НАДН-дегидрогена́зный ко́мплекс, также называемый ко́мплекс I или НАДН-убихино́н-оксидоредукта́за — первый мультибелковый комплекс дыхательной цепи переноса электронов. Множество копий комплекса расположены в мембранах прокариотических организмов, способных к кислородному дыханию и внутренних мембранах митохондрий эукариотических клеток. По отношению к белкам человека комплекс I часто называют НАДН-дегидрогеназой.

Этот комплекс играет центральную роль в процессах клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования: почти 40 % протонного градиента для синтеза АТФ создаются именно этим комплексом. Комплекс I окисляет НАДН и восстанавливает одну молекулу убихинона, которая высвобождается в мембрану. На каждую окисленную молекулу НАДН комплекс переносит через мембрану четыре протона.

Комплекс І (НАДН-дегидрогеназа) был выделен из ряда объектов: митохондрий сердца быка, сахарной свеклы (Beta vulgaris), картофеля (Solanum tuberosum), бобов (Vicia faba), арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) и риса (Oryza sativa), а также из митохондрий гриба нейроспоры Neurospora crassa и мембран кишечной палочки (Esherichia сoli).

Структурная организация комплекса I

У прокариот комплекс І состоит из 14 основных субъединиц, образующих ядро комплекса, без которого он не функционирует. Семь субъединиц чрезвычайно гидрофобны и локализованы в мембране, а семь относительно гидрофильных расположены вне мембраны. У эукариот в результате эволюции комплекс покрылся «шубой» из приблизительно 30 вспомогательных субъединиц, их количество может варьировать в зависимости от объекта. Так, у млекопитающих этот фермент состоит из 44 субъединиц, а у гриба Yarrowia lipolytica — из 48. В результате этой надстройки молекулярная масса комплекса I увеличилась почти вдвое: с ~550 кДа у бактерий до ~1 МДа в митохондриях.

Электронная микроскопия показала, что комплекс I (как из бактерий, так и из митохондрий) имеет характерную L-образную форму. Из-за этой формы, а также необычной, как бы мятой молекулярной поверхности, комплекс I получил от учёных прозвище «старый башмак». Гидрофобная «подошва» представлена белками, встроенными в мембрану, а гидрофильная часть — «лодыжка» — обращена в матрикс.

Четыре субъединицы убихинон-связывающего модуля совместно с субъединицами мембранной части фермента образуют сайт связывания убихинона, в котором он взаимодействует с железосерным кластером N2, принимает два электрона и восстанавливается до убихинола. Кластер N2, последний в ряду кластеров, по которым электроны от НАДН передаются к убихинону, приподнят над мембраной на ~15 Å. Сама полость, в которой связывается убихинон, имеет длину 30 Å и может вместить всю молекулу вместе с длинным гидрофобным хвостом из семи изопреновых единиц. Полость имеет узкий вход, так что длинная гидрофобная цепь вынуждена принять определённую конформацию, которая сохраняется на протяжении всей ферментативной реакции. Наличие такого длинного и узкого сайта связывания является характерной чертой комплекса I. Внутри полости убихинон взаимодействует с консервативными остатками тирозина и гистидина.

У грибов, животных и сосудистых растений по крайней мере семь из 44 субъединиц, которые образуют мембранный домен, кодируются митохондриальным геномом. У млекопитающих этих субъединиц ровно семь. У растений ДНК митохондрий кодирует девять субъединиц: кроме семи субъединиц, которые входят в состав гидрофобной части комплекса, в ней закодированы две субъединицы, гомологичные субъединицам 49 кДа и 30 кДа млекопитающих, а остальные компоненты находятся под контролем ядерных генов. Однако эти данные, полученные при исследовании пластомов картофеля и арабидопсиса, могут оказаться неверны для других видов растений, а количество закодированных в митохондриях субъединиц может изменяться от вида к виду. Так, у печёночника Marchantia polymorpha субъединица NAD7, гомологичная полипептиду 49 кДа, кодируется ядерным геномом и транспортируется в митохондрии, а соответствующий ген митохондриальной ДНК превратился в псевдоген и не функционален.

Исследования показали, что по своим свойствам комплекс I существенно не отличается у объектов животного и растительного происхождения. Однако у растений имеются некоторые специфические субъединицы, которые в некоторых случаях приводят к функциональным особенностям. Анализ комплекса I у Arabidopsis показывает, что более 30 % субъединиц специфичны только для растений. Например, частью мембранного модуля растительного комплекса I является так называемый γ-карбоангидразный структурный модуль и L-галактоно-1,4-лактондегидрогеназа, которая в то же время представляет собой последний фермент митохондриального пути биосинтеза аскорбиновой кислоты.

Таблица основных (коровых) субъединиц Коровые субъединицы Корова Человек Кишечная палочка Арабидопсис Описание КофакторыПериферическая рукаДегидрогеназный модуль 75 кДа NDUFS1 NuoG 75 кДатранспорт электронов Fe2S2 (N1b), 2 x Fe4S4 (N4 и N5), (N7)Железосерный кластер N7 есть только у некоторых бактерий (например у E. coli и T. thermophilus). 51 kDa NDUFV1 NuoF 51 кДасвязывание НАДН, транспорт электронов флавин, Fe4S4 (N3) 24 kDa NDUFV2 NuoE 24 кДа Несёт вспомогательный кластер N1a Fe2S2 (N1a)Убихинон-связывающий модуль 49 кДа NDUFS2 NuoD (NuoCD)У E. coli и некоторых других бактерий субъединицы NuoC (30 кДа) и NuoD (49 кДа) слиты в одну. NAD7 30 kDa NDUFS3 NuoC NAD9 TYKY NDUFS8 NuoI 28,5 кДа транспорт электронов 2 x Fe4S4 (N6a и N6b) PSST NDUFS7 NuoB 20 кДатранспорт электронов Fe4S4 (N2)Мембранная рука - ND1 MT-ND1 NuoH NAD1 Протон-транслоцирующий модуль ND2 MT-ND2 NuoN NAD2антипортер-подобный белок ND3 MT-ND3 NuoA NAD3 ND4 MT-ND4 NuoMNAD4антипортер-подобный белок ND4L MT-ND4L NuoK NAD4L ND5 MT-ND5 NuoL NAD5 антипортер-подобный белок ND6 MT-ND6 NuoJ NAD6

Таблица вспомогательных субъединиц Все митохондриальные комплексы I имеют множество дополнительных субъединиц, которые не являются необходимыми для каталитической активности и отличаются у разных видов. Очевидно, что они несут определённую функциональную нагрузку, поскольку мутации в них приводят к врождённым заболеваниям. Для некоторых субъединиц показано наличие определённых функций, так B16.6 (GRIM-19) участвует в апоптозе, а субъединица 39 кДа (NDUFA9) — в регуляции активности комплекса. Что касается остальных субъединиц, то сейчас активно обсуждается их возможная роль в регуляции, сборке, стабилизации и защите от активных форм кислорода. Следует упомянуть, что дополнительные субъединицы значительно увеличивают энергетические затраты клетки на синтез, сборку и деградацию комплекса. Такие затраты, тем не менее, могут окупится в случае эукариотической клетки, в которой процесс синтеза белка хорошо контролируется и в этом смысле доведён до совершенства. С другой стороны, если вспомогательные субъединицы необходимы для стабилизации комплекса I, остаётся непонятным каким образом бактериальные комплексы, которые состоят из минимально необходимого количества полипептидов, успешно функционируют без них. На данный момент у учёных нет чёткого ответа на эти вопросы.

{|class="simple collapsible collapsed wikitable" !colspan=5|Вспомогательные субъединицы |- !No. !Корова ! Белок человека ! Описание ! Семейство белков Pfam

|Субъединицы

| 15 ||13A || NDUFS6 || участвует в сборке и стабилизирует комплекс||

| 16 ||B17.2 || NDUFA12 || ||

| 17 ||AQDQ || NDUFS4 ||возможно фосфорилируется ПКА, стабилизирует комплекс во время сборки||

| 18 ||39kDa || NDUFA9 ||соединяет мембранный и периферический домены, участвует в активации/деактивации комплекса ||

| 19 ||ACPM || ACPM_HUMAN || ацил-переносящий белок||

| 20 ||B8 || NDUA2_HUMAN || ||

| 21 ||MFWE || NDUFA1 ||цАМФ зависимое фосфорилирование ПКА||

| 22 ||B12 || NDUFB3 || ||

| 23 ||AB13 || NDUFA5 ||участвует в активации/деактивации комплекса ||

| 24 ||B14 || NDUFA6 || ||

| 25 ||B14.7 || NDUFA11 || ||

| 26 ||ESSS || NDUFB11 ||цАМФ зависимое фосфорилирование ПКА||

| 27 ||PFFD || NDUFS5 || ||

| 28 ||B15 || NDUFB4 || ||

| 29 ||B16.6 || NDUFA13 || участвует в апоптозе ||

| 30 ||B18 || NDUFB7 || ||

| 31 ||PGIV || NDUFA8 || ||

| 32 ||B22 || NDUFB9 || ||

| 33 ||PDSW || NDUFB10 || фосфорилируется Src в раковых клетках ||

| 34 ||ASHI || NDUFB8 || ||

| 35 ||B14.5B || NDUFC2 || в норме фосфорилирована ||

| 36 ||AGGG || NDUFB2 || ||

| 37 ||B14.5A || NDUFA7 || в норме фосфорилирована ||

| 38 ||B9 || NDUFA3 || ||

| 39 ||MLRQОбнаружена у некоторых грибов, таких как Schizosaccharomyces pombe.|| NDUA4_HUMAN || ||

| 40 ||SGDH || NDUFB5 || ||

| 41 ||MNLL || NDUFB1 || ||

| 42 ||KFYI || NDUFC1 || в норме фосфорилирована ||

| 43 ||42kD || NDUFA10 || ||

| 44 || NDUFA4L2 || NDUFA4L2 || ||

| 45 || NDUFV3 || NDUFV3 || || -

| 46 || NDUFB6 || NDUFB6 || ||

|'Вспомогательные белки, осуществляющие сборку

| 47 || NDUFAF1 || CIA30_HUMAN || фактор сборки комплекса 1 ||

| 48 || NDUFAF2 || MIMIT_HUMAN || фактор сборки комплекса 2 ||

| 49 || NDUFAF3 || NDUF3_HUMAN || фактор сборки комплекса 3 ||

| 50 || NDUFAF4 || NDUF4_HUMAN || фактор сборки комплекса 4 ||

Некоторые дополнительные субъединицы фосфорилируются различными киназами, чего никогда не происходит с коровыми субъединицами. Предположителагается, что таким образом происходит регуляция работы комплекса. Как одна из субъединиц в комплексе присутствует ацил-переносящий белок (NDUFAB1) с фосфорилированной пантотеновой кислотой в качестве в простетической группы. Предполагают, что он участвует в синтезе липоевой кислоты, репарации повреждённых липидов мембраны или модифицирует другие белки остатками миристиновой кислоты. Функционирование этого белка не зависит от прямого физического контакта с комплексом I и значительная его часть присутствует в свободном виде внутри митохондриального матрикса.

Кофакторы

Все простетические группы НАДН-дегидрогеназного комплекса (один флавинмононуклеотид и от 8 до 9 железосерных кластеров) находятся в периферическом водорастворимом домене. У млекопитающих, как и у всех позвоночных, их восемь. Семь кластеров образуют электрон-транспортную цепь длиной в ~96 Å от ФМН до места связывания убихинона. На основе современных данных считается, что перенос электрона происходит по следующему пути: НАДН → ФМН → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q. Сначала происходит передача двух электронов на флавин, а затем они по одному передаются через цепочку кластеров к сайту связывания хинона и восстанавливают его до состояния Q−2. Кластер N1a располагается недалеко от флавинового кофактора и на некотором расстоянии от магистральной цепи переноса электрона. Этот кластер высококонсервативен у разных видов; полагают, что он осуществляет контроль скорости транспорта электрона внутри комплекса, перебрасываясь электроном с ФМН. Существует модель, согласно которой один из электронов с флавина идёт по магистральному пути на хинон, а другой запасается в кластере N1a и позже возвращается в основную цепь, через флавосемихинон. Возможно, такой механизм позволяет снизить образование активных форм кислорода на восстановленном флавине. К тому же, это позволяет стабилизировать (до миллисекунды) состояние, когда последний кластер N2 восстановлен, но нет второго электрона, чтобы завершить восстановление убихинона. Такое состояние может быть необходимым для конформационных изменений, сопряжённых с транспортом протонов.

Часть кластеров в цепи (N3, N4 и N6a) имеют высокий окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) на уровне —0,25 В, в то время как три других (N1b, N5 и N6b) имеют более низкие потенциалы. В результате редокс-потенциал на пути электрона меняется наподобие американских горок. Такая кривая изменения энергетического состояния характерна для многих окислительно-восстановительных ферментов: она позволяет оптимизировать скорость транспорта электрона и добиться эффективного переноса энергии.