최초의 식물 호흡 단백질의 완전한 구조

Nature Plants 12월 29일자 연속 논문은 식물 호흡 초복합체 I+III2에 대한 최초의 완전한 단백질 구조를 보고합니다. 이러한 구조를 얻는 것은 연구자들이 기본적인 식물 생물학뿐만 아니라 스트레스 반응과 바이오 연료 작물이 어떻게 더 빠르게 성장할 수 있는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

식물은 에너지 생산을 위해 두 가지 주요 대사 과정을 거치는데, 햇빛과 이산화탄소를 사용하여 당을 생성하는 광합성과 산소를 ​​사용하여 당에서 에너지를 추출하는 호흡입니다.

"식물 대사를 이해하려면 광합성과 호흡을 이해해야 합니다"라고 캘리포니아 대학교 데이비스 생물학 대학의 식물 생물학 조교수이자 James Letts와 함께한 새로운 논문 중 하나의 공동 저자인 María Maldonado는 말했습니다. , 분자 및 세포 생물학 조교수.

대부분의 살아있는 유기체는 에너지를 얻기 위해 어떤 형태의 호흡을 사용합니다. 진핵 세포에서 전자는 미토콘드리아의 내막에 위치한 단백질 복합체 사슬을 따라 전달됩니다. 이 전자 전달 사슬은 산소와 수소 원자로부터 물의 형성을 유도하여 막을 가로질러 양성자를 펌핑하고, 이는 차례로 화학 에너지의 저장고인 ATP의 형성을 유도합니다.

호흡을 통해 식물은 광합성이 일어나는 잎에서 뿌리나 줄기와 같은 다른 조직으로 전달된 에너지를 처리할 수 있습니다.

호흡이 매우 중요하고 근본적인 과정이라는 점을 감안할 때 호흡이 어떻게 작동하는지에 대한 광범위한 스트로크는 대부분의 생명체에 걸쳐 보존됩니다. 그러나 예를 들어 식물과 동물 또는 다양한 식물 유형 사이에는 여전히 가변성의 여지가 상당히 많습니다. 이는 특정 종류의 식물만을 표적으로 삼거나 식물 생산성을 향상시키는 살충제에 대한 기회를 열어줍니다.

Letts와 Maldonado의 논문은 녹두의 호흡 복합체 I과 복합체 III2의 초복합체를 구체적으로 살펴봅니다. 독일의 Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt 및 동료들의 동반 논문은 실험실 모델 식물 Arabidopsis에서 동일한 초복합체를 연구했습니다.

Maldonado는 이것이 식물의 복합체 I을 갖는 미토콘드리아 초복합체의 첫 번째 구조라고 말했습니다. 이는 또한 식물 복합체 I의 최초의 완전한 구조이기도 합니다. 왜냐하면 초복합체의 일부로서 복합체 III2와 접촉할 때만 완전히 정의되는 하위 단위가 있기 때문입니다. 이러한 하위 단위 중 하나는 식물에 고유한 것으로 보인다고 Letts는 말했습니다.

“상상했던 것보다 훨씬 더 많은 변동성이 있습니다.”라고 Letts는 말했습니다. 복합체의 핵심 기능적 하위 단위는 고도로 보존되어 있고 미토콘드리아의 박테리아 조상까지 거슬러 올라가지만, 진핵생물의 개별 계통에 덜 제한적이고 특이적인 더 많은 하위 단위가 있습니다.

이러한 슈퍼복합체의 효율성은 광합성을 통해 새로운 당과 탄수화물을 생성하고 호흡을 통해 소비하는 것 사이의 균형에 영향을 미쳐 식물이 바이오매스를 얼마나 빨리 추가할 수 있는지에 영향을 미칩니다. 바이오매스 축적은 식물을 바이오 연료의 원천으로 고려하거나 대기에서 이산화탄소를 포집하는 데 중요합니다. 왜냐하면 식물이 가능한 한 많은 햇빛과 CO2를 연료로 사용할 수 있는 조직으로 전환하기를 원하기 때문입니다.

식물(및 동물)의 스트레스 반응은 세포 내부에 활성 산소 중간체를 생성하는 것과 관련됩니다. 이는 예를 들어 병원체를 죽이는 데 유용할 수 있지만 해를 끼칠 수도 있습니다. 전자 전달 사슬은 활성 산소를 제거하는 흡수원 역할을 하므로 가뭄이나 해충과 같은 스트레스 요인에 대한 식물의 반응을 수정하는 역할도 합니다.

UC Davis 논문의 추가 저자는 주니어 전문가인 Kaitlyn Abe와 Ziyi Fan입니다. UC Davis 논문의 구조 분석은 생명과학대학의 BioEM 극저온 전자현미경 시설을 사용하여 수행되었습니다. 이 작업은 미국 에너지부의 지원을 받았습니다.

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앤디 펠(Andy Fell)은 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학 저술가입니다.