I Q. - O 2. - H 2 O 2 Q/QH 2 • Интенсивность АД • зависит от содержания белка АО в мембране, • т. е. от интенсивности экспресии гена Аох1. III Q. - AOX 1 AO СИНТЕЗ IV O 2 Н 2 O
АКТИВАЦИЯ СИНТЕЗА Альтернативной Оксидазы DE NOVO ПРИ ДЕЙСТВИИ СТРЕССОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СТРЕСС ВНЕДРЕНИЕ ПАТОГЕНА ПОРАНЕНИЕ ЗАСОЛЕНИЕ ДЕФИЦИТ ФОСФОРА, АЗОТА ПРИ ВОДНОМ ДЕФИЦИТЕ ЗАСУХА ПРИ ЗАСОЛЕНИИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ГЕРБИЦИДОВ
• При действии стрессов разной природы в растительной клетке наблюдается окислительный стресс, который сопровождается накоплением перекиси водорода. • Накопление перекиси коррелирует с быстрым появлением в клетках м. РНК АО и активацией альтернативного дыхания. • Экспрессию гена Аох можно вызвать условиями, при которых в митохондриях накапливается перекись или прямой обработкой перекисью
КЛЕТКИ ТАБАКА АНТИМИЦИН А КСN САЛИЦИЛОВАЯ К-ТА НАКОПЛЕНИЕ Н 2 О 2 СИНТЕЗ АО +SHAM СИНТЕЗ АО УСТОЙЧИВОСТЬ К ВТМ НЕТ УСТОЙЧИВОСТИ
АКТИВАЦИЯ СИНТЕЗА Альтернативной Оксидазы в процессе онтогенеза При цветении ароидных ПРИ РАЗВИТИИ ПЫЛЬЦЕВОГО ЗЕРНА ПРИ РАЗВИТИИ КОРНЕЙ ПРОРОСТКОВ БОБОВЫХ (маша, сои, гороха, ячменя) СОЗРЕВАНИЕ ПЛОДОВ (климактерический подъем дыхания при созревании фруктов) В фотосинтезирующих тканях содержание АО выше ПРОРАСТАНИЕ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ СТАРЕНИЕ СРЕЗОВ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ
• АО предотвращает образование в цепи супероксидрадикала и от ее активности зависит устойчивость к окислительному стрессу • Альтернативный путь дыхания – важный фактор в устойчивости растений к окислительному стрессу, вызванному внешними факторами разной природы.
• Функцией АО является увеличение температуры тканей( термогенез). • Слабый термогенез при участии АО и UCP-белков возможно имеет место при адаптации растений к низким температурам.
• Функцией АО может быть поддержание дыхания при подавлении основного пути цианидом
Лирическое отступление
Откуда берется цианид? Цианкогенные гликозиды CN глюкоза – О – C – СН 3 R R – CH 3 sp. (ЛИНАМАРИН) Trifolium sp. , Maniholt R – фенил (ПРУНАЗИН) Vicia sp. , Sorghum sp. , Linum sp.
Цианогенные гликозиды
• Цианкогенные гликозиды продуцируют 25003000 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
CN глюкоза – О – C – СН 3 H 2 O R линамараза глюкоза CN НО – C – СН 3 ЦИАНОГИДРИН АЦЕТОНА НCN + О C – СН 3 ацетон лиаза
Manihot esculenta , кассава 100/500 мг/кг
• HCN образуется при биосинтезе этилена как побочный продукт
Обобщающая схема Са 2+ ДГex III I Q/QH 2 пул ДГin НАД Н О 2 Н 2 О ДГin Са 2+ НАД Н IV НАДФН АО II О 2 Н 2 О
+ 4 Н НАДФН I ДГex + ДГex e- Q ротенон IV e- АО ДГin НАДН НАДФНСукцинат Цит с III e- НАДН n. Н+ e- II ДГin 2 Н+ 4 Н АТФ синтаза О 2 Н 2 О SHAM О 2 АНТИМИЦИН А Н 2 О СО CN- АДФ АТФ ОЛИГОМИЦИН
Таким образом, система трансформации энергии включает следующие основные компоненты: - замкнутая сопрягающая мембрана; - локализованная в мембране ЭТЦ; -трансмембранный электрохимический протонный градиент, генерируемый работой цепи; -АТФ синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Фн за счет энергии +.
АТФ-синтетаза ( F 1 F 0 АТФаза, или Н+АТФ-аза F – типа)
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)
Дыхательный контроль субстрат Поглощение О 2 в % 1 2 АДФ 3 АДФ 4 2 6 10 14 Время, мин Если митохондрии удалось выделить без существенного повреждения мембран, то скорость поглощения О 2 будет четко зависеть от присутствия в реакционной среде АДФ
Механизм дыхательного контроля основан на прямом ингибирующем влиянии Н+ на электронный транспорт. Возможно, на комплексе IV есть сайты (расположенные на одной из обращенных в матрикс субъединиц), в которых прямо могут связываться АТФ и АДФ.
Разобщение электронного транспорта с синтезом АТФ играет важную роль в метаболизме как животных, так растений.
Механизм разобщающего действия жирных кислот. межмембран ное пространство RCOO-+ H+ RCOOH RCOOUCP матрикс RCOOH UCP (unсouple protein) H+ RCOO- Ядерные гены Экспрессия на холоду
Физиологическая функция разобщения в растительном метаболизме связана, видимо, только с регуляцией электронного транспорта. Функцией разобщения может быть также защита от окислительного стресса.
Транспорт веществ через мембрану митохондрии
Челночные механизмы транспорта для обмена восстановленными эквивалентами
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 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