СУКЦИНАТДЕГИДРОГЕНАЗА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, РЕГУЛЯЦИЯ, ЗАБОЛЕВАНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

S uccinato дегидрогеназа ( СЙ ), также известная как комплекс II в цепи переноса электронов, представляет собой митохондриальный белковый комплекс с ферментативной активностью , которая работает как цикл Кребса и цепь переноса электронов (клеточное дыхание).

Это фермент, который присутствует во всех аэробных клетках. У эукариот это комплекс, тесно связанный с внутренней митохондриальной мембраной, а у прокариот он находится в плазматической мембране.

Общая схема комплекса митохондриальной сукцинатдегидрогеназы (Источник: Я сам, на основе векторизации Фвасконцелло. / Общественное достояние, через Wikimedia Commons)

Комплекс сукцинатдегидрогеназы, открытый примерно в 1910 году и впервые очищенный в 1954 году Сингером и Кирни, широко изучался по нескольким причинам:

- работает как в цикле Кребса (цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновой кислоты), так и в цепи переноса электронов (катализирует окисление сукцината до фумарата)

- его активность регулируется разными активаторами и ингибиторами и

- представляет собой комплекс, связанный с: железом, не связанным с группой гема, лабильными динуклеотидами серы и флавинаденин (FAD)

Он кодируется ядерным геномом, и было доказано, что мутации в четырех генах, которые кодируют каждую из его субъединиц (A, B, C и D), приводят к различным клиническим картинам, то есть они могут быть весьма негативными с точки зрения физической неприкосновенности людей.

Структура

Ферментный комплекс сукцинатдегидрогеназы состоит из четырех субъединиц (гетеротетрамер), кодируемых ядерным геномом, что делает его единственным комплексом окислительного фосфорилирования в цепи переноса электронов, который не имеет субъединиц, кодируемых митохондриальным геномом.

Кроме того, этот комплекс - единственный, который не перекачивает протоны через внутреннюю мембрану митохондрий во время своего каталитического действия.

Согласно исследованиям, проведенным на основе ферментативного комплекса клеток сердца свиньи, комплекс сукцинатдегидрогеназы состоит из:

- гидрофильная « голова », которая простирается от внутренней митохондриальной мембраны в митохондриальный матрикс и

- гидрофобный « хвост », который встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану и имеет небольшой сегмент, который выступает в растворимое межмембранное пространство митохондрий.

Структура комплекса сукцинатдегидрогеназы (Источник: Zephyris в англоязычной Википедии / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) через Wikimedia Commons)

Структура гидрофильной части

Гидрофильная головка состоит из субъединиц SdhA (70 кДа) и SdhB (27 кДа) (Sdh1 и Sdh2 в дрожжах) и составляет каталитический центр комплекса.

Субъединицы SdhA и SdhB содержат окислительно-восстановительные кофакторы, которые участвуют в переносе электронов к убихинону (кофермент Q10, молекула, которая переносит электроны между респираторными комплексами I, II и III).

Субъединица SdhA имеет кофактор FAD (кофермент, который участвует в окислительно-восстановительных реакциях), ковалентно присоединенный к ее структуре, прямо в сайте связывания сукцината (основного субстрата фермента).

Субъединица SdhB имеет 3 центра железо-сера (Fe-S), которые обеспечивают перенос электронов на убихинон. Один из центров, 2Fe-2S, находится рядом с сайтом FAD субъединицы SdhA, а другие (4Fe-4S и 3Fe-4S) примыкают к первому.

Примечательно, что структурные исследования показывают, что субъединица SdhB образует границу между гидрофильным каталитическим доменом и мембранным «якорным» (гидрофобным) доменом комплекса.

Структура гидрофобной части

Мембранный домен комплекса, как указано, состоит из субъединиц SdhC (15 кДа) и SdhD (12-13 кДа) (Sdh3 и Sdh4 у дрожжей), которые представляют собой интегральные мембранные белки, каждый из которых образован 3 трансмембранными спиралями. .

Этот домен содержит часть гема b, прикрепленную к границе раздела между субъединицами SdhC и SdhD, каждая из которых обеспечивает один из двух гистидиновых лигандов, удерживающих их вместе.

В этом ферменте были обнаружены два сайта связывания убихинона: один с высоким сродством, а другой с низким сродством.

Сайт с высоким сродством, известный как Qp (p для проксимального), обращен к митохондриальному матриксу и состоит из специфических аминокислотных остатков, расположенных в субъединицах SdhB, SdhC и SdhD.

Сайт с низким сродством, также называемый Qd (d для дистального), находится в той части внутренней митохондриальной мембраны, куда вставлен комплекс, ближе к межмембранному пространству, то есть дальше от матрикса органеллы.

В целом, общий комплекс имеет молекулярную массу, близкую к 200 кДа, и было определено, что он имеет соотношение 4,2-5,0 наномолей флавина на каждый миллиграмм белка и 2-4 г железа на каждый моль флавина.

Функция

Ферментативный комплекс сукцинатдегидрогеназа играет важную роль в митохондриях, поскольку она не только участвует в цикле Кребса (где она участвует в разложении ацетил-КоА), но также является частью дыхательной цепи, необходимой для производства энергии. в виде АТФ.

Другими словами, это ключевой фермент для промежуточного метаболизма и аэробного производства АТФ.

- Он отвечает за окисление сукцината до фумарата в цикле лимонной кислоты.

- Питает комплекс III цепи переноса электронов электронами, полученными в результате окисления сукцината, что помогает восстанавливать кислород и образовывать воду

- Электронный транспорт создает электрохимический градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану, что способствует синтезу АТФ

В качестве альтернативы, электроны можно использовать для восстановления молекул из пула убихинона, производя восстанавливающие эквиваленты, необходимые для восстановления супероксидных анионов, которые происходят из той же дыхательной цепи или происходят из экзогенных источников.

Комплекс сукцинатдегидрогеназы (Источник: Johnhfst / Public domain, через Wikimedia Commons)

Как это работает?

Субъединица A комплекса (та, которая ковалентно связана с коферментом FAD) связывается с субстратами, фумаратом и сукцинатом, а также с их физиологическими регуляторами, оксалоацетатом (конкурентный ингибитор) и АТФ.

АТФ замещает связь между оксалоацетатом и комплексом SDH, и затем электроны, которые «передаются» от сукцината к субъединице SdhA, переносятся на группы атомов железа и серы, присутствующие в субъединице SdhB, посредством кофермент ФАД.

От субъединицы B эти электроны достигают сайтов b гема субъединиц SdhC и SdhD, откуда они «доставляются» к хиноновым коферментам через их сайты связывания с хиноном.

Электронный поток от сукцината через эти переносчики и к конечному акцептору, которым является кислород, связан с синтезом 1,5 молекул АТФ для каждой пары электронов через фосфорилирование, связанное с дыхательной цепью.

Ферментные дефекты

Сообщалось, что мутации в гене, кодирующем субъединицу A комплекса сукцинатдегидрогеназы, вызывают энцефалопатии в младенчестве, в то время как мутации в генах, кодирующих субъединицы B, C и D, связаны с образованием опухолей.

Регулирование

Активность комплекса сукцинатдегидрогеназы можно регулировать с помощью посттрансляционных модификаций, таких как фосфорилирование и ацетилирование , хотя также может происходить ингибирование активного сайта.

Ацетилирование некоторых остатков лизина может снизить активность этого фермента, и этот процесс осуществляется ферментом деацетилазы, известным как SIRT3; фосфорилирование оказывает такое же действие на фермент.

Помимо этих модификаций, комплекс SDH также регулируется промежуточными продуктами цикла Кребса, в частности оксалоацетатом и сукцинатом . Оксалоацетат является мощным ингибитором, а сукцинат способствует диссоциации оксалоацетата, действуя как активатор.

Дефицит сукцинатдегидрогеназы

Дефицит сукцинатдегидрогеназы - это аномалия или нарушение дыхательной цепи митохондрий. Этот дефицит вызван мутациями в генах SDHA (или SDHAF1), SDHB, SDHC и SDHD.

Различные исследования показали гомозиготные и гетерозиготные мутации в этих генах, особенно в SDHA. Мутации в этих генах вызывают замены аминокислот в белке (в любой из субъединиц SDHA, B, C или D) или иным образом кодируют аномально короткие белки.

Следовательно, аминокислотные замены и аномально короткие кодировки белков приводят к нарушениям или изменениям фермента SDH, что приводит к нарушению оптимальной способности митохондрий производить энергию. Это то, что ученые называют нарушением дыхательной цепи митохондрий.

Это заболевание может проявляться фенотипически у людей разными способами. Наиболее известными из них являются: недостаточность или отсутствие языкового развития, спастическая квадриплегия, непроизвольные мышечные сокращения (дистония), мышечная слабость и кардиомиопатии, а также другие связанные проблемы.

У некоторых пациентов с дефицитом сукцинатдегидрогеназы может развиться болезнь Ли или синдром Кернс-Сайра.

Как выявляется дефицит дегидро сукцината?

Некоторые исследования предполагают использование качественных гистохимических тестов и анализов, а также количественных ферментативных биохимических анализов дыхательной цепи. Другие со своей стороны предлагают полную амплификацию с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) экзонов исследуемых субъединиц с последующим соответствующим секвенированием.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Взято и отредактировано из: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (переведено на испанский Алехандро Порто).

Сопутствующие заболевания

Существует большое количество фенотипических проявлений, вызываемых нарушениями дыхательной цепи митохондрий из-за дефицита сукцинатдегидрогеназы. Однако когда дело доходит до синдромов или заболеваний, обсуждаются следующие вопросы.

Синдром Ли

Это прогрессирующее неврологическое заболевание, связанное с мутациями в ядерном геноме (в данном случае сукцинатдегидрогеназы), которые влияют на комплекс пируват-дегидрогеназа вплоть до пути окислительного фосфорилирования.

Симптомы появляются у человека до первого года жизни, но в атипичных случаях первые симптомы наблюдаются в подростковом возрасте.

Среди наиболее часто наблюдаемых симптомов: гипотония с потерей головного контроля, непроизвольные движения, повторяющаяся рвота, респираторные проблемы, неспособность двигать глазным яблоком, пирамидные и экстрапирамидные признаки среди других. Судороги не очень распространены.

Не исключено, что заболевание можно выявить при пренатальном диагнозе. Известного лекарства или специального лечения не существует, но некоторые специалисты предлагают лечение определенными витаминами или кофакторами.

Стромальная опухоль желудочно-кишечного тракта (GIST)

Обычно называемый ГИСО, это тип опухоли желудочно-кишечного тракта, который обычно развивается в таких областях, как желудок или тонкий кишечник. Считается, что причиной этого является определенная группа высокоспециализированных клеток, называемых клетками ICC или интерстициальными клетками Кахаля.

Другие соображения о причине ГИСО - это мутации в определенных типах генов, которые, по мнению некоторых авторов, вызывают 90% опухолей. Вовлеченные гены: KIT, PDGFRA, гены сукцинатдегидрогеназы (SDH) - дефицитные.

Сукцинатдегидрогеназа (SDH) - дефицитная, встречается в основном у молодых женщин, вызывает опухоли в желудке и относительно часто метастазирует в лимфатические узлы. Небольшой процент встречается у детей, и в большинстве случаев это связано с отсутствием экспрессии субъединицы SDHB.

Синдром Кернса-Сейра

Было установлено, что у некоторых пациентов с недостаточностью сукцинатдегидрогеназы может проявляться синдром Кернса-Сейра. Это заболевание связано с митохондриальными нарушениями и характеризуется отсутствием движения глазных яблок.

Другими признаками этого заболевания являются пигментный ретинит, глухота, кардиомиопатия и расстройства центральной нервной системы. Эти симптомы обычно проявляются до достижения пациентом 20-летнего возраста. Пренатальный диагноз этого состояния неизвестен.

Также нет известного лекарства от этой болезни. Лечение является паллиативным, то есть работает только на уменьшение последствий болезни, а не на ее лечение. С другой стороны, хотя это зависит от количества пораженных органов и полученной медицинской помощи, продолжительность жизни относительно нормальная.

Ссылки

1. Акрелл, Б.А., Кирни, Э.Б., и Сингер, Т.П. (1978). Сукцинатдегидрогеназа млекопитающих. В «Методы в энзимологии» (том 53, стр. 466-483). Академическая пресса.
2. Бриер, Дж. Дж., Фавье, Дж., Гуззи, В. Э., Джуади, Ф., Бенит, П., Хименес, А. П., и Растин, П. (2005). Дефицит сукцинатдегидрогеназы у человека. Клеточные и молекулярные науки о жизни CMLS, 62 (19-20), 2317-2324.
3. Чеккини, Г., Шредер, И., Гунсалус, Р.П., и Маклашина, Э. (2002). Сукцинатдегидрогеназа и фумаратредуктаза из Escherichia coli. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetics, 1553 (1-2), 140-157.
4. Хатефи Ю. и Дэвис К.А. (1971). Сукцинатдегидрогеназа. I. Очистка, молекулярные свойства и субструктура. Биохимия, 10 (13), 2509-2516.
5. Хедерштедт, ЛАРС, и Рутберг, ЛАРС (1981). Сукцинатдегидрогеназа - сравнительный обзор. Микробиологические обзоры, 45 (4), 542.
6. Нельсон, Д.Л., Ленингер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Macmillan.
7. Раттер Дж., Виндж Д. Р. и Шиффман Дж. Д. (2010). Сукцинатдегидрогеназа - сборка, регуляция и роль в заболевании человека. Митохондрия, 10 (4), 393-401.