Complejo NADH deshidrogenasa

El complejo NADH deshidrogenasa , también llamado complejo I o NADH ubiquinona oxidorreductasa  , es el primer complejo multiproteico de la cadena de transporte de electrones respiratorio . Muchas copias del complejo se encuentran en las membranas de los organismos procarióticos capaces de respirar oxígeno y en las membranas internas de las mitocondrias de las células eucarióticas . En relación con las proteínas humanas, el complejo I a menudo se denomina NADH deshidrogenasa .

Este complejo juega un papel central en los procesos de respiración celular y fosforilación oxidativa : casi el 40% del gradiente de protones para la síntesis de ATP es creado por este complejo [1] . El complejo I oxida el NADH y reduce una molécula de ubiquinona , que se libera en la membrana. Por cada molécula de NADH oxidada , el complejo transporta cuatro protones a través de la membrana .

El complejo I (NADH-deshidrogenasa) se ha aislado de varios objetos: mitocondrias de corazón bovino , remolacha azucarera ( Beta vulgaris ), patata ( Solanum tuberosum ), judías ( Vicia faba ), Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) y arroz ( Oryza sativa ). ), así como de las mitocondrias del hongo neurospora Neurospora crassa y de las membranas de Escherichia coli ( Escherichia coli ) [2] .

Organización estructural del complejo I

En procariotas , el complejo I consta de 14 subunidades principales que forman el núcleo del complejo, sin las cuales no funciona. Siete subunidades son extremadamente hidrofóbicas y están localizadas en la membrana, mientras que siete son relativamente hidrofílicas y están ubicadas fuera de la membrana. En los eucariotas, como resultado de la evolución, el complejo se cubrió con un "abrigo de piel" de aproximadamente 30 subunidades auxiliares, su número puede variar según el objeto. Así, en los mamíferos esta enzima consta de 44 subunidades, mientras que en el hongo Yarrowia lipolytica consta  de 48 [3] . Como resultado de esta superestructura , el peso molecular del complejo I casi se duplicó: de ~550 kDa en bacterias a ~1 M Da en mitocondrias [4] .

La microscopía electrónica ha demostrado que el complejo I (tanto de bacterias como de mitocondrias ) tiene una forma de L característica. Debido a esta forma, así como a la superficie molecular inusual, como si estuviera arrugada, el complejo I ha recibido el apodo de "zapato viejo" de los científicos. La "suela" hidrófoba está representada por proteínas incrustadas en la membrana, y la parte hidrófila, el "tobillo", mira hacia la matriz [2] .

Las cuatro subunidades del módulo de unión de ubiquinona , junto con las subunidades de la parte de la membrana de la enzima, forman el sitio de unión de ubiquinona, donde interactúa con el grupo N2 de hierro y azufre , acepta dos electrones y se reduce a ubiquinol . El grupo N2, el último de una serie de grupos a través de los cuales se transfieren electrones del NADH a la ubiquinona, se eleva por encima de la membrana unos ~15 Å . La cavidad en sí, en la que se une la ubiquinona, tiene una longitud de 30 Å y puede acomodar la molécula completa junto con una cola hidrofóbica larga de siete unidades de isopreno . La cavidad tiene una entrada estrecha, por lo que la larga cadena hidrófoba se ve obligada a adoptar una determinada conformación, que se mantiene durante toda la reacción enzimática. La presencia de un sitio de unión tan largo y estrecho es un rasgo característico del complejo I. Dentro de la cavidad, la ubiquinona interactúa con los residuos de tirosina e histidina conservados [ 5 ] .

En hongos, animales y plantas vasculares, al menos siete de las 44 subunidades que forman el dominio de membrana están codificadas por el genoma mitocondrial [6] . Los mamíferos tienen exactamente siete de estas subunidades [7] [8] . En las plantas , el ADN mitocondrial codifica nueve subunidades: además de las siete subunidades que forman parte de la parte hidrofóbica del complejo, codifica dos subunidades que son homólogas a las subunidades de 49 kDa y 30 kDa de los mamíferos, y los componentes restantes están bajo el control de los genes nucleares [2] . Sin embargo, estos datos de plastomas de papa y Arabidopsis pueden no ser válidos para otras especies de plantas, y el número de subunidades codificadas en las mitocondrias puede variar de una especie a otra. Así, en la hepática Marchantia polymorpha , la subunidad NAD7, homóloga al polipéptido de 49 kDa , es codificada por el genoma nuclear y transportada a la mitocondria, y el gen del ADN mitocondrial correspondiente se ha convertido en un pseudogen y no es funcional [9] .

Los estudios han demostrado que el complejo I no difiere significativamente en sus propiedades en objetos de origen animal y vegetal [2] . Sin embargo, las plantas tienen algunas subunidades específicas que en algunos casos conducen a características funcionales. El análisis del complejo I en Arabidopsis muestra que más del 30% de las subunidades son específicas de la planta [10] . Por ejemplo, parte del módulo de membrana del complejo vegetal I es el llamado módulo estructural γ-carboanhidrasa y L-galactona-1,4-lactona deshidrogenasa, que a su vez es la última enzima de la vía mitocondrial del ácido ascórbico. biosíntesis [11] .

Tabla de subunidades principales (básicas)

Tabla de subunidades auxiliares

Todos los complejos mitocondriales I tienen muchas subunidades adicionales que no son esenciales para la actividad catalítica y difieren entre especies. Evidentemente, llevan cierta carga funcional, ya que mutaciones en ellos dan lugar a enfermedades congénitas . Para algunas subunidades se ha demostrado la presencia de ciertas funciones, por ejemplo, B16.6 (GRIM-19) está involucrada en la apoptosis , y la subunidad de 39 kDa (NDUFA9) está involucrada en la regulación de la actividad del complejo [13 ] . En cuanto a las subunidades restantes, ahora se está discutiendo activamente su posible papel en la regulación, el ensamblaje, la estabilización y la protección contra las especies reactivas del oxígeno . Cabe mencionar que las subunidades adicionales aumentan significativamente los costos energéticos de la célula para la síntesis , ensamblaje y degradación del complejo. Tales costes, sin embargo, pueden compensarse en el caso de una célula eucariota en la que el proceso de síntesis de proteínas esté bien controlado y, en este sentido, perfeccionado. Por otro lado, si se requieren subunidades accesorias para estabilizar el complejo I, no está claro cómo los complejos bacterianos, que consisten en la cantidad mínima requerida de polipéptidos, funcionan con éxito sin ellos. Por el momento, los científicos no tienen una respuesta clara a estas preguntas [5] .

Algunas subunidades adicionales son fosforiladas por varias quinasas , lo que nunca sucede con las subunidades centrales. Se supone que de esta manera se produce la regulación del funcionamiento del complejo. Como una de las subunidades del complejo, existe una proteína transportadora de acilo (NDUFAB1) con ácido pantoténico fosforilado como grupo prostético . Se cree que está involucrado en la síntesis de ácido lipoico , reparación de lípidos de membrana dañados o modifica otras proteínas con residuos de ácido mirístico . Cabe señalar que el funcionamiento de esta proteína no depende del contacto físico directo con el complejo I, y una parte importante de ella está presente en forma libre dentro de la matriz mitocondrial [14] .

Cofactores

Todos los grupos prostéticos del complejo NADH deshidrogenasa (un mononucleótido de flavina y 8 a 9 grupos de hierro-azufre ) están ubicados en el dominio soluble en agua periférico. Los mamíferos, como todos los vertebrados , tienen ocho [7] . Siete grupos forman una cadena de transporte de electrones de aproximadamente 96 Å de largo desde FMN hasta el sitio de unión de la ubiquinona . Con base en los datos actuales, se cree que la transferencia de electrones ocurre a lo largo del siguiente camino: NADH → FMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q. Primero, dos electrones se transfieren a la flavina y luego se transfieren uno por uno a través de los grupos de cadenas al sitio de unión de la quinona y lo reducen al estado Q -2 . El grupo N1a se encuentra cerca del cofactor de flavina y a cierta distancia de la cadena principal de transporte de electrones. Este grupo está altamente conservado entre especies ; se cree que controla la tasa de transporte de electrones dentro del complejo mediante la transferencia de un electrón de la FMN [4] . Existe un modelo según el cual uno de los electrones de la flavina va por el camino principal a la quinona, mientras que el otro se almacena en el grupo N1a y luego regresa a la cadena principal a través de la flavosemiquinona. Es posible que este mecanismo permita reducir la formación de especies reactivas de oxígeno sobre la flavina reducida. Además, permite estabilizar (hasta un milisegundo ) el estado cuando se restablece el último cúmulo de N2, pero no queda ningún segundo electrón para completar la reducción de ubiquinona. Tal estado puede ser necesario para cambios conformacionales asociados con el transporte de protones.

Algunos de los grupos de la cadena (N3, N4 y N6a) tienen un potencial redox alto (potencial redox) al nivel de -0,25 V , mientras que otros tres (N1b, N5 y N6b) tienen potenciales más bajos. Como resultado, el potencial redox en la trayectoria del electrón cambia como una montaña rusa . Tal curva de cambio de estado de energía es característica de muchas enzimas redox : permite optimizar la tasa de transporte de electrones y lograr una transferencia de energía eficiente [4] .

El grupo N5 tiene un potencial muy bajo y limita la velocidad del flujo total de electrones en todo el circuito. En lugar de los ligandos habituales para los centros de hierro-azufre (cuatro residuos de cisteína ), está coordinado por tres residuos de cisteína y un residuo de histidina , y también está rodeado por residuos polares cargados, aunque se encuentra en lo profundo de la enzima . 4] .

El grupo terminal de la cadena, N2, también tiene ligandos inusuales . Su potencial redox es el más alto de todos los grupos (de -0,1 a -0,15 V). Se asocia con cuatro residuos de cisteína consecutivos en la cadena polipeptídica, lo que crea una conformación tensa. Debido a esto, cuando se restaura, ocurren cambios conformacionales en las cadenas vecinas, posiblemente asociados con el transporte de protones [4] .

El grupo N7 está presente solo en el complejo I de algunas bacterias. Está significativamente alejado del resto de los cúmulos y no puede intercambiar electrones con ellos, por lo que, aparentemente, es una reliquia . En algunos complejos bacterianos relacionados con el complejo I, se encontraron cuatro residuos de cisteína conservados entre N7 y otros grupos, y en el complejo I de la bacteria Aquifex aeolicus se encontró un grupo Fe 4 S 4 adicional que conecta a N7 con los grupos restantes . Esto lleva a la conclusión de que en A. aeolicus complejo I, además de NADH, puede utilizar otro donador de electrones, que los transfiere a través de N7 [18] .

Montaje del complejo mitocondrial I

El complejo mitocondrial I se forma con los complejos respiratorios III y IV supercomplejos llamados respirasomas . En las mitocondrias de mamíferos y humanos, alrededor del 90% del complejo se encuentra en el respirasoma. También se ha demostrado en mitocondrias de rizomas de bambú jóvenes que el 90 % de la cantidad total del complejo I se ensambla en respirasomas, y en Arabidopsis  , en supercomplejo I-III 2 [19] . Existe amplia evidencia de que la presencia de respirasomas es necesaria para la estabilidad y función del complejo I, que es inestable en ausencia de los complejos III o IV. Por ejemplo, en células humanas mutantes , se ha demostrado que el complejo I es necesario para la formación del complejo III y, por otro lado, la pérdida del complejo III conduce a la pérdida del complejo I. Además, una serie de animales los estudios celulares proporcionan evidencia de que el complejo I es necesario para la estabilidad de los complejos IV y un dímero del complejo III.

Recientemente, se demostró en cultivos de células humanas que los complejos IV y III son necesarios para el ensamblaje de un complejo I completo, mientras que el propio complejo ensamblado de manera incompleta sirve como base para la formación de respirasas. La presencia de los complejos IV y III en el respirasoma es necesaria para la unión de las subunidades catalíticas del módulo NADH deshidrogenasa al complejo I, que activan completamente el complejo y todo el respirasoma [20] .

Reacción

El complejo NADH deshidrogenasa oxida el NADH formado en la matriz durante el ciclo del ácido tricarboxílico . Los electrones del NADH se utilizan para regenerar el transportador de membrana, la ubiquinona Q, que los transporta al siguiente complejo de la cadena de transporte de electrones mitocondrial , el complejo III o el complejo citocromo bc 1 [21] .

El complejo NADH-deshidrogenasa funciona como una bomba de protones : por cada NADH oxidado y Q reducido, se bombean cuatro protones a través de la membrana hacia el espacio intermembrana [22] :

El potencial electroquímico formado durante la reacción se utiliza para sintetizar ATP . Curiosamente, la reacción catalizada por el complejo I es reversible, un proceso llamado reducción de NAD + inducida por succinato aeróbico . En condiciones de alto potencial de membrana y exceso de ubiquinoles reducidos, el complejo puede reducir NAD + utilizando sus electrones y devolver protones a la matriz. Este fenómeno suele verse cuando hay mucho succinato pero poco oxaloacetato o malato . La reducción de la ubiquinona se lleva a cabo mediante las enzimas succinato deshidrogenasa , glicerol-3-fosfato deshidrogenasa o dihidroorotato deshidrogenasa mitocondrial . En condiciones de un gradiente de protones alto , la afinidad del complejo por el ubiquinol aumenta y el potencial redox del ubiquinol disminuye debido a un aumento en su concentración, lo que hace posible el transporte inverso de electrones a lo largo del potencial eléctrico de la membrana mitocondrial interna para NAD [23] . Este fenómeno se ha observado en condiciones de laboratorio, pero no se sabe si ocurre en una célula viva.

Mecanismo de transporte de protones

En las etapas iniciales del estudio del complejo I, un modelo basado en la suposición de que un sistema similar a un ciclo Q opera en el complejo . Sin embargo, estudios posteriores no encontraron ninguna quinona unida internamente en el complejo I y refutó por completo esta hipótesis [24] .

El complejo NADH deshidrogenasa parece tener un mecanismo de transporte de protones único a través de cambios conformacionales en la propia enzima. Las subunidades ND2, ND4 y ND5 se denominan de tipo antipuerto porque son homólogas entre sí y con los antipuertos bacterianos Mrp Na + /H + . Estas tres subunidades forman los tres canales de protones principales, que se componen de residuos de aminoácidos cargados conservados (principalmente lisina y glutamato ). El cuarto canal de protones está formado por parte de la subunidad Nqo8 y las subunidades pequeñas ND6, ND4L y ND3. El canal es similar en estructura a canales similares de subunidades similares a antipuerto, pero contiene una cantidad inusualmente grande de residuos de glutamato densamente empaquetados en el lado de la matriz, de ahí el nombre de canal E (latín E se usa como la designación estándar para glutamato). Una extensión se extiende desde el extremo C-terminal de la subunidad ND5, que consta de dos hélices α transmembrana conectadas por una hélice α inusualmente larga (110 Å) [4] (HL), que, pasando a lo largo del lado de la complejo frente a la matriz, conecta físicamente las tres subunidades similares a antipuerto y puede estar involucrado en el acoplamiento del transporte de electrones con el reordenamiento conformacional. Otro elemento de conjugación, βH, está formado por una serie de β-horquillas y α-hélices superpuestas y está ubicado en el lado periplásmico opuesto del complejo [25] .

Todavía se desconoce por completo cómo se acopla exactamente el transporte de electrones con el transporte de protones. Se cree que la poderosa carga negativa del grupo N2 puede separar los polipéptidos circundantes, lo que provoca cambios conformacionales que de alguna manera se propagan a todas las subunidades similares a antipuerto ubicadas bastante lejos unas de otras. Otra hipótesis sugiere que el cambio conformacional induce ubiquinol Q-2 estabilizado con un potencial redox extremadamente bajo y una carga negativa en el sitio de unión de ubiquinona inusualmente largo . Se desconocen muchos detalles de la cinética de los cambios conformacionales y el transporte de protones asociado [25] .

Formularios activos e inactivos

El complejo eucariótico NADH deshidrogenasa existe en dos formas distintas: una en pleno funcionamiento, denominada activa o forma A, y una segunda, catalíticamente inactiva o forma D. Si la enzima se mantiene a temperaturas elevadas pero todavía fisiológicas (> 30 °C) en ausencia de un sustrato , la enzima cambia a la forma D. Es catalíticamente inactivo, pero puede ser activado por un sustrato (NADH y ubiquinona, a los que se pueden volcar electrones). Después de uno o más ciclos enzimáticos, el complejo se vuelve activo y la velocidad de reacción aumenta. Tal transición se encuentra sólo en vertebrados y hongos , pero no en invertebrados o bacterias . Los complejos vegetales no han sido estudiados. En presencia de cationes divalentes (Mg 2+ , Ca 2+ ) o en pH alcalino , la activación lleva mucho más tiempo y el ácido palmítico libre aumenta mucho la frecuencia de transición de la forma activa a la desactivada [26] .

La alta energía de activación (270 kJ/mol) de la transición de la forma A a la forma D indica que se produce un reordenamiento conformacional significativo en el complejo. Hasta ahora, la única diferencia identificada entre las dos formas es la cantidad de residuos de cisteína en la superficie de la enzima. Según datos recientes, las subunidades ubicadas cerca del sitio de unión de la quinona están involucradas en este proceso: 39 kDa, ND3 y ND1 [26] . El tratamiento de las formas D del complejo I con reactivos especiales ( N-etilmaleimida o reactivo de Ellman ) bloquea de forma irreversible estos importantes residuos de cisteína, imposibilitando la reactivación de la enzima. Curiosamente, la forma A del complejo I es insensible a los sulfhidrilos , lo que indica que los residuos de cisteína están enterrados profundamente en la proteína. A su vez, la forma desactivada es susceptible de inhibición por nitrosotioles y peroxinitrito [27] .

Los cambios conformacionales en el complejo I son de gran importancia fisiológica . Después de la hipoxia , la restauración de los niveles de oxígeno puede provocar un aumento en la oxidación de NAD(P)H y la generación de especies reactivas de oxígeno, que pueden dañar las mitocondrias y causar necrosis tisular . La transición de la forma activa a la inactiva del complejo se produce en condiciones patológicas, cuando el número de revoluciones de la enzima se reduce a la temperatura corporal fisiológica normal, por ejemplo, durante la hipoxia , la isquemia o un aumento en la proporción de nítrico óxido (NO) / oxígeno en los tejidos (la llamada hipoxia metabólica). De esta forma, el complejo I evita que los complejos respiratorios restantes se oxiden cuando se restablecen los niveles de oxígeno. Además, la forma inactiva no es capaz de transportar electrones inversos, lo que reduce la formación de ROS [28] [26] .

Orígenes evolutivos

El complejo NADH-deshidrogenasa pertenece a la familia de las oxidorreductasas de membrana de la clase de las NiFe-hidrogenasas , que en bacterias anaerobias y arqueas acoplan la reacción de oxidación del sustrato y reducción de hidrógeno con el transporte de protones. Según los datos de homología de proteínas, se puede concluir que el complejo surgió como resultado de la unión de dos complejos preexistentes de diferentes familias de proteínas no relacionadas . Los módulos de unión a NADH-deshidrogenasa y ubiquinona se originaron a partir de la NiFe-hidrogenasa soluble, que oxidó el NADH y redujo el hidrógeno, mientras que el “pie” de la membrana hidrofóbica del complejo que bombea protones se originó a partir de los antipuertos de Na + /H + Mrp [4] .

La fusión de hidrogenasa soluble y proteínas antiport condujo a la aparición de un gran número de hidrogenasas y deshidrogenasas de membrana, que luego podrían evolucionar hacia el complejo I. La estructura tridimensional de estas enzimas es probablemente similar a la del complejo I. Las deshidrogenasas incluyen el complejo archaeal Fpo de 11 subunidades, que oxida el cofactor F 420 asociado con el hidrógeno y reduce la metanofenazina (análoga a la ubiquinona), bombeando un protón por cada dos electrones a través de la membrana. Esta enzima no tiene un módulo NADH deshidrogenasa. El grupo de hidrogenasas incluye las liasas de formiato de hidrógeno de Escherichia coli : liasa-1 de formiato de hidrógeno de siete subunidades y liasa-2 de formiato de hidrógeno de diez. Ambas enzimas oxidan formiato mediante la reducción de hidrógeno con la transferencia de varios protones a través de la membrana [18] .

La más simple de las proteínas relacionadas con el complejo I es la hidrogenasa Ech ( hidrogenasa tipo 3 de E.  coli hidrogenasa ) de la arquea Methanosarcina barkeri . Consta de solo seis subunidades y bombea un protón como resultado de la oxidación de la ferredoxina con la reducción de una molécula de hidrógeno. Ech contiene el conjunto mínimo de subunidades (homólogas al complejo I) necesarias para acoplar la reacción de oxidación con el transporte de protones [18] .

Además, el complejo I se encuentra en los cloroplastos como el complejo cloroplasto NADH deshidrogenasa . Su estructura y funciones exactas aún se desconocen [29] .

Formación de especies reactivas de oxígeno

El complejo I en el proceso de su trabajo forma especies reactivas de oxígeno [30] . Suele ser superóxido (y también peróxido de hidrógeno ) y se forma al menos de dos formas. En el curso del transporte directo de electrones, durante la respiración, se forma una cantidad muy pequeña de superóxido (probablemente menos del 0,1 % del flujo total de electrones se transfiere al oxígeno ) [30] [31] .

Durante el transporte de electrones inverso, que ocurre en condiciones de reducción de NAD + inducida por succinato aeróbico , el complejo I puede convertirse en el sitio más activo para la formación de superóxido: hasta el 5% de los electrones van a la reducción de oxígeno [32] .

El superóxido se forma en el complejo NADH-deshidrogenasa como resultado de la transferencia de un electrón de FMN H 2 a O 2 . El radical flavina resultante es inestable y transfiere el electrón restante a los grupos de hierro y azufre. El nivel de formación de superóxido está determinado por la relación NADH/NAD + ; en condiciones en las que se reduce una pequeña cantidad de NAD, el NAD + compite con éxito por los electrones con el oxígeno [33] [34] .

Inhibidores

El inhibidor del complejo I más estudiado es la rotenona (ampliamente utilizada como pesticida orgánico ). La rotenona y los rotenoides son isoflavonoides que están presentes en las raíces de varios géneros de plantas tropicales como Antonia ( Loganiaceae ), Derris y Lonchocarpus ( Fabaceae ). La rotenona se ha utilizado durante mucho tiempo como insecticida y veneno para peces , ya que las mitocondrias de los insectos y los peces son especialmente sensibles a ella. Se sabe que los habitantes indígenas de la Guayana Francesa y otros indios de América del Sur utilizaron plantas que contenían rotenona para pescar ya en el siglo XVII [35] . La rotenona interactúa con el sitio de unión de la ubiquinona y compite con el sustrato principal. Se ha demostrado que la inhibición sistémica a largo plazo del complejo I por la rotenona puede inducir la muerte selectiva de las neuronas dopaminérgicas (que secretan dopamina como neurotransmisor ) [36] . De manera similar, la piericidina A , otro potente inhibidor del complejo I, es estructuralmente similar a la ubiquinona. Este grupo también incluye el amital sódico  , un derivado del ácido barbitúrico [2] .

A pesar de más de 50 años de estudio del complejo I, no se han encontrado inhibidores que bloqueen la transferencia de electrones dentro del complejo. Los inhibidores hidrofóbicos como la rotenona o la piericidina simplemente interrumpen la transferencia de electrones desde el grupo N2 terminal a la ubiquinona [36] .

Otro compuesto que bloquea el complejo I es la adenosina difosfato ribosa , un inhibidor competitivo en la reacción de oxidación del NADH. Se une a la enzima en el sitio de unión de nucleótidos (FAD) [37] .

Uno de los inhibidores del complejo I más potentes es la familia de las acetogeninas . Se ha demostrado que estas sustancias forman enlaces cruzados químicos con la subunidad ND2, lo que indica indirectamente el papel de ND2 en la unión de ubiquinona [38] . Curiosamente, la acetogenina rolliniastatin-2 fue el primer inhibidor del complejo I descubierto que se une en un sitio diferente al de la rotenona [39] .

El fármaco antidiabético metformina tiene un efecto inhibidor moderado ; aparentemente, esta propiedad de la droga es la base del mecanismo de su acción [40] .

Patologías

Las mutaciones en los genes de la subunidad del complejo I pueden provocar enfermedades mitocondriales , como el síndrome de Leigh . Las mutaciones puntuales en las subunidades mitocondriales de este complejo también pueden causar la neuropatía óptica de Leber . Hay pruebas de que los defectos en la estructura del complejo I pueden desempeñar un papel en la etiología de la enfermedad de Parkinson , posiblemente debido a la formación de especies reactivas de oxígeno [41] . Así, se demostró que en cultivos celulares de pacientes con enfermedad de Parkinson aumenta la fuga de protones en el complejo I, lo que reduce la capacidad respiratoria máxima [42] . En las plantas, se han descrito mutaciones en el complejo I en el tabaco ( Nicotiana silvestris ) y el maíz ( Zea mays ): las mutaciones se acompañaron de patología del polen y condujeron a la esterilidad masculina citoplasmática [2] .

Estudios recientes han revelado un papel inusual para el complejo I en la función cerebral . La actividad de esta enzima se reduce significativamente en pacientes con trastorno bipolar , pero permanece normal en pacientes con depresión o esquizofrenia . En pacientes con trastorno bipolar , se observó un aumento de la oxidación y nitración de proteínas en la corteza prefrontal . Estos resultados hacen del complejo I un objetivo para futuras investigaciones terapéuticas en el trastorno bipolar [43] [44] .

La exposición a pesticidas que bloquean el complejo I puede tener consecuencias de largo alcance. Por ejemplo, la exposición prolongada a bajas concentraciones de organofosforados y al pesticida diclorvos causa disfunción hepática . El diclorvos modifica la actividad de los complejos I y II, lo que provoca una ralentización del transporte de electrones y una disminución de la síntesis de ATP [45] .

El papel del complejo I en el envejecimiento

La evidencia de numerosos estudios sugiere que las mitocondrias, y en particular los complejos I y II, juegan un papel clave en los procesos que afectan el envejecimiento y la vida útil [46] [47] [48] [49] . Se supone que la desaceleración en la síntesis y reposición de proteínas durante el envejecimiento conduce a una falla en la estequiometría de las subunidades respiratorias. Esto, a su vez, provoca una violación de la eficiencia del funcionamiento del complejo I y un aumento del estrés oxidativo mitocondrial , que es más pronunciado en el tejido muscular [50] .

La inserción de una levadura NADH deshidrogenasa Ndi1 alternativa , que consta de una sola subunidad, además del complejo I, en el genoma de Drosophila condujo a la restauración del nivel normal de oxidación intramitocondrial de NADH y una prolongación significativa de la vida de esta mosca, independientemente de la restricción calórica de su dieta [51] .

Véase también

• Citocromo - b 6 f -complejo
• Citocromo -bc 1 -complejo
• oxidasa alternativa
• ETF deshidrogenasa

Notas

1. ↑ Solo algunas bacterias tienen el grupo de hierro y azufre N7 (por ejemplo, E. coli y T. thermophilus ).
2. ↑ En E. coli y algunas otras bacterias, las subunidades NuoC (30 kDa) y NuoD (49 kDa) se fusionan en una sola.
3. ↑ 1 2 Encontrado en algunos hongos como Schizosaccharomyces pombe .

Fuentes

1. ↑ Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran y Leonid A. Sazanov. La arquitectura del complejo respiratorio I  (neopr.)  // naturaleza. - 27 de mayo de 2010. - T. 465 . - S. 441-445 . -doi : 10.1038 / nature09066 . —PMID 20505720 .
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ermakov, 2005 , pág. 237.
3. ↑ Carroll J., Fearnley IM, Skehel JM, Shannon RJ, Hirst J., Walker JE El complejo bovino I es un complejo de 45 subunidades diferentes  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2006. - Octubre ( vol. 281 , no. 43 ). - Pág. 32724-32727 . -doi : 10.1074/ jbc.M607135200 . —PMID 16950771 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Leonid A. Sazanov. Una bomba de protones molecular gigante: estructura y mecanismo del complejo respiratorio I  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : revista  . - 2015. - junio ( vol. 16 , no. 6 ). - pág. 375-388 . -doi : 10.1038/ nrm3997 . —PMID 25991374 .
5. ↑ 1 2 3 4 Judy Hirst. Complejo mitocondrial I  (inglés)  // Revisión anual de bioquímica : diario. - Junio ​​2013. - Vol. 82 . - Pág. 551-575 . -doi : 10.1146 / annurev-biochem-070511-103700 .
6. ↑ Cardol P., Lapaille M., Minet P., Franck F., Matagne RF, Remacle C. Las subunidades ND3 y ND4L del complejo mitocondrial I, ambos núcleos codificados en Chlamydomonas reinhardtii, son necesarias para la actividad y el ensamblaje de la  enzima.)  // Célula Eucariota. : diario. - 2006. - Septiembre ( vol. 5 , no. 9 ). - P. 1460-1467 . —PMID 16963630 .
7. ↑ 1 2 Voet, Judith G.; Vota, Donald. Bioquímica  (neopr.) . — 3er. - Nueva 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 es una subunidad del complejo IV de la cadena de transporte de electrones de los mamíferos  //  Metabolismo celular : diario. - 2012. - Septiembre ( vol. 16 , no. 3 ). - pág. 378-386 . -doi : 10.1016/ j.cmet.2012.07.015 . — PMID 22902835 .
9. ↑ Allan G Rasmussonb, Volker Heiserc, Eduardo Zabaletaa, Axel Brennickea, Lutz Grohmannd. Aspectos fisiológicos, bioquímicos y moleculares del complejo mitocondrial I en plantas  (inglés)  // Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 1998. - mayo ( vol. 1364 , n. 2 ). - P. 101-111 . - doi : 10.1016/S0005-2728(98)00021-8 .
10. ↑ Peters K., Belt K., Braun H.-P. Mapa en gel 3D del complejo I de Arabidopsis  (neopr.)  // Frente. ciencia de las plantas Proteómica Vegetal.. - 2013. - V. 5 , No. 153 . -doi : 10.3389/ fpls.2013.00153 . —PMID 23761796 .
11. ↑ Meyer EH Investigaciones proteómicas de la composición del complejo I: ¿cómo definir una subunidad?  (Inglés)  // Frente. ciencia de las plantas Proteómica Vegetal. : diario. - 2012. - 24 de mayo ( vol. 3 , núm. 106 ). -doi : 10.3389/ fpls.2012.00106 . —PMID 22654890 .
12. ↑ 1 2 Cardol P. NADH mitocondrial: ubiquinona oxidorreductasa (complejo I) en eucariotas: una composición de subunidad altamente conservada destacada por la extracción de bases de datos de proteínas  //  Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 2011. - vol. 1807 , n. 11 _ - P. 1390-1397 . -doi : 10.1016/ j.bbabio.2011.06.015 . —PMID 21749854 .
13. ↑ Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin. Caracterización de la transición activa/desactivada del complejo mitocondrial I   // Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 2014. - julio ( vol. 1837 , n. 7 ). - P. 1083-1092 . -doi : 10.1016/ j.bbabio.2014.02.018 . — PMID 24569053 .
14. ↑ 1 2 Katarzyna Kmita, Volker Zickermann. Subunidades accesorias del complejo mitocondrial I  //  Transacciones de la Sociedad Bioquímica : diario. - 01 de octubre de 2013 — vol. 41 , núm. 5 . - P. 1272-1279 . -doi : 10.1042/ BST20130091 .
15. ↑ Ogilvie I., Kennaway NG, Shoubridge EA Una chaperona molecular para el ensamblaje del complejo I está mutada en una encefalopatía progresiva  //  Journal of Clinical Investigation : diario. - 2005. - vol. 115 , núm. 10 _ - Pág. 2784-2792 . -doi : 10.1172/ JCI26020 . — PMID 16200211 .
16. ↑ Dunning CJ, McKenzie M., Sugiana C., Lazarou M., Silke J., Connelly A., et al. El CIA30 humano está involucrado en el ensamblaje temprano del complejo I y las mutaciones en su gen causan enfermedades  //  The EMBO Journal : diario. - 2007. - vol. 26 , núm. 13 _ - Pág. 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. Las mutaciones en NDUFAF3 (C3ORF60), que codifican una proteína de ensamblaje del complejo I que interactúa con NDUFAF4 (C6ORF66), causan una enfermedad neonatal fatal  // American  Journal of Human Genetics : diario. - 2009. - Vol. 84 , núm. 6 _ - P. 718-727 . -doi : 10.1016/ j.ajhg.2009.04.020 . —PMID 19463981 .
18. ↑ 1 2 3 Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. El mecanismo de acoplamiento del complejo respiratorio I — Una perspectiva estructural y evolutiva  //  ​​Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 2012. - Octubre ( vol. 1817 , n. 10 ). - Pág. 1785-1795 . -doi : 10.1016/ j.bbabio.2012.02.015 . —PMID 22386882 .
19. ↑ Eubel H., Jänsch L., Braun HP Nuevos conocimientos sobre la cadena respiratoria de las mitocondrias vegetales: supercomplejos y una composición única del complejo II  // Plant Physiology  : journal  . - Sociedad Americana de Biólogos de Plantas , 2003. - Vol. 133 . - pág. 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 y Cristina Ugalde1. El complejo mitocondrial I juega un papel esencial en el ensamblaje del respirasoma humano  //  Metabolismo celular : diario. — vol. 15 , núm. 3 . - P. 324-335 . -doi : 10.1016/ j.cmet.2012.01.015 .
21. ↑ Berg, J., Tymoczko, J. y L Stryer. Bioquímica  (neopr.) . — 6to. - Nueva York: WH Freeman & Company, 2006. - S. 509-513.
22. ↑ Brandt, U. Energy converting NADH:quinone oxidorreductase (complex I)  (español)  // Revisión anual de bioquímica : diario. - 2006. - V. 75 . - Pág. 69-92 . -doi : 10.1146 / annurev.biochem.75.103004.142539 . —PMID 16756485 .
23. ↑ Grivennikova VG, Kotlyar AB, Karliner JS, Cecchini G., Vinogradov AD. Cambio dependiente de redox de la afinidad de los nucleótidos por el sitio activo del complejo de mamíferos I  (inglés)  // Bioquímica: revista. - 2007. - Agosto ( vol. 46 , no. 38 ). - Pág. 10971-10978 . -doi : 10.1021/ bi7009822 . —PMID 17760425 .
24. ↑ Ermakov, 2005 , pág. 238.
25. ↑ 1 2 Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas y Leonid A. Sazanov. Estructura cristalina de todo el complejo respiratorio I  (inglés)  // Nature : journal. - 2013. - 28 febrero ( vol. 494 ). - Pág. 443-448 . -doi : 10.1038/ naturaleza11871 .
26. ↑ 1 2 3 Marion Babot, Amanda Birch, Paola Labarbuta, Alexander Galkin. Caracterización de la transición activa/desactivada del complejo mitocondrial I   // Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 2014. - julio ( vol. 1837 , n. 7 ). - P. 1083-1092 . -doi : 10.1016/ j.bbabio.2014.02.018 .
27. ↑ Galkin A., Moncada S. S-nitrosation of mitochondrial complex I depende de su conformación estructural  //  Journal of Biological Chemistry  : revista. - 2007. - diciembre ( vol. 282 , no. 52 ). - Pág. 37448-37453 . -doi : 10.1074/ jbc.M707543200 . —PMID 17956863 .
28. ↑ Moncada S., Erusalimsky JD ¿Modula el óxido nítrico la generación de energía mitocondrial y la apoptosis? (Inglés)  // Nature Reviews Molecular Cell Biology  : revista. - 2002. - marzo ( vol. 3 , no. 3 ). - pág. 214-220 . -doi : 10.1038/ nrm762 . —PMID 11994742 .
29. ↑ Lianwei Peng, Hiroshi Yamamoto, Toshiharu Shikanai. Estructura y biogénesis del complejo cloroplasto NAD(P)H deshidrogenasa  (inglés)  // Biochimica et Biophysica Acta : diario. - Agosto 2011. - Vol. 1807 , n. 8 _ - Pág. 945-953 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2010.10.015 .
30. ↑ 1 2 Murphy MP Cómo las mitocondrias producen especies reactivas de oxígeno  // Biochemical  Journal : diario. - 2009. - enero ( vol. 417 , n. 1 ). - P. 1-13 . -doi : 10.1042/ BJ20081386 . —PMID 19061483 .
31. ↑ Hansford RG, Hogue BA, Mildaziene V. Dependencia de la formación de H2O2 por mitocondrias de corazón de rata sobre la disponibilidad de sustrato y la edad del donante  //  J. Bioenerg. biomembrana : diario. - 1997. - febrero ( vol. 29 , no. 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. Altas tasas de producción de superóxido en mitocondrias del músculo esquelético que respiran en sustratos unidos al complejo I y al complejo II  ( inglés)  // Revista bioquímica : diario. - 2008. - enero ( vol. 409 , n. 2 ). - pág. 491-499 . -doi : 10.1042/ BJ20071162 . —PMID 17916065 .
33. ↑ Kussmaul L., Hirst J. El mecanismo de producción de superóxido por NADH: ubiquinona oxidorreductasa (complejo I) de mitocondrias de corazón bovino  //  Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América  : revista. - 2006. - mayo ( vol. 103 , n. 20 ). - Pág. 7607-7612 . -doi : 10.1073/ pnas.0510977103 . —PMID 16682634 .
34. ↑ Esterházy D., King MS, Yakovlev G., Hirst J. Producción de especies reactivas de oxígeno por el complejo I (NADH: ubiquinona oxidorreductasa) de Escherichia coli y comparación con la enzima de las mitocondrias  //  Bioquímica: revista. - 2008. - marzo ( vol. 25 , no. 12 ). - Pág. 3964-3971 . -doi : 10.1021/ bi702243b . — PMID 18307315 .
35. ↑ Moretti C., Grenand P. [Las "nivrées", o plantas ictiotóxicas de la Guayana Francesa]  (fr.)  // Journal of Ethnopharmacology. - 1988. - Septiembre ( vol. 6 , No. 2 ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
36. ↑ 1 2 Watabe M., Nakaki T. El inhibidor del complejo mitocondrial I, la rotenona, inhibe y redistribuye el transportador vesicular de monoamina 2 a través de la nitración en células dopaminérgicas humanas SH-SY5Y  (inglés)  // Molecular Pharmocology: revista. - 2008. - julio ( vol. 74 , no. 4 ). - Pág. 933-940 . - doi : 10.1124/mol.108.048546 . —PMID 18599602 .
37. ↑ Zharova TV, Vinogradov AD. Una inhibición competitiva de la NADH-ubiquinona oxidorreductasa mitocondrial (complejo I) por ADP-ribosa  //  Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 1997. - julio ( vol. 1320 , n. 3 ). - pág. 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. La subunidad ND2 está marcada por un análogo de fotoafinidad de la asimicina, un potente  inhibidor del complejo I.)  // FEBS Cartas : diario. - 2010. - enero ( vol. 584 , n. 5 ). - Pág. 883-888 . -doi : 10.1016/ j.febslet.2010.01.004 . —PMID 20074573 .
39. ↑ Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Las sustancias naturales (acetogeninas) de la familia Annonaceae son potentes inhibidores de la NADH deshidrogenasa mitocondrial (complejo I  )  // Biochemical Journal : diario. - 1994. - julio ( vol. 301 ). - pág. 161-167 . —PMID 8037664 .
40. ↑ Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Mecanismos celulares y moleculares de la metformina: una descripción general   // Clinical Science : diario. - 2012. - marzo ( vol. 122 , no. 6 ). - pág. 253-270 . -doi : 10.1042/ CS20110386 . — PMID 22117616 .
41. ↑ Chou AP, Li S., Fitzmaurice AG, Bronstein JM. Mecanismos de inhibición del proteasoma inducido por rotenona  (inglés)  // Neurotoxicología: revista. - 2010. - abril ( vol. 113 , n. 4 ). - Pág. 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. Respiración mitocondrial y proteínas asociadas a la respiración en líneas celulares creadas a través de la transferencia mitocondrial del sujeto de Parkinson  //  Revista de neuroquímica : diario. - 2010. - febrero ( vol. 113 , no. 3 ). - Pág. 674-682 . -doi : 10.1111 / j.1471-4159.2010.06631.x . —PMID 20132468 .
43. ↑ Andreazza AC, Shao L., Wang JF, Young LT. Actividad del complejo mitocondrial I y daño oxidativo de las proteínas mitocondriales en la corteza prefrontal de pacientes con trastorno bipolar  // JAMA  :  revista. - 2010. - abril ( vol. 67 , n. 4 ). - 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. Interacción de bioenergética y dinámica mitocondrial en fibroblastos deficientes en complejo I  //  Biochimica et Biophysica Acta : diario. - 2010. - mayo ( vol. 1802 , n. 5 ). - Pág. 443-453 . -doi : 10.1016/ j.bbadis.2010.02.001 . —PMID 20153825 .
45. ↑ Binukumar BK, Bal A., Kandimalla R., Sunkaria A., Gill KD. Deterioro del metabolismo energético mitocondrial y disfunción hepática después de la exposición crónica al diclorvos  (inglés)  // Toxicología: revista. - 2010. - abril ( vol. 270 , n. 2-3 ). - Pág. 77-84 . -doi : 10.1016/ j.tox.2010.01.017 . —PMID 20132858 .
46. ↑ Stefanatos, R. y Sanz, A. (2011). Complejo mitocondrial I: un regulador central del proceso de envejecimiento. Ciclo celular, 10(10), 1528-1532
47. ↑ Scialo, F., Mallikarjun, V., Stefanatos, R. y Sanz, A. (2013). Regulación de la vida útil por la cadena de transporte de electrones mitocondrial: mecanismos dependientes de especies de oxígeno reactivo e independientes de especies de oxígeno reactivo. Antioxidantes y señalización 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). Responsabilidad mitocondrial en el proceso de envejecimiento: inocente, sospechoso o culpable. Biogerontología, 16(5), 599-620. doi : 10.1007/s10522-015-9585-9
49. ↑ Bowman, A. y Birch-Machin, MA (2016). La disminución dependiente de la edad de la actividad del complejo mitocondrial II en fibroblastos de piel humana . Archivado el 13 de septiembre de 2017 en Wayback Machine . Revista de Dermatología Investigativa. doi:10.1016/j.jid.2016.01.017
50. ↑ Kruse, SE, Karunadharma, PP, Basisty, N., Johnson, R., Beyer, RP, MacCoss, MJ, Rabinovitch, PS y Marcinek, DJ (2016), La edad modifica el complejo respiratorio I y la homeostasis de proteínas en un tipo de músculo -manera específica. Célula de envejecimiento. Célula de envejecimiento, 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). La expresión de la levadura NADH deshidrogenasa Ndi1 en Drosophila confiere una mayor esperanza de vida independientemente de la restricción dietética . Archivado el 24 de junio de 2016 en Wayback Machine . Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 107(20), 9105-9110. doi : 10.1073/pnas.0911539107 PMC 2889079

Literatura

• Fisiología Vegetal / Ed. I. P. Ermakova. - M. : Academia, 2005. - 634 p.

Enlaces

• Grupo MRC MBU Sazanov
• Página de inicio del Complejo I en el Instituto de Investigación Scripps
• MeSH Electron+Transporte+Complejo+I