Легоглобин (также леггемоглобин или легоглобин ) — переносящий кислород фитоглобин, обнаруженный в азотфиксирующих корневых клубеньках бобовых растений . Он вырабатывается этими растениями в ответ на колонизацию корней азотфиксирующими бактериями, называемыми ризобиями , как часть симбиотического взаимодействия между растением и бактерией: корни, не колонизированные ризобиями , не синтезируют леггемоглобин. Легоглобин имеет близкое химическое и структурное сходство с гемоглобином и, как и гемоглобин, имеет красный цвет. Первоначально считалось, что простетическая группа гема для растительного леггемоглобина была предоставлена бактериальным симбионтом в симбиотических корневых клубеньках. [1] [2] Однако последующие исследования показывают, что хозяин растения сильно экспрессирует гены биосинтеза гема в клубеньках, и что активация этих генов коррелирует с экспрессией гена леггемоглобина в развивающихся клубеньках. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]
У растений, колонизированных Rhizobium , таких как люцерна или соя , присутствие кислорода в корневых клубеньках снижает активность чувствительной к кислороду нитрогеназы , которая является ферментом, ответственным за фиксацию атмосферного азота. Показано, что леггемоглобин буферизует концентрацию свободного кислорода в цитоплазме инфицированных растительных клеток, чтобы обеспечить надлежащее функционирование корневых клубеньков. При этом фиксация азота является чрезвычайно энергетически затратным процессом, поэтому аэробное дыхание , требующее высокой концентрации кислорода, необходимо в клетках корневого клубенька. [11] Легемоглобин поддерживает концентрацию свободного кислорода, которая достаточно низкая, чтобы позволить нитрогеназе функционировать, но достаточно высокую общую концентрацию кислорода (свободного и связанного с леггемоглобином) для аэробного дыхания.
Легоглобин относится к классу симбиотических глобинов , которые также включают корневые клубеньковые глобины актиноризных растений, таких как казуарина . Симбиотический глобин казуарины является промежуточным между леггоглобином и несимбиотическим фитоглобином-2. [12] [13]
Легоглобины — это мономерные белки с массой около 16 кДа, структурно похожие на миоглобин . [14] Один белок легоглобина состоит из гема, связанного с железом, и одной полипептидной цепи (глобин). [14] Подобно миоглобину и гемоглобину, железо гема находится в своем двухвалентном состоянии in vivo и является частью, которая связывает кислород. [14] Несмотря на сходство в механизме связывания кислорода между легоглобином и животным гемоглобином, а также тот факт, что легоглобины и животный гемоглобин произошли от общего предка, между этими белками существует различие в аминокислотной последовательности примерно в 80% позиций. [14]
Сродство леггемоглобинов к связыванию кислорода в 11–24 раза выше, чем сродство миоглобина кашалота к связыванию кислорода. [15] Различия в сродстве обусловлены разной скоростью ассоциации между двумя типами белков. [15] Одним из объяснений этого явления является то, что в миоглобине связанная молекула воды стабилизируется в кармане, окружающем гемовую группу. Эта водная группа должна быть вытеснена, чтобы кислород связался. Такая вода не связана в аналогичном кармане леггемоглобина, поэтому молекуле кислорода легче приблизиться к гемову леггемоглобина. [14] Легоглобин имеет медленную скорость диссоциации кислорода, как и миоглобин. [16] Подобно миоглобину и гемоглобину, леггемоглобин имеет высокое сродство к оксиду углерода. [16]
В первичной структуре леггемоглобина А в соевых бобах валин (F7) находится на месте, где в миоглобине находится серин (F7). Без водородной связи, фиксирующей ориентацию проксимальной боковой цепи гистидина, имидазольное кольцо может занимать ступенчатую конформацию между атомами азота пиррола и может легко перемещаться вверх к плоскости гема. Это значительно увеличивает реакционную способность атома железа и сродство к кислороду. В леггемоглобине А дистальная боковая цепь гистидина также поворачивается в сторону от связанного лиганда за счет образования водородной связи с тирозином. [17]
Гемовые группы одинаковы во всех известных леггемоглобинах, но аминокислотная последовательность глобина немного отличается в зависимости от штамма бактерий и вида бобовых. [14] Даже в пределах одного бобового растения могут существовать множественные изоформы леггемоглобинов. Они часто различаются по сродству к кислороду и помогают удовлетворять потребности клетки в определенной среде внутри клубенька. [18]
Результаты исследования 1995 года показали, что низкая концентрация свободного кислорода в клетках корневых клубеньков на самом деле обусловлена низкой проницаемостью клеток корневых клубеньков для кислорода. [19] Из этого следует, что основная цель леггемоглобина — извлекать ограниченный свободный кислород из клетки и доставлять его в митохондрии для дыхания. Однако ученые из более поздней статьи 2005 года предполагают, что леггемоглобин отвечает как за буферизацию концентрации кислорода, так и за доставку кислорода в митохондрии. [20] Их исследования с нокаутом леггемоглобина показали, что леггемоглобин на самом деле значительно снижает концентрацию свободного кислорода в клетках корневых клубеньков, и что экспрессия нитрогеназы была устранена у мутантов с нокаутом леггемоглобина, предположительно из-за деградации нитрогеназы при высокой концентрации свободного кислорода. Их исследование также показало более высокое соотношение АТФ / АДФ в клетках корневых клубеньков дикого типа с активным леггемоглобином, что позволяет предположить, что леггемоглобин также способствует доставке кислорода для дыхания.
Растения содержат как симбиотические, так и несимбиотические гемоглобины. Считается, что симбиотические гемоглобины важны для симбиотической азотфиксации (SNF). В бобовых SNF происходит в специализированных органах, называемых клубеньками, которые содержат бактероиды, или азотфиксирующие ризобии. Индукция генов растений, специфичных для клубеньков, которые включают те, которые кодируют симбиотические леггемоглобины (Lb), сопровождает развитие клубеньков. Легогемоглобины накапливаются до миллимолярных концентраций в цитоплазме инфицированных растительных клеток до азотфиксации, чтобы буферизировать свободный кислород в наномолярном диапазоне, что позволяет избежать инактивации кислород-лабильной нитрогеназы, сохраняя при этом достаточно высокий поток кислорода для дыхания в клетке. Легогемоглобины необходимы для SNF, но не требуются для роста и развития растений в присутствии внешнего источника фиксированного азота. Легогемоглобины вносят существенный вклад в установление низких концентраций свободного кислорода при сохранении высокого энергетического статуса в клетках. Это условия, необходимые для эффективного SNF. [20]
С тех пор глобины были идентифицированы как белок, общий для многих таксонов растений, не ограничиваясь симбиотическими. В свете этого открытия было предложено использовать термин фитоглобины для обозначения растительных глобинов в целом. [12]
Фитоглобины можно разделить на две клады. Тип 3/3 содержит классы I и II фитоглобинов покрытосеменных растений и является общим для всех эукариот ( HGT бактериального флавогемоглобина). Леггемоглобин в узком смысле слова является фитоглобином класса II. Тип 2/2 «TrHb2» содержит класс III в номенклатуре покрытосеменных растений и, по-видимому, был приобретен у Chloroflexota (ранее Chloroflexi) предком наземных растений. [12]
Компания Impossible Foods обратилась в американское Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) за одобрением использования рекомбинантного соевого легоглобина в пищевых продуктах в качестве аналога гемоглобина , полученного из мяса . [21] [22] Одобрение FDA поступило в июле 2019 года, [23] было оспорено [a] и позднее, 3 мая 2021 года, поддержано федеральным апелляционным судом Сан-Франциско. [24] [25] В настоящее время он используется в их продуктах для имитации цвета, вкуса и текстуры мяса. [26]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ) [ необходима полная цитата ]