Prime strutture complete delle proteine ​​respiratorie vegetali

Articoli consecutivi nel numero del 29 dicembre di Nature Plants riportano le prime strutture proteiche complete per il supercomplesso respiratorio vegetale I+III2. L’ottenimento di queste strutture aiuta i ricercatori a comprendere la biologia vegetale di base, nonché le risposte allo stress e il modo in cui le colture per biocarburanti potrebbero crescere più rapidamente.

Le piante hanno due principali processi metabolici per la produzione di energia: la fotosintesi, che utilizza la luce solare e l’anidride carbonica per produrre zuccheri, e la respirazione, che utilizza l’ossigeno per liberare energia da quegli zuccheri.

"Se vogliamo comprendere il metabolismo delle piante, dobbiamo comprendere la fotosintesi e la respirazione", ha affermato María Maldonado, assistente professore di biologia vegetale presso il Davis College of Biological Sciences dell'Università della California e coautore di uno dei nuovi articoli con James Letts. , professore assistente di biologia molecolare e cellulare.

La maggior parte degli organismi viventi utilizza una qualche forma di respirazione per ottenere energia. Nelle cellule eucariotiche, gli elettroni vengono fatti passare lungo una catena di complessi proteici situati nella membrana interna del mitocondrio. Questa catena di trasporto degli elettroni guida la formazione di acqua dagli atomi di ossigeno e idrogeno, pompando protoni attraverso la membrana, che a sua volta guida la formazione di ATP, una riserva di energia chimica.

La respirazione consente alle piante di elaborare l'energia trasferita dalle foglie, dove avviene la fotosintesi, ad altri tessuti come radici e steli.

Dato che la respirazione è un processo così essenziale e fondamentale, le grandi linee del suo funzionamento sono conservate nella maggior parte degli esseri viventi. Tuttavia, c’è ancora molto spazio per la variabilità, ad esempio tra piante e animali o tra diversi tipi di piante. Ciò apre opportunità per i pesticidi che prendono di mira solo determinati tipi di piante o per migliorare la produttività delle piante.

L'articolo di Letts e Maldonado esamina specificamente il supercomplesso del complesso respiratorio I e del complesso III2 nel fagiolo verde. Un articolo complementare di Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt e colleghi in Germania ha studiato lo stesso supercomplesso nella pianta modello di laboratorio Arabidopsis.

Queste sono le prime strutture per un supercomplesso mitocondriale con il complesso I proveniente dalle piante, ha detto Maldonado. È anche la prima struttura completa del complesso vegetale I, perché ci sono subunità che sono completamente definite solo quando sono in contatto con il complesso III2 come parte di un supercomplesso. Una di queste subunità sembra essere unica per le piante, ha detto Letts.

"C'è molta più variabilità di quanto chiunque immaginasse", ha detto Letts. Mentre le subunità funzionali principali del complesso sono altamente conservate e risalgono all'antenato batterico dei mitocondri, ci sono molte più subunità che sono meno vincolate e specifiche per lignaggi separati di eucarioti.

L’efficienza di questi supercomplessi ha un impatto sulla velocità con cui una pianta può aggiungere biomassa, influenzando l’equilibrio tra la produzione di nuovi zuccheri e carboidrati dalla fotosintesi e il loro consumo durante la respirazione. L’accumulo di biomassa è importante nel considerare le piante come fonte di biocarburanti o per catturare l’anidride carbonica dall’atmosfera, perché si desidera che la pianta converta quanta più luce solare e CO2 possibile in tessuti che possano essere utilizzati come combustibile.

Le risposte allo stress nelle piante (e negli animali) comportano la generazione di intermedi reattivi dell’ossigeno all’interno delle cellule, che possono essere utili, ad esempio per uccidere gli agenti patogeni, ma possono anche causare danni. La catena di trasporto degli elettroni agisce come un pozzo per rimuovere l'ossigeno reattivo e quindi svolge anche un ruolo nel modificare la risposta delle piante a fattori di stress come siccità o parassiti.

Altri autori dell'articolo della UC Davis sono gli specialisti junior Kaitlyn Abe e Ziyi Fan. L'analisi strutturale per l'articolo della UC Davis è stata effettuata utilizzando l'impianto di microscopia elettronica criogenica BioEM presso il College of Biological Sciences. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

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Andy Fell è uno scrittore scientifico presso l'Università della California, Davis.