NADH dehidrogenáz komplex

A NADH dehidrogenáz komplex , más néven komplex I vagy NADH ubikinon oxidoreduktáz , a légúti elektrontranszport lánc  első multiprotein komplexe . A komplex számos másolata található az oxigénlégzésre képes prokarióta szervezetek membránjaiban és az eukarióta sejtek mitokondriumainak belső membránjaiban . Az emberi fehérjékkel kapcsolatban az I-es komplexet gyakran NADH-dehidrogenáznak nevezik .

Ez a komplex központi szerepet játszik a sejtlégzés és az oxidatív foszforiláció folyamataiban: az ATP- szintézis protongradiensének közel 40% -át ez a komplex hozza létre [1] . Az I. komplex oxidálja a NADH -t és redukálja az ubikinon egy molekuláját , amely a membránba kerül. Minden oxidált NADH molekula után a komplex négy protont szállít a membránon keresztül .

Az I-es komplexet (NADH-dehidrogenáz) számos objektumból izolálták: szarvasmarha szív mitokondriumai , cukorrépa ( Beta vulgaris ), burgonya ( Solanum tuberosum ), bab ( Vicia faba ), Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) és rizs ( Oryza sativa ) ), valamint a Neurospora crassa neurospóra gomba mitokondriumaiból és az Escherichia coli ( Esherichia coli ) membránjaiból [2] .

Az I komplexum szerkezeti szervezése

A prokariótákban az I. komplex 14 fő alegységből áll , amelyek a komplex magját alkotják, amelyek nélkül nem működik. Hét alegység rendkívül hidrofób és a membránban lokalizálódik, míg hét viszonylag hidrofil a membránon kívül. Az eukariótákban az evolúció eredményeként a komplexet hozzávetőleg 30 segédalegységből álló „bunda” borította, számuk tárgytól függően változhat. Emlősökben tehát ez az enzim 44, míg a Yarrowia lipolytica gombában  48 alegységből áll [3] . Ennek a felépítménynek köszönhetően az I. komplex molekulatömege csaknem megduplázódott: ~550 kDa -ról a baktériumokban a ~1 M Da -ra a mitokondriumokban [4] .

Az elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy az I komplex (mind a baktériumokból , mind a mitokondriumokból ) jellegzetes L-alakú. Emiatt az alakja, valamint a szokatlan, mintha ráncos molekulafelülete miatt kaptam a tudósoktól a "régi cipő" becenevet. A hidrofób "talpat" a membránba ágyazott fehérjék képviselik, a hidrofil rész - a "boka" - pedig a mátrix felé néz [2] .

Az ubikinon -kötő modul négy alegysége az enzim membrán részének alegységeivel együtt alkotja az ubikinon kötőhelyet, ahol kölcsönhatásba lép az N2 vas-kén klaszterrel , két elektront fogad be, és ubikinollá redukálódik . Az N2-klaszter, amely az utolsó a klaszterek sorában, amelyeken keresztül az elektronok a NADH -ból az ubikinonba kerülnek, ~15 Å -kal emelkedik a membrán fölé . Maga az üreg, amelyben az ubikinon kötődik, 30 Å hosszú, és a teljes molekula befogadására képes, valamint hét izoprén egységből álló hosszú hidrofób farok. Az üregnek szűk bejárata van, így a hosszú hidrofób lánc kénytelen egy bizonyos konformációt felvenni, amely az enzimatikus reakció során végig megmarad. Egy ilyen hosszú és keskeny kötőhely jelenléte az I. komplex jellemzője. Az üregben az ubikinon kölcsönhatásba lép a konzervált tirozin és hisztidin maradékokkal [ 5] .

Gombákban, állatokban és edényes növényekben a membrándomént alkotó 44 alegység közül legalább hetet a mitokondriális genom kódol [6] . Az emlősökben pontosan hét van ebből az alegységből [7] [8] . A növényekben a mitokondriális DNS kilenc alegységet kódol: a komplex hidrofób részének részét képező hét alegységen kívül két olyan alegységet kódol, amelyek homológok az emlősök 49 kDa-os és 30 kDa-os alegységeivel, a fennmaradó komponensek pedig a nukleáris gének szabályozása [2] . Előfordulhat azonban, hogy ezek a burgonya és Arabidopsis plasztomákból származó adatok nem érvényesek más növényfajokra, és a mitokondriumokban kódolt alegységek száma fajonként változhat. Így a Marchantia polymorpha májfűben a 49 kDa polipeptiddel homológ NAD7 alegységet a nukleáris genom kódolja és a mitokondriumokba szállítja, a megfelelő mitokondriális DNS-gén pedig pszeudogénné alakult, és nem működik [9] .

Vizsgálatok kimutatták, hogy az I komplex nem különbözik lényegesen tulajdonságaiban állati és növényi eredetű tárgyakban [2] . A növényeknek azonban vannak bizonyos alegységei, amelyek bizonyos esetekben funkcionális tulajdonságokhoz vezetnek. Az Arabidopsis I komplexének elemzése azt mutatja, hogy az alegységek több mint 30%-a növényspecifikus [10] . Például az I. növényi komplex membránmoduljának része az úgynevezett γ-karboanhidráz szerkezeti modul és az L-galakton-1,4-lakton dehidrogenáz, amely egyben az aszkorbinsav mitokondriális útvonalának utolsó enzime. bioszintézis [11] .

A fő (mag) alegységek táblázata

A segédalegységek táblázata

Az összes mitokondriális komplexumnak számos további alegysége van, amelyek nem nélkülözhetetlenek a katalitikus aktivitáshoz , és fajonként különböznek. Nyilvánvalóan bizonyos funkcionális terhelést hordoznak, mivel a bennük lévő mutációk veleszületett betegségekhez vezetnek . Egyes alegységeknél kimutatták bizonyos funkciók jelenlétét, például a B16.6 (GRIM-19) az apoptózisban , a 39 kDa-os alegység (NDUFA9) pedig a komplex aktivitásának szabályozásában [13] ] . Ami a fennmaradó alegységeket illeti, ezek lehetséges szerepe a szabályozásban, összeszerelésben, stabilizálásban és a reaktív oxigénfajták elleni védelemben jelenleg aktívan vita tárgyát képezi . Meg kell említeni, hogy a további alegységek jelentősen megnövelik a sejt energiaköltségeit a komplex szintéziséhez , összeállításához és lebontásához. Az ilyen költségek azonban megtérülhetnek egy olyan eukarióta sejt esetében, amelyben a fehérjeszintézis folyamata jól szabályozott és ebben az értelemben tökéletesített. Másrészt, ha az I. komplex stabilizálásához járulékos alegységekre van szükség, továbbra is tisztázatlan, hogy a minimálisan szükséges mennyiségű polipeptidből álló bakteriális komplexek hogyan működnek sikeresen nélkülük. Jelenleg a tudósoknak nincs egyértelmű válaszuk ezekre a kérdésekre [5] .

Néhány további alegységet különféle kinázok foszforilálnak , ami soha nem történik meg a mag alegységekkel. Feltételezhető, hogy így a komplexum működésének szabályozása történik. A komplex egyik alegységeként egy acil-hordozó fehérje (NDUFAB1) található, foszforilált pantoténsavval mint protéziscsoport . Úgy gondolják, hogy részt vesz a liponsav szintézisében , a sérült membránlipidek helyreállításában , vagy más fehérjéket módosít mirisztinsav-maradékokkal . Megjegyzendő, hogy ennek a fehérjének a működése nem függ az I-es komplexszel való közvetlen fizikai érintkezéstől, jelentős része pedig szabad formában van jelen a mitokondriális mátrixon belül [14] .

Kofaktorok

A NADH dehidrogenáz komplex összes protetikus csoportja (egy flavin mononukleotid és 8-9 vas-kén klaszter ) a perifériás vízoldható doménben található. Az emlősöknek, mint minden gerincesnek , nyolc [7] van . Hét klaszter alkot egy ~96 Å hosszúságú elektrontranszport láncot az FMN -től az ubikinon kötődési helyéig . A jelenlegi adatok alapján feltételezhető, hogy az elektronátvitel a következő úton megy végbe: NADH → FMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q. Először két elektron kerül át a flavinba, majd a láncklasztereken keresztül egyesével átkerülnek a kinon kötőhelyre, és redukálják azt Q– 2 állapotba . Az N1a klaszter a flavin kofaktor közelében található , és bizonyos távolságra a fő elektronszállító lánctól. Ez a klaszter a fajok között erősen konzervált ; úgy gondolják, hogy szabályozza az elektrontranszport sebességét a komplexen belül egy elektron átvitelével az FMN-ről [4] . Létezik egy olyan modell, amely szerint a flavinból származó elektronok egyike a kinonhoz vezető főút mentén halad, míg a másik az N1a klaszterben raktározódik, majd a flavoszemikinonon keresztül visszatér a főláncba. Lehetséges, hogy ez a mechanizmus lehetővé teszi a reaktív oxigénfajták képződésének csökkentését a redukált flavinon. Ezenkívül lehetővé teszi annak az állapotnak a stabilizálását (maximum egy ezredmásodpercig ), amikor az utolsó N2-klaszter helyreáll, de nincs második elektron, amely befejezné az ubikinon redukcióját. Egy ilyen állapot szükséges lehet a protontranszporttal kapcsolatos konformációs változásokhoz.

A lánc egyes klaszterei (N3, N4 és N6a) magas redoxpotenciállal (redoxpotenciál) rendelkeznek –0,25 V szinten , míg három másik csoport (N1b, N5 és N6b) alacsonyabb potenciállal rendelkezik. Ennek eredményeként a redoxpotenciál az elektron útján hullámvasúthoz hasonlóan változik . Egy ilyen energiaállapot-változási görbe számos redox enzimre jellemző: lehetővé teszi az elektrontranszport sebességének optimalizálását és hatékony energiaátvitelt [4] .

Az N5 klaszter nagyon alacsony potenciállal rendelkezik, és korlátozza a teljes elektronáramlás sebességét az egész áramkörben. A vas-kén-centrumok szokásos ligandumai (négy cisztein-maradék ) helyett három cisztein- és egy hisztidin -maradék koordinálja , és töltéssel ellátott poláris csoportok is veszik körül, bár az enzim mélyén található . 4] .

A lánc terminális klasztere, az N2, szintén szokatlan ligandumokkal rendelkezik. Redox potenciálja a legmagasabb az összes klaszter közül (-0,1 és -0,15 V között). Négy egymást követő cisztein-maradékhoz kapcsolódik a polipeptidláncban, ami feszült konformációt hoz létre. Emiatt, amikor helyreállítják, a szomszédos láncokban konformációs változások következnek be, valószínűleg protontranszporttal [4] .

Az N7 klaszter csak egyes baktériumok I komplexében van jelen. Jelentősen eltávolodik a többi klasztertől, és nem tud elektront cserélni velük, tehát úgy tűnik, ez egy ereklye . Egyes, az I. komplexhez kapcsolódó bakteriális komplexekben négy konzervált ciszteinmaradékot találtak az N7 és más klaszterek között, és egy további Fe 4 S 4 klasztert, amely összeköti az N7-et a többi klaszterrel , az Aquifex aeolicus baktérium I. komplexében. Ez arra enged következtetni, hogy az A. aeolicus komplexben az I. komplexben a NADH mellett egy másik elektrondonor is használható, amely az N7-en keresztül továbbítja azokat [18] .

A mitokondriális komplex összeállítása I

Az I. mitokondriális komplex a III. és IV . légúti komplexekkel , az úgynevezett respiraszómákkal alakul ki . Az emlősök és az emberek mitokondriumában a komplex mintegy 90%-a a respiraszómában található. Fiatal bambuszrizómákból származó mitokondriumokon azt is kimutatták, hogy az I. komplex teljes mennyiségének 90%-a respiraszómákká , Arabidopsisban  pedig I-III 2 szuperkomplexekké áll össze [19] . Rengeteg bizonyíték van arra, hogy a respiraszómák jelenléte szükséges az I. komplex stabilitásához és működéséhez, amely komplex a III. vagy IV. komplex hiányában instabil. Például mutáns humán sejtekben kimutatták, hogy az I. komplex szükséges a III. komplex kialakulásához, másrészt a III. komplex elvesztése az I. komplex elvesztéséhez vezet. Ezenkívül számos állat sejtvizsgálatok bizonyítják, hogy az I. komplex szükséges a IV. stabilitási komplexhez és a III. komplex dimerje .

A közelmúltban humán sejttenyészetben kimutatták, hogy a IV-es és III-as komplex szükséges a teljes I-es komplex összeállításához, míg maga a nem teljesen összeállított komplex a respirázok kialakulásának alapja. A IV-es és III-as komplexek jelenléte a respiraszómában szükséges ahhoz, hogy a NADH-dehidrogenáz modul katalitikus alegységei az I-es komplexhez kapcsolódjanak, amelyek teljesen aktiválják a komplexet és a teljes respiraszómát [20] .

Reakció

A NADH dehidrogenáz komplex oxidálja a mátrixban képződő NADH-t a trikarbonsav ciklus során . A NADH-ból származó elektronokat a membrántranszporter, az ubikinon Q regenerálására használják, amely a mitokondriális elektrontranszport lánc következő komplexéhez, a III-as komplexhez vagy a citokróm bc 1 komplexhez szállítja őket [21] .

A NADH-dehidrogenáz komplex úgy működik, mint egy protonpumpa : minden oxidált NADH és redukált Q esetében négy protont pumpálnak a membránon keresztül a membránok közötti térbe [22] :

A reakció során keletkező elektrokémiai potenciált az ATP szintézisére használják fel . Érdekes módon az I komplex által katalizált reakció reverzibilis, ezt a folyamatot aerob szukcinát által kiváltott NAD + redukciónak nevezik . Magas membránpotenciál és feleslegben redukált ubikinol esetén a komplex elektronjaik segítségével redukálhatja a NAD +-t , és protonokat juttathat vissza a mátrixba. Ez a jelenség általában akkor figyelhető meg, ha sok a szukcinát, de kevés az oxálacetát vagy a malát . Az ubikinon redukcióját a szukcinát-dehidrogenáz , glicerin-3-foszfát-dehidrogenáz vagy a mitokondriális dihidroorotát-dehidrogenáz enzimek végzik . Magas protongradiens esetén a komplex ubiquinol iránti affinitása megnő, az ubiquinol redoxpotenciálja pedig csökken a koncentrációjának növekedése miatt, ami lehetővé teszi az elektronok fordított transzportját a belső mitokondriális membrán elektromos potenciálja mentén . NAD [23] . Ezt a jelenséget laboratóriumi körülmények között megfigyelték, de nem ismert, hogy élő sejtben fordul-e elő.

Protontranszport mechanizmus

Az I komplex vizsgálatának kezdeti szakaszában egy olyan modell, amely azon a feltételezésen alapul, hogy a komplexben egy Q-ciklushoz hasonló rendszer működik . A későbbi vizsgálatok azonban nem találtak belsőleg kötött kinonokat az I. komplexben, és teljesen megcáfolták ezt a hipotézist [24] .

Úgy tűnik, hogy a NADH-dehidrogenáz komplex egyedülálló protontranszport-mechanizmussal rendelkezik magán az enzim konformációs változásán keresztül. Az ND2, ND4 és ND5 alegységeket antiport -szerűnek nevezzük, mivel homológok egymással és a bakteriális Mrp Na + /H + antiportokkal. Ez a három alegység alkotja a három fő protoncsatornát, amelyek konzervált töltésű aminosavakból (főleg lizinből és glutamátból ) állnak. A negyedik protoncsatornát az Nqo8 alegység egy része és a kis ND6, ND4L és ND3 alegységek alkotják. A csatorna szerkezetében hasonló az antiport-szerű alegységek hasonló csatornáihoz, de szokatlanul sok sűrűn csomagolt glutamát-maradékot tartalmaz a mátrix oldalán, innen ered az E-csatorna elnevezés (a latin E a glutamát szabványos megnevezése). Az ND5 alegység C-terminálisától egy meghosszabbítás nyúlik ki , amely két transzmembrán α-hélixből áll, amelyeket egy szokatlanul hosszú (110 Å) α-hélix [4] (HL) köt össze, amely az alegység oldalán haladva mátrix felé néző komplex, fizikailag összeköti mindhárom antiport-szerű alegységet, és részt vehet az elektrontranszport konformációs átrendeződéssel való összekapcsolásában. Egy másik konjugáló elemet, a βH-t, egymást átfedő β-hajtűk és α-hélixek alkotják, és a komplex ellentétes, periplazmatikus oldalán található [25] .

Még mindig teljesen ismeretlen, hogy az elektronok szállítása pontosan hogyan párosul a protonok szállításával. Úgy gondolják, hogy az N2 klaszter erőteljes negatív töltése széttolja a környező polipeptideket, ezáltal konformációs változásokat idéz elő, amelyek valamilyen módon továbbterjednek az összes egymástól meglehetősen távol elhelyezkedő antiport-szerű alegységre. Egy másik hipotézis azt sugallja, hogy a konformációs változás stabilizált ubiquinol Q–2-t indukál rendkívül alacsony redoxpotenciállal és negatív töltéssel a szokatlanul hosszú ubikinon kötőhelyen . A konformációs változások és a kapcsolódó protontranszport kinetikájának számos részlete ismeretlen [25] .

Aktív és inaktív űrlapok

Az eukarióta NADH-dehidrogenáz komplex két különböző formában létezik: egy teljesen működőképes, úgynevezett aktív vagy A-forma, és egy második, katalitikusan inaktív vagy D-forma. Ha az enzimet emelt, de fiziológiás hőmérsékleten (> 30 °C) tartják szubsztrát hiányában , az enzim D formába változik. Katalitikusan inaktív, de szubsztráttal (NADH és ubikinon) aktiválható, amelyre elektronok ürülhetnek. Egy vagy több enzimatikus ciklus után a komplex aktívvá válik, és a reakció sebessége nő. Ilyen átmenet csak gerinceseknél és gombáknál található, gerincteleneknél vagy baktériumoknál nem . A növényi komplexeket nem vizsgálták. Kétértékű kationok (Mg 2+ , Ca 2+ ) jelenlétében vagy lúgos pH -n az aktiválás sokkal tovább tart, a szabad palmitinsav pedig nagymértékben megnöveli az aktív formából a dezaktivált formába való átmenet gyakoriságát [26] .

Az A- formából a D-formába való átmenet magas aktiválási energiája (270 kJ/mol) azt jelzi, hogy a komplexben jelentős konformációs átrendeződés megy végbe. Eddig az egyetlen azonosított különbség a két forma között az enzim felületén lévő ciszteinmaradékok száma. A legújabb adatok szerint a kinonkötő hely közelében található alegységek vesznek részt ebben a folyamatban: 39 kDa, ND3 és ND1 [26] . Az I. komplex D-formáinak speciális reagensekkel ( N-etil-maleimid vagy Ellman-reagens ) történő kezelése visszafordíthatatlanul blokkolja ezeket a fontos cisztein-maradékokat, lehetetlenné téve az enzim újraaktiválását. Érdekes módon az I komplex A-formája érzéketlen a szulfhidrilekre , ami azt jelzi, hogy a cisztein-maradékok mélyen el vannak temetve a fehérjében. A deaktivált forma viszont érzékeny a nitrozotiolok és a peroxinitrit [27] általi gátlására .

Az I. komplex konformációs változásai nagy élettani jelentőséggel bírnak. A hipoxia után az oxigénszint helyreállítása a NAD(P)H oxidáció megugrásához és reaktív oxigénfajták képződéséhez vezethet, ami károsíthatja a mitokondriumokat és szöveti nekrózist okozhat . A komplex aktív formájából inaktív formába való átmenet kóros körülmények között történik, amikor az enzim fordulatszáma normál, fiziológiás testhőmérsékleten csökken, például hipoxia , ischaemia vagy a nitrogén arány növekedése esetén. oxid (NO) / oxigén a szövetekben (az úgynevezett metabolikus hipoxia). Ily módon az I-es komplex megakadályozza, hogy a megmaradt légúti komplexek oxidálódjanak, amikor az oxigénszint helyreáll. Ráadásul az inaktív forma nem képes fordított elektrontranszportra, ami csökkenti a ROS képződését [28] [26] .

Evolúciós eredet

A NADH-dehidrogenáz komplex a membrán - oxidoreduktázok családjába tartozik a NiFe-hidrogenázok osztályából , amelyek anaerob baktériumokban és archaeákban a szubsztrát oxidációjának és hidrogénredukciójának reakcióját protontranszporttal kapcsolják össze. A fehérjehomológiai adatok alapján megállapítható, hogy a komplex két, különböző, egymástól független fehérjecsaládból származó, már létező komplex egyesülése eredményeként jött létre . A NADH-dehidrogenáz és ubikinon-kötő modulok az oldható NiFe-hidrogenázból származtak, amely a NADH-t oxidálta és a hidrogént redukálta, míg a komplex protonpumpáló hidrofób membrán „talpa” a Na + /H + antiportokból, Mrp [4] .

Az oldható hidrogenáz és az antiport fehérjék fúziója nagyszámú membrán hidrogenáz és dehidrogenáz kialakulásához vezetett, amelyekből később komplex I alakulhat ki. Ezeknek az enzimeknek a háromdimenziós szerkezete valószínűleg hasonló az I komplexéhez. A dehidrogenázok közé tartoznak a következők: 11 alegységből álló archaeális Fpo komplex, amely oxidálja a hidrogénhez kapcsolódó F 420 kofaktort, és redukálja a metanofenazint (analóg az ubikinonnal), két elektrononként egy protont pumpálva át a membránon. Ez az enzim nem rendelkezik NADH-dehidrogenáz modullal. A hidrogenázok csoportjába tartoznak az Escherichia coliból származó hidrogén-formiát-liázok: hét alegységből álló hidrogén-formiát-liáz-1 és tíz alegységből álló hidrogén-formiát-liáz-2. Mindkét enzim oxidálja a formiátot a hidrogén redukálásával, több proton átvitelével a membránon [18] .

Az I komplexhez kapcsolódó fehérjék közül a legegyszerűbb a Methanosarcina barkeri archaea Ech-hidrogenáza ( E.  coli hidrogenáz-3-típusú hidrogenáz ) . Mindössze hat alegységből áll, és egy protont pumpál a ferredoxin oxidációja eredményeként egy hidrogénmolekula redukciójával. Az Ech tartalmazza az oxidációs reakció protontranszporttal való összekapcsolásához szükséges minimális (az I komplexhez homológ) alegységeket [18] .

Ezenkívül az I. komplex megtalálható a kloroplasztiszokban , mint a kloroplaszt NADH-dehidrogenáz komplex . Pontos felépítése és funkciói máig ismeretlenek [29] .

Reaktív oxigénfajták kialakulása

Az I. komplex munkája során reaktív oxigénvegyületeket képez [30] . Általában szuperoxid (és hidrogén-peroxid is ), és legalább kétféleképpen képződik. A közvetlen elektrontranszport során a légzés során nagyon kis mennyiségű szuperoxid képződik (valószínűleg a teljes elektronáramlás kevesebb, mint 0,1%-a kerül át oxigénbe ) [30] [31] .

A reverz elektrontranszport során, amely aerob szukcinát által kiváltott NAD + redukció körülményei között megy végbe, az I. komplex a szuperoxid képződés legaktívabb helyévé válhat: az elektronok akár 5%-a oxigénredukcióba megy [32] .

A szuperoxid a NADH-dehidrogenáz komplexben az FMN H 2 -ből O 2 -re történő egy elektron átvitel eredményeként jön létre . A keletkező flavin gyök instabil, és a megmaradt elektront a vas-kén klaszterekbe viszi át. A szuperoxid képződés szintjét a NADH/NAD + arány határozza meg ; olyan körülmények között, amikor kis mennyiségű NAD redukálódik, a NAD + sikeresen verseng az elektronokért az oxigénnel [33] [34] .

Inhibitorok

A legtöbbet tanulmányozott I komplex inhibitor a rotenon (széles körben használt szerves peszticid ). A rotenon és a rotenoidok olyan izoflavonoidok , amelyek számos trópusi növénynemzetség gyökereiben jelen vannak, mint például az Antonia ( Loganiaceae ), a Derris és a Lonchocarpus ( Fabaceae ). A rotenont régóta használják rovarirtó és halméregként, mivel a rovarok és halak mitokondriumai különösen érzékenyek rá. Ismeretes, hogy Francia Guyana őslakosai és más dél-amerikai indiánok már a 17. században használtak rotenon tartalmú növényeket halászatra [35] . A rotenon kölcsönhatásba lép az ubikinon kötőhellyel, és verseng a fő szubsztráttal. Kimutatták, hogy az I komplex rotenon általi hosszú távú szisztémás gátlása a dopaminerg neuronok szelektív halálát idézheti elő (a dopamint neurotranszmitterként választja ki ) [36] . Hasonlóképpen, a pyericidin A , az I. komplex másik erős inhibitora szerkezetileg hasonló az ubikinonhoz. Ebbe a csoportba tartozik még a nátrium-amitál  , a barbitursav származéka [2] .

Az I komplex több mint 50 éves tanulmányozása ellenére nem találtak olyan inhibitort, amely blokkolná a komplexen belüli elektronátvitelt. A hidrofób inhibitorok, mint például a rotenon vagy a piricidin, egyszerűen megszakítják az elektrontranszfert a terminális N2-klaszterből az ubikinonba [36] .

Egy másik vegyület, amely blokkolja az I komplexet, az adenozin-difoszfát ribóz , amely egy kompetitív inhibitor a NADH oxidációs reakciójában. Az enzimhez a nukleotid kötőhelyen (FAD) kötődik [37] .

Az egyik legerősebb komplex I inhibitor az acetogenin család . Kimutatták, hogy ezek az anyagok kémiai keresztkötéseket képeznek az ND2 alegységgel, ami közvetetten jelzi az ND2 szerepét az ubikinon megkötésében [38] . Érdekes módon az acetogenin rolliniasztatin-2 volt az első olyan komplex I inhibitor, amelyet felfedeztek, és amely más helyen kötődik, mint a rotenon [39] .

A metformin antidiabetikus gyógyszer mérsékelt gátló hatású ; nyilvánvalóan a gyógyszernek ez a tulajdonsága áll a hatásmechanizmus hátterében [40] .

Patológiák

A komplex I. alegység gének mutációi mitokondriális betegségekhez , például Leigh-szindrómához vezethetnek . A komplex mitokondriális alegységeinek pontmutációi Leber optikai neuropátiáját is okozhatják . Bizonyíték van arra, hogy az I. komplex szerkezetének hibái szerepet játszhatnak a Parkinson-kór etiológiájában , valószínűleg a reaktív oxigénfajták képződése miatt [41] . Így kimutatták, hogy Parkinson-kórban szenvedő betegek sejtkultúráiban az I. komplexben megnövekszik a protonszivárgás, ami csökkenti a maximális légzési kapacitást [42] . Növényekben az I. komplex mutációit leírták a dohányban ( Nicotiana silvestris ) és a kukoricában ( Zea mays ): a mutációkat pollenpatológia kísérte, és citoplazmatikus hímsterilitáshoz vezettek [2] .

A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy a komplex I szokatlan szerepet játszik az agyműködésben . Ennek az enzimnek az aktivitása jelentősen csökken a bipoláris zavarban szenvedő betegeknél , de normális marad depresszióban vagy skizofréniában szenvedő betegeknél . Bipoláris zavarban szenvedő betegeknél fokozott fehérjeoxidációt és nitrációt figyeltek meg a prefrontális kéregben . Ezek az eredmények a komplex I-t a bipoláris zavar jövőbeni terápiás kutatásának célpontjává teszik [43] [44] .

Az I komplexet blokkoló peszticideknek való kitettség messzemenő következményekkel járhat. Például az alacsony koncentrációjú szerves foszfátnak és a diklórfosz peszticidnek való hosszan tartó expozíció májműködési zavarokat okoz . A diklórfosz megváltoztatja az I. és II. komplexek aktivitását, ami az elektrontranszport lelassulásához és az ATP szintézis csökkenéséhez vezet [45] .

Az I. komplex szerepe az öregedésben

Számos tanulmányból származó bizonyítékok arra utalnak, hogy a mitokondriumok, és különösen az I. és II. komplexek kulcsszerepet játszanak az öregedést és az élettartamot befolyásoló folyamatokban [46] [47] [48] [49] . Feltételezhető, hogy a fehérjeszintézis és a fehérje-utánpótlás lassulása az öregedés során a légzőszervi alegységek sztöchiometriájának meghibásodásához vezet. Ez pedig a komplex I működésének hatékonyságának megsértését és a mitokondriális oxidatív stressz növekedését okozza , ami a legkifejezettebb az izomszövetekben [50] .

Egy alternatív élesztő NADH-dehidrogenáz Ndi1 , amely az I-es komplexen kívül csak egy alegységből áll, a Drosophila genomjába inszertálva az intramitokondriális NADH oxidáció normális szintjét helyreállította, és ennek a légynek az élettartamát jelentősen meghosszabbította . étrendjének kalóriakorlátozása [51 ] .

Lásd még

• Citokróm- b 6 f -komplex
• Citokróm -bc 1 -komplex
• Alternatív oxidáz
• ETF dehidrogenáz

Jegyzetek

1. ↑ Csak néhány baktérium rendelkezik az N7 vas-kén klaszterrel (például E. coli és T. thermophilus ).
2. ↑ Az E. coliban és néhány más baktériumban a NuoC (30 kDa) és a NuoD (49 kDa) alegységek egyesülnek.
3. ↑ 1 2 Megtalálható néhány gombában, mint például a Schizosaccharomyces pombe .

Források

1. ↑ Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran és Leonid A. Sazanov. Az I. légúti komplexum architektúrája  (neopr.)  // természet. - 2010. május 27. - 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 is a complex of 45 different subunits  //  Journal of Biological Chemistry  : Journal. - 2006. - október ( 281. évf. , 43. sz.). - P. 32724-32727 . - doi : 10.1074/jbc.M607135200 . — PMID 16950771 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Leonyid A. Szazanov. Egy óriási molekuláris protonpumpa: az I. légzőkomplex szerkezete és mechanizmusa  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : folyóirat  . - 2015. - június ( 16. évf. , 6. sz.). - P. 375-388 . - doi : 10.1038/nrm3997 . — PMID 25991374 .
5. ↑ 1 2 3 4 Judy Hirst. Mitochondrial Complex I  (angol)  // Annual Review of Biochemistry : folyóirat. - 2013. június . 82 . - P. 551-575 . - doi : 10.1146/annurev-biochem-070511-103700 .
6. ↑ Cardol P., Lapaille M., Minet P., Franck F., Matagne RF, Remacle C. A Chlamydomonas reinhardtii-ben kódolt I. mitokondriális komplex ND3 és ND4L alegységei szükségesek az enzim aktivitásához és összeállításához  .)  // Eukarióta sejt. : folyóirat. - 2006. - szeptember ( 5. évf . 9. sz .). - P. 1460-1467 . — PMID 16963630 .
7. ↑ 1 2 Voet, Judith G.; Voet, Donald. Biokémia  (neopr.) . — 3. - 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 Az NDUFA4 az emlős elektrontranszportláncának IV komplexének alegysége  // Cell  Metabolism : folyóirat. - 2012. - szeptember ( 16. évf. , 3. sz.). - P. 378-386 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
9. ↑ Allan G Rasmussonb, Volker Heiserc, Eduardo Zabaletaa, Axel Brennickea, Lutz Grohmannd. Az I. mitokondriális komplex fiziológiai, biokémiai és molekuláris vonatkozásai növényekben  (angol)  // Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 1998. - május ( 1364. évf . , 2. sz.). - 101-111 . o . - doi : 10.1016/S0005-2728(98)00021-8 .
10. ↑ Peters K., Belt K., Braun H.-P. Az Arabidopsis I komplexum 3D  géltérképe (neopr.)  // Front. Plant Sci. Növényproteomika.. - 2013. - V. 5 , 153. sz . - doi : 10.3389/fpls.2013.00153 . — PMID 23761796 .
11. ↑ Meyer EH Az I. komplex összetételének proteomikai vizsgálatai: hogyan definiáljunk alegységet?  (angol)  // Front. Plant Sci. Növényi proteomika. : folyóirat. - 2012. - május 24. ( 3. köt. , 106. sz.). - doi : 10.3389/fpls.2012.00106 . — PMID 22654890 .
12. ↑ 1 2 Cardol P. Mitokondriális NADH:ubikinon-oxidoreduktáz (I. komplex) eukariótákban: egy erősen konzervált alegység-összetétel, amelyet fehérjeadatbázisok bányászata emel ki  //  Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2011. - 20. évf. 1807 , sz. 11 . - P. 1390-1397 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.06.015 . — PMID 21749854 .
13. ↑ Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin. Az I. mitokondriális komplex aktív   / deaktív átmenetének jellemzése // Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2014. - július ( 1837. évf . , 7. sz.). - P. 1083-1092 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2014.02.018 . — PMID 24569053 .
14. ↑ 1 2 Katarzyna Kmita, Volker Zickermann. A mitokondriális komplex I. kiegészítő alegységei  // Biochemical Society  Transactions : folyóirat. - 2013. október 01 — Vol. 41 , sz. 5 . - P. 1272-1279 . - doi : 10.1042/BST20130091 .
15. ↑ Ogilvie I., Kennaway NG, Shoubridge EA Egy molekuláris chaperon az I komplex összeállításához progresszív encephalopathiában mutált  //  Journal of Clinical Investigation : folyóirat. - 2005. - 20. évf. 115 , sz. 10 . - P. 2784-2792 . - doi : 10.1172/JCI26020 . — PMID 16200211 .
16. ↑ Dunning CJ, McKenzie M., Sugiana C., Lazarou M., Silke J., Connelly A. és munkatársai. A humán CIA30 részt vesz a komplex I korai összeállításában, és génjének mutációi betegséget okoznak  //  The EMBO Journal : folyóirat. - 2007. - Vol. 26 , sz. 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 és mások. Az NDUFAF4 (C6ORF66) kölcsönhatásba lépő I komplex összeállítási fehérjét kódoló NDUFAF3 (C3ORF60) mutációi halálos újszülöttkori betegséget okoznak  // American  Journal of Human Genetics : folyóirat. - 2009. - 1. évf. 84 , sz. 6 . - P. 718-727 . - doi : 10.1016/j.ajhg.2009.04.020 . — PMID 19463981 .
18. ↑ 1 2 3 Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. Az I. légzési komplexum kapcsolódási mechanizmusa – Szerkezeti és evolúciós perspektíva  //  Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2012. - október ( 1817. évf . , 10. sz.). - P. 1785-1795 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.015 . — PMID 22386882 .
19. ↑ Eubel H., Jänsch L., Braun HP Új betekintés a növényi mitokondriumok légzési láncába: szuperkomplexek és a II. komplex egyedülálló összetétele  // Plant Physiology  : Journal  . - American Society of Plant Biologists , 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 és Cristina Ugalde1. Az I. mitokondriális komplexum alapvető szerepet játszik az emberi respiraszóma  összeállításban //  Sejtanyagcsere : folyóirat. — Vol. 15 , sz. 3 . - P. 324-335 . - doi : 10.1016/j.cmet.2012.01.015 .
21. ↑ Berg, J., Tymoczko, J. és L Stryer. Biokémia  (neopr.) . — 6. - New York: WH Freeman & Company, 2006. - S. 509-513.
22. ↑ Brandt, U. Energiakonvertáló NADH:kinon-oxidoreduktáz (I. komplex)  (spanyol)  // Annual Review of Biochemistry : napló. - 2006. - V. 75 . - 69-92 . o . - doi : 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539 . — PMID 16756485 .
23. ↑ Grivennikova VG, Kotlyar AB, Karliner JS, Cecchini G., Vinogradov AD. A nukleotid-affinitás redoxfüggő változása az I. emlőskomplexum aktív helyéhez  (angolul)  // Biochemistry : Journal. - 2007. - augusztus ( 46. évf. , 38. sz.). - 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 és Leonid A. Sazanov. A teljes légzési komplexum kristályszerkezete I  (angol)  // Nature : Journal. - 2013. - február 28. ( 494. kötet ). - P. 443-448 . - doi : 10.1038/nature11871 .
26. ↑ 1 2 3 Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin. Az I. mitokondriális komplex aktív   / deaktív átmenetének jellemzése // Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2014. - július ( 1837. évf . , 7. sz.). - P. 1083-1092 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2014.02.018 .
27. ↑ Galkin A., Moncada S. Az I. mitokondriális komplex S-nitrozációja a szerkezeti konformációtól függ  //  Journal of Biological Chemistry  : folyóirat. - 2007. - December ( 282. évf . , 52. sz.). - P. 37448-37453 . - doi : 10.1074/jbc.M707543200 . — PMID 17956863 .
28. ↑ Moncada S., Erusalimsky JD A nitrogén-monoxid modulálja a mitokondriális energiatermelést és az apoptózist? (angol)  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : folyóirat. - 2002. - március ( 3. köt. , 3. sz. ). - P. 214-220 . - doi : 10.1038/nrm762 . — PMID 11994742 .
29. ↑ Lianwei Peng, Hiroshi Yamamoto, Toshiharu Shikanai. A kloroplaszt NAD(P)H dehidrogenáz komplex szerkezete és biogenezise  (angol)  // Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2011. augusztus - 2011. évf. 1807 , sz. 8 . - P. 945-953 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2010.10.015 .
30. ↑ 1 2 Murphy MP Hogyan termelnek reaktív oxigénfajtákat a mitokondriumok  // Biochemical  Journal : folyóirat. - 2009. - január ( 417. évf . , 1. sz.). - 1-13 . o . - doi : 10.1042/BJ20081386 . — PMID 19061483 .
31. ↑ Hansford RG, Hogue BA, Mildaziene V. A patkányszív mitokondriumok H2O2 képződésének függősége a szubsztrát elérhetőségétől és a donor életkorától  //  J. Bioenerg. Biomembr. : folyóirat. - 1997. - február ( 29. évf. , 1. sz.). - 89-95 . o . - doi : 10.1023/A:1022420007908 . — PMID 9067806 .
32. ↑ Muller FL, Liu Y., Abdul-Ghani MA, Lustgarten MS, Bhattacharya A., Jang YC, Van Remmen H. High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked  substrát angol)  // Biokémiai folyóirat : folyóirat. - 2008. - január ( 409. évf . , 2. sz.). - P. 491-499 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . — PMID 17916065 .
33. ↑ Kussmaul L., Hirst J. A NADH:ubikinon-oxidoreduktáz (I komplex) szuperoxid-termelésének mechanizmusa szarvasmarha szív mitokondriumából  //  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : Journal. - 2006. - május ( 103. évf. , 20. sz.). - P. 7607-7612 . - doi : 10.1073/pnas.0510977103 . — PMID 16682634 .
34. ↑ Esterházy D., King MS, Yakovlev G., Hirst J. Reaktív oxigénfajták előállítása I. komplex segítségével (NADH:ubiquinone oxidoreductase) from Escherichia coli és összehasonlítás a mitokondriumból származó enzimmel  //  Biochemistry : Journal. - 2008. - március ( 25. évf. , 12. sz.). - P. 3964-3971 . - doi : 10.1021/bi702243b . — PMID 18307315 .
35. ↑ Moretti C., Grenand P. [A "nivrées" vagy a francia Guyana ichtiotoxikus növényei]  (fr.)  // Journal of Ethnopharmacology. - 1988. - szeptember ( 6. köt. 2. szám ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
36. ↑ 1 2 Watabe M., Nakaki T. A mitokondriális komplex I inhibitor rotenon gátolja és újra elosztja a hólyagos monoamin transzporter 2-t nitráción keresztül humán dopaminerg SH-SY5Y sejtekben  (angolul)  // Molecular Pharmocology : Journal. - 2008. - július ( 74. évf. , 4. sz.). - P. 933-940 . - doi : 10,1124/mol.108,048546 . — PMID 18599602 .
37. ↑ Zharova TV, Vinogradov AD. A mitokondriális NADH-ubikinon oxidoreduktáz (I komplex) kompetitív gátlása ADP-ribóz által  //  Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 1997. - július ( 1320. évf . , 3. sz.). - 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. Az ND2 alegységet az asimicin, egy erős komplex I-  gátló fotoaffinitási analógja jelöli.)  // FEBS Letters : folyóirat. - 2010. - január ( 584. évf . , 5. sz.). - 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. Az Annonaceae családból származó természetes anyagok (acetogeninek) a mitokondriális NADH-dehidrogenáz (I komplex  ) erős inhibitorai  // Biochemical Journal : folyóirat. - 1994. - július ( 301. kötet ). - 161-167 . o . — PMID 8037664 .
40. ↑ Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. A metformin sejtes és molekuláris mechanizmusai: áttekintés   // Clinical Science : folyóirat. - 2012. - március ( 122. évf. , 6. sz.). - 253-270 . - doi : 10.1042/CS20110386 . — PMID 22117616 .
41. ↑ Chou AP, Li S., Fitzmaurice AG, Bronstein JM. A rotenon által kiváltott proteaszóma gátlás mechanizmusai  (angol)  // Neurotoxicology : Journal. - 2010. - április ( 113. évf. , 4. sz.). - 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. Mitokondriális légzés és légzéssel kapcsolatos fehérjék a Parkinson-kóros mitokondriális transzferrel létrehozott sejtvonalakban  //  Journal of Neurochemistry : folyóirat. - 2010. - február ( 113. évf. , 3. sz.). - P. 674-682 . - doi : 10.1111/j.1471-4159.2010.06631.x . — PMID 20132468 .
43. ↑ Andreazza AC, Shao L., Wang JF, Young LT. A mitokondriális komplex I aktivitása és a mitokondriális fehérjék oxidatív károsodása a bipoláris zavarban szenvedő betegek prefrontális kéregében  // JAMA  :  folyóirat. - 2010. - április ( 67. évf. , 4. sz.). - P. 360-368 . - doi : 10.1001/archgenpsychiatry.2010.22 . — PMID 20368511 .
44. ↑ Moran M., Rivera H., Sánchez-Aragó M., Blázquez A., Merinero B., Ugalde C., Arenas J., Cuezva JM, Martín MA. A mitokondriális bioenergetika és a dinamika kölcsönhatása komplex I-hiányos fibroblasztokban  //  Biochimica et Biophysica Acta : folyóirat. - 2010. - május ( 1802. évf . , 5. sz.). - P. 443-453 . - doi : 10.1016/j.bbadis.2010.02.001 . — PMID 20153825 .
45. ↑ Binukumar BK, Bal A., Kandimalla R., Sunkaria A., Gill KD. Mitokondriális energia-anyagcsere-károsodás és májműködési zavar a diklórfosznak való krónikus expozíció után  (angol)  // Toxicology : Journal. - 2010. - április ( 270. évf. , 2-3. sz. ). - 77-84 . o . - doi : 10.1016/j.tox.2010.01.017 . — PMID 20132858 .
46. ↑ Stefanatos, R. és Sanz, A. (2011). Mitokondriális komplex I: az öregedési folyamat központi szabályozója. Cell Cycle, 10(10), 1528-1532
47. ↑ Scialo, F., Mallikarjun, V., Stefanatos, R., & Sanz, A. (2013). Az élettartam szabályozása a mitokondriális elektrontranszport lánc által: reaktív oxigénfajtáktól függő és reaktív oxigénfajtáktól független mechanizmusok. Antioxidants & Redox signaling, 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). Mitokondriális felelősség az öregedési folyamatban: ártatlan, gyanús vagy bűnös. Biogerontology, 16(5), 599-620. doi : 10.1007/s10522-015-9585-9
49. ↑ Bowman, A. és Birch-Machin, M. A. (2016). A mitokondriális komplex II aktivitásának életkortól függő csökkenése humán bőr fibroblasztokban Archived September 13, 2017 at the 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 és Marcinek, DJ (2016), Az életkor módosítja az I. légzési komplexet és a fehérje homeosztázist egy izomtípusban - specifikus módon. Öregedő sejt. Aging cell, 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). Az élesztő NADH-dehidrogenáz Ndi1 expressziója Drosophilában az étrendi korlátozástól függetlenül megnövekedett élettartamot biztosít. Archivált : 2016. június 24., a Wayback Machine webhelyen . Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(20), 9105-9110. doi : 10.1073/pnas.0911539107 PMC 2889079

Irodalom

• Növényélettan / Szerk. I. P. Ermakova. - M . : Akadémia, 2005. - 634 p.

Linkek

• MRC MBU Sazanov csoport
• A Scripps Kutatóintézet I. komplex honlapja
• MeSH Electron+Transport+Complex+I