Введение
Белковый комплекс, участвующий в клеточном дыхании. Дыхательный комплекс I (также известный как NADH:убихинон оксидоредуктаза, NADH-дегидрогеназа типа I и митохондриальный комплекс I) — первый крупный белковый комплекс дыхательных цепей у многих организмов, от бактерий до человека. Он катализирует перенос электронов от NADH к коэнзиму Q10 (CoQ10) и транслоцирует протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану у эукариот или плазматическую мембрану бактерий. Этот фермент необходим для нормального функционирования клеток, а мутации в его субъединицах приводят к широкому спектру наследственных нейромышечных и метаболических нарушений. Дефекты этого фермента ответственны за развитие ряда патологических процессов, таких как ишемия/реперфузионное повреждение (инсульт и инфаркт миокарда), болезнь Паркинсона и другие.
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.
Общий механизм
Все окислительно-восстановительные реакции происходят в гидрофильном домене комплекса I. NADH первоначально связывается с комплексом I и передает два электрона в протезную группу флавинмононуклеотида (FMN) фермента, образуя FMNH2. Акцептор электронов – изоаллоксазиновое кольцо – FMN идентичен таковому у FAD. Затем электроны передаются через FMN посредством серии железосерных (Fe S) кластеров. Убихинон (CoQ) принимает два электрона и восстанавливается до убихинола (CoQH2). Высокий редукционный потенциал кластера N2 и относительная близость других кластеров в цепи обеспечивают эффективную передачу электронов на большие расстояния в белке (со скоростью передачи от NADH к железосерному кластеру N2 около 100 мкс). Динамика равновесия комплекса I в основном определяется хинонным окислительно-восстановительным циклом. В условиях высокой протон-движущей силы (и, соответственно, высокой концентрации убихинола) фермент работает в обратном направлении. Убихинол окисляется до убихинона, и высвобождаемые протоны снижают протон-движущую силу.
Ингибиторы
Булатацин (ацетогенин, содержащийся в плодах азимины трехлопастной) является наиболее мощным известным ингибитором NADH-дегидрогеназы (убихинона) (= 1,2 нМ, сильнее, чем ротенон). Наиболее известным ингибитором комплекса I является ротенон (обычно используемый в качестве органического пестицида). Ротенон и ротеноиды – это изофлавоноиды, встречающиеся в нескольких родах тропических растений, таких как Антония (Loganiaceae), Деррис и Лонхокарпус (Faboideae, Fabaceae). Сообщалось, что коренные жители Французской Гвианы использовали растения, содержащие ротенон, для отлова рыбы из-за его ихтиотоксического эффекта еще в 17 веке. Ротенон связывается с местом связывания убихинона комплекса I, как и пиерицидин А, другой мощный ингибитор, являющийся близким структурным аналогом убихинона. Ацетогенины из Annonaceae являются еще более сильными ингибиторами комплекса I. Они образуют перекрестные связи с субъединицей ND2, что указывает на то, что ND2 необходим для связывания хинонов. Ролиниастатин 2, ацетогенин, является первым ингибитором комплекса I, обнаруженным, который не имеет того же места связывания, что и ротенон. Несмотря на более чем 50 лет изучения комплекса I, не было найдено ингибиторов, блокирующих поток электронов внутри фермента. Гидрофобные ингибиторы, такие как ротенон или пиерицидин, скорее всего, нарушают перенос электронов между терминальным FeS-кластером N2 и убихиноном. Показано, что длительное системное ингибирование комплекса I ротеноном может вызывать селективную дегенерацию дофаминергических нейронов. Комплекс I также блокируется аденозиндифосфатрибозой – обратимым конкурентным ингибитором окисления NADH – путем связывания с ферментом в месте связывания нуклеотидов. Как гидрофильные аналоги NADH, так и гидрофобные аналоги убихинона действуют, соответственно, в начале и в конце внутреннего пути транспорта электронов. Противодиабетический препарат метформин, как было показано, вызывает слабое и преходящее ингибирование митохондриального комплекса I дыхательной цепи, и это ингибирование, по-видимому, играет ключевую роль в его механизме действия. Ингибирование комплекса I было связано с гепатотоксичностью, связанной с различными лекарственными средствами, например, флутамидом и нефазодоном. Кроме того, было показано, что ингибирование комплекса I запускает катаболизм глюкозы, не зависящий от NAD+.
Активный/неактивный переход
Каталитические свойства эукариотического комплекса I не просты. В любом препарате фермента существуют две каталитически и структурно различные формы: одна – полностью компетентная, так называемая "активная" форма А, а другая – каталитически неактивная, спящая, "неактивная" форма D. После воздействия неактивного фермента на повышенные, но физиологические температуры (>30 °C) в отсутствие субстрата, фермент превращается в D-форму. Эта форма каталитически некомпетентна, но может быть активирована медленной реакцией (k ~ 4 мин−1) окисления NADH с последующим восстановлением убихинона. После одного или нескольких оборотов фермент становится активным и может катализировать физиологическую реакцию NADH:убихинон с гораздо более высокой скоростью (k ~ 104 мин−1). В присутствии двухвалентных катионов (Mg2+, Ca2+) или при щелочном pH активация происходит значительно медленнее. Высокая энергия активации (270 кДж/моль) процесса деактивации указывает на существенные конформационные изменения в организации комплекса I. Однако до настоящего времени единственным наблюдаемым конформационным различием между этими двумя формами является количество остатков цистеина, экспонированных на поверхности фермента. Обработка D-формы комплекса I сульфгидрильными реагентами N-этилмалеимидом или DTNB необратимо блокирует критические остатки цистеина, лишая фермент способности реагировать на активацию и необратимо инактивируя его. Форма А комплекса I нечувствительна к сульфгидрильным реагентам. Было установлено, что эти конформационные изменения могут иметь важное физиологическое значение. Неактивная, но не активная форма комплекса I была восприимчива к ингибированию нитрозотиолами и пероксинитритом. Вероятно, переход от активной к неактивной форме комплекса I происходит в патологических условиях, когда скорость оборота фермента ограничена при физиологических температурах, например, при гипоксии, ишемии или увеличении соотношения оксида азота и кислорода в тканях (то есть при метаболической гипоксии).
Производство супероксида
Недавние исследования показывают, что комплекс I является мощным источником реактивных видов кислорода. Комплекс I может производить супероксид (а также перекись водорода) по крайней мере двумя различными путями. При прямом переносе электронов образуется лишь очень небольшое количество супероксида (вероятно, менее 0,1% от общего потока электронов). Во время обратного переноса электронов комплекс I может быть наиболее важным местом образования супероксида в митохондриях, при этом около 3–4% электронов направляется на образование супероксида. Обратный перенос электронов – это процесс, при котором электроны из восстановленного пула убихинола (поставляемого сукцинатдегидрогеназой, глицерол-3-фосфатдегидрогеназой, электрон-транспортным флавопротеином или дигидрооротатной дегидрогеназой в митохондриях млекопитающих) проходят через комплекс I для восстановления NAD+ до NADH, что обусловлено электрохимическим потенциалом внутренней митохондриальной мембраны. Хотя точно не известно, при каких патологических условиях обратный перенос электронов происходит in vivo, эксперименты in vitro показывают, что этот процесс может быть очень мощным источником супероксида при высоких концентрациях сукцината и низких концентрациях оксалоацетата или малата. Это может происходить при тканевой ишемии, когда прекращается доставка кислорода. Супероксид является реактивным видом кислорода, который способствует клеточному окислительному стрессу и связан с нейромышечными заболеваниями и старением. NADH-дегидрогеназа производит супероксид, передавая один электрон от FMNH2 (или полувосстановленного флавина) к кислороду (O2). Образовавшийся радикал флавина нестабилен и передает оставшийся электрон в железо-серные центры. Скорость образования супероксида определяется соотношением NADH к NAD+.
Патология
Мутации в субъединицах комплекса I могут вызывать митохондриальные заболевания, включая синдром Ли. Точечные мутации в различных субъединицах комплекса I, происходящих из митохондриальной ДНК (мтДНК), также могут приводить к наследственной оптической нейропатии Лебера. Существуют данные, свидетельствующие о том, что дефекты комплекса I могут играть роль в этиологии болезни Паркинсона, возможно, из-за образования реактивных видов кислорода (комплекс I, как и комплекс III, может отдавать электроны кислороду, образуя высокотоксичный супероксид). Хотя точная этиология болезни Паркинсона не установлена, вероятно, что митохондриальная дисфункция, наряду с ингибированием протеасомы и воздействием токсинов окружающей среды, играет значительную роль. Фактически, было показано, что ингибирование комплекса I вызывает образование пероксидов и снижение активности протеасомы, что может приводить к болезни Паркинсона. Кроме того, Эстевес и др. (2010) обнаружили, что клеточные линии, полученные от пациентов с болезнью Паркинсона, демонстрируют повышенную утечку протонов в комплексе I, что приводит к снижению максимальной дыхательной емкости. Ишемия/реперфузионное повреждение головного мозга опосредовано нарушением функции комплекса I. Недавно было установлено, что недостаток кислорода приводит к состоянию, при котором митохондриальный комплекс I теряет свой естественный кофактор – мононуклеотид флавина (FMN) – и становится неактивным. В присутствии кислорода фермент катализирует физиологическую реакцию окисления NADH убихиноном, обеспечивая электронами последующие звенья дыхательной цепи (комплексы III и IV). Ишемия приводит к резкому увеличению уровня сукцината. В присутствии сукцината митохондрии катализируют обратный перенос электронов, направляя часть электронов из сукцината вверх по течению к FMN комплекса I. Обратный перенос электронов приводит к восстановлению FMN комплекса I. Аналогично, Моран и др. (2010) обнаружили, что у пациентов с тяжелым дефицитом комплекса I наблюдается снижение скорости потребления кислорода и замедление темпов роста. Однако они установили, что мутации в различных генах комплекса I приводят к различным фенотипам, что объясняет вариабельность патофизиологических проявлений дефицита комплекса I. Воздействие пестицидов также может ингибировать комплекс I и вызывать симптомы заболевания. Например, было показано, что хроническое воздействие низких доз дихлорвоса, органофосфатного пестицида, вызывает дисфункцию печени. Это происходит потому, что дихлорвос изменяет уровни активности комплексов I и II, что приводит к снижению активности митохондриального переноса электронов и уменьшению синтеза АТФ.
В хлоропластах
Протонный насос, использующий убихинон комплекс NADH-дегидрогеназы, гомологичный комплексу I, обнаружен в геномах хлоропластов большинства наземных растений под названием ndh. Этот комплекс унаследован от первичного симбиоза с цианобактериями, но был утрачен у большинства эукариотических водорослей, некоторых голосеменных (сосны и гнетовидные) и некоторых очень молодых линий цветковых растений. Изначальное назначение этого комплекса оставалось неясным, поскольку хлоропласты не участвуют в дыхании, однако сейчас известно, что ndh служит для поддержания фотосинтеза в стрессовых условиях. Это делает его, по крайней мере, частично необязательным в благоприятных условиях. Очевидно, что линии цветковых растений без ndh не существуют долго с момента их появления, но то, как голосеменные выживают на суше без ndh на протяжении столь длительного времени, остается неизвестным.