Блог

Aug 06, 2023

H2O2 избирательно повреждает биядерное железо.

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7652 (2023) Цитировать эту статью

295 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

НАДН:убихиноноксидоредуктаза, дыхательный комплекс I, играет важную роль в клеточном энергетическом метаболизме путем сочетания переноса электронов с транслокацией протонов. Перенос электрона катализируется флавинмононуклеотидом и серией железо-серных (Fe/S) кластеров. В качестве побочного продукта реакции восстановленный флавин генерирует активные формы кислорода (АФК). Было высказано предположение, что АФК, генерируемые дыхательной цепью в целом, могут повреждать кластеры Fe/S комплекса. Здесь мы показываем, что биядерный кластер Fe/S N1b специфически повреждается H2O2, однако только при высоких концентрациях. Но в тех же условиях на активность комплекса это практически не влияет, поскольку N1b можно легко обойти при переносе электрона.

Энергопреобразующая НАДН:убихиноноксидоредуктаза, дыхательный комплекс I, играет важную роль в клеточной биоэнергетике, сочетая окисление НАДН и восстановление убихинона (Q) с транслокацией протонов через мембрану1,2,3,4,5,6. Он состоит из периферического плеча, катализирующего перенос электронов, и мембранного плеча, ответственного за транслокацию протонов. Два рукава расположены почти перпендикулярно друг другу, что приводит к L-образной структуре комплекса. Митохондриальный комплекс I состоит из 45 субъединиц, включая 14 основных субъединиц, которые обнаружены у всех видов, содержащих преобразующую энергию NADH:Q-оксидоредуктазу7,8. Трехмерная структура основных субъединиц комплекса I сохраняется от бактерий до млекопитающих9,10. Бактериальный комплекс Escherichia coli состоит из 13 различных субъединиц, которые называются от NuoA до NuoN, причем две из них слиты с одной субъединицей NuoCD11. Они кодируются нуогенами и имеют общую молекулярную массу примерно 530 кДа12.

НАДН окисляется на кончике периферического плеча путем переноса гидрида к первичному акцептору электронов флавинмононуклеотиду (ФМН)13. Отсюда электроны передаются на расстояние примерно 100 Å через серию из семи кластеров железо-сера (Fe/S) к мембране, где Q восстанавливается и протонируется в специфической связывающей полости, состоящей из субъединиц периферическое и мембранное плечо1,2,3,4,5,6. Считается, что виды AQ перемещаются от высокоэнергетического к низкоэнергетическому месту связывания внутри полости, вызывая электростатические и конформационные изменения, которые приводят к транслокации протонов в плече мембраны2,14,15,16. Мембранное плечо содержит четыре предполагаемых пути протонов, которые соединены друг с другом и с полостью Q центральной осью заряженных остатков. Было высказано предположение, что движение частиц Q в ее полости вызывает распространение «электрической» волны, которая движется вперед и назад через плечо мембраны, вызывая транслокацию протонов16. С другой стороны, было высказано предположение, что связывание хинона приводит к переходу из «открытого» состояния в «закрытое»10. Восстановление хинона приводит к перераспределению протонов в плече мембраны, что, в свою очередь, приводит к выходу протонов в цитоплазму исключительно в NuoL10.

Окисление НАДН комплексом I связано с выработкой активных форм кислорода (АФК), таких как супероксид и перекись водорода17,18,19,20, что способствует клеточному стрессу21. Принято считать, что АФК, генерируемые комплексом I, происходят из восстановленного FMN17,18,19,20. Около 0,1–2% окисленного НАДН приводят к производству АФК in vitro22,23,24,25. АФК не только способствуют окислительным повреждениям, таким как перекисное окисление липидов, деградация белков и окисление ДНК, но также представляют собой важные окислительно-восстановительные сигналы26,27,28,29.

Кофактор FMN, продуцирующий АФК, расположен в непосредственной близости от кластеров Fe/S дыхательного комплекса I. Хорошо известно, что кластеры Fe/S, подвергающиеся воздействию растворителя, склонны к окислительному повреждению30,31. Структуры комплекса I из разных организмов показывают, что его Fe/S-кластеры в основном экранированы от растворителя и, следовательно, должны быть защищены от деградации АФК7,8,9,10,32,33,34,35,36. Тем не менее было высказано предположение, что усиление продукции АФК комплексом I и дыхательной цепью в целом может приводить к повреждению Fe/S-кластеров комплекса I37. Здесь мы использовали комплекс E. coli I, чтобы проверить это предложение. Представляя собой структурную минимальную форму митохондриального комплекса I, комплекс E. coli лишен дополнительных вспомогательных субъединиц, окружающих каталитическое ядро. Следовательно, кластеры Fe/S комплекса I E. coli могут быть более подвержены окислительному повреждению, чем их гомологи в митохондриальном комплексе I. Поскольку известно, что комплекс I E. coli продуцирует АФК преимущественно в форме H2O238,39, мы исследовали влияние H2O2 на активность комплекса I и его кластерный состав Fe/S. Оказалось, что миллимолярные концентрации H2O2 необходимы для ингибирования активности НАДН-оксидазы. Хотя НАДН:децилубихиноновая активность выделенного комплекса остается неизменной в присутствии 1 мМ H2O2, мы непосредственно демонстрируем с помощью ЭПР-спектроскопии, что обработка 1 мМ H2O2 приводит к избирательной потере кластера Fe/S N1b на субъединице NuoG.