Митрахондриялық I кешені – жасуша тынысының маңызды ферменті. NADH-ты CoQ10-ға түрлендіріп, энергия өндірісіне көмектеседі. Мутациялар ауруларға әкелуі мүмкін.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ұялы тыныс алуға қатысқан ақуыздық кешен
Protein complex involved in cellular respiration
Тыныс алу кешені I (НАДН:убиквинон оксидоредуктазасы, I типтегі НАДН дегидрогеназасы және митохондриялық I кешен деп те аталады) – бактериялардан адамға дейінгі көптеген организмдердің тыныс алу тізбектерінің алғашқы ірі ақуыздық кешені. Ол НАДН-нан кофермент Q10 (CoQ10) қа электронды көшіруді катализдейді және эукариоттардың ішкі митохондриялық мембранасы немесе бактериялардың плазмалық мембранасы арқылы протондарды тасымалдайды. Бұл фермент жасушалардың қалыпты жұмыс істеуі үшін маңызды, ал оның құрамындағы бөлікшелердің мутациялары тұқым қуалайтын нейромискулярлық және метаболикалық ауруларға алып келеді. Бұл ферменттегі ақаулар ишемия/реперфузиялық зақымдану (инсульт және жүрек инфарктісі) сияқты бірнеше патологиялық процестердің, сондай-ақ Паркинсон ауруының және басқа да аурулардың дамуына себеп болады.
Respiratory complex I, (also known as NADH:ubiquinone oxidoreductase, Type I NADH dehydrogenase and mitochondrial complex I) is the first large protein complex of the respiratory chains of many organisms from bacteria to humans. It catalyzes the transfer of electrons from NADH to coenzyme Q10 (CoQ10) and translocates protons across the inner mitochondrial membrane in eukaryotes or the plasma membrane of bacteria. This enzyme is essential for the normal functioning of cells, and mutations in its subunits lead to a wide range of inherited neuromuscular and metabolic disorders. Defects in this enzyme are responsible for the development of several pathological processes such as ischemia/reperfusion damage (stroke and cardiac infarction), Parkinson's disease and others.
Жалпы механизм
Барлық редокстық реакциялар I кешенінің суды тартатын доменінде жүзеге асады. NADH бастапқыда I кешеніне байланысады және ферменттің флавин мононуклеотиді (FMN) протездік тобына екі электронды беріп, FMNH2 құрайды. FMN-нің электрон қабылдағышы – изоаллоксазин сақинасы – FAD-тің электрон қабылдағышымен сәйкес келеді. Электрондар содан кейін FMN арқылы темір-күкірт (Fe S) кластерлері тізбегі арқылы беріледі, ал убихинон (CoQ) екі электронды қабылдап, убихинолға (CoQH2) дейін тотығып кетеді. N2 кластерінің жоғары тотығу потенциалы және тізбектегі басқа кластерлердің салыстырмалы жақын орналасуы ақуызда ұзақ қашықтыққа тиімді электронды тасымалдауға мүмкіндік береді (NADH-тан N2 темір-күкірт кластеріне шамамен 100 мкс жылдамдықпен). I кешенінің тепе-теңдік динамикасы негізінен хинон тотығу-тотықсыздану циклымен басқарылады. Протондық қозғаушы күштің жоғары деңгейінде (соған сәйкес, убихинолдің шоғырланған қоры болғанда) фермент кері бағытта жұмыс істейді. Убихинол убихинонға тотығып, нәтижесінде босатылған протондар протондық қозғаушы күшті азайтады.
All redox reactions take place in the hydrophilic domain of complex I. NADH initially binds to complex I, and transfers two electrons to the flavin mononucleotide (FMN) prosthetic group of the enzyme, creating FMNH2. The electron acceptor – the isoalloxazine ring – of FMN is identical to that of FAD. The electrons are then transferred through the FMN via a series of iron sulfur (Fe S) clusters, Ubiquinone (CoQ) accepts two electrons to be reduced to ubiquinol (CoQH2). The high reduction potential of the N2 cluster and the relative proximity of the other clusters in the chain enable efficient electron transfer over long distance in the protein (with transfer rates from NADH to N2 iron sulfur cluster of about 100 μs). The equilibrium dynamics of Complex I are primarily driven by the quinone redox cycle. In conditions of high proton motive force (and accordingly, a ubiquinol concentrated pool), the enzyme runs in the reverse direction. Ubiquinol is oxidized to ubiquinone, and the resulting released protons reduce the proton motive force.
Ингибиторлар
Булатацин (асимина трилоба жемісінен алынатын ацетогенин) NADH дегидрогеназаның (убихинон) ең күшті ингибиторы болып табылады (= 1,2 нМ, ротеноннан артық). I кешенінің ең белгілі ингибиторы – ротенон (көбінесе органикалық пестицид ретінде қолданылады). Ротенон және ротеноидтар – тропикалық өсімдіктердің бірнеше туыстарында кездесетін изофлавоноидтар, мысалы Антония (Loganiaceae), Деррис және Лонхокарпус (Faboideae, Fabaceae). Француз Гвианасының жергілікті халқы 17 ғасырдың басынан бері ротенон құрамындағы өсімдіктерді балық аулау үшін қолданғаны туралы хабарлар бар, себебі оның балыққа уытты әсері бар. Ротенон, убиквинонмен байланысатын орынға, сондай-ақ пирицидин А-ға, убиквинонның құрылымдық жақын гомологына байланады. Аннонацеялардан алынған ацетогениндер I кешенінің одан да күшті ингибиторлары болып табылады. Олар ND2 суббірлігімен кросс-байланыс жасайды, бұл ND2 кинонның байланысуы үшін маңызды екенін көрсетеді. Ацетогенин – ролиниастатин 2 – ротенонмен бірдей байланыс орнын бөліспейтін алғашқы I кешенінің ингибиторы. I кешенін 50 жылдан астам зерттегеніне қарамастан, ферменттің ішіндегі электрон ағынын тоқтататын ингибиторлар табылмады. Ротенон немесе пирицидин сияқты гидрофобты ингибиторлар терминалды FeS кластері N2 мен убихинон арасындағы электрондық транферді бұзады. Ротенонның ұзақ мерзімді жүйелік ингибициясы дофаминергиялық нейрондардың селективті дегенерациясын тудыратыны көрсетілді. I кешені сонымен қатар аденозин дифосфат рибозасымен – NADH тотығуының қайтымды бәсекелестік ингибиторымен – нуклеотид байланыс орнында ферментке байланысу арқылы бұғатталады. Гидрофильді NADH және гидрофобты убихинон аналогтары сәйкесінше ішкі электрондық тасымалдау жолының басында және соңында әрекет етеді. Диабетке қарсы препарат Метформин митохондриялық тыныс алу тізбегі I кешенінің жеңіл және уақытша ингибициясын тудырады, және бұл ингибиция оның әрекет ету механизмінде маңызды рөл атқарады. I кешенінің ингибициясы флутамид және нефазодон сияқты әртүрлі препараттармен байланысты гепатотоксикалық әсерге себеп болуы мүмкін. Бұдан әрі, I кешенінің ингибициясы NAD+ тәуелсіз глюкоза катаболизмін іске қосатыны көрсетілді.
Bullatacin (an acetogenin found in Asimina triloba fruit) is the most potent known inhibitor of NADH dehydrogenase (ubiquinone) (=1.2 nM, stronger than rotenone). The best known inhibitor of complex I is rotenone (commonly used as an organic pesticide). Rotenone and rotenoids are isoflavonoids occurring in several genera of tropical plants such as Antonia (Loganiaceae), Derris and Lonchocarpus (Faboideae, Fabaceae). There have been reports of the indigenous people of French Guiana using rotenone containing plants to fish due to its ichthyotoxic effect as early as the 17th century. Rotenone binds to the ubiquinone binding site of complex I as well as piericidin A, another potent inhibitor with a close structural homologue to ubiquinone. Acetogenins from Annonaceae are even more potent inhibitors of complex I. They cross link to the ND2 subunit, which suggests that ND2 is essential for quinone binding. Rolliniastatin 2, an acetogenin, is the first complex I inhibitor found that does not share the same binding site as rotenone. Despite more than 50 years of study of complex I, no inhibitors blocking the electron flow inside the enzyme have been found. Hydrophobic inhibitors like rotenone or piericidin most likely disrupt the electron transfer between the terminal FeS cluster N2 and ubiquinone. It has been shown that long term systemic inhibition of complex I by rotenone can induce selective degeneration of dopaminergic neurons. Complex I is also blocked by adenosine diphosphate ribose – a reversible competitive inhibitor of NADH oxidation – by binding to the enzyme at the nucleotide binding site. Both hydrophilic NADH and hydrophobic ubiquinone analogs act at the beginning and the end of the internal electron transport pathway, respectively. The antidiabetic drug Metformin has been shown to induce a mild and transient inhibition of the mitochondrial respiratory chain complex I, and this inhibition appears to play a key role in its mechanism of action. Inhibition of complex I has been implicated in hepatotoxicity associated with a variety of drugs, for instance flutamide and nefazodone. Further, complex I inhibition was shown to trigger NAD+ independent glucose catabolism.
Белсенді/белсенді емес ауысу
Эукариоттық I кешеннің каталитикалық қасиеттері күрделі. Ферменттің кез келген дайындамасында екі каталитикалық және құрылымдық жағынан ерекше формалар бар: бірі – толыққанды қабілетті, сонымен аталатын “белсенді” А формасы, ал екіншісі – каталитикалық белсенділігі жоқ, ұйыққан, “белсенді емес” D формасы. Субстраттың болмауында, жоғары бірақ физиологиялық температураға (>30°C) ұшыраған кезде, фермент D формасына айналады. Бұл форма каталитикалық белсенділігі жоқ, бірақ NADH тотығуының баяу реакциясы (k~4 мин−1) арқылы белсендірілуі мүмкін, содан кейін убихинонның тотығуы жүреді. Бір немесе бірнеше айналымнан кейін фермент белсенді болады және физиологиялық NADH: убихинон реакциясын әлдеқайда жоғары жылдамдықпен катализдей алады (k~104 мин−1). Дивалентті катиондардың (Mg2+, Ca2+) болуында немесе сілтілік pH ортасында белсендіру ұзаққа созылады. Деактивация процесінің жоғары белсендіру энергиясы (270 кДж/моль) I кешенінің құрылымында маңызды конформациялық өзгерістердің орын алғанын көрсетеді. Алайда, қазірге дейін осы екі форманың арасындағы жалғыз конформациялық айырмашылық – фермент бетіндегі цистеин қалдықтарының саны ғана. I кешенінің D формасын N-этилмалеимид немесе DTNB сульфгидрил реагенттерімен өңдеу цистеиннің маңызды қалдықтарын қайтымсыз түрде бұғаттап, ферменттің белсендіруге жауап беру қабілетін жояды, осылайша оны қайтымсыз деактивациялайды. А формасындағы I кешені сульфгидрил реагенттеріне сезімтал емес. Осы конформациялық өзгерістердің маңызды физиологиялық мәні болуы мүмкін екені анықталды. І кешенінің белсенді емес, бірақ белсенді формасы нитрозотиолдар мен пероксинитриттердің әсеріне көбірек ұшырайды. І кешенінің белсенді формасынан белсенді емес формасына өту патологиялық жағдайларда жүреді, мысалы, фермент айналымы физиологиялық температурада шектелген кезде, гипоксия, ишемия кезінде немесе тіндердегі азот оксидінің: оттегі арақатынасы артқанда (яғни метаболикалық гипоксия).
The catalytic properties of eukaryotic complex I are not simple. Two catalytically and structurally distinct forms exist in any given preparation of the enzyme: one is the fully competent, so called “active” A form and the other is the catalytically silent, dormant, “inactive”, D form. After exposure of idle enzyme to elevated, but physiological temperatures (>30 °C) in the absence of substrate, the enzyme converts to the D form. This form is catalytically incompetent but can be activated by the slow reaction (k~4 min−1) of NADH oxidation with subsequent ubiquinone reduction. After one or several turnovers the enzyme becomes active and can catalyse physiological NADH:ubiquinone reaction at a much higher rate (k~104 min−1). In the presence of divalent cations (Mg2+, Ca2+), or at alkaline pH the activation takes much longer. The high activation energy (270 kJ/mol) of the deactivation process indicates the occurrence of major conformational changes in the organisation of the complex I. However, until now, the only conformational difference observed between these two forms is the number of cysteine residues exposed at the surface of the enzyme. Treatment of the D form of complex I with the sulfhydryl reagents N Ethylmaleimide or DTNB irreversibly blocks critical cysteine residues, abolishing the ability of the enzyme to respond to activation, thus inactivating it irreversibly. The A form of complex I is insensitive to sulfhydryl reagents. It was found that these conformational changes may have a very important physiological significance. The inactive, but not the active form of complex I was susceptible to inhibition by nitrosothiols and peroxynitrite. It is likely that transition from the active to the inactive form of complex I takes place during pathological conditions when the turnover of the enzyme is limited at physiological temperatures, such as during hypoxia, ischemia or when the tissue nitric oxide:oxygen ratio increases (i. e. metabolic hypoxia).
Супероксидті өндіру
Соңғы зерттеулер I кешенінің реактивті оттегі түрлерінің қуатты көзі екенін көрсетеді. I кешен кем дегенде екі түрлі жолмен супероксидті (сондай-ақ сутек пероксидін) өндіреді. Электронды тікелей бағытта жылжыту кезінде супероксидтің өте аз мөлшері түзіледі (көбінесе жалпы электрон ағынының 0,1% -дан кем). Электронды кері бағытта жылжыту кезінде I кешен митохондрия ішінде супероксид өндірісінің ең маңызды орны болуы мүмкін, шамамен 3-4% электрон супероксид түзілуіне бағытталады. Электронды кері бағытта жылжыту – бұл ішкі митохондриялық мембрананың электр потенциалының күшімен NAD+ иірімдерін NADH-қа дейін тотықтыру үшін I кешен арқылы өтетін процесс. In vivo кері электронды жылжыту қандай патологиялық жағдайларда жүредіні нақты белгісіз болғанымен, in vitro тәжірибелер сукцинат концентрациясы жоғары және оксалоацетат немесе малат концентрациясы төмен болғанда бұл процесс супероксидтің өте қуатты көзі бола алатынын көрсетеді. Бұл тіндік ишемия кезінде, оттегі жеткізілуі шектелгенде болуы мүмкін. Супероксид – бұл жасушалық тотығу стресіне әкелетін және нейромыскулярлық аурулар мен қартаюмен байланысты реактивті оттегі түрі. NADH дегидрогеназасы FMNH2-ден (немесе жартылай тотыққан флавинден) бір электронды оттегіге (O2) беру арқылы супероксидті өндіреді. Қалған флавин радикалы тұрақсыз болып келеді және қалған электронын темір-күкірт орталықтарына беруге қабілетті. Супероксид түзілу жылдамдығын NADH және NAD+ арақатынасы анықтайды.
Recent investigations suggest that complex I is a potent source of reactive oxygen species. Complex I can produce superoxide (as well as hydrogen peroxide), through at least two different pathways. During forward electron transfer, only very small amounts of superoxide are produced (probably less than 0.1% of the overall electron flow). During reverse electron transfer, complex I might be the most important site of superoxide production within mitochondria, with around 3 4% of electrons being diverted to superoxide formation. Reverse electron transfer, the process by which electrons from the reduced ubiquinol pool (supplied by succinate dehydrogenase, glycerol 3 phosphate dehydrogenase, electron transferring flavoprotein or dihydroorotate dehydrogenase in mammalian mitochondria) pass through complex I to reduce NAD+ to NADH, driven by the inner mitochondrial membrane potential electric potential. Although it is not precisely known under what pathological conditions reverse electron transfer would occur in vivo, in vitro experiments indicate that this process can be a very potent source of superoxide when succinate concentrations are high and oxaloacetate or malate concentrations are low. This can take place during tissue ischaemia, when oxygen delivery is blocked. Superoxide is a reactive oxygen species that contributes to cellular oxidative stress and is linked to neuromuscular diseases and aging. NADH dehydrogenase produces superoxide by transferring one electron from FMNH2 (or semireduced flavin) to oxygen (O2). The radical flavin leftover is unstable, and transfers the remaining electron to the iron sulfur centers. It is the ratio of NADH to NAD+ that determines the rate of superoxide formation.
Патология
І кешенінің кішібірліктеріндегі мутациялар митохондриялық ауруларды, соның ішінде Ли синдромын тудыруы мүмкін. Митохондриялық ДНҚ-дан (мтДНҚ) алынған І кешенінің әртүрлі кішібірліктеріндегі нүктелік мутациялар Лебердің тұқым қуалайтын оптикалық нейропатиясына да алып келуі мүмкін. Комплекс I ақаулары Паркинсон ауруының этиологиясында рөл атқаратынына кейбір дәлелдер бар, мүмкін реактивті оттегі түрлерінің (комплекс I, III сияқты, электрондарды оттегіге ағызып, өте улы супероксидті құрайды) әсерінен. Паркинсон ауруының нақты этиологиясы белгісіз болғанымен, митохондриялық дисфункция, протеазоманың тежелуі және қоршаған ортадағы токсиндер маңызды рөл атқарады. Шындығында, I кешенін тежеу пероксидтердің өндірілуіне және протеазома белсенділігінің төмендеуіне әкеледі, бұл Паркинсон ауруына соқтыруы мүмкін. Сонымен қатар, Esteves және авторлар (2010) Паркинсон ауруымен ауырған жасуша желілерінде I кешендегі протондық ағынның жоғарылағанын көрсетті, бұл максималды тыныс алу қабілетін төмендетіп жіберді. Мидың ишемиялық/реперфузиялық зақымдануы I кешенінің бұзылуы арқылы жүзеге асырылады. Жақында оттегінің жетіспеуі митохондриялық I кешенінің табиғи кофакторы – флавин мононуклеотидін (ФМН) жоғалтуға және оның белсенділігінің төмендеуіне әкелетіні анықталды. Оттегі болғанда фермент убихинон арқылы NADH тотығу реакциясын катализдейді, тыныс алу тізбегінің (III және IV кешендер) төменгі бөлігіне электрондармен қамтамасыз етеді. Ишемия сукцинат деңгейінің күрт өсуіне алып келеді. Сукцинаттың қатысуымен митохондриялар кері электрондық тасымалдауды катализдейді, сондықтан сукцинаттан электрондардың бір бөлігі I кешенінің ФМН-не жоғары қарай бағытталады. Кері электрондық тасымалдау I кешенінің ФМН-нің тотығуына әкеледі. Сонымен қатар, Moran және авторлар (2010) ауыр I кешенінің жетіспеушілігі бар пациенттерде оттегіні тұтыну деңгейінің төмендегенін және өсу жылдамдығының баяулағанын анықтады. Дегенмен, олар I кешеніндегі әртүрлі гендердегі мутациялар әртүрлі фенотиптерге алып келетінін тапты, осылайша I кешенінің жетіспеушілігінің патофизиологиялық көріністерінің әртүрлілігін түсіндірді. Пестицидтерге ұшырау I кешенін тежеуі және ауру белгілерін тудыруы мүмкін. Мысалы, пестицид ретінде қолданылатын органофосфат дихлорвостың аз дозасына ұзақ уақыт бойы тоқтаусыз әсер ету бауыр дисфункциясына әкеп соғатыны дәлелденді. Бұл дихлорвостың I және II кешендердің белсенділік деңгейін өзгертуіне байланысты, бұл митохондриялық электрондық тасымалдау белсенділігінің төмендеуіне және АТФ синтезінің азаюына әкеледі.
Mutations in the subunits of complex I can cause mitochondrial diseases, including Leigh syndrome. Point mutations in various complex I subunits derived from mitochondrial DNA (mtDNA) can also result in Leber's Hereditary Optic Neuropathy. There is some evidence that complex I defects may play a role in the etiology of Parkinson's disease, perhaps because of reactive oxygen species (complex I can, like complex III, leak electrons to oxygen, forming highly toxic superoxide). Although the exact etiology of Parkinson's disease is unclear, it is likely that mitochondrial dysfunction, along with proteasome inhibition and environmental toxins, may play a large role. In fact, the inhibition of complex I has been shown to cause the production of peroxides and a decrease in proteasome activity, which may lead to Parkinson's disease. Additionally, Esteves et al. (2010) found that cell lines with Parkinson's disease show increased proton leakage in complex I, which causes decreased maximum respiratory capacity. Brain ischemia/reperfusion injury is mediated via complex I impairment. Recently it was found that oxygen deprivation leads to conditions in which mitochondrial complex I lose its natural cofactor, flavin mononucleotide (FMN) and become inactive. When oxygen is present the enzyme catalyzes a physiological reaction of NADH oxidation by ubiquinone, supplying electrons downstream of the respiratory chain (complexes III and IV). Ischemia leads to dramatic increase of succinate level. In the presence of succinate mitochondria catalyze reverse electron transfer so that fraction of electrons from succinate is directed upstream to FMN of complex I. Reverse electron transfer results in a reduction of complex I FMN, Similarly, Moran et al. (2010) found that patients with severe complex I deficiency showed decreased oxygen consumption rates and slower growth rates. However, they found that mutations in different genes in complex I lead to different phenotypes, thereby explaining the variations of pathophysiological manifestations of complex I deficiency. Exposure to pesticides can also inhibit complex I and cause disease symptoms. For example, chronic exposure to low levels of dichlorvos, an organophosphate used as a pesticide, has been shown to cause liver dysfunction. This occurs because dichlorvos alters complex I and II activity levels, which leads to decreased mitochondrial electron transfer activities and decreased ATP synthesis.
Хлоропластарда
Протон сорғысы, I кешенге гомологты және убиквинон қолданатын NADH дегидрогеназа кешені, көптеген құрлық өсімдіктерінің хлоропласт геномдарында "ndh" деген атаумен кездеседі. Бұл кешен цианобактериялардың бастапқы симбиозынан мұраға қалған, бірақ көптеген эукариоттық балдырларда, кейбір қызылқондылар (Pinus және gnetophytes) мен гүлді өсімдіктердің жас тұқымдарында жоғалған. Бұл кешеннің мақсаты бастапқыда түсініксіз болды, себебі хлоропластар тыныс алуға қатыспайды, бірақ қазір ndh стрестік жағдайларда фотосинтезді сақтауға көмектесетіні белгілі. Бұл оны жағдайлар жақсы болғанда кем дегенде жартылай қажетсіз етеді. Гүлді өсімдіктердің ndh жоқ тұқымдары жас кезінен ұзақ өмір сүрмейтіні анық, бірақ қызылқондылардың ndh болмаса құрлықта қалай осы уақытқа дейін тірі қалғаны белгісіз.
A proton pumping, ubiquinone using NADH dehydrogenase complex, homologous to complex I, is found in the chloroplast genomes of most land plants under the name ndh. This complex is inherited from the original symbiosis from cyanobacteria, but has been lost in most eukaryotic algae, some gymnosperms (Pinus and gnetophytes), and some very young lineages of angiosperms. The purpose of this complex is originally cryptic as chloroplasts do not participate in respiration, but now it is known that ndh serves to maintain photosynthesis in stressful situations. This makes it at least partially dispensable in favorable conditions. It is evident that angiosperm lineages without ndh do not last long from their young ages, but how gymnosperms survive on land without ndh for so long is unknown.