Primeiras estruturas completas de proteínas respiratórias vegetais

Artigos consecutivos na edição de 29 de dezembro da Nature Plants relatam as primeiras estruturas proteicas completas para o supercomplexo respiratório I+III2 de plantas. A obtenção dessas estruturas ajuda os pesquisadores a compreender a biologia básica das plantas, bem como as respostas ao estresse e como as culturas de biocombustíveis podem crescer mais rapidamente.

As plantas têm dois processos metabólicos principais para a produção de energia: a fotossíntese, que utiliza a luz solar e o dióxido de carbono para produzir açúcares, e a respiração, que utiliza o oxigênio para desbloquear a energia desses açúcares.

“Se quisermos compreender o metabolismo das plantas, precisamos compreender a fotossíntese e a respiração”, disse María Maldonado, professora assistente de biologia vegetal na Faculdade de Ciências Biológicas Davis da Universidade da Califórnia e coautora de um dos novos artigos com James Letts. , professor assistente de biologia molecular e celular.

A maioria dos organismos vivos usa alguma forma de respiração para obter energia. Nas células eucarióticas, os elétrons são passados ​​ao longo de uma cadeia de complexos proteicos localizados na membrana interna da mitocôndria. Esta cadeia de transporte de elétrons impulsiona a formação de água a partir de átomos de oxigênio e hidrogênio, bombeando prótons através da membrana, o que por sua vez impulsiona a formação de ATP, um armazenamento de energia química.

A respiração permite que as plantas processem a energia transferida das folhas, onde ocorre a fotossíntese, para outros tecidos, como raízes e caules.

Dado que a respiração é um processo essencial e fundamental, os traços gerais de como ela funciona são conservados na maioria dos seres vivos. No entanto, ainda há bastante espaço para variabilidade, por exemplo, entre plantas e animais ou entre diferentes tipos de plantas. Isso abre oportunidades para pesticidas que visam apenas determinados tipos de plantas ou para aumentar a produtividade das plantas.

O artigo de Letts e Maldonado analisa especificamente o supercomplexo do complexo respiratório I e do complexo III2 no feijão mungo. Um artigo complementar de Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt e colegas na Alemanha estudaram o mesmo supercomplexo na planta modelo de laboratório Arabidopsis.

Estas são as primeiras estruturas de um supercomplexo mitocondrial com complexo I de plantas, disse Maldonado. É também a primeira estrutura completa do complexo vegetal I, pois existem subunidades que só ficam totalmente definidas quando estão em contato com o complexo III2 como parte de um supercomplexo. Uma dessas subunidades parece ser exclusiva das plantas, disse Letts.

“Há muito mais variabilidade do que se imaginava”, disse Letts. Embora as subunidades funcionais centrais do complexo sejam altamente conservadas e remontam ao ancestral bacteriano das mitocôndrias, existem muito mais subunidades que são menos restritas e específicas para linhagens separadas de eucariotos.

A eficiência destes supercomplexos tem impacto na rapidez com que uma planta pode adicionar biomassa, afectando o equilíbrio entre a produção de novos açúcares e hidratos de carbono a partir da fotossíntese e o seu consumo na respiração. A acumulação de biomassa é importante ao considerar as plantas como fonte de biocombustíveis ou para capturar dióxido de carbono da atmosfera, porque se pretende que a planta converta o máximo possível de luz solar e CO2 em tecidos que possam ser utilizados como combustível.

As respostas ao estresse em plantas (e animais) envolvem a geração de intermediários reativos de oxigênio dentro das células, que podem ser úteis, por exemplo, para matar patógenos, mas também podem causar danos. A cadeia de transporte de elétrons atua como um sumidouro para remover o oxigênio reativo e, portanto, também desempenha um papel na modificação da resposta das plantas a estressores como secas ou pragas.

Os autores adicionais do artigo da UC Davis são os especialistas juniores Kaitlyn Abe e Ziyi Fan. A análise estrutural do artigo da UC Davis foi realizada utilizando a instalação de microscopia eletrônica criogênica BioEM da Faculdade de Ciências Biológicas. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

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Andy Fell é escritor científico da Universidade da Califórnia, Davis.