Succinat dehidrogenază

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 12 decembrie 2021; verificările necesită 3 modificări .
Succinat dehidrogenază
Identificatori
Cod KF 1.3.5.1
numar CAS 9028-11-9
Baze de date de enzime
IntEnz Vedere IntEnz
BRENDA intrare BRENDA
ExPASy Vedere NiceZyme
MetaCyc cale metabolică
KEGG intrare KEGG
PRIAM profil
Structuri PDB RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Ontologie genetică AmiGO  • EGO
Căutare
PMC articole
PubMed articole
NCBI proteine ​​NCBI
CAS 9028-11-9
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Succinat dehidrogenaza sau succinat-ubichinona oxidoreductaza , cunoscută și sub denumirea de complex II  , este un complex proteic situat în membrana interioară a mitocondriilor și în membranele multor organisme procariote . În același timp, participă la ciclul acidului tricarboxilic și la lanțul respirator al transportului de electroni .

În a șasea etapă a ciclului acidului tricarboxilic, succinat dehidrogenaza catalizează oxidarea succinatului în fumarat , reducând ubichinona la ubichinol [1] .

Istorie

În 1910, omul de știință Tanberg a descoperit că țesutul muscular izolat al animalelor este capabil de a oxida succinatul ( acidul succinic ) [2] , din care s-a ajuns la concluzia că există o enzimă care să efectueze această reacție. O enzimă necunoscută, identificată mai târziu ca succinat dehidrogenază, a făcut obiectul unor cercetări active încă din anii 1950, când bioenergetica s-a născut pe creasta unei biochimie în curs de dezvoltare și a cercetării asupra respirației celulare . În 1954, omul de știință american Thomas P. Singer a fost primul care a izolat succinat dehidrogenaza purificată sub formă de soluție [3] . Disponibilitatea unei forme solubile a enzimei a marcat o descoperire în cercetare și, în următorii cincisprezece ani, au fost identificate toate componentele majore ale complexului succinat dehidrogenază. Din primele studii ale formei solubile, s-a înțeles că această proteină conține fier și flavină . Succinat dehidrogenaza a fost prima proteină studiată care are o dinucleotidă flavină adenină atașată covalent . În plus, enzima conținea atomi de sulf labili [4] .

În 1959, imediat după descoperirea coenzimei Q , Ziegler și Doik au izolat succinat dehidrogenaza, care era dizolvată în acid colic , conținea flavină, fier și hem și putea reduce coenzima Q. Aceste rezultate au fost fundamental diferite de cele obținute în studiul de succinat dehidrogenaza solubilă în apă , care nu conținea hem și nu putea reduce coenzima Q. Controversa rezultată a dat naștere unei dezbateri aprinse despre corectitudinea și calitatea procedurilor de izolare și posibila contaminare, care a continuat până la începutul anilor 1970. La începutul anilor '60, s-a format o idee despre lanțul respirator al transportului de electroni și, în urma experimentelor, în 1962 a fost posibilă izolarea primelor trei complexe respiratorii. Complexul cu activitate succinat dehidrogenază izolat din mitocondrii a fost numit complex respirator II și a fost oarecum mai târziu identificat cu succinat dehidrogenază solubilă în apă. Trebuie remarcat faptul că a fost posibil să se demonstreze în mod convingător prezența clusterelor de fier-sulf în succinat dehidrogenaza și să se determine structura acestora la numai 30 de ani de la izolarea acesteia. Acest lucru a fost realizat odată cu apariția noilor tehnici EPR care au fost testate pe această enzimă [4] .

Organizarea structurală a complexului II

Monomerul complexului II din mitocondriile mamiferelor , protozoarelor , ciupercilor și multor bacterii este format din patru subunități codificate de genomul nuclear: două hidrofile și două hidrofobe . Greutatea moleculară a monomerului complet, conform diverselor date, variază de la ~125 kDa [1] la ~140 kDa [5] . Două subunități hidrofile sunt în fața matricei. Subunitatea A este o flavoproteină , iar subunitatea B poartă o proteină fier-sulf. Subunitatea A are un FAD legat covalent și un situs de legare la succinat , iar B are trei grupuri de fier-sulf: [2Fe-2S], [4Fe-4S] și [3Fe-4S]. La om, subunitatea A este reprezentată de două izoforme (subunități tip I și II), aceste izoforme se găsesc și la Ascaris suum și Caenorhabditis elegans [6] . Subunitățile hidrofobe C și D sunt proteine ​​transmembranare. Împreună formează citocromul b 560 , în care hemul b și locul de legare a ubichinonei sunt localizate în șase elice α transmembranare . Două molecule de fosfolipide , una cardiolipină și una fosfatidiletanolamină , care umplu spațiul hidrofob dintre subunitățile C și D de sub hema b [7] .

Complexul II nu interacționează cu alți complecși ai lanțului respirator electronic și nu face parte din complexele supramoleculare - respirase . Cu toate acestea, s-a demonstrat în culturile de țesuturi umane și de șobolan, precum și în țesuturile obținute din organisme întregi, că complexul II poate forma o formă activă catalitic cu greutate moleculară mare dintr-o varietate de complexe cu greutăți moleculare de la 500 la 1000 kDa în țesuturi intacte. și de la 400 la 670 kDa în culturi celulare [5] .

Se știe mult mai puțin despre complexul II din plante și până în prezent rămâne unul dintre cele mai neexplorate complexe ale mitocondriilor vegetale. Experimentele recente privind izolarea sa de Arabidopsis și studiul său prin electroforeză nativă albastră au arătat că la plante este format aparent din opt subunități, dintre care patru sunt identice cu subunitățile complexului II obișnuit și patru specifice plantelor și nu sunt găsit.în mitocondriile altor eucariote. Rezultate similare au fost obținute pentru cartofi [8] .

Tabelul subunităților [9]
Nu. Subunitate proteine ​​umane Masa moleculara Familia de proteine ​​Pfam
unu SDHA SDHA_UMAN 72 kDa Pfam PF00890 , Pfam PF02910
2 SdhB SDHB_UMAN 30 kDa Pfam PF13085 , Pfam PF13183
3 sdhc CDHB_UMAN 18 kDa Pfam PF01127
patru SDHD DHSD_UMAN 15 kDa Pfam PF05328

Locul de legare a ubichinonei

Locul de legare a ubichinonei este situat în adâncitura formată din subunitățile B, C și D. Aici, ubichinona este stabilizată de grupurile laterale ale subunității B histidină -207, serinei -27 și arginină -31 subunității C și tirozinei -83 . D. Inelul chinonic este înconjurat de izoleucină -28 subunitatea C și prolină -160 subunitatea B. Aceste resturi de aminoacizi , împreună cu izoleucină -209, triptofan -163 și triptofan -164 subunitatea B și serina-27 subunitatea C, formează o mediu hidrofob în buzunarul de legare a chinonei [10] .

Locul de legare a succinatului

Subunitatea A are un loc pentru legarea și oxidarea succinatului. Grupurile secundare tirozină-254, histidină-354 și arginină-399 ale acestei subunități stabilizează molecula succinat în timp ce FAD oxidează și donează electroni primului grup de fier-sulf , [2Fe-2S] [11] .

Centre redox

Locul de legare a succinatului și locul de legare a ubichinonei sunt conectate printr-un lanț de centri redox constând din FAD și trei grupuri de fier-sulf. Acest lanț se extinde cu 40 Å prin întregul corp al enzimei. Distanța aproximativă dintre cofactori nu depășește limita fiziologică pentru transferul de electroni de 14 Å [7] .

Mecanismul de reacție

Complexul II oxidează succinatul la fumarat și reduce ubichinona :

Succinat + Q → Fumarat + QH 2

Electronii din succinat sunt mai întâi transferați la FAD și apoi prin clustere Fe-S la Q. Transportul de electroni în complex nu este însoțit de generarea unui gradient de protoni . 2H + format în timpul oxidării succinatului rămâne pe aceeași parte a membranei, adică în matrice , și este apoi reabsorbit în timpul reducerii chinonei. Astfel, complexul II nu contribuie la crearea unui gradient de protoni de-a lungul membranei și funcționează doar ca purtător de electroni de la succinat la ubichinonă [12] [13] .

Oxidarea succinatului

Se cunosc puține despre mecanismul exact al oxidării succinatului. Analiza de difracție cu raze X a arătat că FAD , glutamatul -255, arginina -286 și histidina -242 subunitatea A pot fi candidați pentru reacția de deprotonare. Există două mecanisme posibile pentru această reacție de eliminare : E2 și E1cb. În cazul lui E2, acesta este un mecanism negociat. Principalele reziduuri sau cofactorul deprotonează carbonul alfa, iar FAD acceptă un anion hidrură din carbonul beta, oxidând succinatul în fumarat  - vezi fig. 1. În cazul mecanismului E1cb, înainte ca FAD să atașeze anionul hidrură, se formează forma enol de succinat, așa cum se arată în Fig. 2. Pentru a determina ce mecanism are loc de fapt, sunt necesare studii suplimentare ale succinat dehidrogenazei.

După terminarea reacției , fumaratul , care este legat slab de locul activ al enzimei, se disociază ușor. Există date din care rezultă că domeniul de legare a substratului citosol al succinat dehidrogenazei suferă modificări conformaționale: după ce produsul pleacă, enzima este într-o formă deschisă și, după ce a legat un nou substrat, trece într-o stare închisă, închizându-se strâns. în jurul lui [14] .

Transferul de electroni

Ca rezultat al oxidării succinatului, electronii săi sunt transferați la FAD și apoi sunt transferați de-a lungul lanțului de clustere de fier-sulf de la clusterul [Fe-S] la [3Fe-4S]. Acolo, acești electroni sunt transferați la o moleculă de ubichinonă care așteaptă la locul de legare .

Recuperarea ubichinonei

În locul activ , ubichinona este stabilizată prin legături de hidrogen între atomul său de oxigen carbonil din prima poziție și tirozina -83 a subunității D. Transferul de electroni către clusterul fier-sulf [3Fe-4S] face ca ubichinona să se deplaseze la altă poziție. Ca urmare, se formează o a doua legătură de hidrogen între gruparea carbonil a ubichinonei în poziția a patra și serina-27 a subunității C. După ce ubichinona acceptă primul electron în timpul procesului de reducere, se transformă în radicalul activ semichinonă , care, după legarea celui de-al doilea electron din clusterul [3Fe-4S] complet redus la ubichinol . Mecanismul complet de recuperare a ubichinonei este prezentat în Figura 3 [15] .

Gem b

Deși funcția exactă a hem succinat dehidrogenazei nu este încă cunoscută, unii cercetători susțin că primul electron către ubichinonă prin [3Fe-4S] se poate mișca rapid înainte și înapoi între hem și ubichinonă legată. Astfel, hemul joacă rolul unui absorbant pentru electroni, împiedicând interacțiunea acestora cu oxigenul molecular, ceea ce ar duce la formarea unor specii reactive de oxigen .

Există, de asemenea, presupunerea că, pentru a preveni ca electronul să cadă direct din clusterul [3Fe-4S] în hem, funcționează un mecanism special de poartă. Un candidat probabil de poartă este subunitatea B histidina -207, care este situată chiar între clusterul fier-sulf și hem, nu departe de ubichinona legată; poate controla probabil fluxul de electroni între acești centri redox [15] .

Inhibitori

Există două clase de inhibitori ai complexului II: unii blochează buzunarul de legare a succinatului și alții blochează buzunarul de legare a ubichinolului . Inhibitorii care imită ubichinolul includ carboxina și thenoiltrifluoracetona . Inhibitorii analogi de succinat includ compusul sintetic malonat . Interesant este că oxaloacetatul este unul dintre cei mai puternici inhibitori ai complexului II. De ce un metabolit comun al ciclului acidului citric inhibă complexul II rămâne neclar, deși se sugerează că acesta poate juca astfel un rol protector prin reducerea la minimum a transportului invers de electroni în complexul I , care are ca rezultat formarea superoxidului [16] .

Inhibitorii care imită ubiquinolul au fost utilizați ca fungicide în agricultură încă din anii 1960. De exemplu, carboxina a fost folosită în principal pentru bolile cauzate de bazidiomicete , cum ar fi rugina tulpinii și bolile cauzate de Rhizoctonia . Recent, au fost înlocuiți cu alți compuși cu o gamă mai largă de agenți patogeni suprimați. Acești compuși includ boscalid , penthiopyrad și fluopiram [17] . Unele ciuperci importante din punct de vedere agricol nu sunt susceptibile la această nouă generație de inhibitori [18] .

Rolul în boli

Rolul fundamental al succinat dehidrogenazei în lanțul de transport de electroni mitocondrial îl face vital pentru majoritatea organismelor multicelulare , ștergerea genelor acestei enzime din genom este letală, ceea ce a fost demonstrat la embrionii timpurii de șoarece.

Succinat dehidrogenaza de mamifere nu este doar implicată în generarea de energie în mitocondrii, ci joacă, de asemenea, un rol în sensibilitatea celulelor la oxigen și suprimarea tumorii; acum aceste proprietăți fac obiectul unui studiu atent [19] [20] .

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , p. 239.
  2. ↑ T. Thunberg, Skand. Arc. fiziol. , 24 (1910) 23; 41 (1920)1
  3. ↑ Singer, TP, Kearney, EB și Kenney, W. C. Succinate Dehydrogenase, in Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology / ed. A. Meister. - New York, SUA.: John Wiley & Sons , Inc., 1973. - Vol. 37. - (Avansuri în Enzimologie - și Domenii Conexe ale Biologiei Moleculare). — ISBN 9780470122822 . Arhivat pe 30 mai 2016 la Wayback Machine
  4. ↑ 1 2 Handbook of Flavoproteins: Volume 2 Complex Flavoproteins, Dehydrogenases and Physical Methods / editat de Russ Hille, Susan Miller, Bruce Palfey. - 1 editie. — Berlin: Walter de Gruyter & Co, 30 iun. 2013. - Vol. 2. - P. 141-143. — 436 p. — ISBN 978-3110298284 . Arhivat la 1 iunie 2016 la Wayback Machine
  5. ↑ 1 2 Kovářová, N., Mráček, T., Nůsková, H., Holzerová, E., Vrbacký, M., Pecina, P., Hejzlarová, K., Kľučková, K., Rohlena, J., Neuzil, J., Houštěk, J. Forme cu greutate moleculară ridicată ale complexului II de lanț respirator al mamiferelor  (engleză)  // PLoS ONE  : jurnal. - 2013. - august ( vol. 8 , nr. 8 ). — P.e71869 . - doi : 10.1371/journal.pone.0071869 .
  6. ↑ Tomitsuka E., Hirawake H., Goto Y., Taiwaki M., Harada S., Kita K. Dovezi directe pentru două forme distincte ale subunității flavoproteinei a complexului II mitocondrial uman (succinat-ubichinonă reductază  )  / / J. Biochem : jurnal. - 2003. - Vol. 134 , nr. 2 . - P. 191-195 . - doi : 10.1093/jb/mvg144 . — PMID 12966066 .
  7. ↑ 1 2 Yankovskaya V., Horsefield R., Törnroth S., et al. Arhitectura succinat dehidrogenazei și generarea de specii reactive de oxigen  (engleză)  // Science : journal. - 2003. - ianuarie ( vol. 299 , nr. 5607 ). - P. 700-704 . - doi : 10.1126/science.1079605 . — PMID 12560550 .
  8. ↑ A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun. Citocromul mitocondrial cu complexe de oxidază și succinat dehidrogenază conțin subunități specifice plantelor.  (Engleză)  // Plant Mol Biol: jurnal. - 2004. - Septembrie ( vol. 56 , nr. 1 ). - P. 77-90 . — PMID 15604729 .
  9. ↑ Sun F., Huo X., Zhai Y., Wang A., Xu J., Su D., et al. Structura cristalină a complexului proteic II al membranei respiratorii mitocondriale.  (Engleză)  // Cell  : journal. - Cell Press , 2005. - Vol. 121 , nr. 7 . - P. 1043-1057 . - doi : 10.1016/j.cell.2005.05.025 . — PMID 15989954 .
  10. ↑ Horsefield R., Yankovskaya V., Sexton G., et al. Analiza structurală și computațională a situsului de legare a chinonei al complexului II (succinat-ubichinonă oxidoreductază): un mecanism de transfer de electroni și conducție de protoni în timpul reducerii ubichinonei  //  J. Biol. Chim.  : jurnal. - 2006. - Martie ( vol. 281 , nr. 11 ). - P. 7309-7316 . - doi : 10.1074/jbc.M508173200 . — PMID 16407191 .
  11. ↑ Kenney WC Reacția N-etilmaleimidei la locul activ al succinat dehidrogenazei  //  J. Biol. Chim.  : jurnal. - 1975. - Aprilie ( vol. 250 , nr. 8 ). - P. 3089-3094 . — PMID 235539 .
  12. ↑ Nelson, Cox, 2012 , p. 331-333.
  13. ↑ Ermakov, 2005 , p. 240.
  14. ↑ T.M. Iverson. Mecanisme catalitice ale enzimelor complexe II: o perspectivă structurală  //  ​​Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 2013. - Mai ( vol. 1827 , nr. 5 ). - P. 648-657 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.09.008 .
  15. ↑ 1 2 Tran QM, Rothery RA, Maklashina E., Cecchini G., Weiner JH Locul de legare a chinonei din succinat dehidrogenaza de Escherichia coli este necesar pentru transferul de electroni la hemul b  //  J. Biol. Chim.  : jurnal. - 2006. - octombrie ( vol. 281 , nr. 43 ). - P. 32310-32317 . - doi : 10.1074/jbc.M607476200 . — PMID 16950775 .
  16. ↑ Muller FL, Liu Y., Abdul-Ghani MA, et al. Rate ridicate de producție de superoxid în mitocondriile mușchilor scheletici care respiră atât pe substraturi legate de complexul I, cât și de complexul II   // Biochem . J. : jurnal. - 2008. - ianuarie ( vol. 409 , nr. 2 ). - P. 491-499 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . — PMID 17916065 .
  17. ↑ Avenot HF, Michailides TJ,. Progrese în înțelegerea mecanismelor moleculare și evoluția rezistenței la fungicidele care inhibă succinat dehidrogenazei (SDHI) în fungi fitopatogeni  //  Crop Protection : journal. - 2010. - Vol. 29 , nr. 7 . — P. 643 . - doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019 .
  18. ↑ Dubos T., Pasquali M., Pogoda F., Casanova AL, Hoffmann L., Beyer M.,. Diferențele dintre secvențele de succinat dehidrogenază ale Zymoseptoria tritici sensibile la izopirazam și tulpinile insensibile de Fusarium graminearum  //  Pesticide Biochemistry and Physiology : journal. - 2013. - Vol. 105 . — P. 28 . - doi : 10.1016/j.pestbp.2012.11.004 .
  19. ↑ Bardella Chiara , Pollard Patrick J. , Tomlinson Ian. Mutații SDH în cancer  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2011. - noiembrie ( vol. 1807 , nr. 11 ). - S. 1432-1443 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.003 .
  20. ↑ Yang Ming , Pollard Patrick J. Succinate: A New Epigenetic Hacker  // Cancer Cell. - 2013. - Iunie ( vol. 23 , Nr. 6 ). - S. 709-711 . — ISSN 1535-6108 . - doi : 10.1016/j.ccr.2013.05.015 .

Literatură

  • Fiziologia plantelor / Ed. I. P. Ermakova. - M . : Academia, 2005. - 634 p.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Fundamentele biochimiei lui Lehninger. Bioenergetică și metabolism. = Principiile Leninger de Biochimie. — Binom. Laboratorul de cunoștințe, 2012. - Vol. 2. - 692 p. — (Cel mai bun manual străin). — ISBN 978-5-94774-365-4 .
  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii