SUKCINÁT DEHYDROGENÁZA: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIA, REGULÁCIA, CHOROBY - BIOLÓGIE - 2025

S uccinato dehydrogenázy ( SDH ), tiež známy ako komplexný II elektrónovým dopravným reťazou, je mitochondriálnej proteínový komplex s enzymatickou aktivitou, ktorá pracuje ako Krebsov cyklus a jeho elektrónový dopravné reťaz (bunkové dýchanie).

Je to enzým, ktorý je prítomný vo všetkých aeróbnych bunkách. V eukaryotoch je to komplex úzko spojený s vnútornou mitochondriálnou membránou, zatiaľ čo v prokaryotoch sa nachádza v plazmatickej membráne.

Všeobecná schéma komplexu mitochondriálnej sukcinát dehydrogenázy (Zdroj: Sama, založená na vektorizácii Fvasconcellos. / Public domain, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Komplex sukcinát dehydrogenázy, ktorý bol objavený okolo roku 1910 a prvýkrát purifikovaný v roku 1954 Singerom a Kearneyom, bol dôkladne študovaný z niekoľkých dôvodov:

- pôsobí tak v Krebsovom cykle (cyklus kyseliny citrónovej alebo v kyseline trikarboxylovej), ako aj v reťazci transportu elektrónov (katalyzuje oxidáciu sukcinátu na fumarát)

- jeho činnosť je regulovaná rôznymi aktivátormi a inhibítormi a

- je komplex spojený s: železom, ktoré sa neviaže na hemovú skupinu, labilnými dinukleotidmi síry a flavínu a adenín (FAD)

Je kódovaný jadrovým genómom a bolo dokázané, že mutácie štyroch génov, ktoré kódujú každú z jeho podjednotiek (A, B, C a D), vedú k rôznym klinickým obrazom, čo znamená, že môžu byť z hľadiska pohľadu celkom negatívne. fyzickej integrity človeka.

štruktúra

Enzýmový komplex sukcinát dehydrogenázy je tvorený štyrmi podjednotkami (heterotetramér) kódovanými jadrovým genómom, čo z neho robí jediný oxidačný fosforylačný komplex v elektrónovom transportnom reťazci, ktorý nemá žiadne podjednotky kódované mitochondriálnym genómom.

Okrem toho je tento komplex jediný, ktorý počas katalytického pôsobenia nenapumpuje protóny cez vnútornú mitochondriálnu membránu.

Podľa štúdií uskutočňovaných na základe enzýmového komplexu ošípaných srdcových buniek pozostáva komplex sukcinátdehydrogenázy z:

- hydrofilná „ hlava “, ktorá siaha z vnútornej mitochondriálnej membrány do mitochondriálnej matrice a

- hydrofóbny „ chvost “, ktorý je zabudovaný do vnútornej mitochondriálnej membrány a má malý segment, ktorý vyčnieva do rozpustného medzimembránového priestoru mitochondrií

Štruktúra komplexu sukcinát dehydrogenázy (Zdroj: Zephyris v anglickom jazyku Wikipedia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Štruktúra hydrofilnej časti

Hydrofilná hlava sa skladá z podjednotiek SdhA (70 kDa) a SdhB (27 kDa) (v kvasinkách Sdh1 a Sdh2) a táto obsahuje katalytické centrum komplexu.

Podjednotky SdhA a SdhB obsahujú redoxné kofaktory, ktoré sa podieľajú na prenose elektrónov smerom k ubichinónu (koenzým Q10, molekula, ktorá prenáša elektróny medzi respiračnými komplexmi I, II a III).

Podjednotka SdhA má kofaktor FAD (koenzým, ktorý sa podieľa na oxidačno-redukčných reakciách) kovalentne naviazaný na svoju štruktúru, priamo na väzbovom mieste pre sukcinát (hlavný substrát enzýmu).

Podjednotka SdhB má 3 centrá železo-síra (Fe-S), ktoré sprostredkujú prenos elektrónov na ubichinón. Jedno zo stredísk, 2Fe-2S, sa nachádza blízko miesta FAD podjednotky SdhA a ostatné (4Fe-4S a 3Fe-4S) susedia s prvým.

Najmä štrukturálne štúdie naznačujú, že podjednotka SdhB tvorí rozhranie medzi hydrofilnou katalytickou doménou a membránovou „kotvou“ (hydrofóbnou) doménou komplexu.

Štruktúra hydrofóbnej časti

Membránová doména komplexu, ako je uvedené, pozostáva z SdhC (15 kDa) a SdhD (12-13 kDa) podjednotiek (Sdh3 a Sdh4 v kvasinkách), ktoré sú integrálnymi membránovými proteínmi, z ktorých každá je tvorená 3 transmembránovými helixmi. ,

Táto doména obsahuje časť hemu b pripojenú na rozhraní medzi podjednotkami SdhC a SdhD, kde každá poskytuje jeden z dvoch histidínových ligandov, ktoré ich držia pohromade.

V tomto enzýme boli zistené dve väzobné miesta pre ubichinón: jedno s vysokou afinitou a druhé s nízkou afinitou.

Vysokoafinitné miesto, známe ako Qp (p pre proximálne), čelí mitochondriálnej matrici a je tvorené špecifickými aminokyselinovými zvyškami umiestnenými v podjednotkách SdhB, SdhC a SdhD.

Nízkoafinitné miesto, tiež nazývané Qd (d pre distálne), je v časti vnútornej mitochondriálnej membrány, kde je komplex zavedený, bližšie k intermembránovému priestoru, to je ďalej od organelitovej matrice.

Celkovo má celkový komplex molekulovú hmotnosť blízku 200 kDa a zistilo sa, že má pomer 4,2 až 5,0 nanomólov flavínu na miligram proteínu a 2 až 4 g železa na každý mol flavínu.

funkcie

Enzýmový komplex sukcinátdehydrogenáza plní dôležitú funkciu v mitochondriách, pretože sa podieľa nielen na Krebsovom cykle (kde sa podieľa na degradácii acetyl-CoA), ale je tiež súčasťou dýchacieho reťazca, ktorý je nevyhnutný pre produkciu energie. vo forme ATP.

Inými slovami, je to kľúčový enzým pre stredný metabolizmus a produkciu aeróbneho ATP.

- Je zodpovedný za oxidáciu sukcinátu na fumarát v cykle kyseliny citrónovej

- Napĺňa komplex III elektrónového transportného reťazca elektrónmi získanými z oxidácie sukcinátu, čo pomáha redukovať kyslík a vytvárať vodu

- Elektrónový transport generuje elektrochemický gradient cez vnútornú mitochondriálnu membránu, čo podporuje syntézu ATP

Alternatívne je možné elektróny použiť na redukciu molekúl zo skupiny ubichinónov, čím sa produkujú redukčné ekvivalenty potrebné na redukciu superoxidových aniónov, ktoré pochádzajú z rovnakého respiračného reťazca alebo ktoré pochádzajú z exogénnych zdrojov.

Komplex sukcinát dehydrogenázy (zdroj: Johnhfst / Public Domain, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Ako to funguje?

Podjednotka A komplexu (tá, ktorá je kovalentne viazaná na koenzým FAD) sa viaže na substráty, fumarát a sukcinát, ako aj na ich fyziologické regulátory, oxaloacetát (konkurenčný inhibítor) a ATP.

ATP nahradí väzbu medzi oxaloacetátom a komplexom SDH a ​​potom sa elektróny, ktoré „prechádzajú“ zo sukcinátu do podjednotky SdhA, prevedú na skupiny atómov železa a síry prítomné v podjednotke SdhB prostredníctvom koenzým FAD.

Z podjednotky B sa tieto elektróny dostávajú do hémových miest b podjednotiek SdhC a SdhD, odkiaľ sú "dodávané" do chinónových koenzýmov prostredníctvom svojich väzbových miest pre chinóny.

Tok elektrónov zo sukcinátu cez tieto transportéry a do konečného akceptora, ktorým je kyslík, je spojený s syntézou 1,5 ATP molekúl pre každý pár elektrónov prostredníctvom fosforylácie spojenej s respiračným reťazcom.

Poruchy enzýmu

Bolo publikované, že mutácie v géne kódujúcom podjednotku A komplexu sukcinát dehydrogenázy spôsobujú encefalopatie počas detstva, zatiaľ čo mutácie v génoch kódujúcich podjednotky B, C a D sú spojené s tvorbou nádoru.

predpis

Aktivita komplexu sukcinát dehydrogenázy môže byť regulovaná posttranslačnými modifikáciami, ako je fosforylácia a acetylácia , hoci môže dôjsť aj k inhibícii aktívneho miesta.

Acetylácia niektorých zvyškov lyzínu môže znížiť aktivitu tohto enzýmu a tento proces sa uskutočňuje pomocou deacetylázového enzýmu známeho ako SIRT3; fosforylácia má rovnaký účinok na enzým.

Okrem týchto modifikácií je komplex SDH regulovaný tiež medziproduktmi Krebsovho cyklu, konkrétne oxaloacetátom a sukcinátom . Oxaloacetát je silný inhibítor, zatiaľ čo sukcinát uprednostňuje disociáciu oxaloacetátu, ktorý funguje ako aktivátor.

Deficit sukcinát dehydrogenázy

Deficit sukcinát dehydrogenázy je abnormalita alebo porucha mitochondriálneho respiračného reťazca. Tento nedostatok je spôsobený mutáciami v génoch SDHA (alebo SDHAF1), SDHB, SDHC a SDHD.

Rôzne výskumy preukázali homozygotné a heterozygotné mutácie v týchto génoch, najmä v SDHA. Mutácie v týchto génoch spôsobujú substitúcie aminokyselín v proteíne (v ktorejkoľvek z podjednotiek SDHA, B, C alebo D) alebo inak kódujú abnormálne krátke proteíny.

Následkom toho aminokyselinové substitúcie a abnormálne krátke kódovanie proteínov vedú k poruchám alebo zmenám enzýmu SDH, ktoré spôsobujú zlyhanie optimálnej kapacity mitochondrií produkovať energiu. To vedci nazývajú mitochondriálnou poruchou dýchacieho reťazca.

Táto porucha sa môže u ľudí prejaviť fenotypicky mnohými spôsobmi. Najznámejšie sú: nedostatok alebo nedostatok rozvoja jazyka, spastická kvadriplegia, mimovoľné svalové kontrakcie (dystónia), svalová slabosť a kardiomyopatia, okrem iných súvisiacich problémov.

U niektorých pacientov s deficitom sukcinátdehydrogenázy sa môže vyvinúť Leighova choroba alebo Kearns-saire syndróm.

Ako sa zisťuje nedostatok dehydrogénsukcinátu?

Niektoré štúdie naznačujú použitie kvalitatívnych histochemických testov a analýz, ako aj kvantitatívnych, enzymatických biochemických analýz respiračného reťazca. Iní navrhujú úplnú amplifikáciu exónov študovaných podjednotiek pomocou polymerázovej reťazovej reakcie (PCR) a potom príslušné sekvenovanie.

Cyklus trikarboxylovej kyseliny (Krebsov cyklus). Prevzaté a upravené: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (preložené do španielčiny Alejandro Porto).

Súvisiace choroby

Existuje veľké množstvo fenotypových prejavov vyvolaných poruchami mitochondriálneho respiračného reťazca v dôsledku nedostatku sukcinátdehydrogenázy. Pokiaľ však ide o syndrómy alebo choroby, je diskutované nasledujúce.

Leighov syndróm

Je to progresívne neurologické ochorenie spojené s mutáciami v jadrovom genóme (v tomto prípade sukcinátdehydrogenáza), ktoré ovplyvňujú komplex pyruvát-dehydrogenázy až po oxidačnú fosforylačnú cestu.

Symptómy sa objavujú pred prvým rokom veku jednotlivca, ale v atypických prípadoch sa prvé symptómy pozorovali počas dospievania.

Medzi najčastejšie pozorované príznaky patria: hypotónia so stratou kontroly nad hlavou, mimovoľné pohyby, opakujúce sa vracanie, problémy s dýchaním, neschopnosť hýbať očami, pyramidálne a extrapyramidálne príznaky. Záchvaty nie sú príliš časté.

Je možné, že choroba sa dá zistiť pri prenatálnych diagnózach. Nie je známy žiadny liek ani špecifická liečba, ale niektorí odborníci navrhujú liečbu určitými vitamínmi alebo kofaktormi.

Gastrointestinálny stromálny nádor (GIST)

Všeobecne sa nazýva GIST, je to typ nádoru gastrointestinálneho traktu, ktorý sa zvyčajne vyvíja v oblastiach, ako je žalúdok alebo tenké črevo. Predpokladá sa, že ich príčinou je určitá skupina vysoko špecializovaných buniek nazývaných ICC bunky alebo intersticiálne bunky Cajalu.

Ďalšími faktormi, ktoré sa zaoberajú príčinou GIST, sú mutácie určitých typov génov, ktoré podľa niektorých autorov spôsobujú 90% nádorov. Zahrnuté sú gény: KIT, PDGFRA, gény sukcinátdehydrogenázy (SDH) - nedostatočné.

Sukcinát dehydrogenáza (SDH) - deficitná, vyskytuje sa hlavne u mladých žien, vytvára nádory v žalúdku a relatívne často metastázuje do lymfatických uzlín. Malé percento sa vyskytuje u detí a vo väčšine prípadov je to kvôli chýbajúcej expresii podjednotky SDHB.

Kearns-Sayreov syndróm

Zistilo sa, že niektorí pacienti s nedostatkami sukcinátdehydrogenázy môžu prejavovať Kearns-Sayreho syndróm. Toto ochorenie súvisí s mitochondriálnymi poruchami a vyznačuje sa neprítomnosťou pohybu očných buliev.

Ďalšími znakmi tohto ochorenia sú retinitis pigmentosa, hluchota, kardiomyopatia a poruchy centrálneho nervového systému. Tieto príznaky sa zvyčajne pozorujú skôr, ako pacient dosiahne vek 20 rokov. Pre tento stav nie je známa prenatálna diagnostika.

Tiež nie je známy žiadny liek na túto chorobu. Liečba je paliatívna, to znamená, že funguje len na zníženie účinkov choroby, nie na jej vyliečenie. Na druhej strane, hoci to závisí od počtu postihnutých orgánov a od lekárskej starostlivosti, očakávaná dĺžka života je pomerne normálna.

Referencie

1. Ackrell, BA, Kearney, EB, a Singer, TP (1978). Cicavčia sukcinátdehydrogenáza. In Methods in enzymology (zv. 53, str. 466-483). Academic Press.
2. Brière, JJ, Favier, J., Ghouzzi, VE, Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, AP, a Rustin, P. (2005). Nedostatok sukcinát dehydrogenázy u človeka. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 62 (19-20), 2317-2324.
3. Cecchini, G., Schröder, I., Gunsalus, RP, a Maklashina, E. (2002). Sukcinát dehydrogenáza a fumarát reduktáza z Escherichia coli. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetics, 1553 (1-2), 140-157.
4. Hatefi, Y., a Davis, KA (1971). Sukcinátdehydrogenáza. I. Purifikácia, molekulárne vlastnosti a spodná štruktúra. Biochemistry, 10 (13), 2509-2516.
5. Hederstedt, LARS, a Rutberg, LARS (1981). Sukcinát dehydrogenáza - porovnávací prehľad. Mikrobiologické prehľady, 45 (4), 542.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
7. Rutter, J., Winge, DR, a Schiffman, JD (2010). Sukcinát dehydrogenáza - zostavenie, regulácia a úloha pri ochorení človeka. Mitochondrion, 10 (4), 393-401.