Открыть главное меню

НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов

НАДН-дегидрогена́зный ко́мплекс хлоропла́стов — мультибелковый комплекс электронотранспортной цепи фотосинтеза, расположенный в тилакоидной мембране[en] пластид высших растений и водорослей. Комплекс окисляет ферредоксин и восстанавливает молекулы пластохинона, которые высвобождаются в мембрану. При этом энергия окисленного восстановительного эквивалента расходуется на перенос протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида с образованием протонного градиента. Показано большее сходство НАДН-дегидрогеназного комплекса хлоропластов с цианобактериальным НАДН дегидрогеназным комплексом (NDH-1), чем с митохондриальным комплексом I[1].

НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов обнаружен у большинства наземных растений, а также некоторых водорослей. Его роль в синтезе АТФ при нормальных условиях фотосинтеза считается незначительным, однако в стрессовых условиях его роль резко возрастает: в таких условиях комплекс принимает участие в обеспечении циклического транспорта электронов, образуя суперкомплекс с по крайней мере двумя фотосистемами I[1][2].

В литературе часто могут встречаться и другие допустимые названия комплекса, такие как НАД(Ф)Н-дегидрогеназный комплекс[3] или НАДН-дегидрогеназно-подобный комплекс[2].

Краткая историяПравить

Впервые о существовании НАДН-дегидрогеназного комплекса в хлоропластах заговорили после полного секвенирования пластомов Marchantia polymorpha и Nicotiana tabacum в 1986 году. Оказалось, что их пластидный геном кодировал 11 белков гомологичных субъединицам НАДН-дегидрогеназного комплекса митохондрий (комплекса I), и все эти белки экспрессировались[1]. Из-за этого сходства новый комплекс назвали НАД(Ф)Н-дегидрогеназный комплекс или сокращённо NDH комплекс[2]. Уже значительно позже, в 2004 году удалось обнаружить первые четыре субъединицы комплекса, закодированные в ядре: M, N, L и O[3].

Структура комплексаПравить

Гены ndh, кодирующие НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов были найдены в пластомах многих покрытосеменных и голосеменных растений и эукариотических водорослей, а также в геноме цианобактерий. В то же время эти гены отсутствуют у некоторых симбиотических растений не способных к самостоятельному фотосинтезу[1]. Несмотря на широкое распространение генов ndh среди наземных растений, в некоторых организмах они не обнаружены. Например, в хлоропластном геноме хвойного дерева Pinus thunbergii отсутствуют все гены ndh. НАДН-дегидрогеназный комплекс не обнаружен в хлоропластах зелёных водорослей, включая Chlamydomonas[3].

Хотя хлоропластные гены ndh и были впервые замечены из-за их схожести с генами митохондриального комплекса I, позже было показано, что он более похож на цианобактериальный комплекс NDH-1. Обычно у бактерий дыхательный комплекс I состоит из 14 субъединиц. Исключением являются цианобактерии у которых обнаружен комплекс из 11 субъединиц, высокогомологичных 11 субъединицам НАДН-дегидрогеназного комплекса хлоропластов высших растений[3]. Однако у высших растений комплекс отличается по составу от цианобактериального, его состав значительно количество субъединиц характерных только для высший растений и закодированных в ядре. На данный момент у Arabidopsis thaliana обнаружено 28 субъединиц и один вероятный кандидат, многие из которых были найдены методами биоинформатики, генетики и протеомики[4]. По аналогии с комплексами цианобактерий, полагают НАДН-дегидрогеназного комплекса хлоропластов имеет три железосерных кластера.

В большинстве исследованных высших растений комплекс имеет молекулярную массу около 550 кДа. Комплекс весьма лабилен и легко распадается на несколько субкомплексов, что затрудняет его исследование[5].

Общее количество молекул комплекса в мембранах тилакоидов невелико: один НАДН-дегидрогеназный комплекс приходится в среднем на 50-100 молекул фотосистемы II, что составляет ∼1-2 % от общего количества всех молекул фотосистемы I и II[5].

Донор электроновПравить

В состав НАДН-дегидрогеназного комплекса хлоропластов входит 11 пластидных субъединиц, гомологичных таковым у цианобактерий, вместо обычных для подобных комплексов 14. Недостающие субъединицы соответствую субъединицам 51, 24 и 75 кДа бычьего комплекса I. Субъединица 51 кДа несёт на себе ФМН и содержит участок связывания НАДН, а в целом все три субъединицы называют НАДН связывающим субкомплексом. У высших растений, а также у цианобактерий подобные субъединицы или их аналоги отсутствуют. Это длительное время не давало возможности точно понять какой субстрат используют эти комплексы. Наконец, в 2011 году было обнаружено, что комплекс при помощи белков CRR31, CRRJ и CRRL (субъединицы S, T и U)[6] способен связывать и окислять ферредоксин[7], хотя точный механизм того, как происходит окисление, неизвестен. Эти данные впоследствии неоднократно подтверждались[8][6]. Из это следовало, что по своей ферментативной активности комплекс является не НАДН-дегидрогеназой, а ферредоксин-пластохиноноксидоредуктазой. В связи с этим было предложено переименовать НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов в НАДН-дегидрогеназно-подобный комплекс[7]. Подобный механизм работы сейчас рассматривается как весьма вероятный для NDH комплексов цианобактерий.

Доменная организация комплексаПравить

Из соображений аналогии предполагается, что НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов высших растений имеет L-образную форму, хотя она и может быть несколько искажена из-за наличия дополнительных субъединиц. Комплекс разделяют на пять субкомплексов: мембранный, люменальный, экспонированные в строму субкомплексы А и В, а также каталитический, связывающий ферредоксин.

Мембранный субкомплекс формируют семь субъединиц NdhА-NdhG, кодирующихся хлоропластными генами, на основании гомологии с NDH комплексом цианобактерий, предполагается, что он осуществляет транспорт протонов и связывание пластохинона[2].

Субкомплекс А содержит четыре субъединицы NdhА-NdhG и четыре субъединицы NdhL-NdhO, кодирующихся хлоропластными и ядерными генами, соответственно. Гомологи хлоропластных белков NdhH-NdhK из дыхательного комплекса T. thermophilus связывают три Fe-S кластера, необходимых для переноса электрона[2].

Субкомплекс В включает субъединицы PnsB1-PnsB5, а также субъединицу PnsL3, считавшуюся ранее компонентом люменального субкомплекса. Все субъединицы субкомплекса В кодируются ядерными генами. Субкомплекс связывается на мембранном домене рядом с субкомплексом А и формирует вторую гидрофильную руку комплекса[3].

Люменальный субкомплекс образуют четыре субъединицы, кодирующиеся ядерными генами: белок PnsL1, PnsL2, а также иммунофилины PnsL4 и PnsL5. Субъединицы в субкомплексе В и люменальном субкомплексе являются специфическими для высших растений. Примечательно, что большинство из этих субъединиц гомологичны белкам PsbP и PsbQ, входящим в состав водоокисляющего комплекса фотосистемы II[2]. Другая необычная группа, входящая в состав этого субкомплекса — иммунофилины, которые относятся к семейству пептидилпролил цис-тран изомераз[3].

В состав каталитического субкомплекса входят субъединицы NdhS, NdhT и NdhU. На периферической субъединице NdhS локализован высокоафинный центр связывания с ферредоксином. Взаимодействие комплекса с ферредоксином подтверждено в экспериментах in vitro[7]. Считается, что найдены ещё не все субъединицы этого комплекса, так как среди уже обнаруженных нет таких, которые могли бы окислить ферредоксин.

ФункцииПравить

В принципе НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов не является жизненно необходимым, внешне мутанты с частичной или даже полной делецией всех генов ndh выглядят совершенно нормально, однако они обладают повышенной чувствительностью к сильным стрессам: высокой интенсивности света, высокой или низкой температуре, низкой влажности и засухе, хотя проявление фенотипов у таких мутантов довольно умеренное. Тем не менее была показана значительная роль этого комплекса в обеспечении циклического транспорта у риса при слабом освящении[9]. На основании этих данных предполагается, что комплекс является своего рода экстренным краном, который активируется в условиях перевосстановления стромы хлоропласта и предотвращает окислительный стресс, а в нормальных условиях он обеспечивает растение дополнительным АТФ и участвует в тонкой настройке фотосинтеза[9].

Циклический транспорт электроновПравить

С помощью генетического анализа у Arabidopsis выявлены два независимых типа циклического транспорта электронов. Компонентами основного пути у высших растений, являются белки PGR5 и PGRL1, регулирующие протонный градиент. PGRL1 при помощи PGR5 окисляет ферредоксин и переносит электроны на мембранный переносчик пластохинон, действуя таким образом как ферредоксинхинонредуктаза[10]. Полагают также, что в этом процессе принимают участие суперкомплексы из цитохром-b6f-комплекса, фотосистемы I и PGRL1[11], хотя и было показано, что их формирование не является обязательным для осуществления циклического транспорта по такому механизму[12]. Данный путь ингибируется антимицином А[13].

В альтернативном пути вокруг фотосистемы I на свету в хлоропластах участвует НАДН-дегидрогеназный комплекс, обеспечивая перенос электронов от восстановленного ферредоксина обратно к пластохинону а затем к фотосистеме I через комплекс цитохромов b6/f. НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов образует суперкомплекс с двумя ФСI при помощи белков Lhca5 и Lhca6. Подобного рода комплекс образуется и у цианобактерий, хотя ввиду отсутствия у них антенных белков Lhca5 и Lhca6 способ образования суперкомплекса там иной[5].

ХлородыханиеПравить

В темноте НАДН-дегидрогеназный комплекс хлоропластов принимает участие в хлородыхании (дыхании хлоропластов), в ходе которого электроны транспортируются от восстановленного пластохинона к молекулярному кислороду, что сопровождается окислением пластохинола пластидной терминальной оксидазой, то есть происходит нефотохимическое восстановление и окисление пула пластохинонов[1].

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 3 4 5 Е. Б. Онойко, Е. К. Золотарева. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ НАД(Ф)Н-ДЕГИДРОГЕНАЗНОГО КОМПЛЕКСА В ХЛОРОПЛАСТАХ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ // ВІСНИК ХАРКІВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО АГРАРНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, СЕРІЯ БІОЛОГІЯ. — Т. 1, вып. 31. — С. 6—17.
  2. 1 2 3 4 5 6 Lianwei Peng, Hiroshi Yamamoto, Toshiharu Shikanai. Structure and biogenesis of the chloroplast NAD(P)H dehydrogenase complex (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics (англ.) : journal. — 2011. — August (vol. 1807, no. 8). — P. 945—953. — DOI:10.1016/j.bbabio.2010.10.015.
  3. 1 2 3 4 5 6 Kentaro Ifuku Tsuyoshi Endo, Toshiharu Shikanai and Eva-Mari Aro. Structure of the Chloroplast NADH Dehydrogenase-Like Complex: Nomenclature for Nuclear-Encoded Subunits (англ.) // Plant Cell Physiology : journal. — 2011. — July (vol. 52, no. 9). — P. 1560—1568. — DOI:10.1093/pcp/pcr098.
  4. Xiangyuan Fan, Jiao Zhang, Lianwei Peng. The NdhV subunit is required to stabilize the chloroplast NADH dehydrogenase-like complex in Arabidopsis (англ.) // The plant journal (англ.) : journal. — 2015. — April (vol. 82, no. 2). — P. 221—231. — DOI:10.1111/tpj.12807.
  5. 1 2 3 Lianwei Peng, Hideyuki Shimizu and Toshiharu Shikanai. The Chloroplast NAD(P)H Dehydrogenase Complex Interacts with Photosystem I in Arabidopsis (англ.) // J Biol Chem. : journal. — 2008. — December (vol. 283, no. 50). — P. 34873—34879. — DOI:10.1074/jbc.M803207200.
  6. 1 2 Minoru Ueda, Tetsuki Kuniyoshi, Hiroshi Yamamoto, Kazuhiko Sugimoto, Kimitsune Ishizaki, Takayuki Kohchi, Yoshiki Nishimura, Toshiharu Shikanai. Composition and physiological function of the chloroplast NADH dehydrogenase-like complex in Marchantia polymorpha (англ.) // The Plant Journal (англ.) : journal. — 2012. — September (vol. 72, no. 4). — P. 683—693. — DOI:10.1111/j.1365-313X.2012.05115.x.
  7. 1 2 3 Hiroshi Yamamotoa, Lianwei Penga, Yoichiro Fukaob and Toshiharu Shikanaia. An Src Homology 3 Domain-Like Fold Protein Forms a Ferredoxin Binding Site for the Chloroplast NADH Dehydrogenase-Like Complex in Arabidopsis (англ.) // The Plant Cell : journal. — 2011. — April (vol. 23, no. 4). — P. 1480—1493. — DOI:10.​1105/​tpc.​110.​080291.
  8. Yuri Munekage, Mihoko Hashimoto, Chikahiro Miyake, Ken-Ichi Tomizawa2, Tsuyoshi Endo, Masao Tasaka & Toshiharu Shikanai. Cyclic electron flow around photosystem I is essential for photosynthesis (англ.) // Nature : journal. — 2004. — June (vol. 429). — P. 579—582. — DOI:10.1038/nature02598.
  9. 1 2 Wataru Yamori, Toshiharu Shikanai, Amane Makino. Photosystem I cyclic electron flow via chloroplast NADH dehydrogenase-like complex performs a physiological role for photosynthesis at low light (англ.) // Scientific Reports (англ.) : journal. — 2015. — September (vol. 5, no. 13908). — DOI:10.1038/srep13908.
  10. Alexander P. Hertle, Thomas Blunder, Tobias Wunder, Paolo Pesaresi, Mathias Pribil, Ute Armbruster, Dario Leister. PGRL1 Is the Elusive Ferredoxin-Plastoquinone Reductase in Photosynthetic Cyclic Electron Flow (англ.) // Molecular Cell (англ.) : journal. — 2012. — February (vol. 49, no. 3). — P. 511—523. — DOI:10.1016/j.molcel.2012.11.030.
  11. Masakazu Iwai, Kenji Takizawa, Ryutaro Tokutsu, Akira Okamuro, Yuichiro Takahashi & Jun Minagawa. Isolation of the elusive supercomplex that drives cyclic electron flow in photosynthesis (англ.) // Nature : journal. — 2010. — 22 April (vol. 464). — P. 1210—1213. — DOI:10.1038/nature08885.
  12. Jean Alric. Redox and ATP control of photosynthetic cyclic electron flow in Chlamydomonas reinhardtii: (II) Involvement of the PGR5–PGRL1 pathway under anaerobic conditions (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics (англ.) : journal. — 2014. — June (vol. 1837, no. 6). — P. 825—834. — DOI:10.1016/j.bbabio.2014.01.024.
  13. Yoshichika Tairaa, Yuki Okegawaa, Kazuhiko Sugimotoa, Masato Abeb, Hideto Miyoshib, Toshiharu Shikanai. Antimycin A-like molecules inhibit cyclic electron transport around photosystem I in ruptured chloroplasts (англ.) // FEBS Open Bio (англ.) : journal. — 2013. — Vol. 3. — P. 406—410. — DOI:10.1016/j.fob.2013.09.007.