Complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor este un complex multiproteic al lanțului de transport de electroni al fotosintezei situat în membrana tilacoidă plastidelor plantelor superioare și algelor . Complexul oxidează ferredoxina și reduce moleculele de plastochinonă , care sunt eliberate în membrană. În acest caz, energia echivalentului de reducere oxidată este cheltuită pentru transferul de protoni din stroma cloroplastei în lumenul tilacoidului cu formarea unui gradient de protoni . S-a arătat o asemănare mai mare a complexului NADH dehidrogenază al cloroplastelor cu complexul cianobacterian NADH dehidrogenază (NDH-1) decât cu complexul mitocondrial I [1] .
Complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor a fost găsit la majoritatea plantelor terestre, precum și la unele alge. Rolul său în sinteza ATP în condiții normale de fotosinteză este considerat nesemnificativ, totuși, în condiții de stres, rolul său crește dramatic: în astfel de condiții, complexul participă la asigurarea transportului ciclic de electroni , formând un supercomplex cu cel puțin două fotosisteme I. [1] [2] .
Alte denumiri valide pentru complex pot fi găsite adesea în literatură, cum ar fi complexul NAD(P)H-dehidrogenază [3] sau complexul de tip NADH-dehidrogenază [2] .
Pentru prima dată, existența complexului NADH dehidrogenază în cloroplaste a fost discutată după secvențierea completă a plastomilor Marchantia polymorpha și Nicotiana tabacum în 1986. S-a dovedit că genomul lor plastid a codificat 11 proteine omoloage subunităților complexului NADH dehidrogenază al mitocondriilor ( complexul I ), și toate aceste proteine au fost exprimate [1] . Din cauza acestei asemănări, noul complex a fost numit complex NAD(P)H-dehidrogenază sau complex NDH pe scurt [2] . Mult mai târziu, în 2004, au fost descoperite primele patru subunități ale complexului codificat în nucleu: M, N, L și O [3] .
Genele ndh care codifică complexul NADH dehidrogenază al cloroplastelor au fost găsite în plastomele multor angiosperme și gimnosperme și alge eucariote, precum și în genomul cianobacteriilor. În același timp, aceste gene sunt absente la unele plante simbiotice care nu sunt capabile de fotosinteză independentă [1] . În ciuda distribuției largi a genelor ndh printre plantele terestre, acestea nu au fost găsite la unele organisme. De exemplu, genomul de cloroplast al coniferului Pinus thunbergii nu are toate genele ndh . Complexul NADH-dehidrogenază nu a fost găsit în cloroplastele algelor verzi, inclusiv Chlamydomonas [3] .
Deși genele cloroplastelor ndh au fost observate pentru prima dată datorită asemănării lor cu genele complexului mitocondrial I , ulterior s-a dovedit a fi mai asemănătoare cu complexul cianobacterian NDH-1. De obicei, la bacterii , complexul respirator I este format din 14 subunități. O excepție o constituie cianobacteriile , care au un complex de 11 subunități, foarte omolog cu 11 subunități ale complexului NADH-dehidrogenază al cloroplastelor vegetale superioare [3] . Cu toate acestea, la plantele superioare, complexul diferă ca compoziție de complexul cianobacterian, compoziția sa este semnificativ numărul de subunități caracteristic doar pentru plantele superioare și codificate în nucleu. Până acum , 28 de subunități și un candidat probabil au fost identificate în Arabidopsis thaliana , dintre care multe au fost identificate prin bioinformatică , genetică și proteomică [4] . Prin analogie cu complexele de cianobacterii, se crede că complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor are trei grupuri fier-sulf .
În majoritatea plantelor superioare studiate, complexul are o greutate moleculară de aproximativ 550 kDa . Complexul este foarte labil și se descompune ușor în mai multe subcomplexe, ceea ce face dificilă studiul [5] .
Numărul total de molecule ale complexului din membranele tilacoide este mic: un complex NADH-dehidrogenază reprezintă o medie de 50–100 de molecule ale fotosistemului II, care reprezintă aproximativ 1–2% din numărul total al tuturor moleculelor fotosistemului I și II [5] .
Compoziția complexului NADH-dehidrogenază al cloroplastelor include 11 subunități plastidice omoloage cu cele ale cianobacteriilor, în loc de cele 14 obișnuite pentru astfel de complexe . Subunitățile lipsă corespund subunităților 51, 24 și 75 kDa ale complexului bovin I. Subunitatea de 51 kDa poartă FMN și conține un situs de legare a NADH și, în general, toate cele trei subunități sunt denumite subcomplex de legare a NADH. În plantele superioare, precum și în cianobacteriile , astfel de subunități sau analogii lor sunt absenți. Acest timp îndelungat nu a permis să înțelegem cu exactitate ce substrat folosesc aceste complexe. În cele din urmă, în 2011 s-a constatat că complexul, prin intermediul proteinelor CRR31, CRRJ și CRRL (subunități S, T și U) [6] , este capabil să lege și să oxideze ferredoxina [7] , deși mecanismul exact al modului de oxidare. apare este necunoscut. Aceste date au fost ulterior confirmate în mod repetat [8] [6] . Din aceasta a rezultat că, în ceea ce privește activitatea sa enzimatică, complexul nu este o NADH dehidrogenază, ci o ferredoxin-plastochinonă oxidoreductază. În acest sens, s-a propus redenumirea complexului NADH-dehidrogenază al cloroplastelor în complex NADH-dehidrogenază [7] . Un mecanism similar de funcționare este acum considerat ca fiind foarte probabil pentru complexele NDH de cianobacterii.
Din motive de analogie, se presupune că complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor vegetale superioare are o formă L, deși poate fi oarecum distorsionat din cauza prezenței subunităților suplimentare. Complexul este împărțit în cinci subcomplexe: subcomplexele membranare, lumenale, expuse la stromă A și B, precum și legarea catalitică a ferredoxinei.
Subcomplexul membranar este format din șapte subunități NdhA-NdhG codificate de gene de cloroplast, pe baza omologiei cu complexul NDH al cianobacteriilor, se presupune că transportă protoni și leagă plastochinona [2] .
Subcomplexul A conține patru subunități NdhA-NdhG și patru subunități NdhL-NdhO codificate de cloroplast și, respectiv, gene nucleare. Omologii proteinelor cloroplastice NdhH-NdhK din complexul respirator T. thermophilus leagă trei clustere Fe-S necesare transferului de electroni [2] .
Subcomplexul B include subunitățile PnsB1-PnsB5, precum și subunitatea PnsL3, considerată anterior a fi o componentă a subcomplexului lumenal. Toate subunitățile subcomplexului B sunt codificate de gene nucleare. Subcomplexul se leagă de domeniul membranar de lângă subcomplexul A și formează al doilea braț hidrofil al complexului [3] .
Subcomplexul lumenal este format din patru subunități codificate de gene nucleare: proteina PnsL1, PnsL2 și imunofilinele PnsL4 și PnsL5. Subunitățile din subcomplexul B și subcomplexul lumenal sunt specifice plantelor superioare. Este de remarcat faptul că majoritatea acestor subunități sunt omoloage proteinelor PsbP și PsbQ care fac parte din complexul de oxidare a apei al fotosistemului II [2] . Un alt grup neobișnuit care face parte din acest subcomplex este imunofilinele, care aparțin familiei de peptidilprolil cis-tran izomeraze [3] .
Subcomplexul catalitic include subunități NdhS, NdhT și NdhU. Un loc de legare cu afinitate mare pentru ferredoxină este localizat pe subunitatea periferică NdhS . Interacțiunea complexului cu ferredoxina a fost confirmată în experimente in vitro [7] . Se crede că nu au fost încă găsite toate subunitățile acestui complex, deoarece dintre cele deja descoperite nu există nici una care ar putea oxida ferredoxina.
În principiu, complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor nu este vital, mutanții în exterior cu ștergere parțială sau chiar completă a tuturor genelor ndh arată complet normal, dar sunt foarte sensibili la stres puternic: intensitate mare a luminii, temperatură ridicată sau scăzută, umiditate scăzută. și seceta, deși manifestarea fenotipurilor la astfel de mutanți este destul de moderată. Cu toate acestea, a fost demonstrat un rol semnificativ al acestui complex în asigurarea transportului ciclic în orez în condiții de iluminare slabă [9] . Pe baza acestor date, se presupune că complexul este un fel de robinet de urgență, care este activat în condițiile regenerării stromei cloroplastice și previne stresul oxidativ , iar în condiții normale, oferă plantei ATP suplimentar și este implicat în amendă. reglarea fotosintezei [9] .
Analiza genetică a relevat două tipuri independente de transport ciclic de electroni în Arabidopsis . Componentele căii principale în plantele superioare sunt proteinele PGR5 și PGRL1 care reglează gradientul de protoni. PGRL1 oxidează ferredoxina cu ajutorul PGR5 și transferă electroni la plastochinona purtătoare de membrană, acționând astfel ca o ferredoxină chinonă reductază [10] . De asemenea, se crede că supercomplexele din complexul citocrom b6f , fotosistemul I și PGRL1 [ 11] sunt implicate în acest proces , deși s-a demonstrat că formarea lor nu este necesară pentru implementarea transportului ciclic prin acest mecanism [12]. ] . Această cale este inhibată de antimicină A [13] .
Într-o cale alternativă în jurul fotosistemului I în lumină, complexul NADH dehidrogenază este implicat în cloroplaste, asigurând transferul de electroni de la ferredoxină redusă înapoi la plastochinonă și apoi la fotosistemul I prin complexul citocrom b6 / f . Complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor formează un supercomplex cu două PSI folosind proteinele Lhca5 și Lhca6. Un complex de acest fel se formează și în cianobacterii, deși din cauza lipsei proteinelor antenei Lhca5 și Lhca6 în ele, metoda de formare a supercomplexului este diferită acolo [5] .
În întuneric, complexul NADH-dehidrogenază al cloroplastelor ia parte la respirația clorului ( respirația cloroplastului ), în timpul căreia electronii sunt transportați de la plastochinona redusă la oxigenul molecular, care este însoțit de oxidarea plastochinolului de către oxidaza terminală plastid , adică, are loc reducerea și oxidarea non-fotochimică a bazinului de plastochinonă [1] .