NADH dehydrogenase (auch verwiesen auf als NADH:ubiquinone reductase oder Komplex I) ist ein Enzym, das in der inneren mitochondrial Membran gelegen ist, die die Übertragung von Elektronen von NADH bis coenzyme Q (CoQ) katalysiert. Es ist eines der "Zugang-Enzyme" von oxidative phosphorylation im mitochondria.

Funktion

NADH Dehydrogenase ist das erste Enzym (Komplex I) von der mitochondrial Elektrontransportkette. Es gibt drei Energie-Transducing Enzyme in der Elektrontransportkette - NADH dehydrogenase (Komplex I), Coenzyme Q - cytochrome c reductase (Komplex III) und cytochrome c oxidase (Komplex IV). NADH dehydrogenase ist das größte und am meisten komplizierte Enzym der Elektrontransportkette.

Die Reaktion von NADH dehydrogenase ist:

:NADH + H + CoQ + 4.  NAD + CoQH + 4.

In diesem Prozess verlagert der Komplex vier Protone über die innere Membran pro Molekül von oxidiertem NADH, das Helfen, das elektrochemische Potenzial zu bauen, hat gepflegt, ATP zu erzeugen.

Die Reaktion kann - verwiesen auf als aerobic die succinate-unterstützte NAD Verminderung - in Gegenwart von einem hohen Membranenpotenzial umgekehrt werden, aber der genaue katalytische Mechanismus bleibt unbekannt.

Komplex kann ich eine Rolle im Auslösen apoptosis haben. Tatsächlich, dort ist gezeigt worden, eine Korrelation zwischen mitochondrial Tätigkeiten und programmiertem Zelltod (PCD) während der somatischen Embryo-Entwicklung zu sein.

Mechanismus

Alle redox Reaktionen finden im extramembranous Teil von NADH dehydrogenase statt. NADH bindet am Anfang zu NADH dehydrogenase, und überträgt zwei Elektronen dem flavin mononucleotide (FMN) prothetische Gruppe des Komplexes I, FMNH schaffend. Der Elektronenakzeptor - der Isoalloxazine-Ring - FMN ist zu diesem des MODESCHREIS identisch. Die Elektronen werden dann durch die zweite prothetische Gruppe von NADH dehydrogenase über eine Reihe des Eisenschwefels (Fe-S) Trauben, und schließlich zu coenzyme Q (ubiquinone) übertragen. Dieser Elektronfluss ändert den redox Staat des Proteins, conformational Änderungen des Proteins veranlassend, das die pK Werte der ionisierbaren Seitenkette verändert, und vier Wasserstoffionen veranlasst, aus der mitochondrial Matrix gepumpt zu werden. Ubiquinone (CoQ) akzeptiert, dass zwei Elektronen auf ubiquinol (CoQH) reduziert werden.

Zusammensetzung und Struktur

NADH Dehydrogenase ist von den Atmungskomplexen am größten. In Säugetieren enthält das Enzym 45 getrennte polypeptide Ketten. Der besonderen funktionellen Wichtigkeit sind die flavin prothetische Gruppe (FMN) und acht Eisenschwefel-Trauben (FeS). Der 45 Subeinheiten, sieben werden durch das mitochondrial Genom verschlüsselt.

Die Struktur ist eine "L"-Gestalt mit einem langen Membranengebiet (mit ungefähr 60 Trans-Membran helices) und einem wasserquellfähigen peripherischen Gebiet, das alle bekannten Redox-Zentren und den NADH verbindliche Seite einschließt. Wohingegen die Struktur des eukaryotic Komplexes nicht gut charakterisiert wird, ist das peripherische/wasserquellfähige Gebiet des Komplexes von einer Bakterie (Thermus thermophilus) kristallisiert worden.

Eine neue Studie durch Roessler u. a. (2010) verwendete Spektren der Elektronparakernspinresonanz (EPR) und doppelte Elektronelektronklangfülle (DEER), um den Pfad der Elektronübertragung durch die Eisenschwefel-Komplexe zu bestimmen, die im wasserquellfähigen Gebiet gelegen werden. Sieben dieser Trauben bilden eine Kette vom flavin bis das Chinon verbindliche Seiten; die achte Traube wird auf der anderen Seite des flavin gelegen, und seine Funktion ist unbekannt. Der EPR und die REH-Ergebnisse deuten ein Wechseln oder "Berg-Und-Tal-Bahn"-Potenzial-Energieprofil für die Elektronübertragung zwischen den aktiven Seiten und entlang den Eisenschwefel-Trauben an, die die Rate des Elektronreisens optimieren und effiziente Energiekonvertierung im Komplex I erlauben können.

Eine Simulational-Studie durch Hayashi und Stuchebrukhov hat weiter das Elektron tunneling Pfade in der auf der tunneling aktuellen Theorie gestützten Atomentschlossenheit identifiziert. Die verschiedenen Pfade zwischen dem Grenzen an Fe/S Trauben bestehen in erster Linie aus zwei cysteine ligands und einem zusätzlichem Schlüsselrückstand, der durch die Empfindlichkeit von vorgetäuschten Elektronübertragungsraten zu ihren Veränderungen und ihrer Bewahrung unter dem verschiedenen Komplex I homologues von einfachen Bakterien Menschen unterstützt wurde. Dieses Ergebnis zeigt, dass der entscheidende Teil des Komplexes ich mich für die optimale Leistungsfähigkeit mit spezifischen Schlüsselrückständen während früher Stufen der biologischen Evolution entwickelt habe und seitdem erhalten worden bin. Das innere Wasser zwischen Protein-Subeinheiten wurde als ein wesentlicher Vermittler identifiziert, der die gesamte Elektronübertragungsrate erhöht, um physiologisch bedeutenden Wert zu erreichen.

Hemmstoffe

Der am besten bekannte Hemmstoff des Komplexes bin ich rotenone (allgemein verwendet als ein organisches Schädlingsbekämpfungsmittel). Rotenone und rotenoids sind isoflavonoids, der in mehreren Klassen von tropischen Werken wie Antonia (Loganiaceae), Derris und Lonchocarpus (Faboideae, Fabaceae) vorkommt. Es hat Berichte des Indianerverwendens gegeben, das Werke rotenone-enthält, um - wegen seiner ichthyotoxic Wirkung - schon im 17. Jahrhundert zu angeln. Rotenone bindet zum ubiquinone verbindliche Seite des Komplexes I sowie piericidin A, ein anderer starker Hemmstoff mit einem nahen strukturellen homologue zu ubiquinone.

Trotz mehr als 50 Jahre der Studie von NADH dehydrogenase sind keine Hemmstoffe, die den Elektronfluss innerhalb des Enzyms blockieren, gefunden worden. Hydrophobe Hemmstoffe wie rotenone oder piericidin stören am wahrscheinlichsten die Elektronübertragung zwischen der Endtraube von FeS N2 und ubiquinone. Es ist gezeigt worden, dass die langfristige Körperhemmung des Komplexes I durch rotenone auswählende Entartung von dopaminergic Neuronen veranlassen kann.

NADH dehydrogenase wird auch durch Adenosin diphosphate ribose - ein umkehrbarer Wettbewerbshemmstoff der NADH Oxydation durch die Schwergängigkeit zum Enzym am nucleotide verbindlicher Seite blockiert. Sowohl hydrophylic NADH als auch hydrophobe ubiquinone Analoga handeln am Anfang und dem Ende des inneren Elektrontransportpfads beziehungsweise.

Die acetogenin Familie ist der stärkste Komplex I Hemmstoffe. Sie sind zu crosslink zur ND2 Subeinheit gezeigt worden, die darauf hinweist, dass ND2 für die Chinon-Schwergängigkeit notwendig ist. Interessanterweise ist Rolliniastatin-2, ein acetogenin, der erste Komplex I Hemmstoff hat gefunden, dass das dieselbe verbindliche Seite wie rotenone nicht teilt.

Active/de-active Übergang

Die katalytischen Eigenschaften des eukaryotic Komplexes bin ich nicht einfach. Zwei katalytisch und strukturell verschiedene Formen bestehen in jeder gegebenen Vorbereitung des Enzyms: Man ist die völlig fähige, so genannte "aktive" A-Form, und der andere ist katalytisch still, schlafend, "ausgeschaltet", D-Form. Nach der Aussetzung des müßigen Enzyms zu erhöhten aber physiologischen Temperaturen (> 30°C) ohne Substrat wandelt sich das Enzym zur D-Form um. Diese Form ist katalytisch unfähig, aber kann durch die langsame Reaktion (k~4 Minute) der NADH Oxydation mit der nachfolgenden ubiquinone Verminderung aktiviert werden. Nach einem oder mehreren Umsätzen wird das Enzym aktiv und kann physiologische NADH:ubiquinone Reaktion an einer viel höheren Rate (k~10 Minute) katalysieren. In Gegenwart von divalent cations (Mg, Kalifornien), oder am alkalischen pH nimmt die Aktivierung viel länger.

Die hohe Aktivierungsenergie (270 kJ/mol) des Deaktivierungsprozesses zeigt das Ereignis von Hauptconformational-Änderungen in der Organisation des Komplexes I an. Jedoch, bis jetzt, ist der einzige conformational zwischen diesen zwei Formen beobachtete Unterschied die Zahl von cysteine an der Oberfläche des Enzyms ausgestellten Rückständen. Die Behandlung der D-Form des Komplexes I mit den sulfhydryl Reagenzien N-Ethylmaleimide oder DTNB blockiert irreversibel kritischen cysteine Rückstand (E), die Fähigkeit des Enzyms abschaffend, auf die Aktivierung, so inactivating es irreversibel zu antworten. Die A-Form des Komplexes bin ich gegen sulfhydryl Reagenzien unempfindlich.

Es wurde gefunden, dass diese Conformational-Änderungen eine sehr wichtige physiologische Bedeutung haben können. Der de-active, aber nicht die aktive Form des Komplexes war ich gegen die Hemmung durch nitrosothiols und peroxynitrite empfindlich. Es ist wahrscheinlich, dass der Übergang vom aktiven bis die Deactive-Form des Komplexes I während pathologischer Bedingungen stattfindet, wenn der Umsatz des Enzyms bei physiologischen Temperaturen, solcher als während Hypoxie, oder wenn das Gewebe oxide:oxygen Stickstoffverhältnis-Zunahmen (d. h. metabolischer Hypoxie) beschränkt wird.

Produktion von Superoxyd

Neue Untersuchungen weisen darauf hin, dass Komplex ich eine starke Quelle der reaktiven Sauerstoff-Arten bin. Komplex kann ich Superoxyd (sowie Wasserstoffperoxid) durch mindestens zwei verschiedene Pfade erzeugen. Während der Vorwärtselektronübertragung werden nur sehr kleine Beträge von Superoxyd (wahrscheinlich weniger als 0.1 % des gesamten Elektronflusses) erzeugt.

Während der Rückelektronübertragung Komplex könnte ich die wichtigste Seite der Superoxydproduktion innerhalb von mitochondria mit bis zu 5 % von Elektronen sein, die zur Superoxydbildung ablenken werden. Kehren Sie Elektronübertragung, den Prozess um, durch den Elektronen von der reduzierten Ubiquinol-Lache (geliefert durch succinate dehydrogenase, glycerol-3-phosphate dehydrogenase, oder dihydro-oorotate dehydrogenase in Säugetiermitochondria) Komplex I durchführen, um NAD auf NADH zu reduzieren, der durch das innere mitochondrial elektrische potenzielle Membranenpotenzial gesteuert ist. Obwohl es darunter nicht genau bekannt ist, welche pathologische Bedingungsrückelektron-Übertragung in vivo vorkommen würde, in Vitro-Experimenten zeigen an, dass es eine sehr starke Quelle von Superoxyd sein kann, wenn succinate Konzentrationen hoch sind und oxaloacetate oder malate Konzentrationen niedrig sind.

Superoxyd ist eine reaktive Sauerstoff-Art, die zu Zelloxidative-Betonung beiträgt und mit neuromuscular Krankheiten und Altern verbunden wird. NADH dehdyrogenase erzeugt Superoxyd durch das Übertragen eines Elektrons von FMNH bis Sauerstoff (O). Der radikale flavin Rest ist nicht stabil, und überträgt das restliche Elektron den Eisenschwefel-Zentren. Interessanterweise ist es das Verhältnis von NADH zu NAD, der die Rate der Superoxydbildung bestimmt.

Pathologie

Veränderungen in den Subeinheiten des Komplexes kann ich mitochondrial Krankheiten einschließlich Syndroms von Leigh verursachen. Punkt-Veränderungen im verschiedenen Komplex I Subeinheiten sind auf mitochondrial DNA (mtDNA) zurückzuführen gewesen, können auch auf das Erbliche Sehnervenleiden von Leber hinauslaufen. Es gibt einige Beweise, dass Komplex ich Defekte können eine Rolle in der Ätiologie der Parkinsonschen Krankheit vielleicht wegen reaktiver Sauerstoff-Arten spielen (Komplex kann ich, wie Komplex III, Elektronen zu Sauerstoff durchlassen, hoch toxisches Superoxyd bildend).

Obwohl die genaue Ätiologie der Parkinsonschen Krankheit unklar ist, ist es wahrscheinlich, dass mitochondrial Funktionsstörung, zusammen mit der proteasome Hemmung und den Umwelttoxinen, eine große Rolle spielen kann. Tatsächlich, die Hemmung des Komplexes, wie man gezeigt hat, habe ich die Produktion von Peroxyden und eine Abnahme in der proteasome Tätigkeit verursacht, die zur Parkinsonschen Krankheit führen kann. Zusätzlich, Esteves u. a. (2010) hat gefunden, dass Zelllinien mit der Parkinsonschen Krankheit vergrößerte Protonenleckage im Komplex I zeigen, der verminderte maximale Atmungskapazität verursacht.

Neue Studien haben andere Rollen von NADH dehydrogenase Tätigkeit im Gehirn untersucht. Andreazza u. a. (2010) hat gefunden, dass das Niveau des Komplexes I Tätigkeit in Patienten mit der bipolar Unordnung, aber nicht in Patienten mit Depression oder Schizophrenie bedeutsam vermindert wurde. Sie haben gefunden, dass Patienten mit der bipolar Unordnung vergrößerte Protein-Oxydation und nitration in ihrem vorfrontalen Kortex gezeigt haben. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass zukünftige Studien Komplex I für potenzielle therapeutische Studien für die bipolar Unordnung ins Visier nehmen sollten. Ähnlich Moran u. a. (2010) hat gefunden, dass Patienten mit dem strengen Komplex I Mangel verminderte Sauerstoff-Verbrauchsraten und langsamere Wachstumsraten gezeigt haben. Jedoch haben sie gefunden, dass Veränderungen in verschiedenen Genen im Komplex ich zu verschiedenen Phänotypen führe, dadurch die Schwankungen von pathophysiological Manifestationen des Komplexes I Mangel erklärend.

Die Aussetzung von Schädlingsbekämpfungsmitteln kann auch Komplex I hemmen und Krankheitssymptome verursachen. Zum Beispiel, wie man gezeigt hat, hat die chronische Aussetzung von niedrigen Stufen von dichlorvos, ein als ein Schädlingsbekämpfungsmittel verwendeter organophosphate, Leber-Funktionsstörung verursacht. Das kommt vor, weil dichlorvos Komplex I und II Beschäftigungsgrade verändert, der zu verminderten mitochondrial Elektronübertragungstätigkeiten und verminderter ATP Synthese führt.

Gene

Der folgende ist eine Liste von Mensch-Genen, die Bestandteile des NADH dehydrogenase (ubiquinone) Komplex verschlüsseln:

• NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex
• NDUFA1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 1, 7.5kDa
• NDUFA2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 2, 8kDa
• NDUFA3 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 3, 9kDa
• NDUFA4 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 4, 9kDa
• NDUFA4L - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha subkomplizierter, 4 ähnlicher
• NDUFA4L2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha subkomplizierte, 4 ähnliche 2
• NDUFA5 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 5, 13kDa
• NDUFA6 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 6, 14kDa
• NDUFA7 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 7, 14.5kDa
• NDUFA8 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 8, 19kDa
• NDUFA9 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 9, 39kDa
• NDUFA10 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 10, 42kDa
• NDUFA11 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 11, 14.7kDa
• NDUFA12 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 12
• NDUFA13 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, 13
• NDUFAB1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1, Subkomplex des Alphas/Betas, 1, 8kDa
• NDUFAF1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, Zusammenbau-Faktor 1
• NDUFAF2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, Zusammenbau-Faktor 2
• NDUFAF3 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, Zusammenbau-Faktor 3
• NDUFAF4 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Alpha-Subkomplex, Zusammenbau-Faktor 4
• NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex
• NDUFB1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 1, 7kDa
• NDUFB2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 2, 8kDa
• NDUFB3 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 3, 12kDa
• NDUFB4 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 4, 15kDa
• NDUFB5 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 5, 16kDa
• NDUFB6 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 6, 17kDa
• NDUFB7 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 7, 18kDa
• NDUFB8 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 8, 19kDa
• NDUFB9 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 9, 22kDa
• NDUFB10 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 10, 22kDa
• NDUFB11 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1 Beta-Subkomplex, 11, 17.3kDa

• NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1, subkomplizierter unbekannter
• NDUFC1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1, Subkomplex unbekannt, 1, 6kDa
• NDUFC2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) 1, Subkomplex unbekannt, 2, 14.5kDa
• NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein
• NDUFS1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 1, 75kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 2, 49kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS3 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 3, 30kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS4 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 4, 18kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS5 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 5, 15kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS6 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 6, 13kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS7 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 7, 20kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NDUFS8 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S Protein 8, 23kDa (NADH-coenzyme Q reductase)
• NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 1
• NDUFV1 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 1, 51kDa
• NDUFV2 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 2, 24kDa
• NDUFV3 - NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 3, 10kDa
• mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit verschlüsselt
• MT-ND1 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 1 verschlüsselt
• MT-ND2 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 2 verschlüsselt
• MT-ND3 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 3 verschlüsselt
• MT-ND4 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 4 verschlüsselt
• MT-ND4L - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 4L verschlüsselt
• MT-ND5 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 5 verschlüsselt
• MT-ND6 - mitochondrially hat NADH dehydrogenase Subeinheit 6 verschlüsselt

Links

• Das interaktive Molekulare Modell von NADH dehydrogenase (Verlangt MDL Geläute)
• Komplex ich nach Hause Seite am Scripps Forschungsinstitut