряжения между потоком н+ и синтезом АТРдоказать было сложнее. Это удалось сделать группе английских исследователей в ла­боратории Джона Уокера в Кембридже(Abrahams, Leslie, Lutter, Walker, 1994). ОниF 1 -комплексапровели высоко разрешаюiЦИй кристаллографический анализ структурыАТРазы митохондрий быка. Было выявлено, что в каталитический комплекс входяттри{3-и три а-субъединицы, которые расположены , чередуясь подобно долькам апель­сина (рис .3.8) .Три {3-субъединицы отличаются друг от друга и конформационно, и посвязанным с ними нуклеотидам, что подтверждает наличие механизма синтеза АТР попринципу связывание-обмен . При этом -у-субъединица, как стержень, вставлена внутрькаталитического комплекса .

Между а- и {3-субъединицами обнаружены высокогидро­фобные взаимодействия, что обеспечивает возможность вращения -у-субъединицы внут­ри полости, образуемой в каталитическом центре фермента. Другими словами, -у-субъ­единица выглядит как молекулярный подшипник, который <<смазывается>> (при вра-99Актиноный филаментСтеклоРис .Модель функционирова­3.8.ния АТР-синтазы(Jungeе . а.,1997).Показаны принцип крепления ката­литического комплекса к мембране с по­м ощьюа-,Ь-ипорт ИОНОВ н +луинаправление0 -субъединиц ,Рис .3.9.Метод,который позволил зарегистриро­вать вращение ')'-субъединицы в F 1- комплексе АТР- синта­зы(Nojiе.a ., l997) .транс­ПО ПрОТОННОМУ кана­вращения')'- ,Е-ис­субъединиц .щении) за счет гидрофобных взаимодействий, существуютих в каталитическом центрефермента.После анализа кристаллической структуры F1-комплекса АТР-синтазы были снятыпрактически все вопросы , касающиеся механизма синтеза АТР.

Однако окончательноедоказательство вращения 1-субъединицы в каталитическом центре фермента можнобыло бы получить, если бы его удалось зарегистрировать визуально . Такой экспери­мент удалось провести .Niacacyкe Ешида с коллегами в Токийском технологическоминституте Японии(Noji, Yasuda, Yoshida, Kinosita, 1997).Они пометили флуоресцент­ным зондом актиноный филамент и <<ПришилИ>> его к 1-субъединицеЗатем комплексF1F 1 -комплекса.был прикреплен к специально обработанной стеклянной поверхно­сти, по которой невозможно скольжение (рис .3.9).Исследователи предположили , чтоесли 1-субъединица действительно способна вращаться под действием АТР, то будетвращаться и прикрепленный к ней актинавый филамент. Поскольку размеры фила­мента составляли около1мкм, его вращение должно быть видно во флуоресцентныймикроскоп.Результаты эксперимента оказались потрясающими .

Как только к модифицирован­ному комплексуF1была добавлена АТР (см. рис.вращаться по кругу со средней скоростью43.9),актиновые филаменты начиналиоборота в секунду (рис.3.10).Посколь­ку размеры актинового филамента значительно превышали размеры ферментативногокомплекса, реальная скорость вращения 1-субъединицьr должна быть гораздо выше.Демонстрация вращательного движения 1-субъединицы позволила окончательно ре­шить вопрос о механизме синтеза АТР в АТР-синтазном комплексе.Согласно современной модели функционирования АТР-синтазного комплекса ми­тохондрий (см .

рис.3.8)источником энергии для мембранного транспорта протоновявляется градиент .6J.1н+ (протондвижущая сила) на внутренней мембране митохон­дрий . Движение ионов н+ по протонному каналу АТР-синтазы вызывает вращение с­субъединичного комплекса внутри мембраны . Это инициирует вращение ')'-субъедини-100цы , тесно связанной с F 0 -комплексом .

Вращение ')'-субъедини­цы внутри F1-комплекса вызывает конформаr~ионные измене­ния в каталитическом центре , необходимые для синтеза АТР.Предполагается, что каталитический комплекс(/3-и а-субъ­единицы) сам по себе не вращается и крепится к мембране спомощью а-, Ь- и 8-субъединиц. В терминах электротехникиF1 -комплекс и его мембранный <<якорь» ( субъединицы а и Ь)сравнивают со статором , в то время как 1-субъединицу и вра­щаю~цуюся часть Fо-комплекса - с ротором .

За свой вклад вустановление механизма синтеза АТР П . Бойер и Д. Уокер в1997 г.получили Нобелевскую премию .3.10. СПЕЦИФИКА КЛЕТОЧНОГО ДЫХАНИЯ РАСТЕНИЙОсобенностью электрон-транспортной цепи растительныхмитохондрий является наличие ряда переносчиков, которыеотсутствуют в клетках животных организмов . У растительныхмитохондрий помимо цитохромоксидазы имеется алътерна­тивна.я тер.миналъна.я о-к;сидаза, способная передавать элек­троны от убихинона прямо на кислород. Вторым отличиеммитохондрий растений являются два пути окисления НАДН,образующегося в матриксе : через комплекс1, угнетаемый роте­ионом, и через ротенон-нечувствительную NАD(Р)Н-дегидро­rеназу. И, наконец, в растительных клетках возможно Са2 +­зависимое окисление цитоплазматического пулаNAD(P)H вэлектрон-транспортной цепи митохондрий через NАD(Р)Н-де­rидрогеназу, функционирую~цую в межмембранном простран­стве (см.

рис .3.6) .Характернойклеток,вособенностьюотличие от животных,митохондрийрастительныхявляется наличие маликэн­зима, который катализирует окислительное декарбоксилиро­вание малата:с оон1сн 21снонСН 3маликэизим~NADH1С=О1с оон1lllliiDIIIIl:=lillllllа111111111111111111111111111111111111111111111111llllllllliIIBIIIIII11811118111111118lilllllll11 111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111•••Рис .3.10.Последова­тельное изображение вра­щения актинового фила­мента ,прикрепленного')'-субъединицесоон11тазы(Nojiе.кАТР-син­a .,l997} .пируватмалатПируват далее окисляется в цикле Кребса, а NADH - в электрон-транспортной це­пи.

Таким образом, растительные митохондрии способны окислять через цикл Кребсане только образующийся в гликолизе пируват, но и транспортируемый из цитоплазмымалат.3.10.1.Цианидустойчивое дыхание растенийЗавершающий этап почти всех окислительных процессов заключается в переносеэлектронов от окисляемого субстрата на кислород. Этот процесс катализируется ды­хательными ферментами, которые называют тер.миналъны.ми о-к;сидаза.ми. У расти-101тельных клеток к таким ферментам относятся не только КомплексIV (цитохромсоксидазный), но и альтернативная оксидаза, локализованная на внутренней меыбране:митохондрий (см. рис.3.6).Терминальные оксидазы являются главным компонентомакцепториого участка дыхательной электрон-транспортной цепи, от которых зависитобщая эффективность дыхания.Если к животным тканям добавить1мМ раствор цианида, дыхание практическиполностью остановится , поскольку будет подавлена работа цитохром с оксидазного ком­плекса, передающего электроны на кислород.

Однако у большинства растительных кле­ток при этом поглощение кислорода не прекратится, а только замедлится (в среднемот10 до 25%).У некоторых растительных тканей уровень цианидустойчивого дыхания(поглощения О2) может достигать даже100%.Такая особенность дыхания растений объясняется тем, что на внутренней мембранерастительных митохондрий функционирует альтернативная цианидустойчивая оксида­за (см. рис.3.6),которая обеспечивает передачу электронов от убихинона на кислородс образованием Н 2 0. Этот процесс специфически угнетается рядом соединений, к кото­рым относится, напрш.Iер, салицилгидроксамовая кислота.

Когда электроны от убихи­нона попадают на кислород, то пропускаетс>1(комплексы111иIV),,tna участка электрон-транспортнойцепина которых была бы возыожна генерация энергии (вначале в видепротонного градиента, а затем и АТР). Поэтому происходит рассеивание энергии в ви­де тепла.

Чувствительность альтернативной цианидустойчивой оксидазы к кислородунесколько ниже, чем у цитохромоксидазы.Алътернативна.я тссидаза представляет собой интегральный мембранный белок,составленный из двух идентичных субъединиц, молекулярная масса каждой из которыхот35,5до37кДа. Регулирование активности этого фермента осуществляется путемобразования (димерная форма) или расщепления (мономерная форма) дисульфидногомостика между мономерами:R- SH+ HS-мономерR ..._..... R- S- 8- Rмономер+ 2Н+.димерУ многих цветков перед образованием пыльцы наблюдается быстрое повышение ак­тивности этого фермента. Это приводит к резкому возрастанию температуры тканейцветка, которая, например уSauromatum guttatum,достигает 25 ° С. Одновременно ак­тивируется синтез салициловой кислоты, а также определенных аминов и индольныхсоединений, которые служат аттрактантами для насекомых-опылителей.

Характеристики

Список файлов книги