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Nature Plants volume 9, páginas 157–168 (2023)Cite este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 20 de fevereiro de 2023

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As últimas etapas da respiração celular – um processo metabólico essencial nas plantas – são realizadas pela fosforilação oxidativa mitocondrial. Esse processo envolve uma cadeia de complexos de proteínas de membrana com múltiplas subunidades (complexos I-V) que formam montagens de ordem superior chamadas supercomplexos. Embora os supercomplexos sejam a forma fisiologicamente mais relevante dos complexos de fosforilação oxidativa, suas funções e estruturas permanecem desconhecidas. Aqui apresentamos a estrutura de microscopia eletrônica criogênica do supercomplexo I + III2 de Vigna radiata (feijão mungo). A estrutura contém o complemento completo da subunidade do complexo I, incluindo uma subunidade recém-atribuída, específica da planta. Também mostra diferenças no domínio da peptidase processadora mitocondrial do complexo III2 em relação a um supercomplexo previamente determinado com complexo IV. A interface do supercomplexo, embora reminiscente de outros organismos, é específica da planta, com uma interface principal envolvendo o domínio da peptidase processadora mitocondrial do complexo III2 e nenhuma participação do domínio da ponte do complexo I. A estrutura do complexo I sugere que o domínio ponte define o ângulo entre os dois braços da enzima, limitando mudanças conformacionais em grande escala. Além disso, as alças catalíticas do complexo I e sua resposta em ensaios ativo-desativo sugerem que, em V. radiata, o complexo em repouso adota um estado não canônico e pode amostrar conformações desativadas ou abertas mesmo na presença de substrato. Este estudo amplia nossa compreensão sobre as possíveis conformações e comportamentos do complexo I e do supercomplexo I + III2. Mais estudos do complexo I e seus supercomplexos em diversos organismos são necessários para determinar os mecanismos de respiração universais e específicos do clado.

A respiração celular é um processo metabólico essencial nas plantas. As últimas etapas da respiração são realizadas pela fosforilação oxidativa (OXPHOS) na membrana mitocondrial interna (IMM). Em sua forma canônica, OXPHOS envolve quatro complexos proteicos de subunidades múltiplas da cadeia de transporte de elétrons (complexos I-IV, CI-CIV), bem como a ATP sintase mitocondrial (complexo V). Os complexos I-IV transferem elétrons do NADH ou succinato para o oxigênio molecular através dos transportadores de elétrons quinona e citocromo c e estabelecem um gradiente eletroquímico de prótons através do IMM. Esse gradiente de prótons é então dissipado pelo complexo V, produzindo ATP1. Os complexos OXPHOS podem existir independentemente, mas com mais frequência se agrupam em montagens estequiométricas de ordem superior chamadas supercomplexos, cujas funções permanecem obscuras2,3,4,5,6,7. Em plantas, entre 50% e 90% de CI foi encontrado associado a CIII2 (SC I + III2) após extração com detergente do IMM e eletroforese em gel nativo, o que provavelmente subestima a extensão das associações de supercomplexos in vivo8. Portanto, para entender completamente as funções fisiológicas do CI - o principal ponto de entrada de elétrons no OXPHOS - devemos estudá-lo no contexto de seus supercomplexos. A análise bioquímica e estrutural de SC I + III2 é um passo crucial para a compreensão dos supercomplexos respiratórios em plantas.

Recentemente, múltiplas estruturas de microscopia eletrônica criogênica (cryoEM) foram obtidas para CI de plantas ou fragmentos de CI9,10,11. Além disso, estruturas para SC I + III2 de Ovis aries (ovinos) e Tetrahymena thermophila estão disponíveis12,13. Embora essas estruturas ajudem nossa compreensão da planta SC I + III2, elas não são suficientes. Por exemplo, todas as estruturas da planta CI estão incompletas, faltando a subunidade NDUA11, bem como a densidade das hélices transmembrana (TMHs) nas subunidades centrais Nad5 e Nad6. Além disso, várias densidades permaneceram sem atribuição, incluindo a de uma nova subunidade putativa cuja identidade não pôde ser determinada9,10,11. Além disso, as sequências envolvidas na formação de SC I + III2 em O. aries e T. thermophila (por exemplo, de NDUB4 e NDUB9) estão ausentes nos homólogos vegetais, e existem diferenças substanciais nas interfaces SC I + III2 entre ovinos e T .thermophila SC I + III2. Portanto, essas estruturas não podem ser usadas diretamente para fazer previsões sobre a(s) interface(s) SC da planta. Além disso, embora as reconstruções da planta SC I + III2 estejam disponíveis a partir de médias de subtomogramas de Asparagus officinalis7 e microscopia eletrônica de coloração negativa de Arabidopsis thaliana14, suas resoluções são muito baixas para fazer avaliações detalhadas.