Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksi on fotosynteesin elektroninkuljetusketjun moniproteiinikompleksi, joka sijaitsee korkeampien kasvien ja levien plastidien tylakoidikalvossa . Kompleksi hapettaa ferredoksiinia ja pelkistää kalvoon vapautuvia plastokinonimolekyylejä . Tässä tapauksessa hapettuneen pelkistysekvivalentin energia kuluu protonien siirtoon kloroplastin stromasta tylakoidionteloon protonigradientin muodostuessa . Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksin suurempi samankaltaisuus syanobakteerien NADH-dehydrogenaasikompleksin (NDH-1) kanssa osoitettiin kuin mitokondriokompleksin I kanssa [1] .
Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksia on löydetty useimmista maakasveista sekä joistakin levistä. Sen roolia ATP :n synteesissä normaaleissa fotosynteesin olosuhteissa pidetään merkityksettömänä, mutta stressaavissa olosuhteissa sen rooli kasvaa dramaattisesti: sellaisissa olosuhteissa kompleksi osallistuu syklisen elektronien kuljetuksen varmistamiseen muodostaen superkompleksin, jossa on vähintään kaksi fotosysteemiä I. [1] [2] .
Muita päteviä nimiä kompleksille löytyy usein kirjallisuudesta, kuten NAD(P)H-dehydrogenaasikompleksi [3] tai NADH-dehydrogenaasin kaltainen kompleksi [2] .
Ensimmäistä kertaa NADH-dehydrogenaasikompleksin olemassaolosta kloroplasteissa keskusteltiin Marchantia polymorpha- ja Nicotiana tabacum -plastomien täydellisen sekvensoinnin jälkeen vuonna 1986. Kävi ilmi, että heidän plastidigenominsa koodasi 11 proteiinia, jotka olivat homologisia mitokondrioiden NADH-dehydrogenaasikompleksin alayksiköille ( kompleksi I ), ja kaikki nämä proteiinit ilmentyivät [1] . Tämän samankaltaisuuden vuoksi uusi kompleksi nimettiin NAD(P)H-dehydrogenaasikompleksiksi tai lyhyesti NDH-kompleksiksi [2] . Paljon myöhemmin, vuonna 2004, löydettiin ytimeen koodatun kompleksin neljä ensimmäistä alayksikköä: M, N, L ja O [3] .
Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksia koodaavia ndh- geenejä on löydetty monien koppisiemenisten ja sinisiemenisten sekä eukaryoottisten levien plastomeista sekä syanobakteerien genomista. Samaan aikaan nämä geenit puuttuvat joistakin symbioottisista kasveista, jotka eivät kykene itsenäiseen fotosynteesiin [1] . Huolimatta ndh- geenien laajasta jakautumisesta maakasvien kesken, niitä ei ole löydetty joistakin organismeista. Esimerkiksi havupuun Pinus thunbergii kloroplastigenomista puuttuvat kaikki ndh- geenit . NADH-dehydrogenaasikompleksia ei ole löydetty viherlevien kloroplasteista, mukaan lukien Chlamydomonas [3] .
Vaikka kloroplastin ndh- geenit havaittiin ensin, koska ne olivat samankaltaisia mitokondrioiden kompleksi I -geenien kanssa, niiden osoitettiin myöhemmin olevan samankaltaisempia kuin syanobakteerikompleksi NDH-1. Tyypillisesti bakteereissa hengityskompleksi I koostuu 14 alayksiköstä. Poikkeuksen muodostavat syanobakteerit , joilla on 11 alayksikön kompleksi, joka on erittäin homologinen korkeampien kasvien kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksin 11 alayksikön kanssa [3] . Kuitenkin korkeammissa kasveissa kompleksi eroaa koostumukseltaan syanobakteerikompleksista, sen koostumus on merkittävästi vain korkeammille kasveille ominaisten ja ytimeen koodattujen alayksiköiden lukumäärä. Tähän mennessä Arabidopsis thalianasta on tunnistettu 28 alayksikköä ja yksi todennäköinen ehdokas , joista monet on tunnistettu bioinformatiikan , genetiikan ja proteomiikan avulla [4] . Analogisesti sinilevien kompleksien kanssa kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksissa uskotaan olevan kolme rauta-rikkiklusteria .
Useimmissa tutkituissa korkeammissa kasveissa kompleksin molekyylipaino on noin 550 kDa . Kompleksi on hyvin labiili ja hajoaa helposti useiksi alakomplekseiksi, mikä vaikeuttaa sen tutkimista [5] .
Kompleksin molekyylien kokonaismäärä tylakoidikalvoissa on pieni: yksi NADH-dehydrogenaasikompleksi muodostaa keskimäärin 50–100 fotosysteemi II:n molekyyliä, mikä on noin 1–2 % valosysteemin I ja kaikkien molekyylien kokonaismäärästä. II [5] .
Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksin koostumuksessa on 11 plastidialayksikköä, jotka ovat homologisia syanobakteerien kanssa, tällaisten kompleksien tavallisen 14 sijaan . Puuttuvat alayksiköt vastaavat naudan kompleksin I alayksiköitä 51, 24 ja 75 kDa. 51 kDa:n alayksikkö kantaa FMN :ää ja sisältää NADH :n sitoutumiskohdan , ja yleisesti kaikkia kolmea alayksikköä kutsutaan NADH:n sitoutumisalakompleksiksi. Korkeammissa kasveissa, kuten myös syanobakteereissa , tällaisia alayksiköitä tai niiden analogeja ei ole. Tämä pitkä aika ei tehnyt mahdolliseksi ymmärtää tarkasti, mitä substraattia nämä kompleksit käyttävät. Lopulta vuonna 2011 havaittiin, että kompleksi proteiinien CRR31, CRRJ ja CRRL kautta (S-, T- ja U-alayksiköt) [6] pystyy sitomaan ja hapettamaan ferredoksiinia [7] , vaikka hapettumisen tarkka mekanismi esiintyminen on tuntematon. Nämä tiedot vahvistettiin myöhemmin toistuvasti [8] [6] . Tästä seurasi, että entsymaattisen aktiivisuutensa suhteen kompleksi ei ole NADH-dehydrogenaasi, vaan ferredoksiini-plastokinonioksidoreduktaasi. Tässä suhteessa ehdotettiin kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksin uudelleennimeämistä NADH-dehydrogenaasin kaltaiseksi kompleksiksi [7] . Samanlaista toimintamekanismia pidetään nyt erittäin todennäköisenä syanobakteerien NDH-kompleksien kohdalla.
Analogian syistä oletetaan, että korkeampien kasvien kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksilla on L-muoto, vaikka se voi olla jonkin verran vääristynyt lisäalayksiköiden läsnäolon vuoksi. Kompleksi on jaettu viiteen alakompleksiin: kalvo, luumen, stroomalle altistuneet alakompleksit A ja B sekä katalyyttinen ferredoksiinisitoutuminen.
Kalvo-alakompleksi muodostuu seitsemästä kloroplastigeenien koodaamasta NdhA-NdhG-alayksiköstä, jotka perustuvat homologiaan syanobakteerien NDH-kompleksin kanssa, sen oletetaan kuljettavan protoneja ja sitovan plastokinonia [2] .
Alakompleksi A sisältää neljä NdhA-NdhG-alayksikköä ja neljä NdhL-NdhO-alayksikköä, joita koodaavat kloroplasti- ja vastaavasti tumageenit. Kloroplastiproteiinien homologit NdhH-NdhK T. thermophilus -hengityskompleksista sitovat kolme elektroninsiirtoon tarvittavaa Fe-S-klusteria [2] .
Alakompleksi B sisältää PnsB1-PnsB5-alayksiköt sekä PnsL3-alayksikön, jota aiemmin pidettiin luumenalakompleksin komponenttina. Tumageenit koodaavat kaikkia alakompleksin B alayksiköitä. Alakompleksi sitoutuu kalvodomeeniin alakompleksin A viereen ja muodostaa kompleksin toisen hydrofiilisen haaran [3] .
Lumenaalinen alakompleksi muodostuu neljästä ydingeenien koodaamasta alayksiköstä: proteiini PnsL1, PnsL2 ja immunofiliinit PnsL4 ja PnsL5. Alayksiköt alakompleksissa B ja luumenalakompleksi ovat spesifisiä korkeammille kasveille. On huomionarvoista, että useimmat näistä alayksiköistä ovat homologisia PsbP- ja PsbQ-proteiinien kanssa, jotka ovat osa fotosysteemi II :n vettä hapettavaa kompleksia [2] . Toinen epätavallinen ryhmä, joka on osa tätä alakompleksia, ovat immunofiliinit, jotka kuuluvat peptidyyliprolyyli -cis-tran- isomeraasien perheeseen [3] .
Katalyyttinen alakompleksi sisältää NdhS-, NdhT- ja NdhU-alayksiköitä. Korkean affiniteetin sitoutumiskohta ferredoksiinille on lokalisoitu perifeeriseen NdhS-alayksikköön . Kompleksin vuorovaikutus ferredoksiinin kanssa on vahvistettu in vitro -kokeissa [7] . Uskotaan, että tämän kompleksin kaikkia alayksiköitä ei ole vielä löydetty, koska jo löydettyjen joukossa ei ole yhtään, joka voisi hapettaa ferredoksiinia.
Periaatteessa kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksi ei ole elintärkeä, ulospäin mutantit, joissa kaikki ndh- geenit ovat osittain tai jopa kokonaan deleetoituneet , näyttävät täysin normaaleilta, mutta ne ovat erittäin herkkiä voimakkaille rasituksille: korkea valon intensiteetti, korkea tai matala lämpötila, alhainen kosteus ja kuivuus, vaikka fenotyyppien ilmentyminen tällaisissa mutanteissa on melko maltillista. Tästä huolimatta tämän kompleksin merkittävä rooli syklisen kuljetuksen tarjoamisessa riisissä heikon valaistuksen aikana osoitettiin [9] . Näiden tietojen perusteella oletetaan, että kompleksi on eräänlainen hätähana, joka aktivoituu kloroplastin strooman uusiutumisen olosuhteissa ja ehkäisee oksidatiivista stressiä , ja normaaleissa olosuhteissa se tarjoaa kasville lisää ATP:tä ja osallistuu fotosynteesin viritys [9] .
Geneettinen analyysi paljasti kaksi riippumatonta syklisen elektronin kuljetuksen tyyppiä Arabidopsiksessa . Korkeampien kasvien pääreitin komponentit ovat PGR5- ja PGRL1-proteiinit, jotka säätelevät protonigradienttia. PGRL1 hapettaa ferredoksiinia PGR5:n avulla ja siirtää elektroneja kalvon kantajalle plastokinonille toimien siten ferredoksiinikinonireduktaasina [10] . Uskotaan myös, että superkompleksit sytokromi b 6 f -kompleksista, fotosysteemi I:stä ja PGRL1:stä [11] ovat mukana tässä prosessissa , vaikka on osoitettu, että niiden muodostuminen ei ole välttämätöntä syklisen kuljetuksen toteuttamiseksi tällä mekanismilla [12] . ] . Antimysiini A estää tätä reittiä [13] .
Vaihtoehtoisessa reitissä fotosysteemin I ympärillä valossa NADH-dehydrogenaasikompleksi on osallisena kloroplasteissa, mikä mahdollistaa elektronien siirron pelkistetystä ferredoksiinista takaisin plastokinoniin ja sitten fotosysteemiin I sytokromi b 6 / f -kompleksin kautta . Kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksi muodostaa superkompleksin kahden PSI:n kanssa käyttämällä proteiineja Lhca5 ja Lhca6. Tällaista kompleksia muodostuu myös syanobakteereissa, vaikka niissä ei ole antenniproteiineja Lhca5 ja Lhca6, joten superkompleksin muodostusmenetelmä on siellä erilainen [5] .
Pimeässä kloroplastien NADH-dehydrogenaasikompleksi osallistuu kloorihengitykseen ( kloroplastihengitys ), jonka aikana elektronit kulkeutuvat pelkistyneestä plastokinonista molekyylihapeksi, johon liittyy plastokinolin hapettuminen plastidin terminaalisen oksidaasin vaikutuksesta , eli tapahtuu ei-fotokemiallinen pelkistys ja plastokinonipoolin hapettuminen [1] .