植物呼吸タンパク質の最初の完全な構造

Nature Plants の 12 月 29 日号に連続して掲載された論文は、植物呼吸スーパー複合体 I+III2 の最初の完全なタンパク質構造を報告しています。 これらの構造を取得することは、研究者が基本的な植物生物学だけでなく、ストレス反応やバイオ燃料作物がより急速に成長する仕組みを理解するのに役立ちます。

植物には、エネルギー生産のための 2 つの主要な代謝プロセスがあります。1 つは太陽光と二酸化炭素を使用して糖を生成する光合成、もう 1 つは酸素を使用してそれらの糖からエネルギーを解放する呼吸です。

「植物の代謝を理解したいなら、光合成と呼吸を理解する必要があります」と、カリフォルニア大学デービス生物科学部の植物生物学助教授であり、ジェームズ・レッツとの新しい論文の一つの共著者であるマリア・マルドナド氏は言う。 、分子細胞生物学の助教授。

ほとんどの生物は、エネルギーを得るために何らかの呼吸を使用します。 真核細胞では、電子はミトコンドリアの内膜にあるタンパク質複合体の鎖に沿って渡されます。 この電子伝達連鎖は、酸素原子と水素原子からの水の形成を促進し、プロトンを膜全体に送り出します。これにより、化学エネルギーの貯蔵庫である ATP の形成が促進されます。

植物は呼吸によって、光合成が行われる葉から根や茎などの他の組織に伝達されたエネルギーを処理することができます。

呼吸が非常に重要かつ基本的なプロセスであることを考えると、呼吸がどのように機能するかの大まかなストロークは、ほとんどの生き物にわたって保存されています。 しかし、植物と動物の間、または異なる種類の植物の間など、ばらつきが生じる余地はまだかなり多くあります。 これにより、特定の種類の植物のみを対象としたり、植物の生産性を向上させたりする殺虫剤の可能性が開かれます。

Letts と Maldonado の論文は、特に緑豆の呼吸複合体 I と複合体 III2 の超複合体に焦点を当てています。 ドイツのハンス・ピーター・ブラウン、ヴェルナー・キュールブラントらによる関連論文では、実験室モデル植物シロイヌナズナで同じ超複合体が研究されました。

これらは、植物由来の複合体Iを含むミトコンドリア超複合体の最初の構造である、とマルドナド氏は述べた。 また、超複合体の一部として複合体 III2 と接触する場合にのみ完全に定義されるサブユニットがあるため、これは植物複合体 I の最初の完全な構造でもあります。 これらのサブユニットのうちの1つは植物に特有のものであるようだとレッツ氏は述べた。

「誰もが想像していたよりもずっと大きなばらつきがあります」とレッツ氏は言う。 複合体の中心となる機能的サブユニットは高度に保存されており、ミトコンドリアの細菌の祖先まで遡りますが、制約が少なく、真核生物の別々の系統に特異的なサブユニットがさらに多くあります。

これらの超複合体の効率は、光合成による新しい糖と炭水化物の生成と、それらの呼吸による消費とのバランスに影響を与えるため、植物がどれだけ早くバイオマスを追加できるかに影響を与えます。 植物をバイオ燃料の供給源として、または大気から二酸化炭素を回収するものとして考える場合、バイオマスの蓄積は重要です。植物ができるだけ多くの太陽光と CO2 を燃料として使用できる組織に変換する必要があるからです。

植物 (および動物) のストレス反応には、細胞内で活性酸素中間体が生成されます。これは、病原体を殺すなどに役立ちますが、害を及ぼすこともあります。 電子伝達鎖は活性酸素を除去するシンクとして機能するため、干ばつや害虫などのストレス要因に対する植物の反応を調整する役割も果たします。

カリフォルニア大学デービス校の論文の追加著者は、ジュニアスペシャリストのケイトリン・エイブ氏とツィイー・ファン氏です。 カリフォルニア大学デービス校の論文の構造解析は、生物科学大学の BioEM 極低温電子顕微鏡施設を使用して実行されました。 この研究は米国エネルギー省の支援を受けました。

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アンディ フェルは、カリフォルニア大学デービス校のサイエンス ライターです。