Complexul NADH dehidrogenază

Complexul NADH dehidrogenază , numit și complexul I sau NADH ubichinonă oxidoreductază  , este primul complex multiproteic al lanțului respirator de transport de electroni . Multe copii ale complexului sunt localizate în membranele organismelor procariote capabile de respirație cu oxigen și în membranele interioare ale mitocondriilor celulelor eucariote . În legătură cu proteinele umane, complexul I este adesea denumit NADH dehidrogenază .

Acest complex joacă un rol central în procesele de respirație celulară și fosforilare oxidativă : aproape 40% din gradientul de protoni pentru sinteza ATP este creat de acest complex [1] . Complexul I oxidează NADH și reduce o moleculă de ubichinonă , care este eliberată în membrană. Pentru fiecare molecula de NADH oxidata , complexul transporta patru protoni prin membrana .

Complexul I (NADH-dehidrogenaza) a fost izolat dintr-o serie de obiecte: mitocondrii de inimă de bovină , sfeclă de zahăr ( Beta vulgaris ), cartof ( Solanum tuberosum ), fasole ( Vicia faba ), Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) și orez ( Oryza sativa ). ), precum și din mitocondriile ciupercii neurospore Neurospora crassa și membranele Escherichia coli ( Esherichia coli ) [2] .

Organizarea structurală a complexului I

La procariote , complexul I este format din 14 subunități principale care formează nucleul complexului, fără de care nu funcționează. Șapte subunități sunt extrem de hidrofobe și localizate în membrană, în timp ce șapte sunt relativ hidrofile situate în afara membranei. La eucariote, ca urmare a evoluției, complexul a fost acoperit cu o „blană” de aproximativ 30 de subunități auxiliare, numărul acestora putând varia în funcție de obiect. Astfel, la mamifere această enzimă este formată din 44 de subunități, în timp ce la ciuperca Yarrowia lipolytica este formată  din 48 [3] . Ca urmare a acestei suprastructuri , greutatea moleculară a complexului I aproape sa dublat: de la ~550 kDa în bacterii la ~1 M Da în mitocondrii [4] .

Microscopia electronică a arătat că complexul I (de la bacterii și mitocondrii ) are o formă de L caracteristică. Din cauza acestei forme, precum și a suprafeței moleculare neobișnuite, parcă șifonate, complexul I a primit porecla de „pantof vechi” de la oameni de știință. „Talpa” hidrofobă este reprezentată de proteine ​​înglobate în membrană, iar partea hidrofilă – „glezna” – este orientată spre matrice [2] .

Cele patru subunități ale modulului de legare a ubichinonei , împreună cu subunitățile părții membranare a enzimei, formează locul de legare a ubichinonei, unde interacționează cu clusterul de fier-sulf N2 , acceptă doi electroni și este redus la ubichinol . Clusterul N2, ultimul dintr-o serie de clustere prin care electronii sunt transferați de la NADH la ubichinonă, este ridicat deasupra membranei cu ~15 Å . Cavitatea în sine, în care se leagă ubichinona, are o lungime de 30 Å și poate găzdui întreaga moleculă împreună cu o coadă hidrofobă lungă de șapte unități de izopren . Cavitatea are o intrare îngustă, astfel încât lanțul hidrofob lung este forțat să adopte o anumită conformație, care se menține pe toată durata reacției enzimatice. Prezența unui sit de legare atât de lung și îngust este o trăsătură caracteristică complexului I. În interiorul cavității, ubichinona interacționează cu reziduurile conservate de tirozină și histidină [ 5] .

La ciuperci, animale și plante vasculare, cel puțin șapte din cele 44 de subunități care formează domeniul membranar sunt codificate de genomul mitocondrial [6] . Mamiferele au exact șapte dintre aceste subunități [7] [8] . La plante , ADN-ul mitocondrial codifică nouă subunități: în plus față de cele șapte subunități care fac parte din partea hidrofobă a complexului, codifică două subunități care sunt omoloage subunităților de 49 kDa și 30 kDa ale mamiferelor, iar componentele rămase sunt sub controlul genelor nucleare [2] . Cu toate acestea, aceste date de la cartofi și plastomi Arabidopsis pot să nu fie valabile pentru alte specii de plante, iar numărul de subunități codificate în mitocondrii poate varia de la specie la specie. Astfel, la hepatica Marchantia polymorpha , subunitatea NAD7 , omoloagă polipeptidei de 49 kDa , este codificată de genomul nuclear și transportată în mitocondrii, iar gena ADN mitocondrială corespunzătoare s-a transformat într-o pseudogenă și nu este funcțională [9] .

Studiile au arătat că complexul I nu diferă semnificativ în proprietățile sale la obiectele de origine animală și vegetală [2] . Cu toate acestea, plantele au unele subunități specifice care în unele cazuri duc la caracteristici funcționale. Analiza complexului I la Arabidopsis arată că mai mult de 30% din subunități sunt specifice plantei [10] . De exemplu, o parte a modulului membranar al complexului vegetal I este așa-numitul modul structural γ-carboanhidrază și L-galacton-1,4-lactonă dehidrogenază, care, în același timp, este ultima enzimă a căii mitocondriale a acidului ascorbic. biosinteză [11] .

Tabelul subunităților principale (de bază)

Tabelul subunităților auxiliare

Toate complexele mitocondriale I au multe subunități suplimentare care nu sunt esențiale pentru activitatea catalitică și diferă între specii. Evident, ele poartă o anumită sarcină funcțională, deoarece mutațiile din ele duc la boli congenitale . Pentru unele subunități s-a demonstrat prezența anumitor funcții, de exemplu, B16.6 (GRIM-19) este implicată în apoptoză , iar subunitatea de 39 kDa (NDUFA9) este implicată în reglarea activității complexului [13]. ] . În ceea ce privește subunitățile rămase, rolul lor posibil în reglarea, asamblarea, stabilizarea și protecția împotriva speciilor reactive de oxigen este acum discutat activ . Trebuie menționat că subunitățile suplimentare cresc semnificativ costurile energetice ale celulei pentru sinteza , asamblarea și degradarea complexului. Astfel de costuri, însă, pot plăti în cazul unei celule eucariote în care procesul de sinteză a proteinelor este bine controlat și în acest sens perfecționat. Pe de altă parte, dacă sunt necesare subunități accesorii pentru a stabiliza complexul I, rămâne neclar modul în care complexele bacteriene, care constau din cantitatea minimă necesară de polipeptide, funcționează cu succes fără ele. Momentan, oamenii de știință nu au un răspuns clar la aceste întrebări [5] .

Unele subunități suplimentare sunt fosforilate de diferite kinaze , ceea ce nu se întâmplă niciodată cu subunitățile de bază. Se presupune că în acest fel are loc reglarea funcționării complexului. Ca una dintre subunitățile din complex, există o proteină purtătoare de acil (NDUFAB1) cu acid pantotenic fosforilat ca grup protetic . Se crede că este implicat în sinteza acidului lipoic , repararea lipidelor membranei deteriorate sau modifică alte proteine ​​cu reziduuri de acid miristic . Trebuie remarcat faptul că funcționarea acestei proteine ​​nu depinde de contactul fizic direct cu complexul I, iar o parte semnificativă a acesteia este prezentă sub formă liberă în interiorul matricei mitocondriale [14] .

Cofactori

Toate grupele protetice ale complexului NADH dehidrogenază (o mononucleotidă de flavină și 8 până la 9 clustere de fier-sulf ) sunt situate în domeniul periferic solubil în apă. Mamiferele, ca toate vertebratele , au opt [7] . Șapte clustere formează un lanț de transport de electroni lung de ~96 Å de la FMN la locul de legare a ubichinonei . Pe baza datelor actuale, se crede că transferul de electroni are loc pe următoarea cale: NADH → FMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q. În primul rând, doi electroni sunt transferați la flavină și apoi ei sunt transferate unul câte unul prin grupurile de lanț la locul de legare a chinonei și o reduc la starea Q- 2 . Clusterul N1a este situat în apropierea cofactorului de flavină și la o oarecare distanță de lanțul principal de transport de electroni. Acest cluster este foarte conservat între specii ; se crede că controlează viteza de transport de electroni în cadrul complexului prin transferul unui electron din FMN [4] . Există un model conform căruia unul dintre electronii din flavină merge pe calea principală către chinonă, în timp ce celălalt este stocat în clusterul N1a și mai târziu revine în lanțul principal prin flavosemichinonă. Este posibil ca acest mecanism să facă posibilă reducerea formării de specii reactive de oxigen pe flavina redusă. În plus, permite stabilizarea (până la o milisecundă ) a stării când ultimul cluster de N2 este restaurat, dar nu există un al doilea electron pentru a finaliza reducerea ubichinonei. O astfel de stare poate fi necesară pentru modificările conformaționale asociate cu transportul de protoni.

Unele dintre clusterele din lanț (N3, N4 și N6a) au un potențial redox ridicat (potențial redox) la nivelul de –0,25 V , în timp ce altele trei (N1b, N5 și N6b) au potențiale mai mici. Ca rezultat, potențialul redox pe calea electronului se schimbă ca un rollercoaster . O astfel de curbă de schimbare a stării energetice este caracteristică multor enzime redox : permite optimizarea ratei de transport de electroni și realizarea unui transfer eficient de energie [4] .

Clusterul N5 are un potențial foarte scăzut și limitează rata fluxului total de electroni în întregul circuit. În loc de liganzii obișnuiți pentru centrii fier-sulf (patru reziduuri de cisteină ), este coordonat de trei reziduuri de cisteină și un rest de histidină și este, de asemenea, înconjurat de reziduuri polare încărcate, deși este localizat adânc în enzimă . 4] .

Clusterul terminal al lanțului, N2, are, de asemenea, liganzi neobișnuiți . Potențialul său redox este cel mai mare dintre toate clusterele (de la -0,1 la -0,15 V). Este asociat cu patru reziduuri consecutive de cisteină în lanțul polipeptidic, care creează o conformație tensionată. Din această cauză, atunci când este restaurat, apar modificări conformaționale în lanțurile învecinate, posibil asociate cu transportul de protoni [4] .

Clusterul N7 este prezent numai în complexul I al unor bacterii. Este îndepărtat semnificativ din restul clusterelor și nu poate face schimb de electroni cu ele, așa că, aparent, este o relicvă . În unele complexe bacteriene legate de complexul I, s-au găsit patru reziduuri de cisteină conservate între N7 și alte clustere, iar un cluster Fe 4 S 4 suplimentar care leagă N7 cu clusterele rămase a fost găsit în complexul I al bacteriei Aquifex aeolicus . Aceasta duce la concluzia că în A. aeolicus complexul I, pe lângă NADH, poate folosi un alt donor de electroni, care îi transferă prin N7 [18] .

Asamblarea complexului mitocondrial I

Complexul mitocondrial I se formează cu complexele respiratorii III și IV supercomplexe numite respirazomi . În mitocondriile mamiferelor și oamenilor, aproximativ 90% din complex este localizat în respirazom. S-a demonstrat, de asemenea, pe mitocondriile din rizomii tineri de bambus că 90% din cantitatea totală de complex I este asamblată în respirazomi, iar în Arabidopsis  , în supercomplexul I-III 2 [19] . Există dovezi ample că prezența respirazomilor este necesară pentru stabilitatea și funcționarea complexului I, care este instabil în absența complexelor III sau IV. De exemplu, în celulele umane mutante , s-a demonstrat că complexul I este necesar pentru formarea complexului III și, pe de altă parte, pierderea complexului III duce la pierderea complexului I. În plus, un număr de animale studiile pe celule oferă dovezi că complexul I este necesar pentru complexele de stabilitate IV și un dimer al complexului III.

Recent, s-a arătat în cultura de celule umane că complexele IV și III sunt necesare pentru asamblarea unui complex I complet, în timp ce complexul incomplet asamblat în sine servește ca bază pentru formarea respiraselor. Prezența complexelor IV și III în respirazom este necesară pentru atașarea subunităților catalitice ale modulului NADH dehidrogenază la complexul I, care activează complet complexul și întregul respirazom [20] .

Reacție

Complexul NADH dehidrogenază oxidează NADH format în matrice în timpul ciclului acidului tricarboxilic . Electronii din NADH sunt folosiți pentru regenerarea transportorului membranar, ubichinona Q, care îi transportă la următorul complex al lanțului de transport de electroni mitocondrial , complexul III sau complexul citocrom bc 1 [ 21] .

Complexul NADH-dehidrogenază funcționează ca o pompă de protoni : pentru fiecare NADH oxidat și Q redus, patru protoni sunt pompați prin membrană în spațiul intermembranar [22] :

Potențialul electrochimic format în timpul reacției este utilizat pentru a sintetiza ATP . În mod curios, reacția catalizată de complexul I este reversibilă, un proces numit reducere NAD + indusă de succinat aerob . În condiții de potențial de membrană ridicat și un exces de ubichinoli reduse, complexul poate reduce NAD + folosind electronii lor și poate trece protonii înapoi în matrice. Acest fenomen este observat de obicei atunci când există mult succinat, dar puțin oxalacetat sau malat . Reducerea ubichinonei este realizată de enzimele succinat dehidrogenază , glicerol-3-fosfat dehidrogenază sau dihidroorotat dehidrogenază mitocondrială . În condițiile unui gradient de protoni ridicat , afinitatea complexului pentru ubichinol crește, iar potențialul redox al ubichinolului scade datorită creșterii concentrației sale, ceea ce face posibil transportul invers al electronilor de -a lungul potențialului electric al membranei mitocondriale interioare către NAD [23] . Acest fenomen a fost observat în condiții de laborator, dar nu se știe dacă apare într-o celulă vie.

Mecanism de transport de protoni

La etapele inițiale ale studiului complexului I, un model bazat pe presupunerea că un sistem similar cu un ciclu Q funcționează în complex . Cu toate acestea, studiile ulterioare nu au găsit nicio chinonă legată intern în complexul I și au respins complet această ipoteză [24] .

Complexul NADH dehidrogenază pare să aibă un mecanism unic de transport de protoni prin modificări conformaționale ale enzimei în sine. Subunitățile ND2, ND4 și ND5 sunt numite antiport , deoarece sunt omoloage între ele și cu antiporturile bacteriene Mrp Na + /H + . Aceste trei subunități formează cele trei canale principale de protoni, care sunt alcătuite din reziduuri de aminoacizi încărcate conservate (în principal lizină și glutamat ). Al patrulea canal de protoni este format din o parte a subunității Nqo8 și a subunităților mici ND6, ND4L și ND3. Canalul este similar ca structură cu canale similare de subunități asemănătoare antiport, dar conține un număr neobișnuit de mare de reziduuri de glutamat dens împachetate pe partea matricei, de unde și denumirea de canal E (latina E este folosită ca denumire standard pentru glutamat). O extensie se extinde de la capătul C-terminal al subunității ND5, constând din două elice transmembranare α conectate printr-o elice α neobișnuit de lungă (110 Å) [4] (HL), care, trecând de-a lungul lateralului complex orientat spre matrice, conectează fizic toate cele trei subunități asemănătoare antiportului și poate fi implicat în cuplarea transportului de electroni cu rearanjarea conformațională. Un alt element de conjugare, βH, este format dintr-o serie de ace de păr β și elice α suprapuse și este situat pe partea opusă, periplasmatică a complexului [25] .

Încă nu se știe exact cum este cuplat transportul de electroni cu transportul de protoni. Se crede că sarcina negativă puternică a clusterului N2 poate împinge polipeptidele din jur în afară, provocând astfel modificări conformaționale care se propagă cumva la toate subunitățile asemănătoare antiportului situate destul de departe una de cealaltă. O altă ipoteză sugerează că schimbarea conformațională induce ubichinol Q-2 stabilizat cu un potențial redox extrem de scăzut și sarcină negativă în situsul de legare a ubichinonei neobișnuit de lung . Multe detalii ale cineticii modificărilor conformaționale și ale transportului de protoni asociat rămân necunoscute [25] .

Forme active și inactive

Complexul eucariotic NADH dehidrogenază există în două forme distincte: una complet funcțională, așa-numita formă activă sau A, și o a doua, inactivă catalitic sau formă D. Dacă enzima este menținută la temperaturi ridicate, dar totuși fiziologice (> 30 °C) în absența unui substrat , enzima se schimbă în forma D. Este inactiv catalitic, dar poate fi activat de un substrat (NADH și ubichinonă, în care electronii pot fi aruncați). După unul sau mai multe cicluri enzimatice, complexul devine activ și viteza de reacție crește. O astfel de tranziție se găsește numai la vertebrate și ciuperci , dar nu și la nevertebrate sau bacterii . Complexele de plante nu au fost studiate. În prezența cationilor divalenți (Mg 2+ , Ca 2+ ) sau în pH alcalin , activarea durează mult mai mult, iar acidul palmitic liber crește foarte mult frecvența trecerii de la forma activă la forma dezactivată [26] .

Energia mare de activare (270 kJ/mol) a tranziției de la forma A la forma D indică faptul că în complex are loc o rearanjare conformațională semnificativă. Până acum, singura diferență identificată între cele două forme este numărul de reziduuri de cisteină de pe suprafața enzimei. Conform datelor recente, în acest proces sunt implicate subunități situate în apropierea site-ului de legare a chinonei: 39 kDa, ND3 și ND1 [26] . Tratarea formelor D ale complexului I cu reactivi speciali ( N-ethylmaleimidă sau reactivul Ellman ) blochează ireversibil aceste reziduuri importante de cisteină, făcând imposibilă reactivarea enzimei. În mod curios, forma A a complexului I este insensibilă la sulfhidrili , ceea ce indică faptul că reziduurile de cisteină sunt îngropate adânc în proteină. La rândul său, forma dezactivată este susceptibilă de a fi inhibată de nitrozotioli și peroxinitrit [27] .

Modificările conformaționale în complexul I sunt de mare importanță fiziologică . După hipoxie , restabilirea nivelurilor de oxigen poate duce la o creștere a oxidării NAD(P)H și la generarea de specii reactive de oxigen, care pot deteriora mitocondriile și pot provoca necroza tisulară . Trecerea de la forma activă la forma inactivă a complexului are loc în condiții patologice, atunci când numărul de rotații ale enzimei este redus la temperatura normală, fiziologică a corpului, de exemplu, în timpul hipoxiei , ischemiei sau creșterii raportului nitric . oxid (NO) / oxigen în țesuturi (așa-numita hipoxie metabolică). În acest fel, complexul I previne oxidarea complexelor respiratorii rămase atunci când nivelurile de oxigen sunt restabilite. În plus, forma inactivă nu este capabilă de transport invers de electroni, ceea ce reduce formarea ROS [28] [26] .

Origini evolutive

Complexul NADH-dehidrogenază aparține familiei de oxidoreductaze membranare din clasa NiFe-hidrogenazelor , care în bacteriile anaerobe și arheile cuplează reacția de oxidare a substratului și reducerea hidrogenului cu transportul de protoni. Pe baza datelor de omologie a proteinelor, se poate concluziona că complexul a apărut ca urmare a unirii a două complexe preexistente din familii de proteine ​​diferite, neînrudite . Modulele de legare a NADH-dehidrogenazei și ubichinonei au provenit din NiFe-hidrogenază solubilă, care a oxidat NADH și a redus hidrogenul, în timp ce membrana hidrofobă care pompa protoni „piciorul” complexului provine din antiporturile Na + /H + Mrp [4] .

Fuziunea hidrogenazei solubile și a proteinelor antiport a condus la apariția unui număr mare de hidrogenaze și dehidrogenaze membranare, care ulterior ar putea evolua în complexul I. Structura tridimensională a acestor enzime este probabil similară cu cea a complexului I. Dehidrogenazele includ complexul arheal Fpo de 11 subunități, care oxidează cofactorul F 420 asociat cu hidrogenul și reduce metanofenazina (analog cu ubichinona), pompând un proton la doi electroni peste membrană. Această enzimă nu are un modul NADH dehidrogenază. Grupul de hidrogenaze include hidrogen formiat liazele din Escherichia coli : hidrogen formiat liaza-1 din șapte subunități și hidrogen formiat liaza-2 din zece. Ambele enzime oxidează formiatul prin reducerea hidrogenului cu transferul mai multor protoni prin membrană [18] .

Cea mai simplă dintre proteinele legate de complexul I este Ech hidrogenaza ( hidrogenază de tip E.  coli hidrogenază-3 ) a arheei Methanosarcina barkeri . Este format din doar șase subunități și pompează un proton ca urmare a oxidării ferredoxinei cu reducerea unei molecule de hidrogen. Ech conține setul minim de subunități (omoloage complexului I) necesare pentru cuplarea reacției de oxidare cu transportul de protoni [18] .

În plus, complexul I se găsește în cloroplaste ca complex cloroplast NADH dehidrogenază . Structura și funcțiile sale exacte sunt încă necunoscute [29] .

Formarea speciilor reactive de oxigen

Complexul I în procesul de lucru formează specii reactive de oxigen [30] . Este de obicei superoxid (și, de asemenea, peroxid de hidrogen ) și se formează în cel puțin două moduri. În cursul transportului direct de electroni, în timpul respirației, se formează o cantitate foarte mică de superoxid (probabil mai puțin de 0,1% din fluxul total de electroni este transferat în oxigen ) [30] [31] .

În timpul transportului invers al electronilor, care are loc în condiții de reducere aerobă a NAD + indusă de succinat , complexul I poate deveni cel mai activ loc pentru formarea superoxidului: până la 5% din electroni merg la reducerea oxigenului [32] .

Superoxidul se formează în complexul NADH-dehidrogenază ca rezultat al transferului unui electron de la FMN H2 la O2 . Radicalul flavin rezultat este instabil și transferă electronul rămas în clusterele fier-sulf. Nivelul de formare a superoxidului este determinat de raportul NADH/NAD + ; în condițiile în care o cantitate mică de NAD este redusă, NAD + concurează cu succes pentru electroni cu oxigen [33] [34] .

Inhibitori

Cel mai studiat inhibitor al complexului I este rotenona (folosită pe scară largă ca pesticid organic ). Rotenona și rotenoidele sunt izoflavonoide care sunt prezente în rădăcinile mai multor genuri de plante tropicale, cum ar fi Antonia ( Loganiaceae ), Derris și Lonchocarpus ( Fabaceae ). Rotenona a fost folosită mult timp ca insecticid și otravă pentru pești , deoarece mitocondriile insectelor și peștilor sunt deosebit de sensibile la acesta. Se știe că locuitorii indigeni din Guyana Franceză și alți indieni din America de Sud foloseau plante care conțineau rotenonă pentru pescuit încă din secolul al XVII-lea [35] . Rotenona interacționează cu locul de legare a ubichinonei și concurează cu substratul principal. S-a demonstrat că inhibarea sistemică pe termen lung a complexului I de către rotenonă poate induce moartea selectivă a neuronilor dopaminergici (secretă dopamină ca neurotransmițător ) [36] . În mod similar, pielicidina A , un alt inhibitor puternic al complexului I, este similar structural cu ubichinona. Această grupă include și amitalul de sodiu  , un derivat al acidului barbituric [2] .

În ciuda a mai mult de 50 de ani de studiu al complexului I, nu s-au găsit inhibitori care blochează transferul de electroni în cadrul complexului. Inhibitorii hidrofobi precum rotenona sau pielicidina întrerup pur și simplu transferul de electroni de la clusterul terminal N2 la ubichinonă [36] .

Un alt compus care blochează complexul I este adenozin difosfat riboza , un inhibitor competitiv în reacția de oxidare a NADH. Se leagă de enzimă la locul de legare a nucleotidelor (FAD) [37] .

Unul dintre cei mai puternici inhibitori ai complexului I este familia acetogeninei . S-a demonstrat că aceste substanțe formează legături încrucișate chimice cu subunitatea ND2, ceea ce indică indirect rolul ND2 în legarea ubichinonei [38] . În mod curios, acetogenina rolliniastatin-2 a fost primul inhibitor al complexului I care a fost descoperit care se leagă la un alt situs decât rotenona [39] .

Medicamentul antidiabetic metformin are un efect inhibitor moderat ; aparent, această proprietate a medicamentului stă la baza mecanismului acțiunii sale [40] .

Patologii

Mutațiile în genele subunității complexe I pot duce la boli mitocondriale , cum ar fi sindromul Leigh . Mutațiile punctuale în subunitățile mitocondriale ale acestui complex pot provoca, de asemenea , neuropatia optică a lui Leber . Există dovezi că defecte în structura complexului I pot juca un rol în etiologia bolii Parkinson , posibil datorită formării speciilor reactive de oxigen [41] . Astfel, s-a demonstrat că în culturile celulare ale pacienților cu boala Parkinson, scurgerea de protoni în complexul I este crescută, ceea ce reduce capacitatea respiratorie maximă [42] . La plante, mutații în complexul I au fost descrise la tutun ( Nicotiana silvestris ) și porumb ( Zea mays ): mutațiile au fost însoțite de patologia polenică și au condus la sterilitate citoplasmatică masculină [2] .

Studii recente au relevat un rol neobișnuit pentru complexul I în funcția creierului . Activitatea acestei enzime este redusă semnificativ la pacienţii cu tulburare bipolară , dar rămâne normală la pacienţii cu depresie sau schizofrenie . La pacienții cu tulburare bipolară s-a observat creșterea oxidării proteinelor și a nitrației în cortexul prefrontal . Aceste rezultate fac din complexul I o țintă pentru viitoare cercetări terapeutice în tulburarea bipolară [43] [44] .

Expunerea la pesticide care blochează complexul I poate avea consecințe de amploare. De exemplu, expunerea prelungită la concentrații scăzute de organofosfat și pesticidul diclorvos cauzează disfuncție hepatică . Diclorvos modifică activitatea complecșilor I și II, ceea ce duce la o încetinire a transportului de electroni și o scădere a sintezei ATP [45] .

Rolul complexului I în îmbătrânire

Dovezile din numeroase studii sugerează că mitocondriile, și în special complexele I și II, joacă un rol cheie în procesele care afectează îmbătrânirea și durata de viață [46] [47] [48] [49] . Se presupune că încetinirea sintezei și reîncărcării proteinelor în timpul îmbătrânirii duce la o defecțiune a stoichiometriei subunităților respiratorii. Aceasta, la rândul său, provoacă o încălcare a eficienței funcționării complexului I și o creștere a stresului oxidativ mitocondrial , care este cel mai pronunțat în țesutul muscular [50] .

Inserarea unei alternative NADH dehidrogenazei de drojdie Ndi1 , constând dintr-o singură subunitate, în plus față de complexul I, în genomul Drosophila a condus la restabilirea nivelului normal de oxidare intramitocondrială a NADH și o prelungire semnificativă a vieții acestei muște, indiferent de restricția calorică a dietei sale [51] .

Vezi și

• Citocrom- b 6 f -complex
• Citocrom -bc 1 -complex
• Oxidaza alternativă
• ETF dehidrogenază

Note

1. ↑ Doar unele bacterii au clusterul de fier-sulf N7 (de exemplu, E. coli și T. thermophilus ).
2. ↑ În E. coli și alte bacterii, subunitățile NuoC (30 kDa) și NuoD (49 kDa) sunt fuzionate într-una singură.
3. ↑ 1 2 Găsită în unele ciuperci precum Schizosaccharomyces pombe .

Surse

1. ↑ Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran & Leonid A. Sazanov. Arhitectura complexului respirator I  (neopr.)  // natura. - 27 mai 2010. - T. 465 . - S. 441-445 . - doi : 10.1038/nature09066 . — PMID 20505720 .
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ermakov, 2005 , p. 237.
3. ↑ Carroll J., Fearnley IM, Skehel JM, Shannon RJ, Hirst J., Walker JE Bovine complex I este un complex de 45 de subunități diferite  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2006. - octombrie ( vol. 281 , nr. 43 ). - P. 32724-32727 . - doi : 10.1074/jbc.M607135200 . — PMID 16950771 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Leonid A. Sazanov. O pompă moleculară gigantică de protoni: structura și mecanismul complexului respirator I  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : journal  . - 2015. - iunie ( vol. 16 , nr. 6 ). - P. 375-388 . - doi : 10.1038/nrm3997 . — PMID 25991374 .
5. ↑ 1 2 3 4 Judy Hirst. Complexul mitocondrial I  (engleză)  // Revizuirea anuală a biochimiei : jurnal. - iunie 2013. - Vol. 82 . - P. 551-575 . - doi : 10.1146/annurev-biochem-070511-103700 .
6. ↑ Cardol P., Lapaille M., Minet P., Franck F., Matagne RF, Remacle C. Subunitățile ND3 și ND4L ale complexului mitocondrial I, ambele nuclee codificate în Chlamydomonas reinhardtii, sunt necesare pentru activitatea și asamblarea  enzimei.)  // Celulă eucariotă. : jurnal. - 2006. - Septembrie ( vol. 5 , nr. 9 ). - P. 1460-1467 . — PMID 16963630 .
7. ↑ 1 2 Voet, Judith G.; Voet, Donald. Biochimie  (neopr.) . — al 3-lea. - New York: J. Wiley & Sons , 2004. - S. 813-826. — ISBN 0-471-19350-X .
8. ↑ Balsa E., Marco R., Perales-Clemente E., Szklarczyk R., Calvo E., Landázuri MO, Enríquez JA NDUFA4 este o subunitate a complexului IV al lanțului de transport de electroni al mamiferelor  // Cell  Metabolism : jurnal. - 2012. - Septembrie ( vol. 16 , nr. 3 ). - P. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
9. ↑ Allan G Rasmussonb, Volker Heiserc, Eduardo Zabaletaa, Axel Brennickea, Lutz Grohmand. Aspecte fiziologice, biochimice și moleculare ale complexului mitocondrial I la plante  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 1998. - Mai ( vol. 1364 , nr. 2 ). - P. 101-111 . - doi : 10.1016/S0005-2728(98)00021-8 .
10. ↑ Peters K., Belt K., Braun H.-P. Harta gel 3D a complexului Arabidopsis I  (neopr.)  // Față. Plant Sci. Proteomica plantelor.. - 2013. - V. 5 , Nr. 153 . - doi : 10.3389/fpls.2013.00153 . — PMID 23761796 .
11. ↑ Meyer EH Investigații proteomice ale compoziției complexului I: cum se definește o subunitate?  (engleză)  // Față. Plant Sci. Proteomica plantelor. : jurnal. - 2012. - 24 mai ( vol. 3 , nr. 106 ). - doi : 10.3389/fpls.2012.00106 . — PMID 22654890 .
12. ↑ 1 2 Cardol P. NADH mitocondrial:ubichinona oxidoreductaza (complexul I) la eucariote: o compoziție de subunități extrem de conservată evidențiată prin extragerea bazelor de date de proteine  ​​//  Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2011. - Vol. 1807 , nr. 11 . - P. 1390-1397 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.06.015 . — PMID 21749854 .
13. ↑ Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin.  Caracterizarea tranziției active / de-active a complexului mitocondrial I  // Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2014. - iulie ( vol. 1837 , nr. 7 ). - P. 1083-1092 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2014.02.018 . — PMID 24569053 .
14. ↑ 1 2 Katarzyna Kmita, Volker Zickermann. Subunități accesorii ale complexului mitocondrial I  // Biochemical Society  Transactions : jurnal. - 01 octombrie 2013 — Vol. 41 , nr. 5 . - P. 1272-1279 . - doi : 10.1042/BST20130091 .
15. ↑ Ogilvie I., Kennaway NG, Shoubridge EA Un însoțitor molecular pentru asamblarea complexului I este mutat într-o encefalopatie progresivă  //  Journal of Clinical Investigation : jurnal. - 2005. - Vol. 115 , nr. 10 . - P. 2784-2792 . - doi : 10.1172/JCI26020 . — PMID 16200211 .
16. ↑ Dunning CJ, McKenzie M., Sugiana C., Lazarou M., Silke J., Connelly A., et al. CIA30 uman este implicat în asamblarea timpurie a complexului I și mutațiile în gena sa cauzează boala  //  The EMBO Journal : jurnal. - 2007. - Vol. 26 , nr. 13 . - P. 3227-3237 . - doi : 10.1038/sj.emboj.7601748 . — PMID 17557076 .
17. ↑ Saada A., Vogel RO, Hoefs SJ, van den Brand MA, Wessels HJ, Willems PH, et al. Mutațiile în NDUFAF3 (C3ORF60), care codifică o proteină de asamblare a complexului I care interacționează cu NDUFAF4 (C6ORF66), provoacă o boală neonatală fatală  // American  Journal of Human Genetics : jurnal. - 2009. - Vol. 84 , nr. 6 . - P. 718-727 . - doi : 10.1016/j.ajhg.2009.04.020 . — PMID 19463981 .
18. ↑ 1 2 3 Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. Mecanismul de cuplare al complexului respirator I — O perspectivă structurală și evolutivă  //  ​​Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2012. - octombrie ( vol. 1817 , nr. 10 ). - P. 1785-1795 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.015 . — PMID 22386882 .
19. ↑ Eubel H., Jänsch L., Braun HP Noi perspective asupra lanțului respirator al mitocondriilor vegetale: supercomplexe și o compoziție unică a complexului II  // Plant Physiology  : journal  . - Societatea Americană a Biologilor Plantelor , 2003. - Vol. 133 . - P. 274-286 . - doi : 10.1104/pp.103.024620 . — PMID 12970493 .
20. ↑ David Moreno-Lastres, Flavia Fontanesi, Inés García-Consuegra, Miguel A. Martín, Joaquín Arenas, Antoni Barrientos și Cristina Ugalde1. Complexul mitocondrial I joacă un rol esențial în asamblarea respirazomului uman  //  Metabolismul celular : jurnal. — Vol. 15 , nr. 3 . - P. 324-335 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.01.015 .
21. ↑ Berg, J., Tymoczko, J. și L Stryer. Biochimie  (neopr.) . — al 6-lea. - New York: WH Freeman & Company, 2006. - S. 509-513.
22. ↑ Brandt, U. NADH de conversie a energiei:chinonă oxidoreductază (complexul I)  (spaniola)  // Anual Review of Biochemistry : diario. - 2006. - V. 75 . - P. 69-92 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539 . — PMID 16756485 .
23. ↑ Grivennikova VG, Kotlyar AB, Karliner JS, Cecchini G., Vinogradov AD. Modificare dependentă de redox a afinității nucleotidelor față de situsul activ al complexului de mamifere I  (engleză)  // Biochimie : jurnal. - 2007. - august ( vol. 46 , nr. 38 ). - P. 10971-10978 . - doi : 10.1021/bi7009822 . — PMID 17760425 .
24. ↑ Ermakov, 2005 , p. 238.
25. ↑ 1 2 Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas & Leonid A. Sazanov. Structura cristalină a întregului complex respirator I  (engleză)  // Nature : journal. - 2013. - 28 februarie ( vol. 494 ). - P. 443-448 . - doi : 10.1038/nature11871 .
26. ↑ 1 2 3 Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin.  Caracterizarea tranziției active / de-active a complexului mitocondrial I  // Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2014. - iulie ( vol. 1837 , nr. 7 ). - P. 1083-1092 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2014.02.018 .
27. ↑ Galkin A., Moncada S. S-nitrosation of mitochondrial complex I depends on its structural conformation  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2007. - Decembrie ( vol. 282 , nr. 52 ). - P. 37448-37453 . - doi : 10.1074/jbc.M707543200 . — PMID 17956863 .
28. ↑ Moncada S., Erusalimsky JD Modulează oxidul nitric generarea de energie mitocondrială și apoptoza? (Engleză)  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : jurnal. - 2002. - Martie ( vol. 3 , nr. 3 ). - P. 214-220 . - doi : 10.1038/nrm762 . — PMID 11994742 .
29. ↑ Lianwei Peng, Hiroshi Yamamoto, Toshiharu Shikanai. Structura și biogeneza complexului de cloroplast NAD(P)H dehidrogenază  (engleză)  // Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - august 2011. - Vol. 1807 , nr. 8 . - P. 945-953 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2010.10.015 .
30. ↑ 1 2 Murphy MP Cum produc mitocondriile specii reactive de oxigen  // Biochemical  Journal : jurnal. - 2009. - ianuarie ( vol. 417 , nr. 1 ). - P. 1-13 . - doi : 10.1042/BJ20081386 . — PMID 19061483 .
31. ↑ Hansford RG, Hogue BA, Mildaziene V. Dependența formării H2O2 de către mitocondriile inimii de șobolan de disponibilitatea substratului și vârsta donatorului  //  J. Bioenerg. Biomembr. : jurnal. - 1997. - Februarie ( vol. 29 , nr. 1 ). - P. 89-95 . - doi : 10.1023/A:1022420007908 . — PMID 9067806 .
32. ↑ Muller FL, Liu Y., Abdul-Ghani MA, Lustgarten MS, Bhattacharya A., Jang YC, Van Remmen H. Rate ridicate de producție de superoxid în mitocondriile musculare scheletice care respiră atât pe substraturi legate de complexul I, cât și de complexul II  ( engleză)  // Biochemical Journal : jurnal. - 2008. - ianuarie ( vol. 409 , nr. 2 ). - P. 491-499 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . — PMID 17916065 .
33. ↑ Kussmaul L., Hirst J. Mecanismul producției de superoxid de către NADH: ubichinona oxidoreductază (complexul I) din mitocondriile inimii bovine  //  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2006. - Mai ( vol. 103 , nr. 20 ). - P. 7607-7612 . - doi : 10.1073/pnas.0510977103 . — PMID 16682634 .
34. ↑ Esterházy D., King MS, Yakovlev G., Hirst J. Production of reactive oxygen species by complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase) from Escherichia coli and comparison to the enzyme from mitocondria  //  Biochemistry : journal. - 2008. - martie ( vol. 25 , nr. 12 ). - P. 3964-3971 . - doi : 10.1021/bi702243b . — PMID 18307315 .
35. ↑ Moretti C., Grenand P. [„Nivrées”, sau plante ihtiotoxice din Guyana Franceză]  (fr.)  // Journal of Ethnopharmacology. - 1988. - Septembrie ( vol. 6 , nr. 2 ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
36. ↑ 1 2 Watabe M., Nakaki T. Inhibitorul complexului mitocondrial I rotenona inhibă și redistribuie transportorul de monoamină veziculoasă 2 prin nitrare în celulele SH-SY5Y dopaminergice umane  (engleză)  // Molecular Pharmocology: journal. - 2008. - iulie ( vol. 74 , nr. 4 ). - P. 933-940 . - doi : 10.1124/mol.108.048546 . — PMID 18599602 .
37. ↑ Zharova TV, Vinogradov AD. O inhibare competitivă a NADH-ubichinonă oxidoreductazei mitocondriale (complexul I) de către ADP-riboză  //  Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 1997. - iulie ( vol. 1320 , nr. 3 ). - P. 256-264 . - doi : 10.1016/S0005-2728(97)00029-7 . — PMID 9230920 .
38. ↑ Nakamaru-Ogiso E., Han H., Matsuno-Yagi A., Keinan E., Sinha SC, Yagi T., Ohnishi T. Subunitatea ND2 este marcată de un analog de fotoafinitate al asimicinei, un inhibitor puternic al complexului I.  )  // Scrisori FEBS : jurnal. - 2010. - ianuarie ( vol. 584 , nr. 5 ). - P. 883-888 . - doi : 10.1016/j.febslet.2010.01.004 . — PMID 20074573 .
39. ↑ Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Substanțele naturale (acetogenine) din familia Annonaceae sunt inhibitori puternici ai NADH dehidrogenazei mitocondriale (complexul I  )  // Biochemical Journal : jurnal. - 1994. - iulie ( vol. 301 ). - P. 161-167 . — PMID 8037664 .
40. ↑ Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Cellular and molecular mechanisms of metformin: an overview   // Clinical Science : jurnal. - 2012. - martie ( vol. 122 , nr. 6 ). - P. 253-270 . - doi : 10.1042/CS20110386 . — PMID 22117616 .
41. ↑ Chou AP, Li S., Fitzmaurice AG, Bronstein JM. Mecanisme de inhibiție a proteazomului indus de rotenonă  (engleză)  // Neurotoxicology : journal. - 2010. - Aprilie ( vol. 113 , nr. 4 ). - P. 674-682 . — doi : 10.1016/j.neuro.2010.04.006 . — PMID 20417232 .
42. ↑ Esteves AR, Lu J., Rodova M., Onyango I., Lezi E., Dubinsky R., Lyons KE, Pahwa R., Burns JM, Cardoso SM, Swerdlow RH. Respirația mitocondrială și proteinele asociate respirației în liniile celulare create prin transferul mitocondrial al subiectului Parkinson  //  Journal of Neurochemistry : jurnal. - 2010. - Februarie ( vol. 113 , nr. 3 ). - P. 674-682 . - doi : 10.1111/j.1471-4159.2010.06631.x . — PMID 20132468 .
43. ↑ Andreazza AC, Shao L., Wang JF, Young LT. Activitatea complexului I mitocondrial și deteriorarea oxidativă a proteinelor mitocondriale în cortexul prefrontal al pacienților cu tulburare bipolară  // JAMA  :  jurnal. - 2010. - Aprilie ( vol. 67 , nr. 4 ). - P. 360-368 . - doi : 10.1001/arhgenpsychiatry.2010.22 . — PMID 20368511 .
44. ↑ Moran M., Rivera H., Sánchez-Aragó M., Blázquez A., Merinero B., Ugalde C., Arenas J., Cuezva JM, Martín MA. Bioenergetica mitocondrială și dinamica interacționează în fibroblastele complexe cu deficit de I  //  Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2010. - Mai ( vol. 1802 , nr. 5 ). - P. 443-453 . - doi : 10.1016/j.bbadis.2010.02.001 . — PMID 20153825 .
45. ↑ Binukumar BK, Bal A., Kandimalla R., Sunkaria A., Gill KD. Insuficiența metabolismului energetic mitocondrial și disfuncția hepatică în urma expunerii cronice la diclorvos  (engleză)  // Toxicology : journal. - 2010. - Aprilie ( vol. 270 , nr. 2-3 ). - P. 77-84 . - doi : 10.1016/j.tox.2010.01.017 . — PMID 20132858 .
46. ↑ Stefanatos, R., & Sanz, A. (2011). Complexul mitocondrial I: un regulator central al procesului de îmbătrânire. Cell Cycle, 10(10), 1528-1532
47. ↑ Scialo, F., Mallikarjun, V., Stefanatos, R., & Sanz, A. (2013). Reglarea duratei de viață de către lanțul de transport de electroni mitocondrial: mecanisme dependente de speciile reactive de oxigen și mecanisme independente de speciile reactive de oxigen. Antioxidanți și semnalizare redox, 19(16), 1953-1969. doi : 10.1089/ars.2012.4900
48. ↑ López-Lluch, G., Santos-Ocaña, C., Sánchez-Alcázar, JA, Fernández-Ayala, DJM, Asencio-Salcedo, C., Rodríguez-Aguilera, JC, & Navas, P. (2015). Responsabilitatea mitocondrială în procesul de îmbătrânire: nevinovat, suspect sau vinovat. Biogerontology, 16(5), 599-620. doi : 10.1007/s10522-015-9585-9
49. ↑ Bowman, A. și Birch-Machin, M. A. (2016). Scăderea dependentă de vârstă a activității complexului II mitocondrial în fibroblastele pielii umane Arhivat 13 septembrie 2017 la Wayback Machine . Journal of Investigative Dermatology. doi:10.1016/j.jid.2016.01.017
50. ↑ Kruse, SE, Karunadharma, PP, Basisty, N., Johnson, R., Beyer, RP, MacCoss, MJ, Rabinovitch, PS și Marcinek, DJ (2016), Age modifies respiratory complex I and protein homeostasis in a muscle type -maniera specifica. Celulă în vârstă. Celulă de îmbătrânire, 15(1), 89-99. doi : 10.1111/acel.12412
51. ↑ Sanz, A., Soikkeli, M., Portero-Otín, M., Wilson, A., Kemppainen, E., McIlroy, G., ... & Kiviranta, E. (2010). Exprimarea drojdiei NADH dehidrogenazei Ndi1 în Drosophila conferă o durată de viață crescută independent de restricția alimentară Arhivat 24 iunie 2016 la Wayback Machine . Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(20), 9105-9110. doi : 10.1073/pnas.0911539107 PMC 2889079

Literatură

• Fiziologia plantelor / Ed. I. P. Ermakova. - M . : Academia, 2005. - 634 p.

Link -uri

• Grupul MRC MBU Sazanov
• Pagina principală a Complexului I de la Institutul de Cercetare Scripps
• MeSH Electron+Transport+Complex+I