СУКЦИНАТНА ДЕГІДРОГЕНАЗА: БУДОВА, ФУНКЦІЯ, РЕГУЛЯЦІЯ, ЗАХВОРЮВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

S uccinato dehydrogenase ( SDH ), також відомий як комплекс II транспортного ланцюга електронів, є мітохондріальним білковим комплексом з ферментативною активністю, який працює як в циклі Кребса, так і в ланцюзі транспорту електронів (клітинне дихання).

Це фермент, який присутній у всіх аеробних клітинах. У еукаріотів це комплекс, тісно пов’язаний із внутрішньою мітохондріальною мембраною, тоді як у прокаріотів - у плазматичній мембрані.

Загальна схема комплексу децидрогенази мітохондріальної сукцинатної децидрогенази (Джерело: Я сама, заснована на векторизації Fvasconcellos.

Комплекс сукцинатдегідрогенази, виявлений близько 1910 року та вперше очищений Сінгер та Кірні у 1954 році, був широко вивчений з кількох причин:

- працює як у циклі Кребса (цикл лимонної кислоти або цикл трикарбонової кислоти), так і в ланцюзі транспорту електронів (каталізує окислення сукцинату до фумарату)

- його активність регулюється різними активаторами та інгібіторами і

- являє собою комплекс, пов'язаний з: залізом, не пов'язаним з гемовою групою, лабільною сіркою та флавіно-аденіновими динуклеотидами (FAD)

Він кодується ядерним геномом і було доведено, що мутації чотирьох генів, що кодують кожну його субодиницю (A, B, C і D), призводять до різних клінічних картин, тобто вони можуть бути досить негативними з точки зору фізичної цілісності людини.

Будова

Ферментний комплекс сукцинатдегідрогенази складається з чотирьох субодиниць (гетеротетрамерів), кодованих ядерним геномом, що робить його єдиним окислювальним фосфорилюючим комплексом в ланцюзі транспорту електронів, який не має субодиниць, кодованих геномом мітохондрій.

Крім того, цей комплекс є єдиним, який не перекачує протони через внутрішню мітохондріальну мембрану під час каталітичної дії.

Згідно з дослідженнями, проведеними на основі ферментативного комплексу свинячих клітин серця, сукцинатдегідрогеназний комплекс складається з:

- гідрофільна « головка », яка простягається від внутрішньої мітохондріальної мембрани до мітохондріальної матриці і

- гідрофобний " хвіст ", який вбудований у внутрішню мітохондріальну мембрану і має невеликий сегмент, який виступає у розчинний міжмембранний простір мітохондрій

Структура комплексу сукцинатдегідрогенази (Джерело: Zephyris в англійській мові Wikipedia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) через Wikimedia Commons)

Будова гідрофільної частини

Гідрофільна головка складається з субодиниць SdhA (70 kDa) і SdhB (27 kDa) (Sdh1 і Sdh2 в дріжджах), і це включає каталітичний центр комплексу.

Субодиниці SdhA і SdhB містять окислювально-відновні коефіцієнти, які беруть участь у передачі електронів убіхінон (коензим Q10, молекула, що транспортує електрони між респіраторними комплексами I, II і III).

Субодиниця SdhA має кофактор FAD (кофермент, який бере участь в окислювально-відновних реакціях), ковалентно приєднаний до своєї структури, прямо в місці зв'язування сукцинату (основний субстрат ферменту).

Субодиниця SdhB має 3 залізо-сірчані (Fe-S) центри, які опосередковують передачу електронів убіхінону. Один з центрів, 2Fe-2S, знаходиться поруч з FAD-сайтом підрозділу SdhA, а інші (4Fe-4S і 3Fe-4S) примикають до першого.

Зокрема, структурні дослідження показують, що субодиниця SdhB утворює взаємозв'язок між гідрофільним каталітичним доменом та мембранним «прив’язним» (гідрофобним) доменом комплексу.

Будова гідрофобної частини

Мембранний домен комплексу, як зазначено, складається з субодиниць SdhC (15 кДа) і SdhD (12-13 кДа) (Sdh3 і Sdh4 в дріжджах), які є інтегральними білками мембрани, кожна з яких утворена 3 трансмембранними спіралями. .

Цей домен містить ділянку b гема, приєднану на інтерфейсі між субодиницями SdhC і SdhD, де кожен забезпечує один з двох гістидинових лігандів, які утримують їх разом.

У цьому ферменті було виявлено два сайти зв'язування убихінону: один з високою спорідненістю та інший із низькою спорідненістю.

Сайт високої спорідненості, відомий як Qp (p для проксимальних), стикається з мітохондріальною матрицею і складається з специфічних амінокислотних залишків, розташованих у підрозділах SdhB, SdhC і SdhD.

Місце низької спорідненості, яке також називають Qd (d для дистального), знаходиться у ділянці внутрішньої мітохондріальної мембрани, куди вставляється комплекс, ближче до міжмембранного простору, тобто далі від матриці органели.

В цілому загальний комплекс має молекулярну масу, близьку до 200 кДа, і було визначено співвідношення 4,2-5,0 наномолів флавіну на кожен міліграм білка і 2-4 г заліза на кожен моль флавіна.

Функція

Ферментативна комплексна сукцинатна дегідрогеназа відіграє важливу роль у мітохондріях, оскільки вона не лише бере участь у циклі Кребса (де вона бере участь у деградації ацетил-КоА), але також є частиною дихального ланцюга, необхідного для виробництва енергії у формі АТФ.

Іншими словами, це ключовий фермент для проміжного метаболізму та виробництва аеробних АТФ.

- Він відповідає за окислення сукцинату до фумарату в циклі лимонної кислоти

- живить комплекс III транспортного ланцюга електронів електронами, отриманими в результаті окислення сукцинату, що сприяє зниженню кисню та утворенню води

- Транспорт електронів створює електрохімічний градієнт по внутрішній мітохондріальній мембрані, що сприяє синтезу АТФ

В якості альтернативи, електрони можуть бути використані для відновлення молекул з пулу убихінону, виробляючи відновлювальні еквіваленти, необхідні для зменшення аніонів супероксиду, що походять з тієї ж дихальної ланцюга або які надходять із екзогенних джерел.

Сукцинатний дегідрогеназний комплекс (Джерело: Johnhfst / Громадське надбання, через Wikimedia Commons)

Як це працює?

Субодиниця комплексу (та, ковалентно пов'язана з коферментом FAD) зв'язується з субстратами, фумаратом і сукцинатом, а також з їх фізіологічними регуляторами, оксалоацетатом (конкурентним інгібітором) та АТФ.

АТФ витісняє зв’язок між оксалоацетатом і комплексом SDH, а потім електрони, які "передаються" від сукцинату до субодиниці SdhA, передаються групам атомів заліза і сірки, присутніх в субодиниці SdhB. коензим FAD.

Із субодиниці B ці електрони досягають ділянок гема b субодиниць SdhC і SdhD, звідки їх "доставляють" до коензимів хінону через їх ділянки зв'язування хінону.

Потік електронів від сукцинату через ці транспортери та до кінцевого акцептора, який є киснем, поєднується з синтезом 1,5 молекул АТФ для кожної пари електронів через фосфорилювання, пов'язане з дихальним ланцюгом.

Дефекти ферменту

Повідомлялося, що мутації гена, що кодує субодиницю комплексу сукцинатдегідрогенази, викликають енцефалопатії в грудному віці, тоді як мутації в генах, що кодують субодиниці B, C і D, були пов'язані з пухлинним утворенням.

Регулювання

Активність комплексу сукцинатдегідрогенази можна регулювати за допомогою посттрансляційних модифікацій, таких як фосфорилювання та ацетилювання , хоча інгібування активного сайту також може відбуватися.

Ацетилювання деяких залишків лізину може знизити активність цього ферменту, і цей процес здійснюється ферментом деацетилази, відомим як SIRT3; фосфорилювання має однаковий вплив на фермент.

На додаток до цих модифікацій комплекс SDH також регулюється проміжними сполуками циклу Кребса, зокрема оксалоацетатом та сукцинатом . Оксалоацетат є потужним інгібітором, в той час як сукцинат сприяє дисоціації оксалоацетату, функціонуючи як активатор.

Дефіцит дефідрогенази в сукцинації

Дефіцит сукцинатної дегідрогенази - це порушення або розлад дихального ланцюга мітохондрій. Цей дефіцит викликаний мутаціями генів SDHA (або SDHAF1), SDHB, SDHC та SDHD.

Різні дослідження показали гомозиготну та гетерозиготну мутації в цих генах, особливо SDHA. Мутації в цих генах викликають заміщення амінокислот у білку (у будь-якій з субодиниць SDHA, B, C або D) або іншим чином кодують аномально короткі білки.

Отже, заміщення амінокислот та аномально короткі кодування білка призводять до порушень або змін ферменту SDH, що спричиняє невдачу оптимальної здатності мітохондрій виробляти енергію. Саме це вчені називають розладом дихального ланцюга мітохондрій.

Цей розлад може виражатися фенотипічно у людини різними способами. Найбільш відомими є: дефіцит або відсутність розвитку мови, спастична квадриплегія, мимовільні скорочення м’язів (дистонія), м'язова слабкість та кардіоміопатії, серед інших суміжних проблем.

Деякі пацієнти з дефіцитом сукцинатдегідрогенази можуть розвинути хворобу Лей або синдром Кірнс-сайра.

Як виявляється дефіцит сукцинату дегідрогену?

Окремі дослідження передбачають використання якісних гістохімічних тестів та аналізів, а також кількісних, ферментативних біохімічних аналізів дихального ланцюга. Інші, зі свого боку, пропонують повну ампліфікацію за допомогою ланцюгової реакції полімерази (ПЛР) екзонів досліджуваних субодиниць, а потім, відповідної послідовності.

Цикл трикарбонової кислоти (цикл Кребса). Знято та відредаговано з: Нараянезе, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (перекладено на іспанську мову Алехандро Порто).

Супутні захворювання

Існує велика кількість фенотипічних експресій, що утворюються порушенням респіраторного ланцюга мітохондрій, через дефіцит сукцинатдегідрогенази. Однак, якщо мова йде про синдроми або захворювання, то обговорюється наступне.

Синдром Лей

Це прогресуюче неврологічне захворювання, пов'язане з мутаціями ядерного геному (в даному випадку сукцинатдегідрогенази), які впливають на комплекс піруват-дегідрогенази аж до шляху окисного фосфорилювання.

Симптоми з’являються до першого року у людини, але в атипових випадках перші симптоми спостерігаються в підлітковому віці.

Серед найбільш часто спостерігаються симптомів: гіпотонія зі втратою кефального контролю, мимовільні рухи, періодична блювота, проблеми з диханням, неможливість переміщення очного яблука, пірамідальні та екстрапірамідні ознаки серед інших. Судоми не дуже поширені.

Цілком можливо, що захворювання можна виявити при внутрішньоутробних діагнозах. Не існує відомого лікування або специфічного лікування, але деякі фахівці пропонують лікування певними вітамінами або кофакторами.

Стромальна пухлина шлунково-кишкового тракту (ГІСТ)

Зазвичай називається GIST, це тип пухлини шлунково-кишкового тракту, яка зазвичай розвивається в таких областях, як шлунок або тонка кишка. Вважається, що причина цього пов'язана з певною групою високоспеціалізованих клітин, які називаються клітинами ICC або інтерстиціальними клітинами Cajal.

Інші міркування щодо причини ГІСТ - це мутації в певних типах генів, які, на думку деяких авторів, викликають 90% пухлин. Залучені гени: KIT, PDGFRA, гени сукцинатдегідрогенази (SDH) - дефіцитні.

Сукцинатна дегідрогеназа (СДГ) - дефіцитна, виникає переважно у молодих жінок, виробляє пухлини в шлунку і порівняно часто метастазує в лімфатичні вузли. Невеликий відсоток зустрічається у дітей і в більшості випадків це пов’язано з недостатньою експресією субодиниці SDHB.

Синдром Кірнс-Сейра

Визначено, що деякі пацієнти з дефіцитом сукцинатдегідрогенази можуть проявляти синдром Кірнс-Сейра. Це захворювання пов'язане з порушеннями мітохондрій, і характеризується відсутністю руху очних яблук.

Інші особливості цього захворювання - це пігментна ретиніт, глухота, кардіоміопатія та розлади центральної нервової системи. Ці симптоми, як правило, спостерігаються до досягнення пацієнтом 20 років. Пренатальний діагноз щодо цього стану не відомий.

Також не відомо жодного ліку від цієї хвороби. Лікування є паліативним, тобто працює лише на зменшення наслідків хвороби, а не на її вилікування. З іншого боку, хоча це залежить від кількості уражених органів та отриманої медичної допомоги, тривалість життя відносно нормальна.

Список літератури

1. Ackrell, BA, Kearney, EB, & Singer, TP (1978). Сукцинатна дегідрогеназа ссавців. В Методах ензимології (т. 53, с. 466-483). Академічна преса.
2. Brière, JJ, Favier, J., Ghouzzi, VE, Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, AP, & Rustin, P. (2005). Дефіцит децидрогенази у людини. Науки про клітинне та молекулярне життя CMLS, 62 (19-20), 2317-2324.
3. Чечіні, Г., Шредер, І., Гунсал, Р. П., і Маклашина, Е. (2002). Сукцинатна дегідрогеназа та фумаратредуктаза з Escherichia coli. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -біоенергетика, 1553 (1-2), 140-157.
4. Hatefi, Y., & Davis, KA (1971). Сукцинатна дегідрогеназа. I. Очищення, молекулярні властивості та підструктура. Біохімія, 10 (13), 2509-2516.
5. Hederstedt, LARS, & Rutberg, LARS (1981). Сукцинатна дегідрогеназа - порівняльний огляд. Мікробіологічні огляди, 45 (4), 542.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
7. Rutter, J., Winge, DR, & Schiffman, JD (2010). Сукцинатна дегідрогеназа - збірка, регуляція та роль у хворобі людини. Мітохондріон, 10 (4), 393-401.