vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.926OLEOREvuzbiochemi-1286Research ArticleКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯBRIEF COMMUNICATIONНативная организация альтернативных НАД(Ф)Н-дегидрогеназ NDA и NDB в митохондриях этиолированных проростков горохаNative organization of alternative NAD(P)H-dehydrogenases NDA and NDB in mitochondria of etiolated pea sproutshttps://orcid.org/0000-0002-9167-9316УколоваИ. В.UkolovaI. V.

Уколова Ирина Владимировна - к.б.н., старший научный сотрудник.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Irina V. Ukolova - Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher.

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

irinastupnikova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3859-9138КондаковаМ. А.KondakovaM. A.

Кондакова Марина Александровна - к.б.н., ведущий инженер.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Marina A. Kondakova - Cand. Sci. (Biology), Lead Engineer.

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

kondakova-marina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5089-5311БоровскийГ. Б.BorovskiiG. B.

Боровский Геннадий Борисович - д.б.н., профессор, главный научный сотрудник.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Gennadii B. Borovskii - Dr. Sci. (Biology), Professor, Chief Researcher.

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

borovskii@sifibr.irk.ruСибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАНРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RASRussian Federation202430092024143421427Copyright © Уколова И.В., Кондакова М.А., Боровский Г.Б., 20242024Уколова И.В., Кондакова М.А., Боровский Г.Б.Ukolova I.V., Kondakova M.A., Borovskii G.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1286

Многочисленные биохимические и структурные исследования нативной организации системы окислительного фосфорилирования в митохондриях различных эукариотических организмов убедительно показали, что дыхательные комплексы могут ассоциировать друг с другом с образованием структур более высокого порядка, называемых суперкомплексами. Растительные митохондрии отличаются более сложной организацией дыхательной цепи в связи с присутствием целого ряда альтернативных оксидоредуктаз. Считается, что эти ферменты физически не взаимодействуют с ферментами цитохромного пути. Однако имеющиеся литературные данные, полученные на митохондриях дрожжей, указывают на возможность такой ассоциации. В связи с этим целью исследования явилось изучение нативной организации альтернативных НАД(Ф)Н-дегидрогеназ NDA и NDB в растительных митохондриях. В работе использовали 6-суточные этиолированные проростки гороха. При помощи комбинированного использования методов 2D BN/SDS-PAGE и иммунохимии обнаружено, что в органеллах гороха основная часть популяций альтернативных НАД(Ф)Н-дегидрогеназ NDA и NDB входит в состав надструктур с массами 700, 780 и 900 кДа. Дополнительно NDA детектируется в области 1480 и 1600 кДа, а NDB – 1330, 340 и 100–120 кДа. Анализ субъединичных профилей выявленных ассоциаций и колориметрическая детекция АТФ-азной активности в 1D BN-геле позволяют предположить, что мажорная часть популяций NDA и NDB, идентифицированных при помощи имеющихся антител, связана с АТФ-синтазой и находится в виде гетерогенной популяции АТФ-синтасом с предполагаемым составом NDA2/NDB2Va/b1-2. Остальная часть ферментов, по-видимому, входит в состав суперкомплексов NDA2/NDB2III2IV и NDA2IV1Va2. Физиологическое значение ассоциации альтернативных НАД(Ф)Н-дегидрогеназ с АТФ-синтазой требует дальнейшего изучения.

Numerous biochemical and structural studies into the native organization of oxidative phosphorylation in the mitochondria of various eukaryotic organisms have convincingly shown that respiratory complexes can associate with one another to form higher-order structures referred to as supercomplexes. Plant mitochondria are distinguished by a more complicated organization of the respiratory chain due to the presence of a number of alternative oxidoreductases. It is considered that these enzymes do not physically interact with those of the cytochrome pathway. However, the available literature data obtained on yeast mitochondria suggests the possibility of such an association. In this regard, we aimed to study the native organization of alternative NAD(P)H-dehydrogenases NDA and NDB in plant mitochondria. The work was performed on six-day etiolated pea seedlings. The 2D BN/SDS-PAGE in combination with immunochemistry found that, in pea organelles, the main part of the populations of NDA and NDB alternative NAD(P)H dehydrogenases were included in superstructures with masses of 700, 780, and 900 kDa. Additionally, NDA was detected in the region of 1480 and 1600 kDa, and NDB was registered at values of 1330, 340, and 100–120 kDa. An analysis of subunit profiles of the observed associations and a colorimetric detection of ATPase activity in 1D BN-gel suggested that the major part of the NDA and NDB populations identified by the available antibodies was associated with ATP synthase and represented a heterogeneous population of ATP-synthasomes, assumably, with a NDA2/NDB2Va/b1-2 composition. The rest of the enzymes were likely to be part of the NDA2/NDB2III2IV and NDA2IV1Va2 supercomplexes. The physiological significance of the association of alternative NAD(P)H dehydrogenases with ATP synthase requires further study.

митохондриисистема окислительного фосфорилированияальтернативные НАД(Ф)Н-дегидрогеназыPisum sativumсуперкомплексыmitochondriaoxidative phosphorylation systemalternative NAD(P)H dehydrogenasesPisum sativumsupercomplexesИсследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России для Федерального государственного бюджетного учреждения науки Сибирского института физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук (рег. № НИОКТР – 122041100049-0)Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation supported this study within the framework of the state task for Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS (registration number 122041100049-0)ReferencesCogliati S., Cabrera-Alarcón J.L., Enriquez J.A. Regulation and functional role of the electron transport chain supercomplexes // Biochemical Society Transactions. 2021. Vol. 49, no. 6. P. 2655–2668. DOI: 10.1042/BST20210460.Cogliati S., Cabrera-Alarcón J.L., Enriquez J.A. Regulation and functional role of the electron transport chain supercomplexes. Biochemical Society Transactions. 2021;49(6):2655-2668. DOI: 10.1042/BST20210460.Kohler A., Barrientos A., Fontanesi F., Ott M. The functional significance of mitochondrial respiratory chain supercomplexes // EMBO Reports. 2023. Vol. 24, no. 11. P. e57092. DOI: 10.15252/embr.202357092.Kohler A., Barrientos A., Fontanesi F., Ott M. The functional significance of mitochondrial respiratory chain supercomplexes. EMBO Reports. 2023;24(11):e57092. DOI: 10.15252/embr.202357092.Kühlbrandt W. Structure and mechanisms of F-type ATP synthases // Annual Review of Biochemistry. 2019. Vol. 88. P. 515–549. DOI: 10.1146/annurev-biochem-013118-110903.Kühlbrandt W. Structure and mechanisms of F-type ATP synthases. Annual Review of Biochemistry. 2019;88:515-549. DOI: 10.1146/annurev-biochem-013118-110903.Ukolova I.V. The subcompartmented oxphosomic model of the phosphorylating system organization in mitochondria // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021. Т. 25. N 7. С. 778–786. DOI: 10.18699/VJ21.089. EDN: VRUFFV.Ukolova I.V. The subcompartmented oxphosomic model of the phosphorylating system organization in mitochondria. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2021;25(7):778-786. DOI: 10.18699/VJ21.089. EDN: VRUFFV.Møller I.M., Rasmusson A.G., Van Aken O. Plant mitochondria – past, present and future // The Plant Journal. 2021. Vol. 108, no. 4. P. 912–959. DOI: 10.1111/tpj.15495.Møller I.M., Rasmusson A.G., Van Aken O. Plant mitochondria – past, present and future. The Plant Journal. 2021;108(4):912-959. DOI: 10.1111/tpj.15495.Rasmusson A.G., Geisler D.A., Møller I.M. The multiplicity of dehydrogenases in the electron transport chain of plant mitochondria // Mitochondrion. 2008. Vol. 8, no. 1. P. 47–60. DOI: 10.1016/j.mito.2007.10.004.Rasmusson A.G., Geisler D.A., Møller I.M. The multiplicity of dehydrogenases in the electron transport chain of plant mitochondria. Mitochondrion. 2008;8(1):47-60. DOI: 10.1016/j.mito.2007.10.004.Sweetman C., Waterman C.D., Rainbird B.M., Smith P.M.C., Jenkins C.D., Day D.A., et al. AtNDB2 is the main external NADH dehydrogenase in mitochondria and is important for tolerance to environmental stress // Plant Physiology. 2019. Vol. 181, no. 2. P. 774–788. DOI: 10.1104/pp.19.00877.Sweetman C., Waterman C.D., Rainbird B.M., Smith P.M.C., Jenkins C.D., Day D.A., et al. AtNDB2 is the main external NADH dehydrogenase in mitochondria and is important for tolerance to environmental stress. Plant Physiology. 2019;181(2):774-788. DOI: 10.1104/pp.19.00877.Гармаш Е.В. Сигнальные пути регуляции экспрессии генов альтернативной оксидазы растений // Физиология растений. 2022. Т. 69. N 1. С. 3–19. DOI: 10.31857/S0015330322010055. EDN: AATESI.Garmash E.V. Signal pathways for regulation of plant alternative oxidase genes’ expression. Fiziologiya rastenii. 2022;69(1):3-19. (In Russian). DOI: 10.31857/S0015330322010055. EDN: AATESI.Braun H.-P. The Oxidative Phosphorylation system of the mitochondria in plants // Mitochondrion. 2020. Vol. 53. P. 66–75. DOI: 10.1016/j.mito.2020.04.007.Braun H.-P. The Oxidative Phosphorylation system of the mitochondria in plants. Mitochondrion. 2020;53:66-75. DOI: 10.1016/j.mito.2020.04.007.Grandier-Vazeille X., Bathany K., Chaignepain S., Camougrand N., Manon S., Schmitter J.M. Yeast mitochondrial dehydrogenases are associated in a supramolecular complex // Biochemistry. 2001. Vol. 40, no. 33. P. 9758–9769. DOI: 10.1021/bi010277r.Grandier-Vazeille X., Bathany K., Chaignepain S., Camougrand N., Manon S., Schmitter J.M. Yeast mitochondrial dehydrogenases are associated in a supramolecular complex. Biochemistry. 2001;40(33):9758-9769. DOI: 10.1021/bi010277r.Guerrero-Castillo S., Vázquez-Acevedo M., González-Halphen D., Uribe-Carvajal S. In Yarrowia lipolytica mitochondria, the alternative NADH dehydrogenase interacts specifically with the cytochrome complexes of the classic respiratory pathway // Biochimica et Biophysica Acta. 2009. Vol. 1787, no. 2. P. 75–85. DOI: 10.1016/j.bbabio.2008.10.008.Guerrero-Castillo S., Vázquez-Acevedo M., González-Halphen D., Uribe-Carvajal S. In Yarrowia lipolytica mitochondria, the alternative NADH dehydrogenase interacts specifically with the cytochrome complexes of the classic respiratory pathway. Biochimica et Biophysica Acta. 2009;1787(2):75-85. DOI: 10.1016/j.bbabio.2008.10.008.Matus-Ortega M.G., Cárdenas-Monroy C.A., Flores-Herrera O., Mendoza-Hernández G., Miranda M., González-Pedrajo B., et al. New complexes containing the internal alternative NADH dehydrogenase (Ndi1) in mitochondria of Saccharomyces cerevisiae // Yeast. 2015. Vol. 32, no. 10. P. 629–641. DOI: 10.1002/yea.3086.Matus-Ortega M.G., Cárdenas-Monroy C.A., FloresHerrera O., Mendoza-Hernández G., Miranda M., González-Pedrajo B., et al. New complexes containing the internal alternative NADH dehydrogenase (Ndi1) in mitochondria of Saccharomyces cerevisiae. Yeast. 2015;32(10):629-641. DOI: 10.1002/yea.3086.Senkler J., Senkler M., Eubel H., Hildebrandt T., Lengwenus C., Schertl P., et al. The mitochondrial complexome of Arabidopsis thaliana // The Plant Journal. 2017. Vol. 89, no. 6. P. 1079–1092. DOI: 10.1111/tpj.13448.Senkler J., Senkler M., Eubel H., Hildebrandt T., Lengwenus C., Schertl P., et al. The mitochondrial complexome of Arabidopsis thaliana. The Plant Journal. 2017;89(6):1079-1092. DOI: 10.1111/tpj.13448.Ukolova I.V., Kondakova M.A., Kondratov I.G., Sidorov A.V., Borovskii G.B., Voinikov V.K. New insights into the organisation of the oxidative phosphorylation system in the example of pea shoot mitochondria // Biochimica et Biophysica Acta – Bioenergetics. 2020. Vol. 1861, no. 11. P. 148264. DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148264.Ukolova I.V., Kondakova M.A., Kondratov I.G., Sidorov A.V., Borovskii G.B., Voinikov V.K. New insights into the organisation of the oxidative phosphorylation system in the example of pea shoot mitochondria. Biochimica et Biophysica Acta – Bioenergetics. 2020;1861(11):148264. DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148264.Schägger H. Blue-native gels to isolate protein complexes from mitochondria // Methods in Cell Biology. 2001. Vol. 65. P. 231–244. DOI: 10.1016/S0091-679X(01)65014-3.Schägger H. Blue-native gels to isolate protein complexes from mitochondria. Methods in Cell Biology. 2001;65:231-244. DOI: 10.1016/S0091-679X(01)65014-3.Wittig I., Braun H.-P., Schägger H. Blue native PAGE // Nature Protocols. 2006. Vol. 1, no. 1. P. 418–428. DOI: 10.1038/nprot.2006.62.Wittig I., Braun H.-P., Schägger H. Blue native PAGE. Nature Protocols. 2006;1(1):418-428. DOI: 10.1038/nprot.2006.62.Sabar M., Balk J., Leaver C.J. Histochemical staining and quantification of plant mitochondrial respiratory chain complexes using blue-native polyacrylamide gel electrophoresis // The Plant Journal. 2005. Vol. 44, no. 5. P. 893–901. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02577.x.Sabar M., Balk J., Leaver C.J. Histochemical staining and quantification of plant mitochondrial respiratory chain complexes using blue-native polyacrylamide gelelectrophoresis. The Plant Journal. 2005;44(5):893-901. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02577.x.Svensson A.S., Rasmusson A.G. Light-dependent gene expression for proteins in the respiratory chain of potato leaves // The Plant Journal. 2001. Vol. 28, no. 1. P. 73–82. DOI: 10.1046/j.1365-313x.2001.01128.x.Svensson A.S., Rasmusson A.G. Light-dependent gene expression for proteins in the respiratory chain of potato leaves. The Plant Journal. 2001;28(1):73-82. DOI: 10.1046/j.1365-313x.2001.01128.x.Ukolova I.V., Borovskii G.B. OXPHOS organization and activity in mitochondria of plants with different life strategies // International Journal of Molecular Sciences. 2023. Vol. 24, no. 20. P. 15229. DOI: 10.3390/ijms242015229.Ukolova I.V., Borovskii G.B. OXPHOS organization and activity in mitochondria of plants with different life strategies. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(20):15229. DOI: 10.3390/ijms242015229.Кондакова М.А., Уколова И.В., Боровский Г.Б., Войников В.К. Новые суперкомплексы в системе окислительного фосфорилирования митохондрий проростков гороха Pisum sativum L. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. С. 143–146. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-143-146. EDN: WZQKGF.Kondakova M.A., Ukolova I.V., Borovskii G.B., Voinikov V.K. New supercomplexes of the oxidative phosphorylation system in pea (Pisum sativum L.) seedlings mitochondria. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2016;6(3):143-146. (In Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-143-146. EDN: WZQKGF.Rasmusson A.G., Agius S.C. Rotenone-insensitive NAD(P)H dehydrogenases in plants: immunodetection and distribution of native proteins in mitochondria // Plant Physiology and Biochemistry. 2001. Vol. 39, no. 12. P. 1057–1066. DOI: 10.1016/S0981-9428(01)01334-1.Rasmusson A.G., Agius S.C. Rotenone-insensitive NAD(P)H dehydrogenases in plants: immunodetection and distribution of native proteins in mitochondria. Plant Physiology and Biochemistry. 2001;39(12):1057-1066. DOI: 10.1016/S0981-9428(01)01334-1.Antos-Krzeminska N., Jarmuszkiewicz W. Alternative type II NAD(P)H dehydrogenases in the mitochondria of protists and fungi // Protist. 2019. Vol. 170, no. 1. P. 21–37. DOI: 10.1016/j.protis.2018.11.001.Antos-Krzeminska N., Jarmuszkiewicz W. Alternative type II NAD(P)H dehydrogenases in the mitochondria of protists and fungi. Protist. 2019;170(1):21-37. DOI: 10.1016/j.protis.2018.11.001.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.