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Aug 06, 2023

H2O2 danifica seletivamente o ferro binuclear

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7652 (2023) Citar este artigo

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A NADH:ubiquinona oxidorredutase, complexo respiratório I, desempenha um papel importante no metabolismo energético celular ao acoplar a transferência de elétrons com a translocação de prótons. A transferência de elétrons é catalisada por um mononucleotídeo de flavina e uma série de aglomerados de ferro-enxofre (Fe/S). Como subproduto da reação, a flavina reduzida gera espécies reativas de oxigênio (ROS). Foi sugerido que as ROS geradas pela cadeia respiratória em geral poderiam danificar os aglomerados Fe/S do complexo. Aqui, mostramos que o cluster binuclear Fe/S N1b é especificamente danificado por H2O2, porém, apenas em altas concentrações. Mas, nas mesmas condições, a atividade do complexo dificilmente é afetada, pois o N1b pode ser facilmente contornado durante a transferência de elétrons.

A NADH:ubiquinona oxidoredutase conversora de energia, complexo respiratório I, desempenha um papel importante na bioenergética celular ao acoplar a oxidação do NADH e a redução da ubiquinona (Q) com a translocação de prótons através da membrana1,2,3,4,5,6. Consiste em um braço periférico que catalisa a transferência de elétrons e um braço de membrana responsável pela translocação de prótons. Os dois braços estão dispostos quase perpendiculares entre si, resultando em uma estrutura em forma de L do complexo. O complexo mitocondrial I consiste em 45 subunidades, incluindo 14 subunidades principais que são encontradas em todas as espécies que contêm uma NADH:Q oxidoredutase de conversão de energia7,8. A estrutura tridimensional das subunidades centrais do complexo I é conservada desde bactérias até mamíferos9,10. O complexo bacteriano de Escherichia coli é composto por 13 subunidades diferentes que são denominadas NuoA a NuoN, sendo que duas delas estão fundidas à subunidade única NuoCD11. Eles são codificados pelos nuo-genes e somam uma massa molecular de aproximadamente 530 kDa12.

O NADH é oxidado na ponta do braço periférico por transferência de hidreto para o mononucleotídeo de flavina, receptor de elétrons primário (FMN)13. A partir daqui, os elétrons são transferidos por uma distância de aproximadamente 100 Å através de uma série de sete aglomerados de ferro-enxofre (Fe/S) em direção à membrana, onde Q é reduzido e protonado em uma cavidade de ligação específica que é composta de subunidades do periférico e o braço da membrana1,2,3,4,5,6. Acredita-se que a espécie AQ se mova de um local de ligação de alta energia para um de baixa energia dentro da cavidade, causando alterações eletrostáticas e conformacionais que conduzem a translocação de prótons no braço da membrana2,14,15,16. O braço da membrana contém quatro caminhos de prótons putativos que estão conectados entre si e à cavidade Q por um eixo central de resíduos carregados. Foi proposto que o movimento da espécie Q em sua cavidade induz a propagação de uma onda 'elétrica' que se move para frente e para trás através do braço da membrana desencadeando a translocação de prótons16. Alternativamente, foi sugerido que a ligação da quinona leva a uma transição de um estado 'aberto' para um estado 'fechado'10. A redução de quinona resulta em uma redistribuição de prótons no braço da membrana, que por sua vez leva a uma liberação de prótons para o citoplasma exclusivamente em NuoL10.

A oxidação do NADH pelo complexo I está associada à produção de espécies reativas de oxigênio (ERO), como superóxido e peróxido de hidrogênio17,18,19,20, contribuindo para o estresse celular21. É geralmente aceito que as ROS geradas pelo complexo I se originam no FMN17,18,19,20 reduzido. Cerca de 0,1–2% do NADH oxidado leva à produção de ROS in vitro22,23,24,25. As ROS não apenas contribuem para o dano oxidativo, como peroxidação lipídica, degradação de proteínas e oxidação do DNA, mas também representam sinais redox essenciais26,27,28,29.

O cofator FMN produtor de ROS está localizado nas imediações dos aglomerados Fe/S do complexo respiratório I. É bem conhecido que os aglomerados Fe/S expostos a solventes são propensos a danos oxidativos30,31. As estruturas do complexo I de diferentes organismos mostram que seus aglomerados Fe/S são em sua maioria blindados do solvente e, portanto, devem ser protegidos da degradação por ROS7,8,9,10,32,33,34,35,36. No entanto, foi proposto que uma produção aumentada de ROS pelo complexo I e pela cadeia respiratória em geral pode resultar em danos aos clusters Fe/S do complexo I37. Aqui, usamos o complexo I de E. coli para testar esta proposta. Por representar uma forma estrutural mínima do complexo mitocondrial I, o de E. coli carece das subunidades acessórias adicionais ao redor do núcleo catalítico. Portanto, os aglomerados de Fe/S do complexo I de E. coli podem ser mais suscetíveis a danos oxidativos do que seus homólogos no complexo I mitocondrial. ensaiaram a influência do H2O2 na atividade do complexo I e sua composição Fe/S cluster. Descobriu-se que as concentrações milimolares de H2O2 são necessárias para inibir a atividade da NADH oxidase. Enquanto a atividade NADH:decil-ubiquinona do complexo isolado permanece inalterada na presença de 1 mM H2O2, demonstramos diretamente usando espectroscopia EPR que o tratamento com 1 mM H2O2 resulta em uma perda seletiva do agrupamento Fe/S N1b na subunidade NuoG.