El complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos es un complejo multiproteico de la cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis ubicado en la membrana tilacoide los plástidos de plantas superiores y algas . El complejo oxida la ferredoxina y reduce las moléculas de plastoquinona , que se liberan en la membrana. En este caso, la energía del equivalente de reducción oxidada se gasta en la transferencia de protones desde el estroma del cloroplasto a la luz del tilacoide con la formación de un gradiente de protones . Se demostró una mayor similitud del complejo NADH deshidrogenasa de los cloroplastos con el complejo NADH deshidrogenasa cianobacteriano (NDH-1) que con el complejo mitocondrial I [1] .
El complejo de cloroplastos NADH-deshidrogenasa se ha encontrado en la mayoría de las plantas terrestres, así como en algunas algas. Su papel en la síntesis de ATP en condiciones normales de fotosíntesis se considera insignificante, sin embargo, en condiciones estresantes, su papel aumenta dramáticamente: en tales condiciones, el complejo participa asegurando el transporte cíclico de electrones , formando un supercomplejo con al menos dos fotosistemas. [1] [2] .
Otros nombres válidos para el complejo a menudo se pueden encontrar en la literatura, como complejo NAD (P) H-deshidrogenasa [3] o complejo similar a NADH-deshidrogenasa [2] .
Por primera vez, se discutió la existencia del complejo NADH deshidrogenasa en los cloroplastos después de la secuenciación completa de los plastomas de Marchantia polymorpha y Nicotiana tabacum en 1986. Resultó que su genoma plástido codificaba 11 proteínas homólogas a las subunidades del complejo NADH deshidrogenasa de las mitocondrias ( complejo I ), y todas estas proteínas se expresaban [1] . Debido a esta similitud, el nuevo complejo se denominó complejo NAD(P)H-deshidrogenasa, o complejo NDH para abreviar [2] . Mucho más tarde, en 2004, se descubrieron las primeras cuatro subunidades del complejo codificado en el núcleo: M, N, L y O [3] .
Los genes ndh que codifican el complejo NADH deshidrogenasa de los cloroplastos se han encontrado en los plastomas de muchas angiospermas y gimnospermas y algas eucariotas, así como en el genoma de las cianobacterias. Al mismo tiempo, estos genes están ausentes en algunas plantas simbióticas que no son capaces de realizar una fotosíntesis independiente [1] . A pesar de la amplia distribución de los genes ndh entre las plantas terrestres, no se han encontrado en algunos organismos. Por ejemplo, el genoma del cloroplasto de la conífera Pinus thunbergii carece de todos los genes ndh . El complejo NADH-deshidrogenasa no se ha encontrado en los cloroplastos de las algas verdes, incluida la Chlamydomonas [3] .
Aunque los genes ndh del cloroplasto se observaron por primera vez debido a su similitud con los genes del complejo mitocondrial I , más tarde se demostró que eran más similares al complejo cianobacteriano NDH-1. Por lo general, en las bacterias , el complejo respiratorio I consta de 14 subunidades. Una excepción son las cianobacterias , que tienen un complejo de 11 subunidades, altamente homólogas a las 11 subunidades del complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos de plantas superiores [3] . Sin embargo, en plantas superiores, el complejo difiere en composición del complejo de cianobacterias, su composición es significativamente el número de subunidades características solo para plantas superiores y codificadas en el núcleo. Hasta el momento , se han identificado 28 subunidades y un posible candidato en Arabidopsis thaliana , muchas de las cuales han sido identificadas mediante bioinformática , genética y proteómica [4] . Por analogía con los complejos de cianobacterias, se cree que el complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos tiene tres grupos de hierro y azufre .
En la mayoría de las plantas superiores estudiadas, el complejo tiene un peso molecular de alrededor de 550 kDa . El complejo es muy lábil y se rompe fácilmente en varios subcomplejos, lo que dificulta su estudio [5] .
El número total de moléculas del complejo en las membranas de los tilacoides es pequeño: un complejo NADH-deshidrogenasa representa un promedio de 50 a 100 moléculas del fotosistema II, que es ~1 a 2% del número total de todas las moléculas del fotosistema I y II [5] .
La composición del complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos incluye 11 subunidades plástidas homólogas a las de las cianobacterias, en lugar de las 14 habituales para tales complejos . Las subunidades faltantes corresponden a las subunidades 51, 24 y 75 kDa del complejo bovino I. La subunidad de 51 kDa transporta FMN y contiene un sitio de unión de NADH y, en general, las tres subunidades se denominan subcomplejo de unión de NADH. En las plantas superiores, así como en las cianobacterias , tales subunidades o sus análogos están ausentes. Este largo tiempo no permitió comprender con precisión qué sustrato utilizan estos complejos. Finalmente, en 2011 se descubrió que el complejo, a través de las proteínas CRR31, CRRJ y CRRL (subunidades S, T y U) [6] , es capaz de unirse y oxidar la ferredoxina [7] , aunque el mecanismo exacto de cómo se produce la oxidación ocurre es desconocido. Estos datos fueron posteriormente confirmados repetidamente [8] [6] . De esto se deduce que, en términos de su actividad enzimática, el complejo no es una NADH deshidrogenasa, sino una ferredoxina-plastoquinona oxidorreductasa. En este sentido, se propuso cambiar el nombre del complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos a complejo similar a la NADH-deshidrogenasa [7] . Un mecanismo de operación similar ahora se considera altamente probable para los complejos NDH de cianobacterias.
Por razones de analogía, se supone que el complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos de plantas superiores tiene forma de L, aunque puede distorsionarse un poco debido a la presencia de subunidades adicionales. El complejo se divide en cinco subcomplejos: membrana, luz, subcomplejos A y B expuestos al estroma, así como unión catalítica de ferredoxina.
El subcomplejo de membrana está formado por siete subunidades NdhA-NdhG codificadas por genes del cloroplasto, basado en la homología con el complejo NDH de las cianobacterias, se supone que transporta protones y se une a la plastoquinona [2] .
El subcomplejo A contiene cuatro subunidades NdhA-NdhG y cuatro subunidades NdhL-NdhO codificadas por genes de cloroplasto y nucleares, respectivamente. Los homólogos de las proteínas del cloroplasto NdhH-NdhK del complejo respiratorio de T. thermophilus se unen a tres grupos de Fe-S necesarios para la transferencia de electrones [2] .
El subcomplejo B incluye las subunidades PnsB1-PnsB5, así como la subunidad PnsL3, que anteriormente se consideraba un componente del subcomplejo lumenal. Todas las subunidades del subcomplejo B están codificadas por genes nucleares. El subcomplejo se une al dominio de la membrana junto al subcomplejo A y forma el segundo brazo hidrofílico del complejo [3] .
El subcomplejo lumenal está formado por cuatro subunidades codificadas por genes nucleares: la proteína PnsL1, PnsL2 y las inmunofilinas PnsL4 y PnsL5. Las subunidades del subcomplejo B y el subcomplejo lumenal son específicas de las plantas superiores. Cabe señalar que la mayoría de estas subunidades son homólogas a las proteínas PsbP y PsbQ que forman parte del complejo oxidante de agua del fotosistema II [2] . Otro grupo inusual que forma parte de este subcomplejo son las inmunofilinas, que pertenecen a la familia de las peptidilprolil cis-tran isomerasas [3] .
El subcomplejo catalítico incluye las subunidades NdhS, NdhT y NdhU. Un sitio de unión de alta afinidad para la ferredoxina se localiza en la subunidad periférica NdhS . La interacción del complejo con ferredoxina ha sido confirmada en experimentos in vitro [7] . Se cree que aún no se han encontrado todas las subunidades de este complejo, ya que entre las ya descubiertas no hay ninguna que pueda oxidar la ferredoxina.
En principio, el complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos no es vital, los mutantes externos con eliminación parcial o incluso completa de todos los genes ndh parecen completamente normales, pero son muy sensibles a fuertes tensiones: alta intensidad de luz, alta o baja temperatura, baja humedad y sequía, aunque la manifestación de fenotipos en dichos mutantes es más bien moderada. Sin embargo, se demostró un papel importante de este complejo en el suministro de transporte cíclico en arroz bajo iluminación débil [9] . En base a estos datos, se asume que el complejo es una especie de grifo de emergencia, que se activa en condiciones de regeneración del estroma del cloroplasto y previene el estrés oxidativo , y en condiciones normales, aporta ATP adicional a la planta y participa en el fino puesta a punto de la fotosíntesis [9] .
El análisis genético reveló dos tipos independientes de transporte cíclico de electrones en Arabidopsis . Los componentes de la vía principal en las plantas superiores son las proteínas PGR5 y PGRL1 que regulan el gradiente de protones. PGRL1 oxida la ferredoxina con la ayuda de PGR5 y transfiere electrones a la plastoquinona transportadora de membrana, actuando así como una ferredoxina quinona reductasa [10] . También se cree que los supercomplejos del complejo citocromo b 6 f , fotosistema I y PGRL1 [11] están involucrados en este proceso , aunque se ha demostrado que su formación no es necesaria para la implementación del transporte cíclico por este mecanismo [12]. ] . Esta vía es inhibida por la antimicina A [13] .
En una ruta alternativa alrededor del fotosistema I en la luz, el complejo NADH deshidrogenasa está involucrado en los cloroplastos, proporcionando la transferencia de electrones desde la ferredoxina reducida de vuelta a la plastoquinona y luego al fotosistema I a través del complejo citocromo b 6 / f . El complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos forma un supercomplejo con dos PSI que utilizan las proteínas Lhca5 y Lhca6. Un complejo de este tipo también se forma en las cianobacterias, aunque debido a la falta de proteínas de antena Lhca5 y Lhca6 en ellas, el método de formación del supercomplejo es diferente allí [5] .
En la oscuridad, el complejo NADH-deshidrogenasa de los cloroplastos participa en la respiración del cloro ( respiración del cloroplasto ), durante la cual se transportan electrones desde la plastoquinona reducida al oxígeno molecular, lo que va acompañado de la oxidación del plastoquinol por la oxidasa terminal del plástido , es decir, Se produce una reducción y oxidación no fotoquímicas del conjunto de plastoquinonas [1] .