Дыхание растений
Общая схема дыхательной ЭТЦ: четыре белковых комплекса, объединяемые подвижными переносчиками е- Переносчики е- в ЭТЦ выстаиваются согласно своим Red/Ox потенциалам – «под горку» НАДН → ФП (ФМН) → Fe. S (min 5 шт) → UQ(пул) → -0, 32 v -(0, 3 – 0, 1)v -(0, 37 -0, 02)v 0 v → цит b → Fe. S → цит с1 → цит с → цит а-а 3 → О 2 0. 1 v 0, 28 v 0, 22 v 0, 25 v 0, 29 -0, 55 v 0, 82 v
Хиноны (убихиноны и пластохиноны) – липофильные молекулы с Red-Ox свойствами: перенос 2ē + 2 Н+ E 0’: от 0, 0 до +0, 10 V (в связанном виде – до -0, 3 V) в среднем – около 0 V
Флавинадениндинуклеотид (ФАД, FAD) и флавинмононуклеотид (ФМН, FMN) – компоненты многих Red-Ox ферментов: перенос 2ē + 2 Н+ Eo : от -0, 5 до +0, 2 V в зависимости от белка, стабилизации кольца, резонанса
Железо-серные белки - 2 Fe-2 S и 4 Fe-4 S: перенос только одного ē Eо’: от – 0, 42 V (Fd) до + 0, 35 V (Fe-S бел. Риске)
Гемы – коферменты цитохромов: перенос только одного ē Cyt b Cyt с Cyt а Eо’: от -0, 18 V (cyt b 6) до +0, 55 V (cyt a 3)
Общая схема дыхательной ЭТЦ: четыре белковых комплекса, объединяемые подвижными переносчиками е- Подвижные переносчики: 1. Убихиноны – их много ( «пул убихинонов» ) 2. Цитохром с – 104 ак. Локализован с наружной стороны внутренней мембраны. Гем ковалентно связан с белком (через cys 14 и cys 17) Примерная стехиометрия: 1 комплекс I : 3 bc 1 : 7 aa 3 : 9 cyt c : 50 UQ
Комплекс I: NADH-дегидрогеназа – похож на старый башмак Межмембранное пространство Мембрана Матрикс
Fe. S-кластер НАДНсвязывающий сайт ФМН Fe. S-кластеры Комплекс I Убихинонсвязывающий сайт Карбоангидраза (растения!) Матрикс Мембрана Галактонолактондегидрогеназа (растения!) Межмембранное пространство
Комплекс I: NADH-дегидрогеназа
Особенность ЭТЦ дыхания растений – дополнительные NAD(P)H-дегидрогеназы
Комплекс. II: сукцинатдегидрогеназа Единственный фермент цикла Кребса, встроенный в мембрану митохондрий
Комплекс III: убихинол-цитохром c-оксидоредуктаза; цитохром b/c 1 -комплекс Структура: димер, мономер - до 11 белков, min – 3 белка: Cyt b (2 гема b. L и b. H), 45 k. Da Fe. S-белок (2 Fe 2 S), 21, 5 k. Da Cyt c 1, 27 k. Da, 240 а-к
Комплекс III: почти как в фотосинтезе Межмембранное пространство матрикс
Цитохром с: белок, ассоциированный с мембраной D-Лактат Пируват L-Аскорбат L-Галактонолактон D-L DH GL DH 12 к. Да Пул UQ cyt c III Комплекс I
Комплекс IV: цитохром a/a 3, цитохромоксидаза Структура: димер 125 k. Da. Мономеры: 3 больших полипептида, кодируются в m: I - 57, II - 26 и III - 30 k. Da, 9 небольших белков ядерного кодирования. 4 Red-Ox центра: два гема а (a и a 3) и два Cu-центра: Сu. А (2 атома) и Cu. В. Гемы и Cu. B – на I белке, Cu. A – на II.
Комплекс IV: цитохром a/a 3, цитохромоксидаза межмембранное пространство цит с H+ ē H+ Cu. A Сu. A гем а II гем а 3 -Сu. B I H+ O 2 H+ H+ D K H 2 H 2 O «двуядерный» центр гем а 3–Сu. В,
Предполагаемая схема работы цитохрома а-а 3 A D-канал O О P ē 2 H+ O 2 R –O О ● ē =O F O H H ē 2 H+ H O ē 2 H 2 O К-канал D-канал
АТФ-синтаза: вальсирующий комплекс Структура: Две субъединицы: F 0 и F 1: α 3β 3γδε α - 59, β - 56, γ - 36 δ - 17. 5, ε - 13, 5 k. Da F 0: а (I), 15 k. Da, b (II), 12. 5 k. Da c (III), 8 k. Da а: b: с – 1: 2: (6 -15) α , β, ε субъединицы F 1 и субъединица а (I) F 0 кодируются в митохондриальном геноме.
Альтернативная оксидаза 2 QH 2 +O 2 → 2 Q + 2 H 2 O Термогенез ароидных растений Arum maculatum, Symplocarpus foetidus, Sauromatum guttatum, Philodendron selloum. Альтернативная оксидаза Один полипептид Один ядерный ген АОХ 1 В мембране Мх: мономерная или димерная форма Впервые белок АО был получен из мтх Sauromatum guttatum
Sauromatum guttatum
Symplocarpus foetidus
Helicodeceros muscivorus
Особенность ЭТЦ дыхания растений – альтернативная оксидаза Гомодимер, 37 k. Da, ~ 350 а-к. Передает ē от убихинона на кислород. Устойчива к цианиду! Есть изозимы (минимум 2): конститутивная и индуцибельная АО Две формы: окисленная и восстановленная. Окисленная неактивна.
Альтернативная оксидаза
Зачем нужна альтернативная оксидаза и как она включается? Гипотезы: 1. Для шунтирования ЭТЦ – модели «перелива» и «распределения» 2. Для снижения уровня активных форм кислорода (АФК) 3. Для быстрого генерирования энергии (например, при стрессе)
Регуляция экспрессии и активности альтернативной оксидазы
Лирическое отступление
Откуда берется цианид? Цианогенные гликозиды C≡N глюкоза – О – C – СН 3 R R – CH 3 (ЛИНАМАРИН) Trifolium sp. , Maniholt sp. R – фенил (ПРУНАЗИН) Prunus sp (Rosaceae) Vicia sp. , Sorghum sp. , Linum sp.
Цианогенные гликозиды
• Цианогенные гликозиды продуцируют 2500 -3000 видов растений сем. бобовых, розоцветных, мимозовых • Клевер, кассава, лен, сорго, лотос, гевея, пассифлора, ячмень, абрикос, акации
Цианогенные гликозиды Синильная кислота – одно из самых быстродействующих веществ. Нарушает клеточное дыхание. Симптомы: жжение в горле, шум в ушах, чувство страха, тошнота, рвота. Padus racemosa Padus serotina Черемуха обыкновенная Черемуха виргинская Amygdalus nana Миндаль низкий (бобовник) Trifolium repens Клевер ползучий Lupinus polyphyllus Syringa pannonica Люпин многолистный Сирень венгерская
Родина: Бразилия (культивируется 6– 7 тыс. лет) Синонимы: Маниок, тапиока, кассава, «юкка» Корнеклубни: Длина – до 1 м Вес – до 15 кг Урожайность – в среднем 120 ц/га Рекорд – 348 ц/га
HCN цианид, синильная кислота Линамарин: 100– 500 мг/кг
C≡N глюкоза – О – C – СН 3 линамараза R H 2 O глюкоза CN НО – C – СН 3 ЦИАНОГИДРИН АЦЕТОНА О лиаза C – СН 3 + НCN СН 3 ацетон
Итак, ЭТЦ дыхания растений: У растений обнаружили UCP (разобщающий белок), как и у животных
ē Н 2 О ФC II Цит b/f ФC I АДФ АТФ Пластида Гликолиз, 3 -ФГК (С 3) Цикл Кальвина Ф Порин ы NADP+ NADPH 1, 3 -ДФГК (С 3) Ф Ф 3 -ФГК (С 3) Гликолиз АТФ 3 -ФГА(С 3) Ф 3 -ФГА (С 3) 1, 3 -ДФГК (С 3) АДФ NADH NAD+ ЭТЦ Н 2 О О 2 Митохондрия Цитозоль (симпласт)
ē НО 2 Пластида ФC II ФC I Цит b/f МАЛИК-ЭНЗИМ: NADP+зависимая МДГ декарб. Порин ы. Гликолиз NADPH ФЕП-карбоксилаза Оксалоацетат (С 4) NADH ЭТЦ Н 2 О О 2 Митохондрия АТФ NADP+зависимая МДГ декарб. Малат (С 4) СО 2 Гликолиз Пируват (С ) 3 Малат NAD+зависимая МДГ декарб. Гликолиз Цитозоль (симпласт) Порин ы АДФ+Ф NADP+ Пируват- Оксалоацетат NADH карбоксилаза NAD+зависимая МДГ декарб. Малат (С 4) СО 2 NAD+ Пируват (С 3)
ЭТЦ дыхания растений: последние новости… Пиримидины Гликолиз Брожение Липиды Оротат Дигидрооротат НАД(Ф)Н ДГАФ 3 -Ф-глицерин DHO DH NDH В 1 NDH B 2 NDH B 3 NDH B 4 G-3 -P DH NDH A 1 NDH A 2 Pro DH Пролин GL DH cyt c III Пирролин-5 -карбоксилат Фумарат НАД+ IV Комплекс I NDH C 1 НАДФН НАДН L-Аскорбат L-Галактонолактон D-L DH Пул UQ II Сукцинат D-Лактат Пируват НАД(Ф)+ НАДФ+ О 2 НАДН НАД+
ЭТЦ дыхания растений: образование суперкомплексов, респирасома Состав суперкомплексов: I+III 2 I 2+III 4 III 2+IV 2 I+III 2+IV 4 I 2+III 2+IV 2 В суперкомплексы НЕ входят: Альтернативная Оксидаза (АО) Сукцинатдегидрогеназа (комплекс II)
ЭТЦ дыхания растений: образование суперкомплексов I 2+III 2+IV 2 КС-IV КС-III
ЭТЦ дыхания растений: образование суперкомплексов АТФ-синтазы Места сборки супрекомплексов АТФ-синтазы соответствуют местам инициации крист
ЭТЦ дыхания растений: образование суперкомплексов АТФ-синтазы Кристы работают как протонные «ловушки»
Множество кольцевых молекул митохондриальной ДНК растений – результат гомологичных рекомбинаций по повторам.
Предполагаемая структура «мастер-хромосомы» митохондрий кукурузы
Линейная ДНК митохондрий хламидомонады
Сопоставление хлоропластного и митохондриального геномов риса
Варианты редактирования хлоропластных и митохондриальных РНК растений
Гены митохондрий 1. Синтез белка. - 3 гена р. РНК (оперон rrn) - 10 генов белков пластидных рибосом (rpl/rps) - 16 генов т. РНК (trn) – не хватает! – импорт! 2. Дыхание - 9 генов белков НАД Н дегидрогеназы (nad) - ген апоцитохрома b (cob); - 5 генов белков биосинтеза цитохрома с (ccb) - 3 гена субъединиц цитохромоксидазы (гены сох). - 3 гена субъединиц сукцинатдегидрогеназы (sdh) у печеночников - 4 гена АТФ-синтазы (atp) Всего: около 50 генов (у печеночных мхов – более 100) , из них около 20 - «рабочих» и около 30 - «домашнего хозяйства» .
• Ядерный генов контролирует : • • • некоторые т РНК ДНК – полимеразу РНК – полимеразу Некоторые рибосомальные белки Синтез белков, входящие в состав комплексов электрон – транспортной цепи дыхания • Синтез ферментов ЦТК
• Fzo – это гигантские ГТФазы, расположенные во внешней мембране митохондрий • Fzo (fuzzy onion)
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) Ядерный ген «Техасская» - Т-ЦМС Restorer of Fertility = rf 1 = Rf rf 2 Т-мх стерильность Т-мх Rf 1 Rf 2 восстановление фертильности «USDA» -тип - S-ЦМС Ядерный ген Rf 3 «Молдавская» - M-ЦМС «Парагвайская» (Charrua-тип) - С-ЦМС Ядерный ген Rf 4
АТФ-синтаза: ключевой фермент «Техасской» ЦМС 13 k. Da-белок появляется в митохондриях как результат незаконной рекомбинации c геном atp 6 и встраивается в АТФ-синтазу, вызывая ЦМС
АТФ-синтаза: ключевой фермент «Техасской» ЦМС 13 k. Da-белок появляется в митохондриях как результат незаконной рекомбинации c геном atp 6 и встраивается в АТФ-синтазу, вызывая ЦМС Гельминтоспориоз!
АТФ-синтаза: ключевой фермент ЦМС у петунии У петунии незаконная рекомбинация происходит с участием гена atp 9. Изменения в АТФ-синтазном комплексе вызывают ЦМС
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) «USDA» -тип - S-ЦМС Ядерный ген Rf 3 «Молдавская» - Т-ЦМС При S-ЦМС(=М-ЦМС) появляются линейные фрагменты в митохондриальном геноме: S 1 и S 2 – эписомы. Возможно, более крупные кольцевые молекулы мт-ДНК за счет рекомбинации могут линеаризоваться.
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС): спорофитный и гаметофитный контроль «USDA» -тип - S-ЦМС Ядерный ген Rf 3 «Молдавская» - M-ЦМС S-мх rf 3 Стерильность Rf 3 rf 3 Полное (!) восстановление фертильности Rf 3 Восстановление фертильности
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС): спорофитный и гаметофитный контроль «Техасская» - Т-ЦМС Ядерные гены Rf 1 и Rf 2 T-мх Т-мх rf 1 Rf 1 rf 1 Rf 1 Стерильность Половина (!) пыльцевых зерен Rf 2 -ген – фертильна доминантная гомозигота Восстановление фертильности
Локализация ферментов глиоксилатного цикла
РАСТИТЕЛЬНЫЕ ПЕРОКСИСОМЫ – ИСТОЧНИК СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ
Метаболический переход от гетеротрофного к фототрофному питанию
Скачать презентацию Дыхание растений Общая схема дыхательной ЭТЦ четыре
Дыхание Bio-2017+Чуб.ppt