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Aug 06, 2023

L'H2O2 danneggia selettivamente il ferro binucleare

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7652 (2023) Citare questo articolo

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NADH:ubichinone ossidoreduttasi, complesso respiratorio I, svolge un ruolo importante nel metabolismo energetico cellulare accoppiando il trasferimento di elettroni con la traslocazione di protoni. Il trasferimento di elettroni è catalizzato da un mononucleotide flavinico e da una serie di cluster ferro-zolfo (Fe/S). Come sottoprodotto della reazione, la flavina ridotta genera specie reattive dell'ossigeno (ROS). È stato suggerito che i ROS generati dalla catena respiratoria in generale potrebbero danneggiare i cluster Fe/S del complesso. Qui mostriamo che il cluster binucleare Fe/S N1b è specificamente danneggiato da H2O2, tuttavia, solo ad alte concentrazioni. Ma nelle stesse condizioni, l’attività del complesso è difficilmente influenzata, poiché N1b può essere facilmente bypassato durante il trasferimento degli elettroni.

NADH: l'ubichinone ossidoreduttasi, complesso respiratorio I, che converte l'energia, svolge un ruolo importante nella bioenergetica cellulare accoppiando l'ossidazione del NADH e la riduzione dell'ubichinone (Q) con la traslocazione dei protoni attraverso la membrana1,2,3,4,5,6. È costituito da un braccio periferico che catalizza il trasferimento degli elettroni e da un braccio di membrana responsabile della traslocazione dei protoni. I due bracci sono disposti quasi perpendicolari tra loro, determinando una struttura a forma di L del complesso. Il complesso mitocondriale I è costituito da 45 subunità, comprese 14 subunità centrali che si trovano in tutte le specie contenenti una NADH:Q ossidoreduttasi che converte l'energia7,8. La struttura tridimensionale delle subunità centrali del complesso I è conservata dai batteri ai mammiferi9,10. Il complesso batterico dell'Escherichia coli è composto da 13 diverse subunità denominate da NuoA a NuoN, di cui due sono fuse nella singola subunità NuoCD11. Sono codificati dai geni nuo e ammontano a una massa molecolare di circa 530 kDa12.

Il NADH viene ossidato sulla punta del braccio periferico mediante trasferimento di idruro al flavin mononucleotide (FMN)13, accettore di elettroni primario. Da qui gli elettroni vengono trasferiti per una distanza di circa 100 Å attraverso una serie di sette cluster ferro-zolfo (Fe/S) verso la membrana, dove Q viene ridotto e protonato in una specifica cavità di legame costituita da subunità del periferico e il braccio della membrana1,2,3,4,5,6. Si ritiene che le specie AQ si spostino da un sito di legame ad alta energia a uno a bassa energia all'interno della cavità, provocando cambiamenti elettrostatici e conformazionali che guidano la traslocazione dei protoni nel braccio della membrana2,14,15,16. Il braccio della membrana contiene quattro presunti percorsi protonici collegati tra loro e alla cavità Q da un asse centrale di residui carichi. È stato proposto che il movimento della specie Q nella sua cavità induca la propagazione di un'onda "elettrica" ​​che si muove avanti e indietro attraverso il braccio della membrana innescando la traslocazione dei protoni16. In alternativa, è stato suggerito che il legame del chinone porti a una transizione da uno stato "aperto" a uno stato "chiuso"10. La riduzione del chinone determina una ridistribuzione dei protoni nel braccio della membrana, che a sua volta porta al rilascio di protoni nel citoplasma esclusivamente in NuoL10.

L'ossidazione del NADH da parte del complesso I è associata alla produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) come il superossido e il perossido di idrogeno17,18,19,20 che contribuiscono allo stress cellulare21. È generalmente accettato che i ROS generati dal complesso I abbiano origine nella FMN17,18,19,20 ridotta. Circa lo 0,1–2% del NADH ossidato porta alla produzione di ROS in vitro22,23,24,25. I ROS non solo contribuiscono al danno ossidativo come la perossidazione lipidica, la degradazione delle proteine ​​e l'ossidazione del DNA, ma rappresentano anche segnali redox essenziali26,27,28,29.

Il cofattore FMN che produce ROS si trova nelle immediate vicinanze dei cluster Fe/S del complesso respiratorio I. È ben noto che i cluster Fe/S esposti ai solventi sono soggetti a danno ossidativo30,31. Le strutture del complesso I di diversi organismi mostrano che i suoi cluster Fe/S sono per lo più schermati dal solvente e, quindi, dovrebbero essere protetti dalla degradazione da parte dei ROS7,8,9,10,32,33,34,35,36. Tuttavia, è stato proposto che una maggiore produzione di ROS da parte del complesso I e della catena respiratoria in generale possa provocare danni ai cluster Fe/S del complesso I37. Qui abbiamo utilizzato il complesso I di E. coli per testare questa proposta. Rappresentando una forma strutturale minima del complesso mitocondriale I, quello di E. coli è privo delle subunità accessorie aggiuntive che circondano il nucleo catalitico. Pertanto, i cluster Fe/S del complesso I di E. coli potrebbero essere più suscettibili al danno ossidativo rispetto ai loro omologhi nel complesso I mitocondriale. Poiché è noto che il complesso I di E. coli produce ROS principalmente sotto forma di H2O238,39, analizzato l'influenza di H2O2 sull'attività del complesso I e sulla sua composizione nel cluster Fe/S. Si è scoperto che sono necessarie concentrazioni millimolari di H2O2 per inibire l’attività della NADH ossidasi. Mentre l'attività NADH:decil-ubichinone del complesso isolato rimane invariata in presenza di 1 mM H2O2, dimostriamo direttamente utilizzando la spettroscopia EPR che il trattamento con 1 mM H2O2 determina una perdita selettiva del cluster Fe/S N1b sulla subunità NuoG.