Primeras estructuras completas de proteínas respiratorias vegetales

Artículos consecutivos en la edición del 29 de diciembre de Nature Plants informan sobre las primeras estructuras proteicas completas para el supercomplejo respiratorio vegetal I+III2. La obtención de estas estructuras ayuda a los investigadores a comprender la biología básica de las plantas, así como las respuestas al estrés y cómo los cultivos de biocombustibles podrían crecer más rápidamente.

Las plantas tienen dos procesos metabólicos principales para la producción de energía: la fotosíntesis, que usa la luz solar y el dióxido de carbono para producir azúcares, y la respiración, que usa oxígeno para desbloquear la energía de esos azúcares.

"Si queremos comprender el metabolismo de las plantas, debemos comprender la fotosíntesis y la respiración", dijo María Maldonado, profesora asistente de biología vegetal en la Facultad de Ciencias Biológicas Davis de la Universidad de California y coautora de uno de los nuevos artículos con James Letts. , profesor asistente de biología molecular y celular.

La mayoría de los organismos vivos utilizan alguna forma de respiración para obtener energía. En las células eucariotas, los electrones pasan a lo largo de una cadena de complejos proteicos ubicados en la membrana interna de la mitocondria. Esta cadena de transporte de electrones impulsa la formación de agua a partir de átomos de oxígeno e hidrógeno, bombeando protones a través de la membrana, lo que a su vez impulsa la formación de ATP, una reserva de energía química.

La respiración permite que las plantas procesen la energía transferida desde las hojas, donde ocurre la fotosíntesis, a otros tejidos como las raíces y los tallos.

Dado que la respiración es un proceso tan esencial y fundamental, los trazos generales de cómo funciona se conservan en la mayoría de los seres vivos. Sin embargo, todavía hay mucho espacio para la variabilidad, por ejemplo, entre plantas y animales o diferentes tipos de plantas. Eso abre oportunidades para pesticidas que solo se dirigen a ciertos tipos de plantas, o para mejorar la productividad de las plantas.

El artículo de Letts y Maldonado analiza específicamente el supercomplejo del complejo respiratorio I y el complejo III2 en el frijol mungo. Un artículo complementario de Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt y sus colegas en Alemania estudiaron el mismo supercomplejo en la planta modelo de laboratorio Arabidopsis.

Estas son las primeras estructuras de un supercomplejo mitocondrial con complejo I de plantas, dijo Maldonado. También es la primera estructura completa del complejo vegetal I, porque hay subunidades que solo están completamente definidas cuando están en contacto con el complejo III2 como parte de un supercomplejo. Una de estas subunidades parece ser exclusiva de las plantas, dijo Letts.

"Hay mucha más variabilidad de lo que nadie imaginó", dijo Letts. Si bien las subunidades funcionales centrales del complejo están altamente conservadas y se remontan al ancestro bacteriano de las mitocondrias, hay muchas más subunidades que están menos restringidas y son específicas para linajes separados de eucariotas.

La eficiencia de estos supercomplejos tiene un impacto en la rapidez con la que una planta puede agregar biomasa, al afectar el equilibrio entre producir nuevos azúcares y carbohidratos a partir de la fotosíntesis y consumirlos en la respiración. La acumulación de biomasa es importante al considerar las plantas como fuente de biocombustibles o para capturar dióxido de carbono de la atmósfera, porque desea que la planta convierta la mayor cantidad posible de luz solar y CO2 en tejidos que puedan usarse como combustible.

Las respuestas al estrés en plantas (y animales) implican la generación de intermediarios de oxígeno reactivo dentro de las células, que pueden ser útiles, por ejemplo, para matar patógenos, pero también pueden causar daño. La cadena de transporte de electrones actúa como un sumidero para eliminar el oxígeno reactivo y, por lo tanto, también desempeña un papel en la modificación de la respuesta de las plantas a factores estresantes como la sequía o las plagas.

Los autores adicionales del artículo de UC Davis son los especialistas junior Kaitlyn Abe y Ziyi Fan. El análisis estructural para el artículo de UC Davis se llevó a cabo utilizando la instalación de microscopía electrónica criogénica BioEM en la Facultad de Ciencias Biológicas. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

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Andy Fell es un escritor científico de la Universidad de California, Davis.

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