Estimating the number of protein molecules in a plant cell: a quantitative perspective on proteostasis and amino acid homeostasis during progressive drought stress

Resumo

Durante a desidratação, a proteostase celular, bem como a homeostase dos aminoácidos, são severamente afetados, uma vez que a diminuição da fotossíntese induz proteólise maciça. Assim, utilizamos o estresse hídrico progressivo em Arabidopsis thaliana como modelo para investigar o equilíbrio entre proteínas e homeostase de aminoácidos livres em nível quantitativo. Analisamos a composição proteica em massa das folhas e estimamos quantas moléculas de proteína estão presentes em uma célula vegetal e seus compartimentos subcelulares. Sob condições de controle, uma célula média do mesofilo de Arabidopsis contém cerca de 25 bilhões de moléculas de proteína e 80% delas estão localizadas nos cloroplastos. A deficiência severa de água leva à degradação de mais de 40% do proteoma da folha e, portanto, causa uma mudança drástica no perfil e quantidade de aminoácidos livres. A proteólise induzida por estresse afeta a  RubisCO presente nos cloroplastos de uma célula individual do mesofilo, dobrando o conteúdo celular em aminoácidos livres. A maior fração dos aminoácidos liberados das proteínas é canalizada para a síntese de prolina como um osmólito compatível. A oxidação completa da parte restante como substrato respiratório alternativo pode compensar totalmente a falta de carboidratos derivados da fotossíntese por várias horas.

Abstract

During dehydration cellular proteostasis as well as amino acid homeostasis are severely challenged, since the decrease in photosynthesis induces massive proteolysis. Thus, we selected progressive drought stress in Arabidopsis thaliana as a model to investigate the balance between protein and free amino acid homeostasis on a quantitative level. We analyze the mass protein composition of rosette leaves and estimate, how many protein molecules are present in a plant cell and its subcellular compartments. Under control conditions, an average Arabidopsis mesophyll cell contains about 25 billion protein molecules and 80% of them are localized in the chloroplasts. Severe water deficiency leads to degradation of more than 40% of the leaf proteome and thus causes a drastic shift towards the free amino acid pool. Stress induced proteolysis of half of the 400 million RubisCO hexadecamers present in the chloroplasts of an individual mesophyll cell alone doubles the cellular content in free amino acids. A major fraction of the amino acids released from proteins is channeled into the synthesis of proline as a compatible osmolyte. Complete oxidation of the remaining part as an alternative respiratory substrate can fully compensate the lack of carbohydrates derived from photosynthesis for several hours.