Erste vollständige Strukturen pflanzlicher Atmungsproteine

Aufeinanderfolgende Veröffentlichungen in der Nature Plants-Ausgabe vom 29. Dezember berichten über die ersten vollständigen Proteinstrukturen für den pflanzlichen Atmungs-Superkomplex I+III2. Die Gewinnung dieser Strukturen hilft Forschern, die grundlegende Pflanzenbiologie sowie Stressreaktionen zu verstehen und zu erfahren, wie Biokraftstoffpflanzen schneller wachsen könnten.

Pflanzen haben zwei wichtige Stoffwechselprozesse zur Energieerzeugung: die Photosynthese, die Sonnenlicht und Kohlendioxid zur Produktion von Zucker nutzt, und die Atmung, die Sauerstoff nutzt, um Energie aus diesen Zuckern freizusetzen.

„Wenn wir den Pflanzenstoffwechsel verstehen wollen, müssen wir Photosynthese und Atmung verstehen“, sagte María Maldonado, Assistenzprofessorin für Pflanzenbiologie am Davis College of Biological Sciences der University of California und Co-Autorin einer der neuen Arbeiten mit James Letts , Assistenzprofessor für Molekular- und Zellbiologie.

Die meisten lebenden Organismen nutzen irgendeine Form der Atmung, um Energie zu gewinnen. In eukaryotischen Zellen werden Elektronen entlang einer Kette von Proteinkomplexen weitergeleitet, die sich in der inneren Membran des Mitochondriums befinden. Diese Elektronentransportkette treibt die Bildung von Wasser aus Sauerstoff- und Wasserstoffatomen voran und pumpt Protonen durch die Membran, was wiederum die Bildung von ATP, einem Speicher für chemische Energie, vorantreibt.

Durch die Atmung können Pflanzen die von den Blättern, wo die Photosynthese stattfindet, übertragene Energie auf andere Gewebe wie Wurzeln und Stängel übertragen.

Da die Atmung ein so wesentlicher und grundlegender Prozess ist, sind die Grundzüge ihrer Funktionsweise bei den meisten Lebewesen erhalten geblieben. Allerdings gibt es noch viel Spielraum für Variabilität, beispielsweise zwischen Pflanzen und Tieren oder verschiedenen Pflanzenarten. Das eröffnet Möglichkeiten für Pestizide, die nur auf bestimmte Pflanzenarten abzielen oder die Pflanzenproduktivität steigern sollen.

Die Arbeit von Letts und Maldonado befasst sich speziell mit dem Superkomplex des Atmungskomplexes I und des Komplexes III2 in Mungobohnen. Ein Begleitpapier von Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt und Kollegen in Deutschland untersuchte denselben Superkomplex in der Labormodellpflanze Arabidopsis.

Dies seien die ersten Strukturen für einen mitochondrialen Superkomplex mit Komplex I aus Pflanzen, sagte Maldonado. Es ist auch die erste vollständige Struktur des Pflanzenkomplexes I, da es Untereinheiten gibt, die nur dann vollständig definiert sind, wenn sie als Teil eines Superkomplexes mit Komplex III2 in Kontakt stehen. Eine dieser Untereinheiten scheint einzigartig bei Pflanzen zu sein, sagte Letts.

„Es gibt viel mehr Variabilität, als irgendjemand gedacht hätte“, sagte Letts. Während die wichtigsten funktionellen Untereinheiten des Komplexes hoch konserviert sind und auf den bakteriellen Vorfahren der Mitochondrien zurückgehen, gibt es viele weitere Untereinheiten, die weniger eingeschränkt und spezifisch für verschiedene Abstammungslinien von Eukaryoten sind.

Die Effizienz dieser Superkomplexe hat Einfluss darauf, wie schnell eine Pflanze Biomasse hinzufügen kann, indem sie das Gleichgewicht zwischen der Bildung neuer Zucker und Kohlenhydrate durch Photosynthese und deren Verbrauch bei der Atmung beeinflusst. Die Anreicherung von Biomasse ist wichtig, wenn man Pflanzen als Quelle für Biokraftstoffe oder zur Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Betracht zieht, denn man möchte, dass die Pflanze so viel Sonnenlicht und CO2 wie möglich in Gewebe umwandelt, das als Brennstoff verwendet werden kann.

Stressreaktionen bei Pflanzen (und Tieren) beinhalten die Bildung reaktiver Sauerstoffzwischenprodukte in Zellen, die beispielsweise zur Abtötung von Krankheitserregern nützlich sein können, aber auch Schaden anrichten können. Die Elektronentransportkette fungiert als Senke zur Entfernung reaktiven Sauerstoffs und spielt daher auch eine Rolle bei der Veränderung der Reaktion von Pflanzen auf Stressfaktoren wie Trockenheit oder Schädlinge.

Weitere Autoren des UC Davis-Artikels sind die Nachwuchsspezialisten Kaitlyn Abe und Ziyi Fan. Die Strukturanalyse für den Artikel von UC Davis wurde mit der kryogenen Elektronenmikroskopieanlage BioEM am College of Biological Sciences durchgeführt. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium unterstützt.

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Andy Fell ist Wissenschaftsjournalist an der University of California, Davis.

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