Primeiras estruturas completas de proteínas respiratórias vegetais

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

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

“Se queremos entender o metabolismo das plantas, precisamos entender 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. Essa cadeia de transporte de elétrons impulsiona a formação de água a partir de átomos de oxigênio e hidrogênio, bombeando prótons através da membrana, que por sua vez impulsiona a formação do 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 tão essencial e fundamental, os traços gerais de como ela funciona são conservados na maioria dos seres vivos. No entanto, ainda há muito espaço para variabilidade, por exemplo, entre plantas e animais ou diferentes tipos de plantas. Isso abre oportunidades para pesticidas que visam apenas certos 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 complexo III2 no feijão mungo. Um artigo complementar de Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt e colegas na Alemanha estudou 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 são 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 qualquer um imaginava", disse Letts. Enquanto as principais subunidades funcionais do complexo são altamente conservadas e remontam ao ancestral bacteriano das mitocôndrias, existem muito mais subunidades que são menos restritas e específicas para separar linhagens de eucariotos.

A eficiência desses supercomplexos tem um impacto na rapidez com que uma planta pode adicionar biomassa, afetando o equilíbrio entre produzir novos açúcares e carboidratos a partir da fotossíntese e consumi-los na respiração. O acúmulo de biomassa é importante ao considerar as plantas como fonte de biocombustíveis ou para capturar dióxido de carbono da atmosfera, porque você deseja que a planta converta o máximo possível de luz solar e CO2 em tecidos que possam ser usados ​​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 seca ou pragas.

Autores adicionais no artigo da UC Davis são os especialistas juniores Kaitlyn Abe e Ziyi Fan. A análise estrutural para o papel da UC Davis foi realizada usando a instalação de microscopia eletrônica criogênica BioEM no College of Biological Sciences. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.

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Andy Fell é um escritor de ciência da Universidade da Califórnia, Davis.