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Complesso 1 |
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Molecola del Mese di Dicembre 2011 Il complesso 1 della catena di trasporto degli elettroni è anche una pompa di protoni che sposta H+ da un lato all'altro della membrana interna  IntroduzioneIl complesso 1, chiamato anche NADH:CoQ reduttasi, realizza il primo stadio del trasporto di elettroni nella catena respiratoria, il processo che crea la maggior parte dell'energia necessaria alle nostre cellule. Il complesso 1 è una grande macchina molecolare immersa nella membrana interna dei mitocondri e compie due diverse azioni: trasporta elettroni dal NADH al Coenzima Q (ubichinone) e trasporta protoni attraverso la membrana. Il trasporto di protoni serve a creare una differenza di pH tra i due lati della membrana che mette in azione l'enzima ATP sintasi (mdm 12-2005). Il NADH che serve a mettere in moto la catena respiratoria viene prodotto dall'ossidazione delle molecole che introduciamo col cibo. Il complesso 1 umano è uno dei più grandi complessi proteici di membrana, è composto di 46 subunità. Il complesso 1 mostrato qui a destra (file PDB 3m9s e 3rko) è di origine batterica ed è composto solo di 14 catene proteiche. Trasporto di elettroni Il tratto del complesso 1 esterno alla membrana, mostrato qui sopra nei toni del rosso e del giallo, è il luogo dove si realizzano le reazioni di trasporto di elettroni. Un sito in alto, vicino alla punta, cattura il NADH, la molecola carrier che trasporta due atomi di idrogeno che provengono dall'ossidazione delle molecole alimentari. Il complesso 1 strappa i due elettroni di questi idrogeni usando un coenzima FMN (flavin mono nucleotide, verde in alto) e poi li manda verso una catena di gruppi ferro-zolfo. Alla fine i due elettroni vengono ceduti ad una molecola di ubichinone (Coenzima Q, non mostrato) che, muovendosi all'interno della membrana (grigia), mette in azione le quattro pompe protoniche del complesso 1 e infine trasporta i due elettroni al prossimo complesso della catena respiratoria, il citocromo bc1 (complesso 3, mdm 05-2011). Pompe di protoni accoppiate La porzione del complesso 1 immersa nella membrana, mostrata qui sopra in verde, azzurro, blu e viola, pompa protoni attraverso la membrana. Ogni molecola di ubichinone che ha preso una coppia di elettroni provenienti dal NADH, muovendosi nella porzione del complesso 1 immersa nella membrana, provoca il trasferimento di quattro protoni verso il basso attraverso la membrana. Studiando la struttura del complesso 1, si è osservato che ognuno di questi quattro protoni è trasportato da una specifica pompa proteica. Il complesso 1 possiede quattro trasportatori di protoni posti in sequenza e riconoscibili nella figura perchè colorati in viola, blu, azzurro e verde. L'ultimo dei trasportatori di protoni della catena, verde, ha una coda che lo collega all'indietro agli altri trasportatori e si crede che abbia la funzione di sincronizzare la reazione del trasporto di elettroni con il pompaggio dei protoni nei quattro trasportatori  Gestire i protoni I trasportatori di protoni del complesso 1 assomigliano ad altri trasportatori più semplici come lo scambiatore Na+/H+ antiporto mostrato qui a destra (file PDB 1zcd). Contengono un fascio di alfa eliche parallele che formano un poro al centro del quale si trova un amminoacido carico che lo chiude. Nei piccoli trasportatori antiporto questa funzione di cancello è spesso svolta da un amminoacido carico negativamente (ad es. acido glutammico), nel complesso 1, invece, questo ruolo è svolto da una lisina, un amminoacido carico positivamente. 
Esplorando la strutturaLa struttura completa del complesso 1 è stata determinata inizialmente in bassa risoluzione (file PDB 3m9s, mostrata qui a fianco), ma alcuni tratti della proteina risultavano assenti e in particolare nella porzione interna alla membrana era stata determinata solo la catena principale. In un secondo momento le due parti del complesso 1 sono state determinate separatamente in alta risoluzione. Nella figura qui sotto si vede la porzione idrofila (file PDB 2fug), cioè la parte esterna alla membrana, all'interno della quale si distingue la via del trasporto di elettroni. Questi cominciano il loro percorso dal FMN (molecola con sfere rosa, blu e rosse) che si trova in alto a destra nella struttura. Da qui gli elettroni scendono lungo una fila di gruppi ferro-zolfo: sette gruppi Fe4S4 e due Fe2S2 (sfere gialle e marroni) che li trasportano in basso a sinistra verso la porzione del complesso 1 immersa nella membrana dove giungono al coenzima Q (ubichinone, non mostrato). . . . . . . . .  Nella figura qui sotto si vede la porzione del complesso 1 immersa nella membrana (file PDB 3rko). E' formata da sei catene che contengono 55 tratti ad alfa elica transmembrana allineati tra loro che formano quattro pompe di protoni attraverso le quali quattro ioni H+ vengono spostati da un lato all'altro della membrana, per ogni coppia di elettroni che fluiscono lungo la catena di trasporto dal NADH al coenzima Q. . . . . . .  Ognuno di questi quattro canali di trasporto di protoni è regolato da un amminoacido di lisina carico positivamente evidenziato (sfere colorate) nella figura seguente ottenuta dalla pompa protonica azzurra qui sopra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  Spunti per ulteriori esplorazioni 1. Potete usare l'opzione "overlap protein" nel sito PDB per comparare le strutture delle tre pompe protoniche presenti nel complesso 1 del file PDB 3rko, le catene denominate L, M, N. La quarta pompa protonica si crede che sia localizzata all'interfaccia delle catene N, K, J, A 2. La struttura del complesso 1 illustra tutti gli aspetti della catena del trasporto di elettroni: eplorate gli altri tre complessi (2, 3, 4) per individuare le analogie col complesso 1.  BibliografiaU. Brandt (2006) Energy converting NADH:quinone oxidoreductase (complex I). Annual Review of Biochemistry 75, 69-92. R. G. Efremov, R. Baradaran and L. A. Sazanov (2010) The architecture of respiratory complex I. Nature 465, 441-445. |
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