Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e Mauro Tonellato
Complesso 1

Molecola del Mese di Dicembre 2011 di David Goodsell
Parole chiave: catena di trasporto degli elettroni, NADH:CoQ reduttasi, respirazione cellulare

Introduzione
Il 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 reazioni: il trasporto di elettroni dal NADH al Coenzima Q (ubichinone) e il trasporto di 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 questo meccanismo viene prodotto dalla degradazione delle molecole che introduciamo col cibo. Il complesso 1 umano è uno dei più grandi complessi proteici di membrana conosciuti, infatti è composto di 46 catene. Il complesso 1 mostrato qui a destra, file PDB 3m9s e 3rko, è di origine batterica ed è molto più semplice, è composto solo di 14 catene proteiche.

Trasporto di Elettroni
Il tratto del complesso 1 esterno alla membrana, mostrato qui nei toni del rosso e del giallo, è il luogo dove si realizzano le reazioni di trasporto di elettroni. Un sito 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 cofattore FMN (flavin mono nucleotide, verde in alto vicino alla punta) 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 in figura) che, muovendosi all'interno della membrana, mette in azione le pompe protoniche del complesso 1 e infine trasporta i due elettroni al prossimo complesso della catena respiratoria, il citocromo bc1 (mdm 05-2011, complesso 3).

Pompe di protoni accoppiate
La porzione del complesso 1 immersa nella membrana, mostrata qui 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 da un lato all'altro della 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 una serie di 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, quello 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.




Esploriamo la Struttura

La struttura completa del complesso 1 è stata determinata inizialmente in bassa risoluzione (file PDB 3m9s), ma alcuni tratti della proteina risultavano assenti e in particolare nella porzione legata alla membrana era stata determinata solo la catena principale. Solo in un secondo momento le due parti del complesso 1 sono state determinate separatamente in alta risoluzione (file PDB 2fug e 3rko).


Nella prima figura si vede il complesso 1 intero (file PDB 3m9s).












Nella seconda figura
si vede più in dettaglio la porzione idrofila, il braccio esterno alla membrana, all'interno del quale si distingue la via del trasporto di elettroni. Questi cominciano il loro percorso dal FMN (grossa molecola grigia, blu e rossa) che si trova in alto verso la punta della struttura. Da qui gli elettroni scendono lungo una fila di sette gruppi ferro-zolfo (gruppi di atomi gialli e arancione) 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 terza figura si vede la porzione del complesso 1 immersa nella membrana composta 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.
Questi canali di trasporto di protoni sono regolati da un amminoacido di lisina carico positivamente evidenziato nella figura seguente (file PDB 3rko).




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.

Bibliografia
1. U. Brandt (2006) Energy converting NADH:quinone oxidoreductase (complex I). Annual Review of Biochemistry 75, 69-92.
2. R. G. Efremov, R. Baradaran and L. A. Sazanov (2010) The architecture of respiratory complex I. Nature 465, 441-445.



Strutture PDB Collegate
Esamina le Strutture Collegate