stringtranslate.com

Сукцинатдегидрогеназа

Сукцинатдегидрогеназа ( SDH ) или сукцинат-кофермент Q-редуктаза ( SQR ) или дыхательный комплекс II — это ферментный комплекс, обнаруженный во многих бактериальных клетках и во внутренней митохондриальной мембране эукариот . Это единственный фермент, который участвует как в цикле лимонной кислоты, так и в окислительном фосфорилировании . [1] Гистохимический анализ , показывающий высокий уровень сукцинатдегидрогеназы в мышцах, демонстрирует высокое содержание митохондрий и высокий окислительный потенциал. [2]

На этапе 6 цикла лимонной кислоты SQR катализирует окисление сукцината до фумарата с восстановлением убихинона до убихинола . Это происходит во внутренней митохондриальной мембране путем объединения двух реакций.

Структура

Рисунок 5: Субъединицы сукцинатдегидрогеназы

Субъединицы

Митохондриальные и многие бактериальные SQR состоят из четырех структурно различных субъединиц : двух гидрофильных и двух гидрофобных . Первые две субъединицы, флавопротеин (SDHA) и железо-серный белок (SDHB), образуют гидрофильную головку, где происходит ферментативная активность комплекса. SDHA содержит ковалентно связанный кофактор флавинадениндинуклеотида (FAD) и сайт связывания сукцината , а SDHB содержит три железо-серных кластера: [2Fe-2S], [4Fe-4S] и [3Fe-4S]. Вторые две субъединицы являются гидрофобными субъединицами мембранного якоря, SDHC и SDHD. Человеческие митохондрии содержат две различные изоформы SDHA (субъединицы Fp типа I и типа II), эти изоформы также встречаются у Ascaris suum и Caenorhabditis elegans . [3] Субъединицы образуют связанный с мембраной комплекс цитохрома b с шестью трансмембранными спиралями , содержащими одну группу гема b и сайт связывания убихинона . Две молекулы фосфолипида , одна кардиолипиновая и одна фосфатидилэтаноламиновая , также обнаружены в субъединицах SDHC и SDHD (не показаны на изображении). Они служат для занятия гидрофобного пространства под гемом b. Эти субъединицы показаны на приложенном изображении. SDHA имеет зеленый цвет, SDHB имеет цвет сине-зеленой зелени, SDHC имеет цвет фуксии, а SDHD имеет желтый цвет. Вокруг SDHC и SDHD находится фосфолипидная мембрана с межмембранным пространством в верхней части изображения. [4]

Таблица субъединичного состава[5]

Участок связывания убихинона

На SDH млекопитающих можно распознать два отличительных сайта связывания убихинона – матрикс-проксимальный Q P и матрикс-дистальный Q D . Сайт связывания убихинона Qp, который показывает более высокое сродство к убихинону, расположен в зазоре, состоящем из SDHB, SDHC и SDHD. Убихинон стабилизирован боковыми цепями His207 субъединицы B, Ser27 и Arg31 субъединицы C и Tyr83 субъединицы D. Хинонное кольцо окружено Ile28 субъединицы C и Pro160 субъединицы B. Эти остатки вместе с Il209, Trp163 и Trp164 субъединицы B и Ser27 (атом C) субъединицы C образуют гидрофобную среду кармана связывания хинона Qp. [6] Напротив, участок связывания убихинона QD , который находится ближе к межмембранному пространству, состоит только из SDHD и имеет более низкое сродство к убихинону. [7]

Сайт связывания сукцината

SDHA обеспечивает сайт связывания для окисления сукцината . Боковые цепи Thr254, His354 и Arg399 субъединицы A стабилизируют молекулу , в то время как FAD окисляется и переносит электроны к первому из железо-серных кластеров , [2Fe-2S]. [8] Это можно увидеть на изображении 5.

Окислительно-восстановительные центры

Связывающий участок сукцината и связывающий участок убихинона соединены цепочкой окислительно-восстановительных центров, включающей FAD и кластеры железа и серы . Эта цепочка простирается более чем на 40 Å через мономер фермента . Все расстояния от края до края между центрами меньше предполагаемого предела в 14 Å для физиологического переноса электронов . [4] Этот перенос электронов показан на рисунке 8.

Сборка и созревание

Все субъединицы митохондриальной SDH человека кодируются в ядре. После трансляции субъединица SDHA транслоцируется как апопротеин в митохондриальный матрикс. Впоследствии одним из первых шагов является ковалентное присоединение кофактора FAD ( ковалентное флавинилирование). Этот процесс усиливается фактором сборки сукцинатдегидрогеназы 2 ( SDHAF2 ; [9] также называемым SDH5 у дрожжей и SDHE у бактерий) и некоторыми промежуточными продуктами цикла Кребса. Фумарат сильнее всего стимулирует ковалентное флавинилирование SDHA. [10] Благодаря исследованиям бактериальной системы было показано, что механизм присоединения FAD включает промежуточный хинон:метид. [11] В митохондриальной, но не бактериальной, сборке SDHA взаимодействует со вторым фактором сборки, называемым фактором сборки сукцинатдегидрогеназы 4 (SDHAF4; называемым SDH8 у дрожжей), прежде чем он будет вставлен в конечный комплекс. [7]

Простетические группы Fe-S субъединицы SDHB предварительно формируются в митохондриальной матрице белковым комплексом ISU. Также считается, что комплекс способен вставлять кластеры железа и серы в SDHB во время его созревания. Исследования показывают, что вставка кластера Fe-S предшествует образованию димера SDHA-SDHB. Такое включение требует восстановления остатков цистеина в активном центре SDHB. Как восстановленные остатки цистеина, так и уже включенные кластеры Fe-S весьма восприимчивы к повреждению ROS . Еще два фактора сборки SDH, SDHAF1 (SDH6) и SDHAF3 (SDH7 в дрожжах), по-видимому, участвуют в созревании SDHB, защищая субъединицу или димер SDHA-SDHB от повреждения кластера Fe-S, вызванного ROS. [7]

Сборка гидрофобного якоря, состоящего из субъединиц SDHC и SDHD, остается неясной. Особенно в случае вставки гема b и даже его функции. Простетическая группа гема b, по-видимому, не является частью пути переноса электронов в комплексе II. [5] Кофактор скорее поддерживает стабильность якоря.

Механизм

Рисунок 6: Механизм окисления сукцината E2.
Рисунок 7: Механизм окисления сукцината E1cb.

Окисление сукцината

Многое известно о механизме окисления сукцината , который включает перенос протона и гидрида. Сочетание мутагенеза и структурного анализа идентифицирует Arg-286 субъединицы SDHA ( нумерация E. coli ) как протонный челнок. Кристаллические структуры ферментов из нескольких организмов показывают, что это хорошо подготовлено для этапа переноса протона. После этого существует два возможных механизма элиминации: E2 или E1cb. При элиминации E2 механизм согласован. Основной остаток или кофактор депротонирует альфа-углерод , а FAD принимает гидрид из бета-углерода , окисляя связанный сукцинат до фумарата — см. изображение 6. В E1cb образуется енолятный промежуточный продукт, показанный на изображении 7, прежде чем FAD принимает гидрид . Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, какой механизм элиминации сукцинат проходит в сукцинатдегидрогеназе. Окисленный фумарат , теперь слабо связанный с активным центром , может свободно выходить из белка .

Туннелирование электронов

После того, как электроны получены из окисления сукцината через FAD , они туннелируют вдоль реле [Fe-S], пока не достигнут кластера [3Fe-4S]. Эти электроны затем переносятся в ожидающую молекулу убихинона в активном центре . Система туннелирования электронов железо - сера показана на рисунке 9.

Снижение уровня убихинона

Рисунок 8: Механизм восстановления убихинона.
Рисунок 9: Электронные переносчики комплекса SQR. FADH 2 , железо-серные центры, гем b и убихинон.

Карбонильный кислород O1 убихинона ориентирован в активном центре (изображение 4) посредством водородных связей с Tyr83 субъединицы D. Наличие электронов в железо-серном кластере [3Fe-4S] вызывает перемещение убихинона во вторую ориентацию. Это облегчает второе водородное взаимодействие между карбонильной группой O4 убихинона и Ser27 субъединицы C. После первого этапа восстановления одного электрона образуется радикальная разновидность семихинона . Второй электрон поступает из кластера [3Fe-4S], обеспечивая полное восстановление убихинона до убихинола . Этот механизм восстановления убихинона показан на изображении 8.

Простетическая группа гема

Хотя функциональность гема в сукцинатдегидрогеназе все еще изучается, некоторые исследования [ кем? ] утверждают, что первый электрон, доставленный к убихинону через [3Fe-4S], может туннелировать туда и обратно между гемом и промежуточным продуктом убихинона . Таким образом, кофактор гема действует как поглотитель электронов . Его роль заключается в предотвращении взаимодействия промежуточного продукта с молекулярным кислородом с образованием активных форм кислорода (ROS). Группа гема , относительно убихинона , показана на рисунке 4.

Также было высказано предположение, что может существовать механизм пропускания, предотвращающий туннелирование электронов непосредственно в гем из кластера [3Fe-4S]. Потенциальным кандидатом является остаток His207, который находится непосредственно между кластером и гемом . His207 субъединицы B находится в непосредственной близости от кластера [3Fe-4S], связанного убихинона и гемом ; и может модулировать поток электронов между этими окислительно-восстановительными центрами. [12]

Передача протона

Для полного восстановления хинона в SQR необходимы два электрона и два протона . Утверждалось, что молекула воды (HOH39) поступает в активный центр и координируется His207 субъединицы B, Arg31 субъединицы C и Asp82 субъединицы D. Вид семихинона протонируется протонами, поставляемыми из HOH39, завершая восстановление убихинона до убихинола . His207 и Asp82, скорее всего, облегчают этот процесс. Другие исследования утверждают, что Tyr83 субъединицы D координируется с близлежащим гистидином , а также с карбонильным кислородом O1 убихинона . Остаток гистидина снижает pKa тирозина , делая его более подходящим для передачи своего протона восстановленному промежуточному продукту убихинона .

Ингибиторы

Существует два различных класса ингибиторов (SDHI) комплекса II: те, которые связываются в сукцинатном кармане, и те, которые связываются в убихиноновом кармане. Ингибиторы типа убихинона включают карбоксин и теноилтрифторацетон . Ингибиторы сукцинатных аналогов включают синтетическое соединение малонат , а также промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот, малат и оксалоацетат . Действительно, оксалоацетат является одним из самых мощных ингибиторов комплекса II. Почему распространенный промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот будет ингибировать комплекс II, не совсем понятно, хотя он может играть защитную роль в минимизации опосредованного обратным переносом электронов производства супероксида комплексом I. [13] Апенин 5a является высокоэффективным ингибитором комплекса II, имитирующим связывание убихинона.

Ингибиторы типа убихинона использовались в качестве фунгицидов в сельском хозяйстве с 1960-х годов. Карбоксин в основном использовался для борьбы с болезнями, вызываемыми базидиомицетами, такими как стеблевая ржавчина и заболевания Rhizoctonia . В 1980-х годах было обнаружено, что простые бензанилиды обладают сравнимой с карбоксином активностью, и ряд из них поступили в продажу, включая беноданил , флутоланил и мепронил . [14] Совсем недавно были разработаны другие соединения с более широким спектром действия против ряда фитопатогенов, включая боскалид , флуопирам , флуксапироксад , пидифлуметофен и седаксан . [15] [14] Некоторые важные для сельского хозяйства грибы нечувствительны к представителям нового поколения ингибиторов типа убихинона. [16]

FRAC имеет рабочую группу [17] по SDHI и рекомендует методы управления резистентностью . [18]

Роль в заболевании

Фундаментальная роль сукцинат-кофермента Q-редуктазы как в окислительном фосфорилировании , так и в цикле лимонной кислоты делает ее жизненно важной для всех эукариотических организмов. Потеря функции SDH из-за мутаций или токсинов может вызвать широкий спектр заболеваний.

Когда SDH дисфункционален в цикле лимонной кислоты, это может привести к накоплению онкометаболита сукцината, что может привести к опухолеобразованию. Хорошо известно, что это происходит в хромаффинных клетках , вызывая нейроэндокринные опухоли, такие как параганглиома , почечная карцинома и гастроинтестинальная стромальная опухоль (GIST). [19] Данные о пенетрантности мутаций SDH, вызывающих опухолеобразование, отсутствуют, и международные руководящие принципы предполагают тщательный скрининг любых носителей. [20] Пенетрантность параганглиомы при мутациях потери функции SDH неполна и варьируется в зависимости от субъединицы. Мутации SDHB имеют пенетрантность от 8% до 37%, мутации SDHD имеют пенетрантность от 38% до 64% ​​с некоторыми эффектами материнского импринтинга, а пенетрантность как для мутаций SDHA, так и для мутаций SDHC плохо изучена, но, вероятно, составляет от 1% до 30%. [21] [22] У млекопитающих SDH функционирует не только в генерации энергии, но и играет роль в чувствительности к кислороду . Накопление сукцината из-за дефектного SDH может вызвать псевдогипоксию и ангиогенез, оба из которых способствуют отчетливо васкулярному и характерному виду параганглиомы «соль и перец» на снимках. [23]

Биаллельные мутации потери функции SDHA, SDHB, SDHD и SDHAF1 или моноаллельные мутации потери функции SDHA могут вызвать дефицит митохондриального комплекса II . Это нарушение окислительного фосфорилирования может привести к синдрому Лея , митохондриальной энцефалопатии , атрофии зрительного нерва , миопатии и спектру заболеваний. Эти проявления могут варьироваться от смерти в течение первого года жизни или внутриутробно до легких симптомов, начинающихся во взрослом возрасте. [24]

Сниженные уровни СДГ наблюдаются посмертно в мозге пациентов с болезнью Гентингтона , а дефекты энергетического метаболизма были выявлены как у пациентов с предсимптомной, так и у пациентов с симптоматической болезнью Гентингтона. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Oyedotun KS, Lemire BD (март 2004 г.). «Четвертичная структура сукцинатдегидрогеназы Saccharomyces cerevisiae. Моделирование гомологии, стыковка кофакторов и исследования симуляции молекулярной динамики». Журнал биологической химии . 279 (10): 9424–9431. doi : 10.1074/jbc.M311876200 . PMID  14672929.
  2. ^ вебмастер (2009-03-04). "Использование гистохимии для определения свойств мышц". Сукцинатдегидрогеназа: определение окислительного потенциала . Калифорнийский университет, Сан-Диего . Архивировано из оригинала 2018-10-10 . Получено 2017-12-27 .
  3. ^ Tomitsuka E, Hirawake H, Goto Y, Taniwaki M, Harada S, Kita K (август 2003 г.). «Прямые доказательства существования двух различных форм субъединицы флавопротеина митохондриального комплекса II человека (сукцинат-убихинонредуктаза)». Журнал биохимии . 134 (2): 191–195. doi :10.1093/jb/mvg144. PMID  12966066.
  4. ^ ab Yankovskaya V, Horsefield R, Törnroth S, Luna-Chavez C, Miyoshi H, Léger C, et al. (январь 2003 г.). «Архитектура сукцинатдегидрогеназы и генерация активных форм кислорода». Science . 299 (5607): 700–704. Bibcode :2003Sci...299..700Y. doi :10.1126/science.1079605. PMID  12560550. S2CID  29222766.
  5. ^ ab Sun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D и др. (июль 2005 г.). «Кристаллическая структура комплекса белков митохондриальной респираторной мембраны II». Cell . 121 (7): 1043–1057. doi : 10.1016/j.cell.2005.05.025 . PMID  15989954.
  6. ^ Horsefield R, Yankovskaya V, Sexton G, Whittingham W, Shiomi K, Omura S, et al. (март 2006). «Структурный и вычислительный анализ участка связывания хинона комплекса II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза): механизм переноса электронов и протонной проводимости во время восстановления убихинона». Журнал биологической химии . 281 (11): 7309–7316. doi : 10.1074/jbc.M508173200 . PMID  16407191.
  7. ^ abc Van Vranken JG, Na U, Winge DR, Rutter J (декабрь 2014 г.). «Белково-опосредованная сборка сукцинатдегидрогеназы и ее кофакторов». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 50 (2): 168–180. doi :10.3109/10409238.2014.990556. PMC 4653115. PMID  25488574 . 
  8. ^ Kenney WC (апрель 1975). «Реакция N-этилмалеимида в активном центре сукцинатдегидрогеназы». Журнал биологической химии . 250 (8): 3089–3094. doi : 10.1016/S0021-9258(19)41598-6 . PMID  235539.
  9. ^ Sharma P, Maklashina E, Cecchini G, Iverson TM (сентябрь 2020 г.). «Роли SDHAF2 и дикарбоксилата в ковалентном флавинилировании SDHA, флавопротеина человеческого комплекса II». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (38): 23548–23556. Bibcode : 2020PNAS..11723548S. doi : 10.1073/pnas.2007391117 . PMC 7519310. PMID  32887801 . 
  10. ^ Maklashina E, Iverson TM, Cecchini G (октябрь 2022 г.). «Как фактор сборки усиливает ковалентное присоединение FAD к субъединице флавопротеина комплекса II». Журнал биологической химии . 298 (10): 102472. doi : 10.1016/j.jbc.2022.102472 . PMC 9557727. PMID  36089066 . 
  11. ^ Sharma P, Maklashina E, Cecchini G, Iverson TM (январь 2018 г.). "Кристаллическая структура промежуточного продукта сборки дыхательного комплекса II". Nature Communications . 9 (1): 274. Bibcode :2018NatCo...9..274S. doi :10.1038/s41467-017-02713-8. PMC 5773532 . PMID  29348404. 
  12. ^ Tran QM, Rothery RA, Maklashina E, Cecchini G, Weiner JH (октябрь 2006 г.). «Сайт связывания хинона в сукцинатдегидрогеназе Escherichia coli необходим для переноса электронов на гем b». Журнал биологической химии . 281 (43): 32310–32317. doi : 10.1074/jbc.M607476200 . PMID  16950775.
  13. ^ Muller FL, Liu Y, Abdul-Ghani MA, Lustgarten MS, Bhattacharya A, Jang YC и др. (январь 2008 г.). «Высокие показатели продукции супероксида в митохондриях скелетных мышц, дышащих на субстратах, связанных как с комплексом I, так и с комплексом II». The Biochemical Journal . 409 (2): 491–499. doi :10.1042/BJ20071162. PMID  17916065.
  14. ^ ab Walter H (2016). "Фунгицидные сукцинатдегидрогеназо-ингибирующие карбоксамиды". Биоактивные классы карбоксильных соединений: фармацевтика и агрохимикаты . стр. 405–425. doi :10.1002/9783527693931.ch31. ISBN 978-3-527-33947-1.
  15. ^ Avenot HF, Michailides TJ (2010). «Прогресс в понимании молекулярных механизмов и эволюции устойчивости к фунгицидам, ингибирующим сукцинатдегидрогеназу (SDHI), у фитопатогенных грибов». Защита растений . 29 (7): 643–651. Bibcode : 2010CrPro..29..643A. doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019.
  16. ^
    • Лукас Дж. А., Хокинс, Нью-Джерси, Фраайе Б. А. (2015). Эволюция устойчивости к фунгицидам . Достижения прикладной микробиологии. Том. 90. стр. 29–92. doi :10.1016/bs.aambs.2014.09.001. ISBN 978-0-12-802275-7. PMID  25596029.
    • Dubos T, Pasquali M, Pogoda F, Casanova A, Hoffmann L, Beyer M (январь 2013 г.). «Различия между последовательностями сукцинатдегидрогеназы чувствительных к изопиразаму штаммов Zymoseptoria tritici и нечувствительных штаммов Fusarium graminearum». Биохимия и физиология пестицидов . 105 (1): 28–35. Bibcode : 2013PBioP.105...28D. doi : 10.1016/j.pestbp.2012.11.004. PMID  24238287.
  17. ^ "Рабочая группа по фунгицидам SDHI". FRAC ( Комитет по действиям по устойчивости к фунгицидам ) . 2020-01-31 . Получено 2022-07-05 .
  18. ^ "Рекомендации по SDHI". FRAC . Март 2020. Получено 2022-07-05 .
  19. ^ Barletta JA, Hornick JL (июль 2012 г.). «Опухоли с дефицитом сукцинатдегидрогеназы: диагностические достижения и клинические последствия». Advances in Anatomic Pathology . 19 (4): 193–203. doi :10.1097/PAP.0b013e31825c6bc6. PMID  22692282. S2CID  32088940.
  20. ^ Amar L, Pacak K, Steichen O, Akker SA, Aylwin SJ, Baudin E и др. (Июль 2021 г.). «Международный консенсус по первоначальному скринингу и последующему наблюдению за бессимптомными носителями мутации SDHx». Nature Reviews Endocrinology . 17 (7): 435–444. doi :10.1038/s41574-021-00492-3.
  21. ^ Райкен Дж.А., Нимейер Н.Д., Йонкер М.А., Эйкеленкамп К., Янсен Дж.К., ван Беркель А. и др. (январь 2018 г.). «Пенетрантность параганглиомы и феохромоцитомы у носителей зародышевой мутации SDHB». Клиническая генетика . 93 (1): 60–66. дои : 10.1111/cge.13055. ПМИД  28503760.
  22. ^ Baysal BE (май 2013 г.). «Митохондриальный комплекс II и геномный импринтинг в наследовании опухолей параганглиомы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1827 (5): 573–577. doi :10.1016/j.bbabio.2012.12.005. PMID  23291190.
  23. ^ https://radiopaedia.org/articles/salt-and-pepper-sign-paraganglioma-1?lang=us
  24. ^ Fullerton M, McFarland R, Taylor RW, Alston CL (сентябрь 2020 г.). «Генетическая основа дефицита изолированного митохондриального комплекса II». Молекулярная генетика и метаболизм . 131 (1–2): 53–65. doi :10.1016/j.ymgme.2020.09.009. PMC 7758838. PMID  33162331. 
  25. ^ Скиллингс EA, Мортон AJ (2016). «Задержка начала и снижение когнитивных дефицитов посредством предварительной обработки 3-нитропропионовой кислотой зависит от пола и длины повтора CAG в мышиной модели болезни Хантингтона R6/2». Журнал болезни Хантингтона . 5 (1): 19–32. doi :10.3233/JHD-160189. PMID  27031731.