| oxidasa terminal | |
|---|---|
| Identificadores | |
| Símbolo | PTOX |
| Pfam | PF01786 |
| Estructuras proteicas disponibles | |
| Pfam | estructuras |
| AP | RCSB AP ; PDBe ; PDBj |
| PDBsum | modelo 3d |
La oxidasa terminal , u oxidasa plástida alternativa , es una enzima que se encuentra en el lado del estroma de la membrana tilacoide en los cloroplastos de plantas y algas y en las invaginaciones intracelulares de la membrana citoplasmática de las cianobacterias . La hipótesis sobre su existencia se planteó por primera vez en 1982 y se confirmó años más tarde, tras el descubrimiento de una enzima en la membrana de los tilacoides, cuya secuencia de aminoácidos era similar a la de la oxidasa mitocondrial alternativa [1] . Ambas oxidasas se derivan de un precursor común,proteína de los procariotas , y son tan similares en términos estructurales y funcionales que una oxidasa alternativa colocada en el tilacoide puede reemplazar a la oxidasa terminal desactivada [2] .
La oxidasa terminal cataliza la oxidación de un grupo de plastoquinonas donando electrones al oxígeno para formar agua. Esto tiene varios efectos sobre el desarrollo y funcionamiento de los cloroplastos .
La oxidasa terminal es importante para la biosíntesis de carotenoides durante la biogénesis del cloroplasto . En el desarrollo de plástidos , su actividad impide la regeneración del pool de plastoquinonas. Las plantas eliminadas para este gen tenían hojas abigarradas cubiertas de manchas blancas. Sin esta enzima, la síntesis de carotenoides se ralentiza, ya que no hay suficientes plastoquinonas oxidadas que puedan oxidar el fitoeno , el precursor de los carotenoides. El fitoeno incoloro se acumula en las hojas, lo que da como resultado manchas blancas de células no teñidas [3] . También se cree que la oxidasa terminal determina el equilibrio redox del aparato fotosintético en desarrollo y que sin ella, la planta no puede organizar las estructuras de la membrana interna de los cloroplastos cuando se expone a la luz brillante [1] [4] .
Los plástidos con un gen IMMUTANS desactivado que codifica la oxidasa terminal se vuelven muy sensibles al estrés fotooxidativo. Aparecen manchas blancas en sus hojas, lo que indica falta de pigmento y fotodaño en los tejidos. Este efecto aumenta con el aumento de la temperatura y la intensidad de la luz. La razón principal de esto es que la síntesis de carotenoides en ausencia de oxidasa se reduce en gran medida y no pueden participar en el desempeño de funciones protectoras como el ciclo de la violoxantina o la extinción de la clorofila triplete [5] .
Inicialmente, se creía que la oxidasa terminal es una especie de "escape" a través del cual la planta libera equivalentes reductores en exceso para proteger el fotosistema II del fotodaño, pero según los conceptos modernos, todo es algo más complicado. Esta enzima parece mantener un equilibrio entre el metabolismo de los carbohidratos y la tasa de transporte de electrones [6] . Además, algunos estudios han demostrado que la sobreexpresión de esta proteína conduce a una mayor producción de especies reactivas de oxígeno . Esto significa que para el funcionamiento de la oxidasa terminal como "escape" es necesario contar con un sistema antioxidante efectivo [7] .
Una de las funciones mejor estudiadas de la oxidasa terminal es su participación en la respiración de los cloroplastos , junto con el complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos , similar al complejo NADH-deshidrogenasa de las mitocondrias y homólogo al complejo bacteriano I [8] [9] . La respiración de los cloroplastos es un fenómeno que se observa cuando los cloroplastos se exponen a una luz de alta intensidad. Bajo tales condiciones, en lugar de liberar oxígeno , los cloroplastos comienzan a absorberlo activamente.
En este proceso, el complejo NADH deshidrogenasa oxida la ferredoxina y restaura el conjunto de plastoquinonas , y la oxidasa terminal las oxida, realizando la misma función que la citocromo c oxidasa en el transporte de electrones mitocondriales . En Chlamydomonas , se han encontrado dos copias del gen que codifica la oxidasa terminal. PTOX2 está involucrado en el transporte de electrones en la oscuridad, oxidando el pool de plastoquinonas y por lo tanto llevando a cabo la regulación diaria de la fotosíntesis a través de un cambio en el potencial redox [10] . Se cree que puede realizar una función similar en las plantas superiores [11] .
Además, la oxidasa terminal es capaz de modular el equilibrio entre el transporte de electrones no cíclico y cíclico alrededor del fotosistema I , lo que ocurre cuando la asimilación de carbono cesa por la noche [12] .
La oxidasa terminal es una proteína de membrana integral anclada en el lado estromal de la membrana tilacoide . Según la homología de secuencia primaria, se cree que la enzima tiene cuatro dominios alfa helicoidales que rodean un centro de hierro diatómico . Ambos átomos están ligados con seis histidinas y glutamatos conservativos : Glu136, Glu175, His171, Glu227, Glu296 e His299 [13] . La estructura predicha es similar a la de una oxidasa alternativa , con un dominio Exon 8 adicional requerido para la estabilidad y el funcionamiento adecuado de esta oxidasa. La enzima está anclada a la membrana por una quinta hélice alfa corta que contiene el residuo Tyr 212, que se cree que está involucrado en la unión al sustrato [14] .
La oxidasa terminal cataliza la transferencia de cuatro electrones de la plastoquinona reducida a una molécula de oxígeno y la formación de agua :
2 QH 2 + O 2 → 2 Q + 2 H 2 OEl análisis de especificidad de sustrato reveló que la enzima interactúa casi exclusivamente con la plastoquinona y no interactúa con las quinonas como la ubiquinona y la duroquinona . Además, el hierro ha demostrado ser absolutamente esencial para la actividad catalítica de la enzima y no puede ser reemplazado por cationes metálicos como Cu 2+ , Zn 2+ o Mn 2+ . A diferencia de la oxidasa alternativa, la oxidasa terminal no está regulada por azúcares de piruvato o AMP [15] .
Parece poco probable que los cuatro electrones se transfieran simultáneamente al mismo grupo de hierro, por lo que todos los mecanismos propuestos se basan en la suposición de una transferencia separada de dos electrones de la plastoquinona reducida . La primera etapa es común a todos los mecanismos propuestos: una plastoquinona se oxida y ambos átomos de hierro se reducen de Fe(III) a Fe(II). Para el siguiente paso, la captura de oxígeno, existen cuatro versiones diferentes. Un mecanismo implica la participación del peróxido como reactivo intermedio, después de lo cual un átomo de oxígeno se usa para crear agua, mientras que el otro permanece asociado con el centro de hierro. Después de que se oxida la segunda plastoquinona , se forma una segunda molécula de agua y los átomos de hierro vuelven al estado oxidado. Otro mecanismo sugiere la formación de Fe(III)-OH o Fe(IV)-OH y un radical tirosina . [16] . Tal mecanismo podría explicar por qué, con una mayor expresión del gen PTOX , hay una mayor producción de especies reactivas de oxígeno .
Esta enzima está presente en organismos capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica , es decir , plantas , algas y cianobacterias . Presumiblemente, la oxidasa terminal y la oxidasa alternativa se originaron a partir de una proteína ancestral común, centrada en dos átomos de hierro. La reducción de oxígeno probablemente fue un antiguo mecanismo de defensa contra la oxidación durante la transición de la vida anaeróbica a la aeróbica . Antes de que ocurriera la endosimbiosis , la oxidasa terminal evolucionó en las antiguas cianobacterias y la oxidasa alternativa en las α-proteobacterias , que supuestamente eran precursoras de las mitocondrias. Después de la endosimbiosis, la oxidasa terminal llegó a los eucariotas , que evolucionaron hasta convertirse en plantas y algas . La secuenciación del genoma de numerosas especies de plantas y algas ha demostrado que la secuencia de aminoácidos está conservada en más del 25 %, lo que es un resultado significativo para una enzima como la oxidasa. Estos resultados respaldan la teoría de que tanto las oxidasas alternativas como las terminales evolucionaron de forma independiente antes de la endosimbiosis y no sufrieron cambios significativos durante la evolución eucariótica [17] .
También existen cianófagos PTOX , que contienen copias del gen de la oxidasa terminal. Se sabe que pueden desempeñar el papel de vectores virales , proporcionando transferencia de genes entre diferentes tipos de cianobacterias. Cierta evidencia sugiere que los fagos pueden usar esta oxidasa para estimular el ciclo de electrones y producir más ATP y menos NADPH , ya que se requiere más ATP para la síntesis de la cápside viral [1] .