Succinat dehydrogenase

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. december 2021; checks kræver 3 redigeringer .
Succinat dehydrogenase
Identifikatorer
Kode KF 1.3.5.1
CAS nummer 9028-11-9
Enzymdatabaser
IntEnz IntEnz visning
BRENDA BRENDA indgang
ExPASy NiceZyme udsigt
MetaCyc metabolisk vej
KEGG KEGG indgang
PRIAM profil
FBF strukturer RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gen-ontologi AmiGO  • EGO
Søg
PMC artikler
PubMed artikler
NCBI NCBI proteiner
CAS 9028-11-9
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Succinatdehydrogenase eller succinat-ubiquinonoxidoreduktase , også kendt som kompleks II  , er et proteinkompleks placeret i den indre membran af mitokondrier og membranerne af mange prokaryote organismer. Samtidig deltager det i tricarboxylsyrecyklussen og den respiratoriske kæde af elektrontransport .

I det sjette trin af tricarboxylsyrecyklussen katalyserer succinatdehydrogenase oxidationen af ​​succinat til fumarat , hvilket reducerer ubiquinon til ubiquinol [1] .

Historie

I 1910 opdagede videnskabsmanden Tanberg, at isoleret muskelvæv fra dyr er i stand til at oxidere succinat ( ravsyre ) [2] , hvoraf det blev konkluderet, at der er et enzym til at udføre denne reaktion. Et ukendt enzym, senere identificeret som succinatdehydrogenase, har været genstand for aktiv forskning siden 1950'erne, hvor bioenergetik blev født på toppen af ​​en aktivt udviklende biokemi og forskning i cellulær respiration . I 1954 var den amerikanske videnskabsmand Thomas P. Singer den første til at isolere renset succinatdehydrogenase i form af en opløsning [3] . Tilgængeligheden af ​​en opløselig form af enzymet markerede et gennembrud i forskningen, og i løbet af de næste femten år blev alle hovedkomponenter af succinatdehydrogenasekomplekset identificeret. Fra tidlige undersøgelser af den opløselige form blev det forstået, at dette protein indeholdt jern og flavin . Succinatdehydrogenase var det første protein, der blev undersøgt med et kovalent bundet flavinadenindinukleotid . Derudover indeholdt enzymet labile svovlatomer [4] .

I 1959, umiddelbart efter opdagelsen af ​​coenzym Q , isolerede Ziegler og Doik succinatdehydrogenase, som var opløst i cholsyre , indeholdt flavin, jern og hæm og kunne reducere coenzym Q. Disse resultater var fundamentalt forskellige fra dem, der blev opnået i undersøgelsen af vandopløselig succinatdehydrogenase, som ikke indeholdt hæm og ikke kunne reducere coenzym Q. Den resulterende kontrovers gav anledning til en voldsom debat om rigtigheden og kvaliteten af ​​isolationsprocedurer og mulig kontaminering, som fortsatte indtil begyndelsen af ​​1970'erne. I begyndelsen af ​​60'erne blev der dannet en idé om elektrontransportens respiratoriske kæde , og som et resultat af eksperimenterne var det i 1962 muligt at isolere de første tre respiratoriske komplekser. Komplekset med succinatdehydrogenaseaktivitet isoleret fra mitokondrier blev kaldt respiratorisk kompleks II og blev noget senere identificeret med den vandopløselige succinatdehydrogenase. Det skal bemærkes, at det var muligt på overbevisende måde at påvise tilstedeværelsen af ​​jern-svovlklynger i succinatdehydrogenase og bestemme deres struktur kun 30 år efter dets isolering. Dette blev opnået med fremkomsten af ​​nye EPR -teknikker , der blev testet på dette enzym [4] .

Strukturel organisering af kompleks II

Monomeren af ​​kompleks II i mitokondrierne hos pattedyr , protozoer , svampe og mange bakterier består af fire underenheder kodet af det nukleare genom: to hydrofile og to hydrofobe . Molekylvægten af ​​den komplette monomer varierer ifølge forskellige data fra ~125 kDa [1] til ~140 kDa [5] . To hydrofile underenheder vender mod matrixen. A-underenheden er et flavoprotein , og B-underenheden bærer et jern-svovlprotein. Underenhed A har en kovalent bundet FAD og et succinatbindingssted , og B har tre jern-svovl-klynger: [2Fe-2S], [4Fe-4S] og [3Fe-4S]. Hos mennesker er underenhed A repræsenteret af to isoformer (underenheder type I og II), disse isoformer findes også i Ascaris suum og Caenorhabditis elegans [6] . Hydrofobe underenheder C og D er transmembrane proteiner. Sammen danner de cytochrom b 560 , hvor hæm b og ubiquinon - bindingsstedet er placeret i seks transmembrane α-helixer . To fosfolipidmolekyler , et cardiolipin og et fosfatidylethanolamin , som udfylder det hydrofobe rum mellem C- og D-underenhederne under hæm b [7] .

Kompleks II interagerer ikke med andre komplekser i elektronrespirationskæden og er ikke en del af de supramolekylære komplekser - respiraser . Ikke desto mindre er det blevet vist i menneske- og rottevævskulturer, såvel som væv opnået fra hele organismer, at kompleks II kan danne en katalytisk aktiv højmolekylær form fra en række komplekser med molekylvægte fra 500 til 1000 kDa i intakte væv og fra 400 til 670 kDa i cellekulturer [5] .

Meget mindre er kendt om kompleks II i planter , og den dag i dag er det stadig et af de mest uudforskede komplekser af plantemitokondrier. Nylige eksperimenter på dets isolering fra Arabidopsis og dets undersøgelse ved hjælp af blå naturlig elektroforese viste, at det i planter tilsyneladende består af otte underenheder, hvoraf fire er identiske med underenhederne af det sædvanlige kompleks II, og fire plantespecifikke og ikke er findes i mitokondrierne i andre eukaryoter. Lignende resultater blev opnået for kartofler [8] .

Underenhedstabel [9]
ingen. Underenhed humant protein Molekylmasse Pfam proteinfamilie
en SDHA SDHA_HUMAN 72 kDa Pfam PF00890 , Pfam PF02910
2 SdhB SDHB_HUMAN 30 kDa Pfam PF13085 , Pfam PF13183
3 sdhc CDHB_HUMAN 18 kDa Pfam PF01127
fire SDHD DHSD_HUMAN 15 kDa Pfam PF05328

Ubiquinon-bindingssted

Ubiquinon- bindingsstedet er placeret i fordybningen dannet af underenheder B, C og D. Her stabiliseres ubiquinon af sidegrupperne histidin -207 underenhed B, serin -27 og arginin -31 underenhed C og tyrosin -83 underenhed D. Quinonringen er omgivet af isoleucin -28 underenhed C og prolin -160 underenhed B. Disse aminosyrerester danner sammen med isoleucin -209, tryptophan -163 og tryptophan -164 underenhed B og serin-27 underenhed C en hydrofobt miljø i quinonbindingslommen [ 10] .

Succinatbindingssted

A-underenheden har et sted til at binde og oxidere succinat. Tyrosin-254-, histidin-354- og arginin-399- sidegrupperne i denne underenhed stabiliserer succinatmolekylet, mens FAD oxiderer og donerer elektroner til den første jern-svovl-klynge [2Fe-2S] [11] .

Redox-centre

Succinatbindingsstedet og ubiquinonbindingsstedet er forbundet med en kæde af redoxcentre bestående af FAD og tre jern-svovlklynger . Denne kæde strækker sig 40 Å gennem hele enzymets krop. Den omtrentlige afstand mellem cofaktorer overstiger ikke den fysiologiske grænse for elektronoverførsel på 14 Å [7] .

Reaktionsmekanisme

Complex II oxiderer succinat til fumarat og reducerer ubiquinon :

Succinat + Q → Fumarat + QH 2

Elektroner fra succinat overføres først til FAD og derefter gennem Fe-S klynger til Q. Elektrontransporten i komplekset er ikke ledsaget af generering af en protongradient . 2H + dannet under oxidationen af ​​succinat forbliver på samme side af membranen, det vil sige i matrixen , og reabsorberes derefter under reduktionen af ​​quinon. Kompleks II bidrager således ikke til dannelsen af ​​en protongradient over membranen og fungerer kun som en elektronbærer fra succinat til ubiquinon [12] [13] .

Oxidation af succinat

Lidt er kendt om den nøjagtige mekanisme for succinatoxidation. Røntgendiffraktionsanalyse afslørede, at FAD , glutamat -255, arginin -286 og histidin -242 underenhed A kan være kandidater til deprotoneringsreaktionen. Der er to mulige mekanismer for denne eliminationsreaktion : E2 og E1cb. I tilfældet med E2 er dette en forhandlingsmekanisme. Hovedresterne eller cofaktoren deprotonerer alfa-carbonet, og FAD accepterer en hydrid -anion fra beta-carbonet, der oxiderer succinat til fumarat  - se fig. 1. I tilfælde af E1cb-mekanismen, før FAD vedhæfter hydrid-anionen, dannes enolformen af ​​succinat, som vist i fig. 2. For at bestemme, hvilken mekanisme der rent faktisk finder sted, kræves yderligere undersøgelser af succinatdehydrogenase.

Efter afslutning af reaktionen dissocieres fumaratet , som er løst bundet til enzymets aktive sted, let. Der er data, hvoraf det følger, at det cytosoliske substratbindende domæne af succinatdehydrogenase undergår konformationelle ændringer: efter at produktet forlader, er enzymet i en åben form, og efter at have bundet et nyt substrat, går det over i en lukket tilstand og lukker tæt. omkring det [14] .

Elektronoverførsel

Som et resultat af succinatoxidation overføres dets elektroner til FAD og overføres derefter langs kæden af ​​jern-svovlklynger fra [Fe-S]-klyngen til [3Fe-4S]. Der overføres disse elektroner til et ubiquinon- molekyle, der venter på bindingsstedet .

Gendannelse af ubiquinon

I det aktive sted er ubiquinon stabiliseret af hydrogenbindinger mellem dets carbonyloxygenatom i den første position og tyrosin -83 i D-underenheden. Overførslen af ​​elektroner til jern-svovl-klyngen [3Fe-4S] får ubiquinon til at bevæge sig til en anden stilling. Som et resultat dannes der en anden hydrogenbinding mellem carbonylgruppen i ubiquinon i den fjerde position og serin-27 i underenhed C. Efter at ubiquinonen accepterer den første elektron under reduktionsprocessen, bliver den til den aktive radikal semiquinon , som, efter binding af den anden elektron fra klyngen [3Fe-4S] fuldstændig reduceret til ubiquinol . Den komplette ubiquinongendannelsesmekanisme er vist i figur 3 [15] .

Gem b

Selvom den nøjagtige funktion af hæmsuccinatdehydrogenase stadig ikke er kendt, hævder nogle forskere, at den første elektron til ubiquinon via [3Fe-4S] hurtigt kan bevæge sig frem og tilbage mellem hæmen og bundet ubiquinon. Hæm spiller således rollen som en vask for elektroner, hvilket forhindrer deres interaktion med molekylært oxygen, hvilket ville føre til dannelsen af ​​reaktive oxygenarter .

Der er også en antagelse om, at for at forhindre elektronen i at falde direkte fra [3Fe-4S]-klyngen til hæm, fungerer en speciel gate-mekanisme. En sandsynlig gate-kandidat er underenhed B histidin -207, som er placeret lige mellem jern-svovl-klyngen og hæmen, ikke langt fra bundet ubiquinon; den kan sandsynligvis styre strømmen af ​​elektroner mellem disse redoxcentre [15] .

Inhibitorer

Der er to klasser af komplekse II-hæmmere: nogle blokerer succinatbindingslommen og andre blokerer ubiquinolbindingslommen . Hæmmere, der efterligner ubiquinol, omfatter carboxin og thenoyltrifluoracetone . Succinat-analoghæmmere omfatter den syntetiske forbindelse malonat . Interessant nok er oxaloacetat en af ​​de stærkeste hæmmere af kompleks II. Hvorfor en almindelig citronsyrecyklusmetabolit hæmmer kompleks II, er stadig uklart, selvom det foreslås, at det således kan spille en beskyttende rolle ved at minimere den omvendte elektrontransport i kompleks I , hvilket resulterer i dannelsen af ​​superoxid [16] .

Ubiquinol-lignende hæmmere er blevet brugt som fungicider i landbruget siden 1960'erne. For eksempel er carboxin hovedsageligt blevet brugt til sygdomme forårsaget af basidiomycetes , såsom stilkrust og sygdomme forårsaget af Rhizoctonia . For nylig er de blevet erstattet af andre forbindelser med en bredere vifte af undertrykte patogener. Disse forbindelser omfatter boscalid , penthiopyrad og fluopyram [17] . Nogle landbrugsmæssigt vigtige svampe er ikke modtagelige for denne nye generation af inhibitorer [18] .

Rolle i sygdomme

Den fundamentale rolle af succinatdehydrogenase i den mitokondrielle elektrontransportkæde gør den afgørende for de fleste flercellede organismer , sletning af generne for dette enzym fra genomet er dødelig, hvilket er blevet vist i tidlige museembryoner.

Pattedyrsuccinatdehydrogenase er ikke kun involveret i energigenerering i mitokondrier, men spiller også en rolle i cellens iltfølsomhed og tumorundertrykkelse; nu er disse egenskaber genstand for nærmere undersøgelse [19] [20] .

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , s. 239.
  2. ↑ T. Thunberg, Skand. Arch. physiol. , 24 (1910) 23; 41 (1920)1
  3. ↑ Singer, TP, Kearney, EB og Kenney, W. C. Succinate Dehydrogenase, i Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology / red. A. Meister. - New York, USA.: John Wiley & Sons , Inc., 1973. - Vol. 37. - (fremskridt inden for enzymologi - og beslægtede områder af molekylærbiologi). — ISBN 9780470122822 . Arkiveret 30. maj 2016 på Wayback Machine
  4. ↑ 1 2 Handbook of Flavoproteins: Volume 2 Complex Flavoproteins, Dehydrogenases and Physical Methods / redigeret af Russ Hille, Susan Miller, Bruce Palfey. - 1 udgave. — Berlin: Walter de Gruyter & Co, 30. jun. 2013. - Bd. 2. - S. 141-143. — 436 s. — ISBN 978-3110298284 . Arkiveret 1. juni 2016 på Wayback Machine
  5. ↑ 1 2 Kovářová, N., Mráček, T., Nůsková, H., Holzerová, E., Vrbacký, M., Pecina, P., Hejzlarová, K., Kľučková, K., Rohlena, J., Neuzil, J., Houštěk, J. Højmolekylære former for pattedyrs respiratoriske kædekompleks II  (engelsk)  // PLoS ONE  : tidsskrift. - 2013. - August ( bind 8 , nr. 8 ). — P.e71869 . - doi : 10.1371/journal.pone.0071869 .
  6. ↑ Tomitsuka E., Hirawake H., Goto Y., Taiwaki M., Harada S., Kita K. Direkte beviser for to forskellige former for flavoprotein-underenheden af ​​humant mitokondriekompleks II (succinat-ubiquinonreduktase  )  / / J. Biochem : journal. - 2003. - Bd. 134 , nr. 2 . - S. 191-195 . - doi : 10.1093/jb/mvg144 . — PMID 12966066 .
  7. ↑ 1 2 Yankovskaya V., Horsefield R., Törnroth S., et al. Arkitektur af succinatdehydrogenase og generering af reaktive oxygenarter  (engelsk)  // Science : journal. - 2003. - Januar ( bind 299 , nr. 5607 ). - S. 700-704 . - doi : 10.1126/science.1079605 . — PMID 12560550 .
  8. ↑ A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun. Mitokondriel cytochrom med oxidase- og succinatdehydrogenasekomplekser indeholder plantespecifikke underenheder.  (engelsk)  // Plant Mol Biol: tidsskrift. - 2004. - September ( bind 56 , nr. 1 ). - S. 77-90 . — PMID 15604729 .
  9. ↑ Sun F., Huo X., Zhai Y., Wang A., Xu J., Su D., et al. Krystalstruktur af mitokondriel respiratorisk membranproteinkompleks II.  (engelsk)  // Cell  : journal. - Cell Press , 2005. - Vol. 121 , nr. 7 . - S. 1043-1057 . - doi : 10.1016/j.cell.2005.05.025 . — PMID 15989954 .
  10. ↑ Horsefield R., Yankovskaya V., Sexton G., et al. Strukturel og beregningsmæssig analyse af quinonbindingsstedet for kompleks II (succinat-ubiquinonoxidoreduktase): en mekanisme for elektronoverførsel og protonledning under ubiquinonreduktion  //  J. Biol. Chem.  : journal. - 2006. - Marts ( bd. 281 , nr. 11 ). - P. 7309-7316 . - doi : 10.1074/jbc.M508173200 . — PMID 16407191 .
  11. ↑ Kenney WC Reaktionen af ​​N-ethylmaleimid på det aktive sted af succinatdehydrogenase  //  J. Biol. Chem.  : journal. - 1975. - April ( bind 250 , nr. 8 ). - S. 3089-3094 . — PMID 235539 .
  12. ↑ Nelson, Cox, 2012 , s. 331-333.
  13. ↑ Ermakov, 2005 , s. 240.
  14. ↑ T.M. Iverson. Katalytiske mekanismer af komplekse II-enzymer: Et strukturelt perspektiv  //  ​Biochimica et Biophysica Acta : journal. - 2013. - Maj ( bd. 1827 , nr. 5 ). - s. 648-657 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.09.008 .
  15. ↑ 1 2 Tran QM, Rothery RA, Maklashina E., Cecchini G., Weiner JH Kinonbindingsstedet i Escherichia coli succinatdehydrogenase er påkrævet for elektronoverførsel til hæmen b  //  J. Biol. Chem.  : journal. - 2006. - Oktober ( bind 281 , nr. 43 ). - P. 32310-32317 . - doi : 10.1074/jbc.M607476200 . — PMID 16950775 .
  16. ↑ Muller FL, Liu Y., Abdul-Ghani MA, et al. Høje hastigheder af superoxidproduktion i skeletmuskel-mitokondrier, der respirerer på både komplekse I- og komplekse II-forbundne substrater   // Biochem . J. : journal. - 2008. - Januar ( bind 409 , nr. 2 ). - S. 491-499 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . — PMID 17916065 .
  17. ↑ Avenot HF, Michailides TJ,. Fremskridt med at forstå molekylære mekanismer og udvikling af resistens over for succinatdehydrogenasehæmmende (SDHI) fungicider i fytopatogene svampe  //  Crop Protection : journal. - 2010. - Bd. 29 , nr. 7 . — S. 643 . - doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019 .
  18. ↑ Dubos T., Pasquali M., Pogoda F., Casanova AL, Hoffmann L., Beyer M.,. Forskelle mellem succinatdehydrogenasesekvenserne af isopyrazam-følsomme Zymoseptoria tritici og ufølsomme Fusarium graminearum-stammer  //  Pesticide Biochemistry and Physiology: journal. - 2013. - Bd. 105 . — S. 28 . - doi : 10.1016/j.pestbp.2012.11.004 .
  19. ↑ Bardella Chiara , Pollard Patrick J. , Tomlinson Ian. SDH mutationer i cancer  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2011. - November ( vol. 1807 , nr. 11 ). - S. 1432-1443 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.003 .
  20. ↑ Yang Ming , Pollard Patrick J. Succinate: En ny epigenetisk hacker  // Cancer Cell. - 2013. - Juni ( bind 23 , nr. 6 ). - S. 709-711 . — ISSN 1535-6108 . - doi : 10.1016/j.ccr.2013.05.015 .

Litteratur

  • Plantefysiologi / Udg. I. P. Ermakova. - M . : Akademiet, 2005. - 634 s.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger's Fundamentals of Biochemistry. Bioenergetik og stofskifte. = Leninger Principles of Biochemistry. — Binom. Videnslaboratoriet, 2012. - Vol. 2. - 692 s. — (Den bedste udenlandske lærebog). — ISBN 978-5-94774-365-4 .
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier