Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Сукцинатдегидрогеназа ( АЯ ) или сукцинат-коэнзим Q - редуктаза ( SQR ) или респираторный комплекс II , представляет собой фермент , комплекс, найденный во многих бактериальных клетках и во внутренней митохондриальной мембране из эукариота . Это единственный фермент, который участвует как в цикле лимонной кислоты, так и в цепи переноса электронов . [1] Гистохимический анализ, показывающий высокий уровень сукцинатдегидрогеназы в мышцах, демонстрирует высокое содержание митохондрий и высокий окислительный потенциал. [2]

На этапе 6 кислоты цикла лимонной , SQR катализирует к окислению из сукцината в фумарат с сокращением от убихинона до убихинола . Это происходит во внутренней митохондриальной мембране за счет связывания двух реакций вместе.

Структура [ править ]

Субъединицы сукцинатдегидрогеназы

Подразделения [ править ]

SQR митохондрий и многих бактерий состоят из четырех структурно различных субъединиц : двух гидрофильных и двух гидрофобных . Первые две субъединицы, флавопротеин (SdhA) и белок железо-сера (SdhB), образуют гидрофильную головку, в которой происходит ферментативная активность комплекса. SdhA содержит ковалентно связанный кофактор флавинадениндинуклеотида (FAD) и сайт связывания сукцината. и SdhB содержит три кластера железо-сера: [2Fe-2S], [4Fe-4S] и [3Fe-4S]. Вторые две субъединицы представляют собой субъединицы гидрофобного якоря мембраны, SdhC и SdhD. Митохондрии человека содержат две различные изоформы SdhA (субъединицы Fp типа I и типа II), эти изоформы также обнаружены у Ascaris suum и Caenorhabditis elegans . [3] Субъединицы образуют мембраносвязанный комплекс цитохрома b с шестью трансмембранными спиралями, содержащими одну группу гема b и сайт связывания убихинона . Две молекулы фосфолипидов , одна кардиолипин и одна фосфатидилэтаноламин, также находятся в субъединицах SdhC и SdhD (не показаны на изображении). Они служат для занятия гидрофобного пространства под гемом b. Эти субъединицы показаны на прикрепленном изображении. SdhA - зеленый, SdhB - бирюзовый, SdhC - фуксия, а SdhD - желтый. Вокруг SdhC и SdhD находится фосфолипидная мембрана с межмембранным пространством в верхней части изображения. [4]

Таблица состава субъединиц [5] [ править ]

Сайт связывания убихинона [ править ]

Две отличительные убихинон сайты связывания могут быть признаны на СДГ млекопитающих - матрица проксимальных Q P и матрицы-дистальной Q D . Сайт связывания убихинона Qp, который показывает более высокое сродство к убихинону, расположен в промежутке, состоящем из SdhB, SdhC и SdhD. Убихинон стабилизируется боковыми цепями His207 субъединицы B, Ser27 и Arg31 субъединицы C и Tyr83 субъединицы D. Хиноновое 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 гидрофобное окружение хинон- связывающего кармана Qp. [6]Напротив, сайт связывания убихинона Q D , который расположен ближе к межмембранному пространству, состоит только из SdhD и имеет более низкое сродство к убихинону. [7]

Сайт связывания сукцината [ править ]

SdhA обеспечивает сайт связывания для окисления от сукцината . В боковых цепях Thr254, His354, и Arg399 из субъединицы А стабилизировать молекулу то время как FAD окисляется и переносят электроны в первый из кластеров железы-сера , [2Fe-2S]. [8] Это можно увидеть на изображении 5.

Редокс-центры [ править ]

Сукцинат -связывающего сайта и убихинон -связывающего сайт соединены посредством цепи окислительно - восстановительных центров , включая ФАД и железо - серные кластеры. Эта цепь простирается через мономер фермента более чем на 40 Å . Все расстояния от края до края между центрами меньше, чем предполагаемый предел в 14 Å для физиологического переноса электронов . [4] Этот перенос электронов показан на изображении 8.

Подразделение E [ править ]

В молекулярной биологии , то домен белка по имени Sdh5 также называют SdhE , который выступает за сукцинатдегидрогеназу белка Е. В прошлом он также был назван YgfY и DUF339. [9] Другое название SdhE - фактор сборки 2 сукцинатдегидрогеназы (Sdhaf2). [10] Этот белок принадлежит к группе высококонсервативных малых белков, обнаруженных как у эукариот, так и у прокариот , включая NMA1147 из Neisseria meningitidis [11] и YgfY из Escherichia coli . [12] Белок SdhE находится намитохондриальная мембрана важна для выработки энергии посредством процесса, называемого цепью переноса электронов . [9]

Функция [ править ]

Функцию SdhE описывают как флавинатор сукцинатдегидрогеназы. SdhE работает как кофактор компаньонка , который включает ФАД в SdhA. Это приводит к флавинилированию SdhA, которое требуется для правильного функционирования сукцинатдегидрогеназы. Исследования показывают, что SdhE требуется бактериям для роста на сукцинате с использованием сукцината в качестве единственного источника углерода и, кроме того, для функции сукцинатдегидрогеназы, жизненно важного компонента цепи переноса электронов, производящей энергию. [9]

Структура [ править ]

Структура этих белков состоит из сложного пучка пять альфа-спиралей, который состоит из вверх-вниз 3-винтового пучка плюс ортогонального 2-винтового пучка. [12]

Белковые взаимодействия [ править ]

SdhE взаимодействует с каталитической субъединицей комплекса сукцинатдегидрогеназы (SDH). [13]

Болезнь человека [ править ]

Ген человека, названный SDH5 , кодирует белок SdhE. Сам ген находится в хромосомной позиции 11q13.1. Мутации с потерей функции приводят к параганглиоме , нейроэндокринной опухоли . [13]

История [ править ]

Недавние исследования, которые предполагают, что SdhE необходим для бактериального флавинилирования, противоречат предыдущим представлениям о SdhE. Первоначально предполагалось, что включение FAD в бактериальные флавопротеины является автокаталитическим процессом. Недавние исследования показывают, что SdhE является первым белком, который идентифицирован как необходимый для флавинилирования у бактерий. Исторически белок SdhE когда-то считался гипотетическим белком. [9] YgfY, как полагают, также участвует в регуляции транскрипции . [12]

Сборка и созревание [ править ]

Все субъединицы митохондриального SDH человека кодируются в ядерном геноме . После трансляции субъединица SDHA перемещается как апопротеин в митохондриальный матрикс. Впоследствии одним из первых шагов является ковалентное связывание кофактора FAD (флавинилирование). Этот процесс, по-видимому, регулируется некоторыми промежуточными продуктами цикла трикарбоновых кислот. В частности, сукцинат , изоцитрат и цитрат стимулируют флавинилирование SDHA. [14] В случае эукариотического Sdh1 (SDHA у млекопитающих) для процесса включения FAD необходим другой белок, а именно Sdh5 в дрожжах, фактор сборки сукцинатдегидрогеназы 2.( SDHAF2 ) в клетках млекопитающих.

Перед образованием гетеродимера с субъединицей SDHB , некоторая часть SDHA с ковалентно связанным FAD, по-видимому, взаимодействует с другим фактором сборки - SDHAF4 (Sdh8 у дрожжей). Несвязанный флавинилированный SDHA димеризуется с SDHAF4, который служит шапероном . Исследования показывают, что образование димера SDHA-SDHB нарушается в отсутствие SDHAF4, поэтому шапероноподобный фактор сборки может способствовать взаимодействию субъединиц. Более того, SDHAF4, по-видимому, предотвращает образование ROS, принимая электроны от сукцината, который все еще может окисляться несвязанной мономерной субъединицей SDHA. [7]

Простетические группы Fe-S субъединицы SDHB преобразуются в митохондриальном матриксе с помощью белкового комплекса ISU. Также считается, что комплекс способен вставлять железо-серные кластеры в SDHB во время его созревания. Исследования показывают, что вставка кластера Fe-S предшествует образованию димера SDHA-SDHB. Такое включение требует уменьшения остатков цистеина в активном центре SDHB. И восстановленные остатки цистеина, и уже включенные кластеры Fe-S очень чувствительны к повреждению ROS . Еще два фактора сборки SDH, SDHAF1 (Sdh6) и SDHAF3 (Sdh7 у дрожжей), по-видимому, участвуют в созревании SDHB путем защиты субъединицы или димера 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 Heme b, по-видимому, не является частью пути переноса электронов в комплексе II. [15] Кофактор скорее поддерживает устойчивость якоря.

Механизм [ править ]

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

Окисление сукцината [ править ]

О точном механизме окисления сукцината известно немного . Однако кристаллическая структура показывает, что FAD , Glu255, Arg286 и His242 субъединицы A (не показана) являются хорошими кандидатами для начальной стадии депротонирования . После этого есть два возможных механизма удаления: E2 или E1cb. В устранении 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 промежуточный енолят образуется, как показано на изображении 7, до того, как FAD примет гидрид . Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, какой механизм выведения сукцината претерпевает сукцинатдегидрогеназа. Окисленный фумарат , теперь слабо связанный с активным центром , может свободно выходить из белка .

Электронное туннелирование [ править ]

После того, как электроны получены в результате окисления сукцината через FAD , они туннелируют вдоль реле [Fe-S], пока не достигнут кластера [3Fe-4S]. Эти электроны впоследствии передаются ожидающей молекуле убихинона в активном центре . Железо - Сера электронная система туннелирования показана на рисунке 9.

Уменьшение убихинона [ править ]

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

О1 карбонила кислород из убихинона ориентирован на активном участке (изображение 4) с помощью водородных связей взаимодействий с Tyr83 субъединицей D. Присутствие электронов в [3Fe-4S] кластер железа серы вызывает движение убихинона во вторую ориентацию. Это облегчает второе водородную связь взаимодействие между О4 карбонильной группой из убихинона и Ser27 субъединицы C. После первого одного электрона восстановления шага, семихинонные радикальные частицы образуются. Второй электронпоступает из кластера [3Fe-4S], чтобы обеспечить полное восстановление убихинона до убихинола . Этот механизм восстановления убихинона показан на изображении 8.

Протезная группа Heme [ править ]

Хотя функциональность гема в сукцинатдегидрогеназе все еще исследуется, 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 сток электронов . Его роль заключается в предотвращении взаимодействия промежуточного продукта с молекулярным кислородом с образованием активных форм кислорода (ROS). Группа гема относительно убихинона , показан на рисунке 4.

Также было высказано предположение, что может существовать стробирующий механизм, предотвращающий туннелирование электронов непосредственно на 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 гема ; и может модулировать поток электронов между этими окислительно-восстановительными центрами. [16]

Перенос протона [ править ]

Чтобы полностью восстановить хинон в SQR, необходимы два электрона, а также два протона . Было высказано мнение , что молекула воды (HOH39) поступает на активном сайте и координируется His207 субъединица B, Arg31 субъединицы С, и Asp82 субъединицы Д. семихинонных видов протонированным от протонов , доставленных из HOH39, завершив убихинон восстановление до убихинола . His207 и Asp82, скорее всего, облегчают этот процесс. Другие исследования утверждают, что Tyr83 субъединицы D координируется с соседним гистидином, а также с карбонилом O1. кислород из убихинона . Гистидин остаток снижает рКа из тирозина , что делает его более подходящим пожертвовать его протон с пониженным убихиноном промежуточного.

Ингибиторы [ править ]

Есть два различных класса ингибиторов комплекса II: те, которые связываются в кармане сукцината, и те, которые связываются в кармане убихинона. Ингибиторы убихинонового типа включают карбоксин и теноилтрифторацетон . Ингибиторы сукцинатных аналогов включают синтетическое соединение малонат, а также промежуточные продукты цикла TCA, малат и оксалоацетат . Действительно, оксалоацетат - один из самых сильных ингибиторов Комплекса II. Почему обычный промежуточный продукт цикла TCA может ингибировать Комплекс II, не совсем понятно, хотя он может играть защитную роль в минимизации опосредованного обратным переносом электрона производства супероксида комплексом I. [17] Атпенин 5a - сильнодействующие ингибиторы Комплекса II, имитирующие связывание убихинона.

Ингибиторы убихинонового типа использовались в качестве фунгицидов в сельском хозяйстве с 1960-х годов. Карбоксин в основном использовался для борьбы с болезнями, вызываемыми базидиомицетами, такими как стеблевые ржавчины и болезни Rhizoctonia . Совсем недавно были разработаны другие соединения с более широким спектром действия против ряда патогенов растений, включая боскалид , пентиопирад и флуопирам . [18] Некоторые важные для сельского хозяйства грибы нечувствительны к представителям нового поколения ингибиторов убихинонового типа [19]

Роль в болезни [ править ]

Основополагающую роль сукцинат-коэнзим Q - редуктазы в цепи переноса электронов из митохондрий делает его жизненно важным в большинстве многоклеточных организмов , удаление этого фермента из генома также было показано , чтобы привести к летальному исходу на эмбриональной стадии у мышей.

  • Мутации SdhA могут привести к синдрому Ли , митохондриальной энцефалопатии и атрофии зрительного нерва .
  • Мутации SdhB могут приводить к онкогенезу в хромаффинных клетках , вызывая класс опухолей, известный как дефицит сукцинатдегидрогеназы, включая наследственную параганглиому и наследственную феохромоцитому , почечную карциному с дефицитом сукцинатдегидрогеназы и стромальную опухоль желудочно-кишечного тракта с дефицитом сукцинатдегидрогеназы (GIST). [20] Опухоли, как правило, злокачественные . Это также может привести к сокращению продолжительности жизни и увеличению производства ионов супероксида .
  • Мутации SdhC могут привести к сокращению продолжительности жизни, увеличению выработки супероксид- ионов, наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме . Опухоли обычно доброкачественные . Эти мутации необычны.
  • Мутации SdhD могут привести к наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме . Опухоли, как правило, доброкачественные и часто возникают в области головы и шеи. Эти мутации могут также сократить продолжительность жизни и увеличить производство ионов супероксида .

Сукцинатдегидрогеназа млекопитающих действует не только в выработке энергии митохондриями , но также играет роль в восприятии кислорода и подавлении опухоли ; и, следовательно, является объектом постоянных исследований.

Пониженные уровни митохондриального фермента сукцинатдегидрогеназы (SDH), основного элемента комплекса II, наблюдаются посмертно в головном мозге пациентов с болезнью Хантингтона, а дефекты энергетического метаболизма были выявлены как у пациентов с предсимптоматической, так и у симптоматической ГБ. [21]

См. Также [ править ]

  • SDHA
  • SDHB
  • SDHC
  • SDHD
  • Фумарат редуктаза

Ссылки [ править ]

  1. ^ Oyedotun KS, Lemire BD (март 2004). «Четвертичная структура сукцинатдегидрогеназы Saccharomyces cerevisiae. Гомологическое моделирование, стыковка кофакторов и исследования моделирования молекулярной динамики» . Журнал биологической химии . 279 (10): 9424–31. DOI : 10.1074 / jbc.M311876200 . PMID  14672929 .
  2. ^ веб-мастер (2009-03-04). «Использование гистохимии для определения свойств мышц» . Сукцинатдегидрогеназа: определение окислительного потенциала . Калифорнийский университет в Сан-Диего . Проверено 27 декабря 2017 .
  3. ^ Tomitsuka E, Hirawake H, Goto Y, Taniwaki M, S Харада, Kita K (август 2003). «Прямые доказательства двух различных форм флавопротеиновой субъединицы человеческого митохондриального комплекса II (сукцинат-убихинонредуктаза)». Журнал биохимии . 134 (2): 191–5. DOI : 10.1093 / Jb / mvg144 . PMID 12966066 . 
  4. ^ a b Янковская В., Хорсфилд Р., Торнрот С., Луна-Чавес С., Миёши Н., Леже С. и др. (Январь 2003 г.). «Архитектура генерации сукцинатдегидрогеназы и активных форм кислорода». Наука . 299 (5607): 700–4. Bibcode : 2003Sci ... 299..700Y . DOI : 10.1126 / science.1079605 . PMID 12560550 . 
  5. ^ Sun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D и др. (Июль 2005 г.). «Кристаллическая структура белкового комплекса II митохондриальной респираторной мембраны» . Cell . 121 (7): 1043–57. DOI : 10.1016 / j.cell.2005.05.025 . PMID 15989954 . 
  6. ^ Хорсфилд R, Янковская В, С Секстон, Уиттингем Вт, Shiomi К, Омура С, и др. (Март 2006 г.). «Структурный и вычислительный анализ хинон-связывающего сайта комплекса II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза): механизм переноса электронов и протонной проводимости при восстановлении убихинона» . Журнал биологической химии . 281 (11): 7309–16. DOI : 10.1074 / jbc.M508173200 . PMID 16407191 . 
  7. ^ a b c Ван Вранкен JG, Na U, Winge DR, Rutter J (декабрь 2014 г.). «Белок-опосредованная сборка сукцинатдегидрогеназы и ее кофакторов» . Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 50 (2): 168–80. DOI : 10.3109 / 10409238.2014.990556 . PMC 4653115 . PMID 25488574 .  
  8. ^ Кенни WC (апрель 1975). «Реакция N-этилмалеимида на активном центре сукцинатдегидрогеназы». Журнал биологической химии . 250 (8): 3089–94. PMID 235539 . 
  9. ^ a b c d McNeil MB, Clulow JS, Wilf NM, Salmond GP, Fineran PC (2012). «SdhE представляет собой консервативный белок, необходимый для флавинилирования сукцинатдегидрогеназы в бактериях» . J Biol Chem . 287 (22): 18418–28. DOI : 10.1074 / jbc.M111.293803 . PMC 3365757 . PMID 22474332 .  
  10. ^ https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=SDHAF2
  11. ^ Лю Г., Сукумаран Д.К., Сюй Д., Чан И, Актон Т., Голдсмит-Фишман С., Хониг Б., Монтелионе ГТ, Шиперски Т. (май 2004 г.). «ЯМР-структура гипотетического белка NMA1147 из Neisseria meningitidis выявляет отчетливый 5-спиральный пучок» . Белки . 55 (3): 756–8. DOI : 10.1002 / prot.20009 . PMID 15103637 . 
  12. ^ a b c Лим К., Досеева В., Демиркан Е.С., Пуллалареву С., Краевский В., Галкин А., Ховард А., Герцберг О. (февраль 2005 г.). «Кристаллическая структура YgfY из Escherichia coli, белка, который может участвовать в регуляции транскрипции» . Белки . 58 (3): 759–63. DOI : 10.1002 / prot.20337 . PMID 15593094 . 
  13. ^ a b Hao HX, Khalimonchuk O, Schraders M, Dephoure N, Bayley JP, Kunst H и др. (Август 2009 г.). «SDH5, ген, необходимый для флавинирования сукцинатдегидрогеназы, мутирован в параганглиоме» . Наука . 325 (5944): 1139–42. Bibcode : 2009Sci ... 325.1139H . DOI : 10.1126 / science.1175689 . PMC 3881419 . PMID 19628817 .  
  14. ^ Brandsch R, Bichler V (июнь 1989). «Связывание ковалентного кофактора с флавоэнзимами требует специфических эффекторов» . Европейский журнал биохимии . 182 (1): 125–8. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1989.tb14808.x . PMID 2659351 . 
  15. Sun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D и др. (Июль 2005 г.). «Кристаллическая структура белкового комплекса II митохондриальной респираторной мембраны». Cell . 121 (7): 1043–57. DOI : 10.1016 / j.cell.2005.05.025 . PMID 15989954 . 
  16. ^ Tran QM, Rothery RA, Maklashina E, G Cecchini, Weiner JH (октябрь 2006). «Сайт связывания хинона в сукцинатдегидрогеназе Escherichia coli необходим для переноса электронов на гем b» . Журнал биологической химии . 281 (43): 32310–7. DOI : 10.1074 / jbc.M607476200 . PMID 16950775 . 
  17. Muller FL, Liu Y, Abdul-Ghani MA, Lustgarten MS, Bhattacharya A, Jang YC, Van Remmen H (январь 2008 г.). «Высокие скорости производства супероксида в митохондриях скелетных мышц, дышащих как комплексом I-, так и комплексом II-связанных субстратов». Биохимический журнал . 409 (2): 491–9. DOI : 10.1042 / BJ20071162 . PMID 17916065 . 
  18. ^ Avenot HF, Michailides TJ (2010). «Прогресс в понимании молекулярных механизмов и эволюции устойчивости к фунгицидам, ингибирующим сукцинатдегидрогеназу (SDHI), у фитопатогенных грибов». Защита урожая . 29 (7): 643. DOI : 10.1016 / j.cropro.2010.02.019 .
  19. ^ Дюбо Т, Pasquali М, Pogoda Ж, Казанова А, Хоффман л, Бейер М (январь 2013 г. ). «Различия между последовательностями сукцинатдегидрогеназы штаммов Zymoseptoria tritici, чувствительных к изопиразаму, и нечувствительных штаммов Fusarium graminearum». Биохимия и физиология пестицидов . 105 (1): 28–35. DOI : 10.1016 / j.pestbp.2012.11.004 . PMID 24238287 . 
  20. ^ Барлетты JA, Hornick JL (июль 2012). «Опухоли с дефицитом сукцинатдегидрогеназы: достижения в диагностике и клиническое значение». Успехи анатомической патологии . 19 (4): 193–203. DOI : 10,1097 / PAP.0b013e31825c6bc6 . PMID 22692282 . 
  21. ^ Skillings EA, Мортон AJ (2016). «Отсроченное начало и снижение когнитивного дефицита за счет предварительного кондиционирования с 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 .