SUKCINANTNA DEHIDROGENAZA: ZGRADBA, DELOVANJE, REGULACIJA, BOLEZNI - BIOLOGIJA - 2025

S ucinato dehidrogenaza ( SDH ), znan tudi kot kompleks II transportne verige elektronov, je mitohondrijski beljakovinski kompleks z encimsko aktivnostjo, ki deluje tako po Krebsovem ciklu kot elektronski transportni verigi (celično dihanje).

To je encim, ki je prisoten v vseh aerobnih celicah. Pri evkariotih je kompleks tesno povezan z notranjo mitohondrijsko membrano, v prokariotih pa v plazemski membrani.

Splošna shema kompleksa mitohondrijske sukcinatne dehidrogenaze (Vir: Sebe, ki temelji na vektorizaciji Fvasconcellos. / Javna domena, prek Wikimedia Commons)

Kompleks sukcinatne dehidrogenaze, ki sta ga odkrila okoli leta 1910 in prvič očistila leta 1954 Singer in Kearney, je bil iz več razlogov natančno proučen:

- deluje tako v ciklu Krebsa (cikel citronske kisline ali cikla trikarboksilne kisline) kot v verigi prenosa elektronov (katalizira oksidacijo sukcinata v fumarat)

- njegovo delovanje uravnavajo različni aktivatorji in inhibitorji in

- je kompleks, povezan z: železo, ki ni vezano na hemsko skupino, labilno žveplo in flavin adeninski dinukleotidi (FAD)

Zakodiran je z jedrskim genomom in dokazano je, da mutacije v štirih genih, ki kodirajo vsako od njegovih podenot (A, B, C in D), povzročajo različne klinične slike, torej s stališča so lahko precej negativne fizične celovitosti človeških bitij.

Struktura

Encimski kompleks sukcinatne dehidrogenaze sestavljajo štiri podenote (heterotetramer), kodirane z jedrskim genomom, zaradi česar je edini oksidativni kompleks fosforilacije v elektronski transportni verigi, ki nima podenot, kodiranih z mitohondrijskim genomom.

Poleg tega je ta kompleks edini, ki med katalitičnim delovanjem ne črpa protonov skozi notranjo mitohondrijsko membrano.

Glede na študije, izvedene na osnovi encimskega kompleksa prašičjih srčnih celic, kompleks sukcinat dehidrogenaze sestavljajo:

- hidrofilna „ glava “, ki sega od notranje mitohondrijske membrane v mitohondrijski matriks in

- hidrofobni " rep ", ki je vgrajen v notranjo mitohondrijsko membrano in ima majhen segment, ki štrli v topni medmembranski prostor mitohondrije

Zgradba kompleksa sukcinatne dehidrogenaze (Vir: Zephyris v angleškem jeziku Wikipedia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) prek Wikimedia Commons)

Struktura hidrofilnega dela

Hidrofilna glava je sestavljena iz podenot SdhA (70 kDa) in SdhB (27 kDa) (Sdh1 in Sdh2 v kvasu), kar vključuje katalitično središče kompleksa.

Podenota SdhA in SdhB vsebuje redoks kofaktorje, ki sodelujejo pri prenosu elektronov proti ubikinonu (koencim Q10, molekula, ki prevaža elektrone med respiratornimi kompleksi I, II in III).

Podenota SdhA ima kofaktor FAD (koencim, ki sodeluje v oksidacijsko-redukcijskih reakcijah), kovalentno vezan na njegovo strukturo, tik na mestu vezave za sukcinat (glavni substrat encima).

Podenota SdhB ima 3 železo-žveplove (Fe-S) centre, ki posredujejo pri prenosu elektronov v ubikinon. Eno od središč, 2Fe-2S, je blizu mesta FAD podenote SdhA, druga (4Fe-4S in 3Fe-4S) pa poleg prvega.

Zlasti strukturne študije kažejo, da podenota SdhB tvori vmesnik med hidrofilno katalitično domeno in membransko "sidrno" (hidrofobno) domeno kompleksa.

Struktura hidrofobnega dela

Kot je navedeno, membranska domena kompleksa sestavljata podenota SdhC (15 kDa) in SdhD (12-13 kDa) (Sdh3 in Sdh4 v kvasovkah), ki sta integralni membranski protein, vsak od njiju pa tvorjen s 3 transmembranskih vijačnic. .

Ta domena vsebuje del heme b, ki je pritrjen na vmesniku med podenotami SdhC in SdhD, kjer vsaka zagotavlja enega od dveh histidinskih ligandov, ki ju držita skupaj.

V tem encimu so odkrili dve mesti vezave za ubikinon: eno z visoko afiniteto in drugo z nizko afiniteto.

Mesto z visoko afiniteto, znano kot Qp (p za proksimalno), se sooča z mitohondrijsko matrico in je sestavljeno iz specifičnih aminokislinskih ostankov, lociranih v podenotah SdhB, SdhC in SdhD.

Mesto z nizko afiniteto, imenovano tudi Qd (d za distalno), je na delu notranje mitohondrijske membrane, kamor je vstavljen kompleks, bližje medmestnemu prostoru, torej dlje od matrice organele.

Kot celota ima skupni kompleks molekulsko maso blizu 200 kDa in določeno je, da ima razmerje 4,2-5,0 nanomolov flavina na vsak miligram beljakovin in 2-4 g železa na vsak mol flavina.

Funkcija

Encim kompleksna sukcinatna dehidrogenaza izpolnjuje pomembno funkcijo v mitohondrijih, saj ne sodeluje samo v Krebsovem ciklu (kjer sodeluje pri razgradnji acetil-CoA), ampak je tudi del dihalne verige, ki je bistvena za proizvodnjo energije v obliki ATP.

Z drugimi besedami, je ključni encim za vmesni metabolizem in aerobno proizvodnjo ATP.

- odgovoren je za oksidacijo sukcinata do fumarata v ciklu citronske kisline

- napaja kompleks III elektronske transportne verige z elektroni, pridobljenimi z oksidacijo sukcinata, kar pomaga zmanjšati kisik in tvoriti vodo

- Elektronski transport ustvari elektrokemični gradient skozi notranjo mitohondrijsko membrano, kar daje prednost sintezi ATP

Lahko pa se elektroni uporabijo za zmanjšanje molekul iz bazena ubikinona, pri čemer nastajajo redukcijski ekvivalenti, potrebni za zmanjšanje anionov superoksida, ki izvirajo iz iste dihalne verige ali prihajajo iz eksogenih virov.

Succinate Dehydrogenase Complex (Vir: Johnhfst / Public domain, via Wikimedia Commons)

Kako deluje?

Podenota kompleksa (tista, ki je kovalentno vezana na koencim FAD) se veže na substrate, fumarata in sukcinata ter na njihove fiziološke regulatorje, oksaloacetat (konkurenčni zaviralec) in ATP.

ATP izpodriva vez med oksaloacetatom in kompleksom SDH, nato pa se elektroni, ki so "prešli" iz sukcinata v podenoto SdhA, prenesejo v skupine atomov železa in žvepla, prisotne v podenoti SdhB koencim FAD.

Iz podenote B ti elektroni dosežejo mesta heme b podenot SdhC in SdhD, od koder jih preko svojih mest vezave kinona "dostavijo" kinonskim koencimom.

Pretok elektrona od sukcinata skozi te transporterje in do končnega akceptorja, ki je kisik, je povezan s sintezo 1,5 ATP molekul za vsak par elektronov s pomočjo fosforilacije, povezane z dihalno verigo.

Okvare encima

Mutacije v genu, ki kodira A podenoto kompleksa sukcinatne dehidrogenaze, povzročajo encefalopatije v povojih, medtem ko so mutacije v genih, ki kodirajo podenote B, C in D, povezane s tvorbo tumorja.

Uredba

Aktivnost kompleksa sukcinatne dehidrogenaze lahko uravnavamo s post-translacijskimi modifikacijami, kot sta fosforilacija in acetilacija , čeprav lahko pride tudi do inhibicije aktivnega mesta.

Acetilacija nekaterih ostankov lizina lahko zmanjša aktivnost tega encima, postopek pa izvaja encim deacetilaza, znan kot SIRT3; fosforilacija ima enak učinek na encim.

Poleg teh modifikacij kompleks SDH urejajo tudi vmesni cikli Krebsove, natančneje oksaloacetat in sukcinat . Oksaloacetat je močan zaviralec, sukcinat pa spodbuja disociacijo oksaloacetata, ki deluje kot aktivator.

Pomanjkanje sukcinantne dehidrogenaze

Pomanjkanje sukcinatne dehidrogenaze je nenormalnost ali motnja dihalne verige mitohondrijev. To pomanjkanje povzročajo mutacije v genih SDHA (ali SDHAF1), SDHB, SDHC in SDHD.

Različne raziskave so pokazale homozigotne in heterozigotne mutacije v teh genih, zlasti SDHA. Mutacije v teh genih povzročajo substitucije aminokislin v proteinu (v kateri koli od podenot SDHA, B, C ali D) ali drugače kodirajo nenormalno kratke beljakovine.

Posledično substitucije aminokislin in nenormalno kratko kodiranje beljakovin vodijo do motenj ali sprememb encima SDH, kar povzroči neuspeh v optimalni zmožnosti mitohondrijev za proizvodnjo energije. Tako znanstveniki imenujejo motnjo dihalne verige mitohondrijev.

To motnjo lahko pri ljudeh izrazimo fenotipično na več načinov. Najbolj znani so: pomanjkanje ali pomanjkanje jezikovnega razvoja, spastična kvadriplegija, neprostovoljno krčenje mišic (distonija), mišična oslabelost in kardiomiopatije, med drugimi povezanimi težavami.

Nekateri bolniki s pomanjkanjem sukcinatne dehidrogenaze lahko razvijejo Leighovo bolezen ali Kearns-sairejev sindrom.

Kako se odkrije pomanjkanje dehidrogenskih sukcinatov?

Določene študije kažejo na uporabo kvalitativnih histokemijskih testov in analiz ter kvantitativnih, encimskih biokemijskih analiz dihalne verige. Drugi pa predlagajo popolno amplifikacijo s pomočjo verižne reakcije s polimerazo (PCR) eksonov podenot, ki se preučujejo, in nato ustreznega zaporedja.

Cikel trikarboksilne kisline (Krebsov cikel). Vzeto in urejeno iz: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (v španščino prevedel Alejandro Porto).

Sorodne bolezni

Obstaja veliko število fenotipskih izrazov, ki nastanejo zaradi motenj dihalne verige mitohondrijev zaradi pomanjkanja sukcinatne dehidrogenaze. Ko pa gre za sindrome ali bolezni, se obravnava naslednje.

Leigh sindrom

Gre za progresivno nevrološko bolezen, povezano z mutacijami v jedrskem genomu (v tem primeru sukcinat dehidrogenaze), ki vplivajo na kompleks piruvat-dehidrogenaze do oksidativne fosforilacijske poti.

Simptomi se pojavijo že pred prvim letom starosti posameznika, v netipičnih primerih pa so bili prvi simptomi opaženi v mladostništvu.

Med najpogosteje opažene simptome spadajo: hipotonija z izgubo cefaličnega nadzora, nehoteni premiki, ponavljajoče se bruhanje, težave z dihanjem, nezmožnost premikanja zrkla, piramidalni in ekstrapiramidni znaki. Krči niso zelo pogosti.

Možno je, da lahko bolezen odkrijemo v prenatalnih diagnozah. Zdravljenja ali specifičnega zdravljenja ni znano, vendar nekateri strokovnjaki predlagajo zdravljenje z določenimi vitamini ali kofaktorji.

Stromalni tumorji prebavil (GIST)

Običajno ga imenujemo GIST, gre za vrsto tumorja prebavil, ki se običajno razvije na področjih, kot so želodec ali tanko črevo. Verjamemo, da je vzrok za to določena skupina visoko specializiranih celic, imenovanih ICC celice ali intersticijske celice Cajala.

Drugi pomisleki glede vzroka GIST so mutacije v določenih vrstah genov, ki po mnenju nekaterih avtorjev povzročajo 90% tumorjev. Vključeni geni so: geni KIT, PDGFRA, sukcinat dehidrogenaze (SDH) - pomanjkljivi.

Sukcinantna dehidrogenaza (SDH) - primanjkuje, pojavlja se predvsem pri mladih ženskah, povzroča tumorje v želodcu in razmeroma pogosto metastazira v bezgavke. Majhen odstotek se pojavi pri otrocih in v večini primerov je posledica pomanjkanja izražanja podenote SDHB.

Kearns-Sayrejev sindrom

Ugotovljeno je bilo, da lahko nekateri bolniki s pomanjkanjem sukcinatne dehidrogenaze manifestirajo Kearns-Sayreov sindrom. Ta bolezen je povezana z mitohondrijskimi motnjami, značilna pa je odsotnost gibanja zrkel.

Druge značilnosti te bolezni so retinitis pigmentosa, gluhost, kardiomiopatija in motnje centralnega živčnega sistema. Ti simptomi so ponavadi opaženi, preden bolnik dopolni 20 let. Prenatalna diagnoza za to stanje ni znana.

Prav tako ni znano zdravilo za to bolezen. Zdravljenje je paliativno, torej deluje le tako, da zmanjša učinke bolezni, ne da je pozdravi. Po drugi strani pa je pričakovana življenjska doba razmeroma normalna, čeprav je odvisna od števila prizadetih organov in prejete zdravniške oskrbe.

Reference

1. Ackrell, BA, Kearney, EB, & Singer, TP (1978). Mamalska sukcinatna dehidrogenaza. V Metodah v encimologiji (Vol. 53, str. 466-483). Akademski tisk.
2. Brière, JJ, Favier, J., Ghouzzi, VE, Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, AP, & Rustin, P. (2005). Pomanjkanje sukcinantne dehidrogenaze pri človeku. Znanosti o celičnem in molekularnem življenju CMLS, 62 (19-20), 2317-2324.
3. Cecchini, G., Schröder, I., Gunsalus, RP, & Maklashina, E. (2002). Sukcinantna dehidrogenaza in fumarat reduktaza iz Escherichia coli. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetika, 1553 (1-2), 140-157.
4. Hatefi, Y., Davis, KA (1971). Sukcinantna dehidrogenaza. I. Čiščenje, molekularne lastnosti in podstruktura. Biokemija, 10 (13), 2509-2516.
5. Hederstedt, LARS in Rutberg, LARS (1981). Sukcinantna dehidrogenaza - primerjalni pregled. Mikrobiološki pregledi, 45 (4), 542.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
7. Rutter, J., Winge, DR, & Schiffman, JD (2010). Sukcinantna dehidrogenaza - sestavljanje, regulacija in vloga pri človeški bolezni. Mitohondrion, 10 (4), 393-401.