Янтарная кислота ( / sə k ˈ s ɪ n ɪ k / ) представляет собой дикарбоновую кислоту с химической формулой (CH 2 ) 2 ( CO 2 H) 2 . [5] В живых организмах янтарная кислота принимает форму аниона , сукцината , который выполняет множество биологических функций в качестве промежуточного метаболического продукта, превращаясь в фумарат ферментом сукцинатдегидрогеназой в комплексе 2 цепи переноса электронов , который участвует в производстве АТФ. и как сигнальная молекула, отражающая метаболическое состояние клетки. [6]
Сукцинат образуется в митохондриях посредством цикла трикарбоновых кислот (ТСА) . Сукцинат может выходить из митохондриального матрикса и функционировать в цитоплазме, а также во внеклеточном пространстве, изменяя характер экспрессии генов, модулируя эпигенетический ландшафт или демонстрируя гормоноподобную передачу сигналов. [6] Таким образом, сукцинат связывает клеточный метаболизм , особенно образование АТФ, с регуляцией клеточных функций.
Нарушение регуляции синтеза сукцината и, следовательно, синтеза АТФ происходит при некоторых генетических митохондриальных заболеваниях, таких как синдром Ли 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 Е363 . Название происходит от латинского succinum , что означает янтарь .
Янтарная кислота представляет собой белое твердое вещество без запаха и сильно кислого вкуса. [5] В водном растворе янтарная кислота легко ионизируется с образованием сопряженного основания, сукцината ( / ˈ s ʌ k s ɪ n eɪ t / ). Янтарная кислота , как дипротонная кислота, подвергается двум последовательным реакциям депротонирования:
PK a этих процессов составляют 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 содержится преимущественно 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, она не вредна, но может вызывать раздражение кожи и глаз. [5]
Исторически янтарную кислоту получали из янтаря путем перегонки, поэтому она была известна как янтарный спирт. Общие промышленные пути включают гидрирование малеиновой кислоты , окисление 1,4-бутандиола и карбонилирование этиленгликоля . Сукцинат также получают из бутана через малеиновый ангидрид . [10] Мировое производство оценивается в 16 000–30 000 тонн в год с ежегодным темпом роста 10%. [11]
Предложены для промышленного производства путем ферментации глюкозы генно-инженерные Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae . [12] [13]
Янтарная кислота может быть дегидрирована до фумаровой кислоты или превращена в диэфиры, такие как диэтилсукцинат (CH 2 CO 2 CH 2 CH 3 ) 2 . Этот диэтиловый эфир является субстратом конденсации Штоббе . Дегидратация янтарной кислоты дает янтарный ангидрид . [14] Сукцинат можно использовать для получения 1,4-бутандиола, малеинового ангидрида, сукцинимида, 2-пирролидинона и тетрагидрофурана . [12]
В 2004 году сукцинат был включен Министерством энергетики США в список 12 лучших химических веществ, получаемых из биомассы. [15]
Янтарная кислота является предшественником некоторых полиэфиров и компонентом некоторых алкидных смол . [10] 1,4-Бутандиол (БДО) можно синтезировать, используя янтарную кислоту в качестве предшественника. [16] Автомобильная и электронная промышленность в значительной степени полагаются на BDO при производстве разъемов, изоляторов, колесных колпаков, ручек переключения передач и усиливающих балок. [17] Янтарная кислота также служит основой некоторых биоразлагаемых полимеров, которые представляют интерес для применения в тканевой инженерии. [18]
Ацилирование янтарной кислотой называется сукцинированием . Избыточная сукцинация возникает, когда к субстрату добавляется более одного сукцината. [ нужна цитата ]
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признает янтарную кислоту безопасной в качестве пищевой и пищевой добавки . [19] Янтарная кислота используется в основном в качестве регулятора кислотности [20] в пищевой промышленности и производстве напитков. Он также доступен в качестве ароматизатора, придающего вкус умами несколько кислый и вяжущий компонент. [12] В качестве вспомогательного вещества в фармацевтических продуктах он также используется для контроля кислотности [21] или в качестве противоиона. [12] Препараты, содержащие сукцинат, включают сукцинат метопролола , сукцинат суматриптана , сукцинат доксиламина или сукцинат солифенацина . [ нужна цитата ]
Сукцинат является ключевым промежуточным продуктом в цикле трикарбоновых кислот , первичном метаболическом пути, используемом для производства химической энергии в присутствии O 2 . Сукцинат образуется из сукцинил-КоА ферментом сукцинил-КоА-синтетазой на стадии производства ГТФ / АТФ : [22] : Раздел 17.1.
Сукцинил-КоА + НДП + Пи → Сукцинат + КоА + НТФ
Под действием фермента сукцинатдегидрогеназы (СДГ) сукцинат впоследствии окисляется до фумарата : [22] : 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 мембраносвязанный липопротеин, состоящий из 4 субъединиц, который сочетает 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. [23]
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Альтернативно сукцинат может образовываться путем обратной активности СДГ. В анаэробных условиях некоторые бактерии, такие как A. succinogenes , A. succiniciproducens и M. succiniciproducens , запускают цикл ТСА в обратном направлении и превращают глюкозу в сукцинат через промежуточные соединения оксалоацетат , малат и фумарат . [24] Этот путь используется в метаболической инженерии для получения сукцината для использования человеком. [24] Кроме того, янтарная кислота, образующаяся во время ферментации сахара, придает сброженным спиртам сочетание солености, горечи и кислотности. [25]
Накопление фумарата может стимулировать обратную активность СДГ, тем самым усиливая выработку сукцината. В патологических и физиологических условиях малат-аспартатный челнок или пуриновый нуклеотидный челнок могут увеличивать содержание митохондриального фумарата, который затем легко превращается в сукцинат. [26]
Сукцинат также является продуктом глиоксилатного цикла , который превращает две двухуглеродные ацетильные единицы в четырехуглеродный сукцинат. Глиоксилатный цикл используется многими бактериями, растениями и грибами и позволяет этим организмам существовать за счет соединений, образующих ацетат или ацетил-КоА. Этот путь позволяет избежать стадий декарбоксилирования цикла ТСА с помощью фермента изоцитратлиазы , который расщепляет изоцитрат на сукцинат и глиоксилат . Полученный сукцинат затем доступен либо для производства энергии, либо для биосинтеза. [22] : Раздел 17.4.
Сукцинат является точкой входа гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) в цикл ТСА, замкнутый цикл, в котором синтезируется и перерабатывается ГАМК. [27] Шунт ГАМК служит альтернативным путем преобразования альфа-кетоглутарата в сукцинат, минуя промежуточный продукт цикла ТСА сукцинил-КоА и вместо этого производя промежуточный продукт ГАМК. Трансаминирование и последующее декарбоксилирование альфа-кетоглутарата приводит к образованию ГАМК. ГАМК затем метаболизируется ГАМК-трансаминазой до янтарного полуальдегида . Наконец, янтарный полуальдегид окисляется янтарной полуальдегиддегидрогеназой (SSADH) с образованием сукцината, повторно вступая в цикл ТСА и замыкая петлю. Ферменты, необходимые для ГАМК-шунта, экспрессируются в нейронах, глиальных клетках, макрофагах и клетках поджелудочной железы. [27]
Сукцинат вырабатывается и концентрируется в митохондриях , и его основная биологическая функция — промежуточный продукт метаболизма . [6] [22] : Раздел 17.1. Все метаболические пути, связанные с циклом ТЦА, включая метаболизм углеводов, аминокислот, жирных кислот, холестерина и гема, основаны на временном образовании сукцината. [6] Промежуточное соединение становится доступным для процессов биосинтеза по нескольким путям, включая восстановительную ветвь цикла ТСА или глиоксилатного цикла, которые способны стимулировать чистое производство сукцината. [24] [27] У грызунов концентрация митохондрий составляет примерно ~ 0,5 мкМ [6] , тогда как концентрация в плазме составляет всего 2–20 мкМ. [28]
Активность сукцинатдегидрогеназы (SDH), которая превращает сукцинат в фумарат, участвует в производстве митохондриальными активных форм кислорода (АФК), направляя поток электронов в цепи переноса электронов. [6] [23] В условиях накопления сукцината быстрое окисление сукцината с помощью СДГ может стимулировать обратный транспорт электронов (RET). [29] Если митохондриальный дыхательный комплекс III не способен аккомодировать избыточные электроны, поставляемые в результате окисления сукцината, он заставляет электроны течь назад по цепи переноса электронов. RET в митохондриальном дыхательном комплексе 1 , обычно предшествующем SDH в цепи переноса электронов, приводит к выработке АФК и создает прооксидантное микроокружение. [29]
Помимо своей метаболической роли, сукцинат служит внутриклеточной и внеклеточной сигнальной молекулой. [6] [26] Экстрамитохондриальный сукцинат изменяет эпигенетический ландшафт, ингибируя семейство 2-оксоглутерат-зависимых диоксигеназ . [26] Альтернативно, сукцинат может высвобождаться во внеклеточную среду и кровоток, где он распознается целевыми рецепторами. [30] В целом, утечка из митохондрий требует перепроизводства или недостаточного потребления сукцината и происходит из-за снижения, обратного или полного отсутствия активности СДГ или альтернативных изменений метаболического состояния. Мутации СДГ, гипоксия или энергетический дисбаланс связаны с изменением потока в цикле ТСА и накоплением сукцината. [6] [26] [31] После выхода из митохондрий сукцинат служит сигналом о метаболическом состоянии, сообщая соседним клеткам, насколько метаболически активна исходная клеточная популяция. [26] Таким образом, сукцинат связывает дисфункцию цикла ТСА или метаболические изменения с межклеточной связью и с реакциями, связанными с окислительным стрессом.
Для перемещения сукцината через митохондриальную и плазматическую мембрану необходимы специальные транспортеры. Сукцинат покидает митохондриальный матрикс и проходит через внутреннюю митохондриальную мембрану через переносчики дикарбоксилата , в первую очередь SLC25A10, переносчик сукцинат-фумарат/малат. [30] На втором этапе митохондриального экспорта сукцинат легко проникает через внешнюю митохондриальную мембрану через порины , неспецифические белковые каналы, которые облегчают диффузию молекул размером менее 1,5 кДа. [30] Транспорт через плазматическую мембрану, вероятно, тканеспецифичен. Ключевым кандидатом-переносчиком является INDY (я еще не умер), натрий-независимый анионообменник, который перемещает как дикарбоксилат, так и цитрат в кровоток. [30]
Внеклеточный сукцинат может действовать как сигнальная молекула с гормоноподобной функцией, воздействуя на различные ткани, такие как клетки крови, жировая ткань, иммунные клетки, печень, сердце, сетчатка и, прежде всего, почки. [30] Рецептор , связанный с G-белком , GPR91, также известный как SUCNR1 , служит детектором внеклеточного сукцината. [32] Arg 99 , His 103 , Arg 252 и Arg 281 вблизи центра рецептора создают положительно заряженный сайт связывания сукцината. [32] Лигандная специфичность GPR91 была тщательно протестирована с использованием 800 фармакологически активных соединений и 200 соединений, подобных карбоновой кислоте и сукцинату, все из которых продемонстрировали значительно более низкую аффинность связывания. [32] В целом EC 50 для сукцината-GPR91 находится в диапазоне 20–50 мкМ. [30] В зависимости от типа клеток, GPR91 может взаимодействовать с несколькими G-белками, включая G s , G i и G q , и обеспечивать множество результатов передачи сигналов. [30]
В адипоцитах активированный сукцинатом сигнальный каскад GPR91 ингибирует липолиз . [30]
Передача сигналов сукцината часто возникает в ответ на гипоксические состояния. В печени сукцинат служит паракринным сигналом , высвобождаемым аноксическими гепатоцитами , и воздействует на звездчатые клетки через GPR91. [30] 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 передача сигналов сукцината способствует неоваскуляризации сетчатки , вызывая активацию ангиогенных факторов, таких как фактор роста эндотелия (VEGF). [30] [32]
Внеклеточный сукцинат регулирует жизнеспособность кардиомиоцитов посредством активации GPR91; длительное воздействие сукцината приводит к патологической гипертрофии кардиомиоцитов . [30] Стимуляция GPR91 запускает по крайней мере два сигнальных пути в сердце: путь MEK1/2 и ERK1/2 , который активирует гипертрофическую экспрессию генов, и путь фосфолипазы C , который изменяет характер поглощения и распределения Ca 2+ и запускает CaM - зависимая гипертрофическая активация генов. [30]
SUCNR1 высоко экспрессируется на незрелых дендритных клетках , где связывание сукцината стимулирует хемотаксис . [32] Кроме того, SUCNR1 взаимодействует с toll-подобными рецепторами , увеличивая выработку провоспалительных цитокинов , таких как TNF-альфа и интерлейкин-1бета . [7] [32] Сукцинат может усиливать адаптивный иммунитет , запуская 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, аналогичных P2Y 12 , хотя роль передачи сигналов сукцината в агрегации тромбоцитов обсуждается. Многочисленные исследования продемонстрировали агрегацию, вызванную сукцинатом, но этот эффект имеет высокую индивидуальную вариабельность. [28]
Сукцинат служит модулятором артериального давления, стимулируя высвобождение ренина в клетках плотного пятна и юкстагломерулярного аппарата посредством GPR91. [33] В настоящее время исследуются методы лечения сукцинатом, направленные на снижение сердечно-сосудистого риска и гипертонии. [28]
Накопление фумарата или сукцината снижает активность 2-оксоглутарат-зависимых диоксигеназ , включая деметилазы гистонов и ДНК , пролилгидроксилазы и коллаген-пролил-4-гидроксилазы, посредством конкурентного ингибирования . [34] 2-оксоглутарат-зависимым диоксигеназам требуется кофактор железа для катализа гидроксилирования, десатурации и замыкания кольца. [35] Одновременно с окислением субстрата они преобразуют 2-оксоглутарат , также известный как альфа-кетоглутарат, в сукцинат и CO 2 . 2-оксоглутарат-зависимые диоксигеназы связывают субстраты последовательным упорядоченным образом . [35] Во-первых, 2-оксоглутарат координируется с ионом Fe(II), связанным с консервативной триадой остатков 2-гистидинил-1-аспартил/глутамил, присутствующей в ферментативном центре. Впоследствии первичный субстрат попадает в карман связывания, и, наконец, дикислород связывается с фермент-субстратным комплексом. Затем в результате окислительного декарбоксилирования образуется промежуточный феррил, координированный с сукцинатом, который служит для окисления связанного первичного субстрата. [35] Сукцинат может вмешиваться в ферментативный процесс, сначала прикрепляясь к центру Fe (II), запрещая связывание 2-оксоглутарата. Таким образом, посредством ферментативного ингибирования увеличение сукцинатной нагрузки может привести к изменениям активности транскрипционных факторов и общегеномным изменениям метилирования гистонов и ДНК.
Сукцинат и фумарат ингибируют семейство TET (транслокация десять-одиннадцать) ферментов, модифицирующих ДНК 5-метилцитозина , и гистон-лизиндеметилазу, содержащую домен JmjC (KDM). [36] Патологически повышенные уровни сукцината приводят к гиперметилированию, эпигенетическому молчанию и изменениям в нейроэндокринной дифференцировке, что потенциально приводит к образованию рака. [36] [37]
Ингибирование сукцинатом пролилгидроксилаз (PHD) стабилизирует фактор транскрипции , индуцируемый гипоксией (HIF)1α . [6] [26] [38] PHD гидроксилируют пролин параллельно с окислительным декарбоксилированием 2-оксиглутарата до сукцината и CO 2 . У человека три пролил-4-гидроксилазы HIF регулируют стабильность HIF. [38] Гидроксилирование двух пролильных остатков в HIF1α облегчает лигирование убиквитина, тем самым маркируя его для протеолитического разрушения по пути убиквитин/протеасома . Поскольку PHD имеют абсолютную потребность в молекулярном кислороде, этот процесс подавляется при гипоксии, что позволяет HIF1α избежать разрушения. Высокие концентрации сукцината будут имитировать состояние гипоксии, подавляя PHD, [37] тем самым стабилизируя HIF1α и индуцируя транскрипцию HIF1-зависимых генов даже в нормальных условиях кислорода. Известно, что HIF1 индуцирует транскрипцию более 60 генов, включая гены, участвующие в васкуляризации и ангиогенезе , энергетическом метаболизме , выживании клеток и инвазии опухолей. [6] [38]
Метаболическая передача сигналов с участием сукцината может участвовать в воспалении посредством стабилизации передачи сигналов 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 действует как хемоаттрактант и увеличивает их антигенпрезентирующую функцию посредством рецептор-стимулируемой продукции цитокинов. [32] В воспалительных макрофагах индуцированная сукцинатом стабильность HIF1 приводит к усилению транскрипции HIF1-зависимых генов, включая провоспалительный цитокин интерлейкин-1β . [39] Другие воспалительные цитокины, продуцируемые активированными макрофагами, такие как фактор некроза опухоли или интерлейкин 6, не подвергаются непосредственному воздействию сукцината и HIF1. [7] Механизм накопления сукцината в иммунных клетках до конца не изучен. [7] Активация воспалительных макрофагов через toll-подобные рецепторы вызывает метаболический сдвиг в сторону гликолиза. [40] Несмотря на общее подавление цикла ТСА в этих условиях, концентрация сукцината увеличивается. Однако липополисахариды , участвующие в активации макрофагов, увеличивают транспортеры глутамина и ГАМК . [7] Таким образом, сукцинат может быть получен в результате усиленного метаболизма глютамина с помощью альфа-кетоглутарата или ГАМК-шунта. [ нужна цитата ]
Сукцинат является одним из трех онкометаболитов, промежуточных продуктов метаболизма, накопление которых вызывает метаболические и неметаболические нарушения регуляции, участвующие в онкогенезе . [37] [41] Мутации потери функции в генах, кодирующих сукцинатдегидрогеназу , часто обнаруживаемые при наследственной параганглиоме и феохромоцитоме , вызывают патологическое повышение уровня сукцината. [31] Мутации SDH также были выявлены в стромальных опухолях желудочно-кишечного тракта , опухолях почек , опухолях щитовидной железы , семиномах яичек и нейробластомах . [37] Считается, что онкогенный механизм, вызванный мутировавшим SHD, связан со способностью сукцината ингибировать 2-оксоглутерат-зависимые диоксигеназы . Ингибирование гидроксилаз KDM и TET приводит к эпигенетической дисрегуляции и гиперметилированию, затрагивающим гены, участвующие в дифференцировке клеток . [36] Кроме того, активация HIF-1α, стимулируемая сукцинатом, генерирует псевдогипоксическое состояние, которое может способствовать опухолеобразованию за счет активации транскрипции генов, участвующих в пролиферации, метаболизме и ангиогенезе. [42] Два других онкометаболита, фумарат и 2-гидроксиглутарат, имеют структуру, аналогичную сукцинату, и действуют посредством параллельных онкогенных механизмов, индуцирующих HIF. [41]
Накопление сукцината в условиях гипоксии связано с реперфузионным повреждением за счет увеличения продукции АФК. [8] [29] Во время ишемии накапливается сукцинат. При реперфузии сукцинат быстро окисляется, что приводит к резкому и интенсивному производству АФК. [8] АФК затем запускают клеточный механизм апоптоза или вызывают окислительное повреждение белков, мембран, органелл и т. д. На животных моделях фармакологическое ингибирование ишемического накопления сукцината улучшало ишемию-реперфузионное повреждение. [29] По состоянию на 2016 год ингибирование опосредованной сукцинатом выработки АФК изучалось в качестве терапевтической мишени препарата . [29]
{{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )