Первые полные структуры растительных дыхательных белков

В двух статьях журнала Nature Plants от 29 декабря сообщается о первых полных белковых структурах дыхательного суперкомплекса растений I+III2. Получение этих структур помогает исследователям понять основы биологии растений, а также реакции на стресс и то, как биотопливные культуры могут расти быстрее.

У растений есть два основных метаболических процесса для производства энергии: фотосинтез, который использует солнечный свет и углекислый газ для производства сахаров, и дыхание, которое использует кислород для высвобождения энергии из этих сахаров.

«Если мы хотим понять метаболизм растений, нам нужно понять фотосинтез и дыхание», — сказала Мария Мальдонадо, доцент кафедры биологии растений в Колледже биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе и соавтор одной из новых статей с Джеймсом Леттсом. , доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии.

Большинство живых организмов используют ту или иную форму дыхания для получения энергии. В эукариотических клетках электроны передаются по цепочке белковых комплексов, расположенных во внутренней мембране митохондрии. Эта цепь переноса электронов приводит к образованию воды из атомов кислорода и водорода, перекачивая протоны через мембрану, что, в свою очередь, приводит к образованию АТФ — запаса химической энергии.

Дыхание позволяет растениям перерабатывать энергию, передаваемую от листьев, где происходит фотосинтез, к другим тканям, таким как корни и стебли.

Учитывая, что дыхание является столь важным и фундаментальным процессом, в общих чертах его работа сохраняется у большинства живых существ. Тем не менее, существует еще довольно много возможностей для изменчивости, например, между растениями и животными или разными типами растений. Это открывает возможности для пестицидов, которые нацелены только на определенные виды растений или повышают продуктивность растений.

В статье Леттса и Мальдонадо конкретно рассматривается суперкомплекс дыхательного комплекса I и комплекса III2 у маша. В сопроводительной статье Ханса-Петера Брауна, Вернера Кюльбрандта и его коллег из Германии изучался тот же суперкомплекс на лабораторной модели растения Arabidopsis.

По словам Мальдонадо, это первые структуры митохондриального суперкомплекса с комплексом I из растений. Это также первая полная структура растительного комплекса I, поскольку существуют субъединицы, которые полностью определяются только тогда, когда они контактируют с комплексом III2 как часть суперкомплекса. По словам Леттса, одна из этих субъединиц, по-видимому, уникальна для растений.

«Существует гораздо больше изменчивости, чем кто-либо мог себе представить», — сказал Леттс. Хотя основные функциональные субъединицы комплекса высоко консервативны и восходят к бактериальному предку митохондрий, существует гораздо больше субъединиц, которые менее ограничены и специфичны для отдельных линий эукариот.

Эффективность этих суперкомплексов влияет на то, насколько быстро растение может наращивать биомассу, влияя на баланс между производством новых сахаров и углеводов в результате фотосинтеза и их потреблением при дыхании. Накопление биомассы важно при рассмотрении растений как источника биотоплива или улавливания углекислого газа из атмосферы, поскольку вы хотите, чтобы растение преобразовывало как можно больше солнечного света и CO2 в ткани, которые можно использовать в качестве топлива.

Реакции на стресс у растений (и животных) включают выработку активных промежуточных соединений кислорода внутри клеток, которые могут быть полезны, например, для уничтожения патогенов, но также могут нанести вред. Цепь переноса электронов действует как сток для удаления активного кислорода и, следовательно, также играет роль в изменении реакции растений на стрессоры, такие как засуха или вредители.

Дополнительными авторами статьи Калифорнийского университета в Дэвисе являются младшие специалисты Кейтлин Эйб и Зийи Фан. Структурный анализ статьи Калифорнийского университета в Дэвисе был проведен с использованием установки криогенной электронной микроскопии BioEM в Колледже биологических наук. Работу поддержало Министерство энергетики США.

Станьте участником и получайте печатное издание ежемесячно и цифровое издание еженедельно.

Энди Фелл — научный писатель из Калифорнийского университета в Дэвисе.