La NADH Deshidrogenasa (EC 1.6.5.3) (també anomenada “NADH:ubiquinona oxidoreductasa” o “Complex I”) és un enzim localitzat a la membrana mitocondrial interna que catalitza la transferència d'electrons del NADH al coenzim Q (CoQ). Podem dir que el Complex I és un “enzim d'entrada” a la fosforilació oxidativa.Nakamaru-Ogiso E, Han H, Matsuno-Yagi A, Keinan E, Sinha SC, Yagi T, Ohnishi T. (January 2010). "The ND2 subunit is labeled by a photoaffinity analogue of asimicin, a potent complex I inhibitor.". FEBS letters 584 (5): 883–8. doi:10.1016/j.febslet.2010.01.004.
Funció La NADH Deshidrogenasa és el primer enzim (Complex I) de la Cadena transportadora d'electrons mitocondrial. Hi ha tres enzims transductors d'energia en la cadena transportadora d'electrons : NADH deshidrogenasa (Complex I), Citocrom c reductasa (Complex III), i Citocrom c oxidasa (Complex IV).Berg, J, Tymoczko, J, and L Stryer (2006). Biochemistry (6th ed.). New York: WH Freeman & Company. p. 509–513. El Complex I és l'enzim més gran i més complicat de la cadena.Brandt, U (2006). "Energy converting NADH:quinone oxidoreductase (complex I)". Annual Review of Biochemistry 75: 69–92. doi:10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539. La seva reacció és:
NADH + H+ + CoQ + 4H+ → NAD+ + CoQH₂ + 4H+
En aquest procés, el complex transloca 4 protons a través de la membrana interna per cada molècula de NADH oxidada, ajudant a crear el potencial electroquímic utilitzat per a produir ATP.
Recentment s'ha demostrat que en certs procariotes el complex transloca cations Na+ en lloc de protons i d'aquesta manera es genera una força sodi-motriu en lloc de protó-motriu.Friedrich T, Bottcher B: The gross structure of the respiratory complex I: a Lego System. Biochim Biophys Acta 2004, 1608:1-9.Hayashi M, Nakayama Y, Unemoto T: Recent progress in the Na(+)-translocating NADH-quinone reductase from the marine Vibrio alginolyticus. Biochim Biophys Acta 2001, 1505:37-44.
La reacció pot ser reversible – referint-nos a la reducció aeròbia del NAD+ suportada pel succinat - en presència d'un alt potencial de membrana, però el mecanisme catalític exacte continua sent desconegut.Grivennikova VG, Kotlyar AB, Karliner JS, Cecchini G, Vinogradov AD. (August 2007). "Redox-dependent change of nucleotide affinity to the active site of the mammalian complex I.". Biochemistry 46 (38): 10971–8. doi:10.1021/bi7009822.
El Complex I pot tenir un paper en el desencadenament de l'apoptosi.Chomova M, Racay P. (March 2010). "Mitochondrial complex I in the network of known and unknown facts.". General Physiology and Biophysics 29 (1): 3–11. doi:10.4149/gpb_2010_01_3. De fet, s'ha demostrat que hi ha una correlació entre les activitats mitocondrials i la Mort cel·lular programada (PCD) durant el desenvolupament de l'embrió somàtic.Petrussa E, Bertolini A, Casolo V, Krajnáková J, Macrì F, Vianello A. (October 2009). "Mitochondrial bioenergetics linked to the manifestation of programmed cell death during somatic embryogenesis of Abies alba.". Planta 231 (1): 93–107. doi:10.1007/s00425-009-1028-x.
Mecanisme Totes les reaccions redox tenen lloc a la part de la NADH deshidrogenasa que es troba fora de la membrana. El NADH al principi s'uneix a la NADH deshidrogenasa i transfereix dos electrons a una molècula de mononucleòtid de flavina (FMN) (grup prostètic) del Complex I, creant FMNH₂. L'acceptor d'electrons – l'anell d'isoaloxacina- del FMN és idèntic al del FAD. Llavors els electrons són transferits a través del segon grup prostètic de la NADH deshidrogenasa mitjançant una sèrie de grups ferro - sofre (Fe - S), i finalment al coenzim Q (ubiquinona). El flux d'electrons fa que quatre ions hidrogen siguin bombejats fora de la matriu mitocondrial. La ubiquinona (Q) accepta dos electrons per a ser reduïda a ubihidroquinona (QH₂).
Composició i estructura miniatura|Transformació de NAD+ a NADH. miniatura|Transformació de FMN a FMNH₂. miniatura|Transformació de Q a QH₂. miniatura|L'esctructura del domini perifèric d'una proteína relacionada amb la NADH deshidrogenasa; FMN deshidrogenasa bacteriana PDB 2FUG. Aquesta estructura omet un gran domini transmembrana, que es troba a la part de baix de la imatge i que s'estén cap a la dreta. Aquesta secció del complex es troba en la matriu mitocondrial. miniatura|Els transportadors d'electrons del complex NADH deshidrogenasa. Set centres ferro – sofre primaris es troben en línia pel braç perifèric del comple per transportar electrons des del lloc de la deshidratació del NADH fins a la ubiquinona. El grup ferro-sofre de la dreta no s'ha trobat en el complex eucariòtic. Nota: aquesta imatge inclou dos errors. A danlt hauria d'indicar NADH → NAD+ via un transportador d'electrons/cofactor FMN. A baix, hauria d'indicar Ubiquinone → Ubiquinol. La NADH deshidrogenasa és el complex respiratori més gran. En mamífers, l'enzim conté 45 cadenes de polipèptids separades. El grup prostètic de flavina (FMN) i vuit grups ferro - sofre binuclears (Fe₂S₂) i tetranuclears (Fe₄S₄) són de particular importància funcional. De les 45 subunitats, set estan codificades pel genoma mitocondrial.Voet, Judith G.; Voet, Donald (2004). Biochemistry (3rd ed.). New York: J. Wiley & Sons. p. 813–826. Carroll J, Fearnley IM, Skehel JM, Shannon RJ, Hirst J, Walker JE (October 2006). "Bovine complex I is a complex of 45 different subunits". J. Biol. Chem. 281 (43): 32724–7. doi:10.1074/jbc.M607135200.
L'estructura és en forma de “L” amb un llarg domini de la membrana (amb unes 60 hèlixs transmembrana) i un domini perifèric hidròfil, que inclou tots els centres redox coneguts i el lloc d'unió del NADH. Mentre que l'estructura del complex eucariòtic no està ben caracteritzada, el domini perifèric/hidròfil del complex dels bacteris (Thermus thermophilus) ha estat cristal·litzat (PDB 2FUG).Sazanov LA, Hinchliffe P (March 2006). "Structure of the hydrophilic domain of respiratory complex I from Thermus thermophilus". Science 311 (5766): 1430–6. doi:10.1126/science.1123809.
Un estudi recent fet per Roessler et al. (2010) utilitzava espectres de ressonància paramagnètica electrònica (EPR) i ressonància doble electró - electró (DEER) per a determinar el camí de la transferència d'electrons a través dels complexos ferro - sofre, que estan localitzats al domini hidròfil. Set d'aquests grups formen una cadena des de la flavina fins als llocs d'unió de la quinona; el vuitè grup està localitzat a l'altra banda de la flavina, i la seva funció és desconeguda. Els resultats de l'EPR i el DEER suggereixen un perfil d'energia potencial altern o “muntanya russa” per a la transferència d'electrons entre els llocs actius i al llarg dels grups ferro - sofre, els quals poden optimitzar la taxa de desplaçament d'electrons i permetre una conversió d'energia eficient en el Complex I.Roessler MM, King MS, Robinson AJ, Armstrong FA, Harmer J, Hirst J. (February 2010). "Direct assignment of EPR spectra to structurally defined iron-sulfur clusters in complex I by double electron-electron resonance..". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (5): 1930–5. doi:10.1073/pnas.0908050107.
Inhibidors L'inhibidor més conegut del Complex I és la rotenona (utilitzat normalment com a pesticida orgànic). La rotenona i els rotenoids són isoflavonoids que es troben en diversos gèneres de plantes tropicals con ara Antonia (Loganiaceae), Derris i Lonchocarpus (Faboideae, Fabaceae). És sabut que en el ja hi havia indis que utilitzaven per a pescar plantes que contenen rotenona - degut als seus efectes ictiotòxics.Moretti C, Grenand P (September 1982). "[The "nivrées", or ichthyotoxic plants of French Guyana]" (in French). J Ethnopharmacol 6 (2): 139–60. La rotenona s'uneix al lloc d'unió de la ubiquinona en el Complex I, igual com la piericidina A, un altre potent inhibidor amb una estructura semblant a la ubiquinona.
Malgrat més de 50 anys d'estudi de la NADH deshidrogenasa, no s'ha trobat cap inhibidor que bloquegi el flux d'electrons dins l'enzim. Els inhibidors hidròfobs com la rotenona o la piericidina més probablement interrompen la transferència d'electrons entre el grup ferro - sofre terminal N2 i la ubiquinona. S'ha vist que la inhibició sistemàtica a llarg termini del Complex I per la rotenona pot induir degeneració selectiva de les neurones dopaminèrgiques (les neurones el neurotransmissor primari de les quals és la dopamina).Watabe M, Nakaki T. (July 2008). "Mitochondrial complex I inhibitor rotenone inhibits and redistributes vesicular monoamine transporter 2 via nitration in human dopaminergic SH-SY5Y cells.". Molecular Pharmocology 74 (4): 933–40. doi:10.1124/mol.108.048546.
La NADH deshidrogenasa també és bloquejada per adenosina difosfat ribosa – un inhibidor competitiu reversible de l'oxidació del NADH que s'uneix a l'enzim en el lloc d'unió del nucleòtid.Zharova TV, Vinogradov AD. (July 1997). "A competitive inhibition of the mitochondrial NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) by ADP-ribose.". Biochimica et Biophysica Acta 1320 (3): 256–64. doi:10.1016/S0005-2728(97)00029-7.
Les acetogenines són els inhibidors més potents del complex I. S'ha demostrat que s'uneixen a la unitat ND2, cosa que suggereix que l'ND2 és essencial per la unió de la quinona. Curiosament, la Rolliniastatina-2, una acetogenina, és el primer inhibidor del Complex I que s'ha trobat que no comparteixi el mateix lloc d'unió que la rotenona.Degli Esposti M, Ghelli A, Ratta M, Cortes D, Estornell E. (July 1994). "Natural substances (acetogenins) from the family Annonaceae are powerful inhibitors of mitochondrial NADH dehydrogenase (Complex I).". The Biochemical Journal 301: 161–7.
Transició activat/desactivat Les propietats catalítiques del Complex I eucariòtic no són simples. Existeixen dos formes catalítiques i estructurals diferents en qualsevol preparació de l'enzim: una és la plenament competent, l'anomenada forma A “activa” i l'altra és la catalítica silenciosa, dormida, “desactivada”, forma D. Després de l'exposició de l'enzim inactiu a temperatures elevades, però fisiològiques (>30 °C) en absència de substrat, l'enzim es converteix en la forma D. Aquesta forma és catalíticament incompetent però pot ser activada per la lenta reacció (k~4 min-1) de l'oxidació del NADH amb la posterior reducció de la ubiquinona. Després d'una o diverses rotacions l'enzim es torna actiu i pot catalitzar la reacció NADH:ubiquinona a un ritme més alt (k~104 min-1). En presència de cations divalents (Mg2+, Ca2+), o a pH alcalí l'activació tarda més temps.
L'elevada energia d'activació (270 kJ/mol) del procés de desactivació indica l'ocurrència de grans canvis conformacionals en l'organització del Complex I. No obstant això, fins ara, l'única diferència conformacional observada entre aquestes dues formes és el nombre de residus de cisteïna exposats a la superfície de l'enzim. El tractament de la forma D del Complex I amb reactius sulfhidril N-etilmaleimida o DTNB bloqueja irreversiblement residus de cisteïna crucials, abolint les capacitats de l'enzim de respondre a l'activació, per tant inactivant-lo irreversiblement. La forma A del Complex I és insensible als reactius sulfhidril.