Янтарная кислота ( / s ə k ˈ s ɪ n ɪ k / ) является дикарбоновой кислотой с химической формулой (CH 2 ) 2 (CO 2 H) 2 . [5] В живых организмах янтарная кислота принимает форму аниона , сукцината , который играет множественную биологическую роль в качестве метаболического промежуточного продукта , преобразуемого в фумарат ферментом сукцинатдегидрогеназой в комплексе 2 цепи переноса электронов , который участвует в создании АТФ , и в качестве сигнальной молекулы, отражающей состояние клеточного метаболизма. [6]
Сукцинат образуется в митохондриях через цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) . Сукцинат может выходить из митохондриального матрикса и функционировать в цитоплазме, а также во внеклеточном пространстве, изменяя паттерны экспрессии генов, модулируя эпигенетический ландшафт или демонстрируя гормоноподобную сигнализацию. [6] Таким образом, сукцинат связывает клеточный метаболизм , особенно образование АТФ, с регуляцией клеточной функции.
Нарушение регуляции синтеза сукцината и, следовательно, синтеза АТФ происходит при некоторых генетических митохондриальных заболеваниях, таких как синдром Лея и синдром Меласа , а деградация может привести к патологическим состояниям, таким как злокачественная трансформация, воспаление и повреждение тканей. [6] [7] [8]
Янтарная кислота продается как пищевая добавка E363 . Название происходит от латинского succinum , что означает янтарь .
Янтарная кислота — белое, без запаха, твёрдое вещество с очень кислым вкусом. [5] В водном растворе янтарная кислота легко ионизируется с образованием своего сопряжённого основания, сукцината ( / ˈ s ʌ k s ɪ n eɪ t / ). Как дипротонная кислота , янтарная кислота подвергается двум последовательным реакциям депротонирования:
pK a этих процессов составляет 4,3 и 5,6 соответственно. Оба аниона бесцветны и могут быть выделены в виде солей, например, Na(CH 2 ) 2 (CO 2 H)(CO 2 ) и Na 2 (CH 2 ) 2 (CO 2 ) 2 . В живых организмах в первую очередь обнаруживается сукцинат, а не янтарная кислота. [5]
Как радикальная группа она называется сукцинильной ( / ˈ s ʌ k s ɪ n əl / ) группой. [9]
Как и большинство простых моно- и дикарбоновых кислот, он не вреден, но может вызывать раздражение кожи и глаз. [5]
Исторически янтарная кислота была получена из янтаря путем перегонки и, таким образом, была известна как дух янтаря ( лат . spiritus succini [10] ). Обычные промышленные пути включают гидрирование малеиновой кислоты , окисление 1,4-бутандиола и карбонилирование этиленгликоля . Сукцинат также производится из бутана с помощью малеинового ангидрида . [ 11] Мировое производство оценивается в 16 000–30 000 тонн в год с годовым темпом роста 10%. [12]
Генетически модифицированные Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae предлагаются для коммерческого производства путем ферментации глюкозы . [13] [14]
Янтарная кислота может быть дегидрирована до фумаровой кислоты или преобразована в диэфиры, такие как диэтилсукцинат (CH 2 CO 2 CH 2 CH 3 ) 2 . Этот диэтиловый эфир является субстратом в конденсации Штоббе . Дегидратация янтарной кислоты дает янтарный ангидрид . [15] Сукцинат может быть использован для получения 1,4-бутандиола, малеинового ангидрида, сукцинимида, 2-пирролидинона и тетрагидрофурана . [13]
В 2004 году сукцинат был включен Министерством энергетики США в список 12 лучших химических веществ из биомассы. [16]
Янтарная кислота является предшественником некоторых полиэфиров и компонентом некоторых алкидных смол . [11] 1,4-Бутандиол (БДО) можно синтезировать с использованием янтарной кислоты в качестве предшественника. [17] Автомобильная и электронная промышленность в значительной степени зависят от БДО для производства разъемов, изоляторов, колпаков колес, ручек переключения передач и армирующих балок. [18] Янтарная кислота также служит основой некоторых биоразлагаемых полимеров, которые представляют интерес для применения в тканевой инженерии. [19]
Ацилирование янтарной кислотой называется сукцинированием . Избыточное сукцинирование происходит, когда к субстрату присоединяется более одного сукцината. [ необходима цитата ]
Как пищевая добавка и диетическая добавка , янтарная кислота, как правило, признана безопасной Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США . [20] Янтарная кислота используется в основном как регулятор кислотности [21] в пищевой промышленности и производстве напитков. Она также доступна в качестве ароматизатора, придавая несколько кислый и вяжущий компонент вкусу умами. [13] Как вспомогательное вещество в фармацевтических продуктах, она также используется для контроля кислотности [22] или в качестве противоиона. [13] Лекарственные препараты, содержащие сукцинат, включают метопролола сукцинат , суматриптана сукцинат , доксиламина сукцинат или солифенацина сукцинат . [ необходима ссылка ]
Сукцинат является ключевым промежуточным продуктом в цикле трикарбоновых кислот , первичном метаболическом пути, используемом для получения химической энергии в присутствии O 2. Сукцинат образуется из сукцинил-КоА ферментом сукцинил-КоА-синтетазой на этапе производства ГТФ / АТФ : [23] : Раздел 17.1
Сукцинил-КоА + НДП + Фн → Сукцинат + КоА + НТФ
Под действием фермента сукцинатдегидрогеназы (СДГ) сукцинат впоследствии окисляется до фумарата : [23] : Раздел 17.1
Сукцинат + ФАД → Фумарат + ФАДН 2
SDH также участвует в митохондриальной цепи переноса электронов , где он известен как дыхательный комплекс II . Этот ферментный комплекс представляет собой 4-субъединичный мембраносвязанный липопротеин, который связывает окисление сукцината с восстановлением убихинона через промежуточные переносчики электронов FAD и три кластера 2Fe-2S. Таким образом, сукцинат служит прямым донором электронов в цепи переноса электронов и сам превращается в фумарат. [24]
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Сукцинат может быть альтернативно образован обратной активностью SDH. В анаэробных условиях некоторые бактерии, такие как A. succinogenes , A. succiniciproducens и M. succiniciproducens , запускают цикл TCA в обратном направлении и преобразуют глюкозу в сукцинат через промежуточные продукты оксалоацетата , малата и фумарата . [25] Этот путь используется в метаболической инженерии для получения чистого сукцината для использования человеком. [25] Кроме того, янтарная кислота, образующаяся во время ферментации сахара, обеспечивает сочетание солености, горечи и кислотности для ферментированных спиртов. [26]
Накопление фумарата может приводить в действие обратную активность SDH, тем самым усиливая генерацию сукцината. В патологических и физиологических условиях малат-аспартатный челнок или пуриновый нуклеотидный челнок может увеличивать митохондриальный фумарат, который затем легко преобразуется в сукцинат. [27]
Сукцинат также является продуктом глиоксилатного цикла , который преобразует две двухуглеродные ацетильные единицы в четырехуглеродный сукцинат. Глиоксилатный цикл используется многими бактериями, растениями и грибами и позволяет этим организмам существовать на ацетате или ацетил-КоА, образуя соединения. Путь избегает стадий декарбоксилирования цикла TCA с помощью фермента изоцитратлиазы , который расщепляет изоцитрат на сукцинат и глиоксилат . Образованный сукцинат затем доступен либо для производства энергии, либо для биосинтеза. [23] : Раздел 17.4
Сукцинат является точкой повторного входа для шунта гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в цикл TCA, замкнутый цикл, который синтезирует и перерабатывает ГАМК. [28] Шунт ГАМК служит альтернативным путем для преобразования альфа-кетоглутарата в сукцинат, минуя промежуточный продукт цикла TCA сукцинил-КоА и вместо этого производя промежуточный продукт ГАМК. Трансаминирование и последующее декарбоксилирование альфа-кетоглутарата приводит к образованию ГАМК. Затем ГАМК метаболизируется ГАМК-трансаминазой в янтарный полуальдегид . Наконец, янтарный полуальдегид окисляется янтарным полуальдегиддегидрогеназой (SSADH) с образованием сукцината, повторно входя в цикл TCA и замыкая петлю. Ферменты, необходимые для шунта ГАМК, экспрессируются в нейронах, глиальных клетках, макрофагах и панкреатических клетках. [28]
Сукцинат вырабатывается и концентрируется в митохондриях , и его основная биологическая функция заключается в том, чтобы быть метаболическим промежуточным продуктом . [6] [23] : Раздел 17.1 Все метаболические пути, которые взаимосвязаны с циклом трикарбоновых кислот, включая метаболизм углеводов, аминокислот, жирных кислот, холестерина и гема, зависят от временного образования сукцината. [6] Промежуточный продукт становится доступным для биосинтетических процессов через несколько путей, включая восстановительную ветвь цикла трикарбоновых кислот или глиоксилатный цикл, которые способны управлять чистой продукцией сукцината. [25] [28] У грызунов митохондриальные концентрации составляют приблизительно ~0,5 мМ [6] , тогда как плазменные концентрации составляют всего 2–20 мкМ. [29]
Активность сукцинатдегидрогеназы (СДГ), которая взаимопревращает сукцинат в фумарат, участвует в митохондриальной продукции активных форм кислорода (ROS), направляя поток электронов в цепи переноса электронов. [6] [24] В условиях накопления сукцината быстрое окисление сукцината с помощью СДГ может управлять обратным транспортом электронов (RET). [30] Если митохондриальный дыхательный комплекс III не способен принять избыточные электроны, поставляемые окислением сукцината, он заставляет электроны течь обратно по цепи переноса электронов. RET в митохондриальном дыхательном комплексе 1 , комплексе, обычно предшествующем СДГ в цепи переноса электронов, приводит к продукции ROS и создает прооксидантную микросреду. [30]
В дополнение к своим метаболическим ролям сукцинат служит внутриклеточной и внеклеточной сигнальной молекулой. [6] [27] Внемитохондриальный сукцинат изменяет эпигенетический ландшафт, ингибируя семейство 2-оксоглутарат-зависимых диоксигеназ . [27] Альтернативно, сукцинат может высвобождаться во внеклеточную среду и кровоток, где он распознается целевыми рецепторами. [31] В целом, утечка из митохондрий требует перепроизводства или недостаточного потребления сукцината и происходит из-за сниженной, обратной или полностью отсутствующей активности СДГ или альтернативных изменений в метаболическом состоянии. Мутации в СДГ, гипоксия или энергетический дисбаланс связаны с изменением потока через цикл трикарбоновых кислот и накоплением сукцината. [6] [27] [32] После выхода из митохондрий сукцинат служит сигналом метаболического состояния, сообщая соседним клеткам, насколько метаболически активна исходная популяция клеток. [27] Таким образом, сукцинат связывает дисфункцию цикла трикарбоновых кислот или метаболические изменения с межклеточной коммуникацией и с реакциями, связанными с окислительным стрессом.
Сукцинату требуются специфические транспортеры для перемещения как через митохондриальную, так и через плазматическую мембрану. Сукцинат выходит из митохондриального матрикса и проходит через внутреннюю митохондриальную мембрану через дикарбоксилатные транспортеры , в первую очередь SLC25A10, транспортер сукцината-фумарата/малата. [31] На втором этапе митохондриального экспорта сукцинат легко пересекает внешнюю митохондриальную мембрану через порины , неспецифические белковые каналы, которые облегчают диффузию молекул менее 1,5 кДа. [31] Транспорт через плазматическую мембрану, вероятно, является тканеспецифичным. Ключевым кандидатом на роль транспортера является INDY (I'm not dead yet), натрий-независимый анионообменник, который перемещает как дикарбоксилат, так и цитрат в кровоток. [31]
Внеклеточный сукцинат может действовать как сигнальная молекула с гормоноподобными функциями при стимуляции различных клеток, таких как клетки крови, жировой ткани, иммунных тканей, печени, сердца, сетчатки и почек. [31] Внеклеточный сукцинат действует путем связывания и, таким образом, активации рецептора GPR91 (также называемого SUCNR1 [33] ) на клетках, которые экспрессируют этот рецептор. Большинство исследований сообщили, что белок GPR91 состоит из 330 аминокислот , хотя несколько исследований обнаружили продукт гена GPR91 из 334 аминокислот . [34] Arg 99 , His 103 , Arg 252 и Arg 281 вблизи центра белка GPR91 генерируют положительно заряженный сайт связывания для сукцината. GPR91 находится на поверхностных мембранах своих клеток-мишеней, при этом его сайт связывания обращен к внеклеточному пространству. [35] Это подтип рецептора, связанного с G-белком [35] , который , в зависимости от типа клетки, несущей его, взаимодействует с несколькими подтипами G-белков, включая G s , Gi и G q . Это позволяет GPR91 регулировать множество результатов сигнализации. [31]
Сукцинат имеет высокое сродство к GPR91, с EC 50 (т.е. концентрацией, которая вызывает полумаксимальный ответ) для стимуляции GPR91 в диапазоне 20–50 мкМ. Активация сукцинатом рецептора GPR91 имитирует широкий спектр типов клеток и физиологических реакций (см. Функции, регулируемые SUCNR1 ). [36] [37]
В адипоцитах каскад сигналов GPR91, активируемый сукцинатом, ингибирует липолиз . [31]
Сигнализация сукцината часто происходит в ответ на гипоксические состояния. В печени сукцинат служит паракринным сигналом, высвобождаемым аноксическими гепатоцитами , и воздействует на звездчатые клетки через GPR91. [31] Это приводит к активации звездчатых клеток и фиброгенезу. Таким образом, считается, что сукцинат играет роль в гомеостазе печени . В сетчатке сукцинат накапливается в ганглиозных клетках сетчатки в ответ на ишемические состояния. Аутокринная сигнализация сукцината способствует ретинальной неоваскуляризации , вызывая активацию ангиогенных факторов, таких как эндотелиальный фактор роста (VEGF). [31] [35]
Внеклеточный сукцинат регулирует жизнеспособность кардиомиоцитов посредством активации GPR91; длительное воздействие сукцината приводит к патологической гипертрофии кардиомиоцитов . [31] Стимуляция GPR91 запускает по крайней мере два сигнальных пути в сердце: путь MEK1/2 и ERK1/2 , который активирует экспрессию гипертрофических генов, и путь фосфолипазы C , который изменяет характер поглощения и распределения Ca 2+ и запускает активацию гипертрофических генов, зависящую от CaM . [31]
SUCNR1 в высокой степени экспрессируется на незрелых дендритных клетках , где связывание сукцината стимулирует хемотаксис . [35] Кроме того, SUCNR1 взаимодействует с толл-подобными рецепторами, увеличивая выработку провоспалительных цитокинов, таких как ФНО-альфа и интерлейкин-1бета . [7] [35] Сукцинат может усиливать адаптивный иммунитет , вызывая активность антигенпрезентирующих клеток, которые, в свою очередь, активируют Т-клетки . [7]
SUCNR1 является одним из наиболее экспрессируемых рецепторов, связанных с G-белком, на тромбоцитах человека, присутствующих на уровнях, схожих с P2Y 12 , хотя роль сукцинатной сигнализации в агрегации тромбоцитов является предметом споров. Многочисленные исследования продемонстрировали агрегацию, вызванную сукцинатом, но эффект имеет высокую межиндивидуальную изменчивость. [29]
Сукцинат служит модулятором артериального давления, стимулируя высвобождение ренина в клетках плотного пятна и юкстагломерулярного аппарата через GPR91. [38] В настоящее время изучаются методы лечения, направленные на сукцинат для снижения сердечно-сосудистого риска и гипертонии. [29]
Накопление фумарата или сукцината снижает активность 2-оксоглутарат-зависимых диоксигеназ , включая гистоновые и ДНК- деметилазы , пролилгидроксилазы и коллагеновые пролил-4-гидроксилазы, посредством конкурентного ингибирования . [39] 2-оксоглутарат-зависимые диоксигеназы требуют кофактора железа для катализа гидроксилирования, десатурации и замыкания колец. [40] Одновременно с окислением субстрата они превращают 2-оксоглутарат , также известный как альфа-кетоглутарат, в сукцинат и CO2 . 2-оксоглутарат-зависимые диоксигеназы связывают субстраты последовательным , упорядоченным образом . [40] Во-первых, 2-оксоглутарат координируется с ионом Fe(II), связанным с консервативной триадой остатков 2-гистидинил–1-аспартил/глутамил, присутствующей в ферментативном центре. Затем первичный субстрат попадает в связывающий карман, и, наконец, молекулярный кислород связывается с комплексом фермент-субстрат. Затем окислительное декарбоксилирование генерирует промежуточный феррил, координированный с сукцинатом, который служит для окисления связанного первичного субстрата. [40] Сукцинат может мешать ферментативному процессу, сначала присоединяясь к центру Fe(II), запрещая связывание 2-оксоглутарата. Таким образом, посредством ферментативного ингибирования повышенная нагрузка сукцинатом может привести к изменениям в активности факторов транскрипции и изменениям в метилировании гистонов и ДНК по всему геному.
Сукцинат и фумарат ингибируют семейство TET (транслокация ten-eleven) 5-метилцитозина, модифицирующего ДНК, ферментов и гистонлизиндеметилазу (KDM), содержащую домен JmjC. [41] Патологически повышенные уровни сукцината приводят к гиперметилированию, эпигенетическому молчанию и изменениям в нейроэндокринной дифференцировке, что потенциально приводит к образованию рака. [41] [42]
Ингибирование сукцинатом пролилгидроксилаз (PHD) стабилизирует фактор транскрипции , индуцируемый гипоксией (HIF)1α . [6] [27] [43] PHD гидроксилируют пролин параллельно с окислительным декарбоксилированием 2-оксиглутарата до сукцината и CO2 . У людей три пролил-4-гидроксилазы HIF регулируют стабильность HIF. [43] Гидроксилирование двух пролиловых остатков в HIF1α облегчает лигирование убиквитина, тем самым маркируя его для протеолитического разрушения путем убиквитин/протеасома . Поскольку PHD имеют абсолютную потребность в молекулярном кислороде, этот процесс подавляется при гипоксии, позволяя HIF1α избежать разрушения. Высокие концентрации сукцината будут имитировать состояние гипоксии, подавляя PHD, [42] таким образом стабилизируя HIF1α и индуцируя транскрипцию генов, зависящих от HIF1, даже в условиях нормального содержания кислорода. Известно, что HIF1 индуцирует транскрипцию более 60 генов, включая гены, участвующие в васкуляризации и ангиогенезе , энергетическом метаболизме , выживании клеток и инвазии опухолей. [6] [43]
Метаболическая сигнализация с участием сукцината может быть вовлечена в воспаление посредством стабилизации сигнализации HIF1-альфа или GPR91 в клетках врожденного иммунитета. Было показано, что посредством этих механизмов накопление сукцината регулирует выработку воспалительных цитокинов . [7] Для дендритных клеток сукцинат функционирует как хемоаттрактант и увеличивает их антигенпрезентирующую функцию посредством рецептор-стимулированной выработки цитокинов. [35] В воспалительных макрофагах стабильность HIF1, вызванная сукцинатом, приводит к повышению транскрипции генов, зависящих от HIF1, включая провоспалительный цитокин интерлейкин-1β . [44] Другие воспалительные цитокины, продуцируемые активированными макрофагами, такие как фактор некроза опухоли или интерлейкин 6, не подвергаются непосредственному влиянию сукцината и HIF1. [7] Механизм, посредством которого сукцинат накапливается в иммунных клетках, до конца не изучен. [7] Активация воспалительных макрофагов через толл-подобные рецепторы вызывает метаболический сдвиг в сторону гликолиза. [45] Несмотря на общую понижающую регуляцию цикла TCA в этих условиях, концентрация сукцината увеличивается. Однако липополисахариды, участвующие в активации макрофагов, увеличивают транспортеры глутамина и ГАМК . [7] Таким образом, сукцинат может быть получен из усиленного метаболизма глутамина через альфа-кетоглутарат или шунт ГАМК. [ необходима цитата ]
Сукцинат является одним из трех онкометаболитов, метаболических промежуточных продуктов, накопление которых вызывает метаболическую и неметаболическую дисрегуляцию, вовлеченную в онкогенез . [42] [46] Мутации потери функции в генах, кодирующих сукцинатдегидрогеназу , часто встречающиеся при наследственной параганглиоме и феохромоцитоме , вызывают патологическое увеличение сукцината. [32] Мутации SDH также были выявлены в желудочно-кишечных стромальных опухолях , почечных опухолях , опухолях щитовидной железы , семиномах яичек и нейробластомах . [42] Считается, что онкогенный механизм, вызванный мутировавшим SHD, связан со способностью сукцината ингибировать 2-оксоглутарат-зависимые диоксигеназы . Ингибирование KDM и TET-гидроксилаз приводит к эпигенетической дисрегуляции и гиперметилированию, влияющему на гены, участвующие в дифференцировке клеток . [41] Кроме того, активация HIF-1α, вызванная сукцинатом, создает псевдогипоксическое состояние, которое может способствовать возникновению опухолей путем транскрипционной активации генов, участвующих в пролиферации, метаболизме и ангиогенезе. [47] Два других онкометаболита, фумарат и 2-гидроксиглутарат, имеют структуры, сходные с сукцинатом, и функционируют через параллельные онкогенные механизмы, индуцирующие HIF. [46]
Накопление сукцината в условиях гипоксии было связано с реперфузионным повреждением за счет увеличения продукции ROS. [8] [30] Во время ишемии сукцинат накапливается. При реперфузии сукцинат быстро окисляется, что приводит к резкому и обширному производству ROS. [8] Затем ROS запускают клеточный апоптотический механизм или вызывают окислительное повреждение белков, мембран, органелл и т. д. В моделях животных фармакологическое ингибирование ишемического накопления сукцината улучшало ишемически-реперфузионное повреждение. [30] По состоянию на 2016 год ингибирование продукции ROS, опосредованной сукцинатом, изучалось в качестве терапевтической лекарственной мишени . [30]
{{cite web}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )