Dehydrogenaza bursztynianowa - Succinate dehydrogenase
| dehydrogenaza bursztynianowa (oksydoreduktaza bursztynianowo-ubichinonowa) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura SQR w błonie fosfolipidowej. SdhA , SdhB , SdhC i SdhD
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Nr WE | 1.3.5.1 | ||||||||
| Nr CAS | 9028-11-9 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
| Dehydrogenaza bursztynianowa | |
|---|---|
| Identyfikatory | |
| Symbol | Zespół oddechowy II |
| Nadrodzina OPM | 3 |
| Białko OPM | 1zoy |
| Membrana | 656 |
Dehydrogenazy bursztynianowe ( SDH ) lub bursztynian koenzym Q-reduktazy ( SQR ) lub oddechowego kompleks II jest enzym złożone w wielu bakteryjnych komórek oraz w wewnętrzną błonę mitochondrialną w komórkach eukariotycznych . Jest to jedyny enzym, który uczestniczy zarówno w cyklu kwasu cytrynowego, jak iw łańcuchu transportu elektronów . Analiza histochemiczna wykazująca wysoką dehydrogenazę bursztynianową w mięśniach wykazuje wysoką zawartość mitochondriów i wysoki potencjał oksydacyjny.
W etapie 6 w cyklu kwasu cytrynowego , SQR katalizuje się utlenianiu z bursztynianu do fumaranu z redukcji z koenzymu Q do ubichinolu . Dzieje się to w wewnętrznej błonie mitochondrialnej , łącząc ze sobą dwie reakcje.
Struktura
Podjednostki
SQR mitochondrialne i wiele bakterii składają się z czterech strukturalnie różnych podjednostek : dwóch hydrofilowych i dwóch hydrofobowych . Dwie pierwsze podjednostki, flawoproteina (SdhA) i białko żelazowo-siarkowe (SdhB), tworzą hydrofilową głowę, w której zachodzi aktywność enzymatyczna kompleksu. SdhA zawiera kowalencyjnie przyłączony kofaktor dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD) i miejsce wiązania bursztynianu, a SdhB zawiera trzy klastry żelazowo-siarkowe: [2Fe-2S], [4Fe-4S] i [3Fe-4S]. Drugie dwie podjednostki to hydrofobowe podjednostki kotwiczące błonę, SdhC i SdhD. Ludzkie mitochondria zawierają dwie odrębne izoformy SdhA (podjednostki Fp typu I i typu II), te izoformy występują również w Ascaris suum i Caenorhabditis elegans . Podjednostki tworzą związany z błoną kompleks cytochromu b z sześcioma helisami transbłonowymi zawierającymi jedną grupę hemu b i miejsce wiązania ubichinonu . Dwie cząsteczki fosfolipidów , jedna kardiolipina i jedna fosfatydyloetanoloamina , znajdują się również w podjednostkach SdhC i SdhD (nie pokazano na rysunku). Służą do zajmowania hydrofobowej przestrzeni poniżej hemu b. Te podjednostki są wyświetlane na załączonym obrazku. SdhA jest zielony, SdhB jest turkusowy, SdhC jest fuksja, a SdhD jest żółty. Wokół SdhC i SdhD znajduje się błona fosfolipidowa z przestrzenią międzybłonową u góry obrazu.
Tabela składu podjednostek
| Nie. | Nazwa podjednostki | Białko ludzkie | Opis białka od UniProt | Rodzina Pfam z ludzkim białkiem |
|---|---|---|---|---|
| 1 | SdhA | SDHA _CZŁOWIEK | Podjednostka flawoproteinowa dehydrogenazy bursztynianowej [ubichinon], mitochondrialna | Pfam PF00890 , Pfam PF02910 |
| 2 | SdhB | SDHB _CZŁOWIEK | Podjednostka żelazowo-siarkowa dehydrogenazy bursztynianowej [ubichinon], mitochondrialna | Pfam PF13085 , Pfam PF13183 |
| 3 | SdhC | C560_CZŁOWIEK | Podjednostka dehydrogenazy bursztynianowej cytochromu b560, mitochondrialna | Pfam PF01127 |
| 4 | SdhD | DHSD_CZŁOWIEK | Dehydrogenaza bursztynianowa [ubichinon] mała podjednostka cytochromu b, mitochondrialna | Pfam PF05328 |
Miejsce wiązania ubichinonu
Na ssaczych SDH można rozpoznać dwa różne miejsca wiązania ubichinonu – macierz proksymalna Q P i macierz dystalna Q D . Miejsce wiązania ubichinonu Qp, które wykazuje wyższe powinowactwo do ubichinonu, znajduje się w przerwie złożonej z SdhB, SdhC i SdhD. Ubichinon jest stabilizowany przez łańcuchy boczne His207 podjednostki B, Ser27 i Arg31 podjednostki C oraz Tyr83 podjednostki D. Pierścień chinonowy jest otoczony przez Ile28 podjednostki C i Pro160 podjednostki B. Reszty te , wraz z Il209, Trp163 i Trp164 z podjednostki B i Ser27 (atom C) z podjednostki C tworzą hydrofobowe środowisko kieszeni Qp wiążącej chinon . W przeciwieństwie, wiązanie ubichinon strony Q, D , który leży bliżej miejsca między membraną, składa się tylko z SDHD i ma mniejsze powinowactwo do koenzymu.
Miejsce wiązania bursztynianu
SdhA stanowi miejsce wiązania dla utleniania z bursztynianu . Te łańcuchy boczne Thr254, His354, a Arg399 podjednostki A ustabilizować cząsteczki while FAD utlenia się i przenosi elektrony do pierwszego z klastrów żelaza siarki [2Fe-2S]. Widać to na obrazku 5.
Centra redoks
Miejsce wiązania bursztynianu i miejsce wiązania ubichinonu są połączone łańcuchem centrów redoks obejmujących FAD i klastry żelazo - siarka . Łańcuch ten rozciąga się na ponad 40 Å przez monomer enzymu . Wszystkie odległości od krawędzi do krawędzi między centrami są mniejsze niż sugerowana granica 14 Å dla fizjologicznego transferu elektronów . Ten transfer elektronu pokazano na obrazku 8.
Podjednostka E
| SdhE | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura roztworu NMR białka NMA1147 z Neisseria meningitidis . Północno-wschodnie konsorcjum genomiki strukturalnej celuje w mr19
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | SdhE | ||||||||
| Pfam | PF03937 | ||||||||
| InterPro | IPR005631 | ||||||||
| |||||||||
W biologii molekularnej The domena białka, nazwane Sdh5 nazywa się także SdhE co oznacza bursztynian białka dehydrogenazy E. W przeszłości, nazwano także YgfY i DUF339. Inną nazwą SdhE jest czynnik składania dehydrogenazy bursztynianowej 2 (Sdhaf2). To białko należy do grupy wysoce konserwowanych małych białek występujących w obu organizmach eukariotycznych i prokariotów oraz NMA1147 z Neisseria meningitidis i YgfY z Escherichia coli . Białko SdhE znajduje się na błonie mitochondrialnej , jest ważne dla wytwarzania energii w procesie zwanym łańcuchem transportu elektronów .
Funkcjonować
Funkcja SdhE została opisana jako flawinator dehydrogenazy bursztynianowej. SdhE działa jako kofaktor opiekuńczy, który włącza FAD do SdhA. Powoduje to flawinylację SdhA, która jest wymagana do prawidłowego funkcjonowania dehydrogenazy bursztynianowej. Badania wskazują, że SdhE jest wymagane przez bakterie do wzrostu na bursztynianu , wykorzystując bursztynian jako jedyne źródło węgla i dodatkowo do funkcji dehydrogenazy bursztynianowej, ważnego składnika łańcucha transportu elektronów, który wytwarza energię.
Struktura
Struktury tych białek składa się z kompleksu wiązki pięciu alfa helisy, która składa się z 3 helis wiązki się w dół wraz z ortogonalnym 2 helisy wiązki.
Oddziaływania białek
SdhE oddziałuje z katalityczną podjednostką kompleksu dehydrogenazy bursztynianowej (SDH).
Choroba ludzka
Ludzki gen o nazwie SDH5 koduje białko SdhE. Sam gen znajduje się w pozycji chromosomowej 11q13.1. Mutacje powodujące utratę funkcji prowadzą do powstania przyzwojaka , guza neuroendokrynnego .
Historia
Ostatnie badania, które sugerują, że SdhE jest wymagane do flawinylacji bakterii, są sprzeczne z wcześniejszymi poglądami na temat SdhE. Pierwotnie sugerowano, że włączanie FAD do flawoprotein bakteryjnych jest procesem autokatalitycznym . Ostatnie badania dowodzą, że SdhE jest pierwszym białkiem, które zidentyfikowano jako wymagane do flawinylacji u bakterii. Historycznie białko SdhE było kiedyś uważane za białko hipotetyczne. Uważano również, że YgfY bierze udział w regulacji transkrypcji .
Montaż i dojrzewanie
Wszystkie podjednostki ludzkiego mitochondrialnego SDH są zakodowane w genomie jądrowym . Po translacji podjednostka SDHA jest translokowana jako apoproteina do macierzy mitochondrialnej. Następnie jednym z pierwszych etapów jest kowalencyjne wiązanie kofaktora FAD (flawinylacja). Wydaje się, że proces ten jest regulowany przez niektóre związki pośrednie cyklu kwasów trikarboksylowych. W szczególności bursztynian , izocytrynian i cytrynian stymulują flawinylację SDHA. W przypadku eukariotycznego Sdh1 (SDHA u ssaków) do procesu wbudowywania FAD wymagane jest inne białko – mianowicie Sdh5 w drożdżach, czynnik składania dehydrogenazy bursztynianowej 2 ( SDHAF2 ) w komórkach ssaków.
Przed utworzeniem heterodimeru z podjednostką SDHB , część SDHA z kowalencyjnie związanym FAD wydaje się oddziaływać z innym czynnikiem składania – SDHAF4 (Sdh8 u drożdży). Niezwiązany flawinylowany SDHA dimeryzuje z SDHAF4, który służy jako chaperon . Badania sugerują, że tworzenie dimeru SDHA-SDHB jest osłabione przy braku SDHAF4, więc czynnik składania przypominający chaperon może ułatwiać interakcję podjednostek. Co więcej, wydaje się, że SDHAF4 zapobiega tworzeniu ROS poprzez przyjmowanie elektronów z bursztynianu, które mogą być nadal utleniane przez niezwiązaną monomeryczną podjednostkę SDHA.
Grupy protetyczne Fe-S podjednostki SDHB są formowane w macierzy mitochondrialnej przez kompleks białkowy ISU. Uważa się również, że kompleks jest zdolny do wstawiania klastrów żelazowo-siarkowych w SDHB podczas jego dojrzewania. Badania sugerują, że wstawienie klastra Fe-S poprzedza tworzenie dimeru SDHA-SDHB. Takie włączenie wymaga redukcji reszt cysteiny w miejscu aktywnym SDHB. Zarówno zredukowane reszty cysteiny, jak i już włączone klastry Fe-S są bardzo podatne na uszkodzenia ROS . Dwa kolejne czynniki składania SDH, SDHAF1 (Sdh6) i SDHAF3 (Sdh7 u drożdży), wydają się być zaangażowane w dojrzewanie SDHB w celu ochrony podjednostki lub dimeru SDHA-SDHB przed uszkodzeniem klastra Fe-S spowodowanym przez ROS.
Montaż kotwicy hydrofobowej składającej się z podjednostek SDHC i SDHD pozostaje niejasny. Zwłaszcza w przypadku wstawiania hemu b, a nawet jego funkcji. Grupa protetyczna Heme b nie wydaje się być częścią szlaku transportu elektronów w obrębie kompleksu II. Kofaktor raczej utrzymuje stabilność kotwicy.
Mechanizm
Utlenianie bursztynianu
Niewiele wiadomo o dokładnym mechanizmie utleniania bursztynianu . Jednak struktura krystaliczna pokazuje, że FAD , Glu255, Arg286 i His242 podjednostki A (nie pokazano) są dobrymi kandydatami do początkowego etapu deprotonacji . Następnie istnieją dwa możliwe mechanizmy eliminacji: E2 lub E1cb. W eliminacji E2 mechanizm jest uzgodniony. Podstawowym Pozostałość lub kofaktora deprotonates do węgla alfa i FAD przyjmuje wodorek z węglu beta , utleniając związanego bursztynianu do fumaranu -refer do obrazu 6. E1cb An enolanu pośrednia powstaje pokazany na obraz 7 przed FAD akceptuje wodorek . Konieczne są dalsze badania w celu ustalenia, jakiemu mechanizmowi eliminacji podlega bursztynian w dehydrogenazie bursztynianowej. Utleniony fumaran , teraz luźno związany z miejscem aktywnym , może swobodnie opuścić białko .
Tunelowanie elektronów
Po wyprowadzeniu elektronów z utleniania bursztynianu za pomocą FAD , przechodzą one wzdłuż przekaźnika [Fe-S], aż osiągną klaster [3Fe-4S]. Elektrony te są następnie przenoszone do oczekującej cząsteczki ubichinonu w miejscu aktywnym . System tunelowania elektronów Żelazo - Siarka pokazano na rysunku 9.
Redukcja ubichinonu
O1 karbonylo tlenu od koenzymu jest zorientowany w miejscu aktywnym (Rysunek 4) za pomocą wiązań wodorowych interakcji z Tyr83 podjednostki D. obecności elektronów w [3Fe-4S] indukuje klastra żelaza siarki Ruch koenzymu w drugim kierunku. Ułatwia to drugi wiązania wodorowego interakcji pomiędzy O4 grupy karbonylowej w ubichinon i Ser27 podjednostki C, następującego po pierwszym pojedynczego elektronu redukcji etapie, semiquinone gatunki rodnik utworzony. Drugi elektron przybywa z klastra [3Fe-4S], aby zapewnić pełną redukcję ubichinonu do ubichinolu . Ten mechanizm redukcji ubichinonu pokazano na rycinie 8.
Grupa protetyczna Heme
Chociaż nadal badana jest funkcjonalność hemu w dehydrogenazie bursztynianowej, niektóre badania wykazały, że pierwszy elektron dostarczony do ubichinonu przez [3Fe-4S] może tunelować tam i z powrotem między hemem a produktem pośrednim ubichinonu . W ten sposób kofaktor hemu działa jak pochłaniacz elektronów . Jego rolą jest zapobieganie interakcji półproduktu z tlenem cząsteczkowym w celu wytworzenia reaktywnych form tlenu (ROS). Grupa hemu w stosunku do ubichinonu jest pokazana na rycinie 4.
Zaproponowano również, że mechanizm bramkowania może być na miejscu, aby zapobiec tunelowaniu elektronów bezpośrednio do hemu z klastra [3Fe-4S]. Potencjalnym kandydatem jest reszta His207, która leży bezpośrednio pomiędzy klastrem a hemem . His207 podjednostki B znajduje się w bezpośredniej bliskości klastra [3Fe-4S], związanego ubichinonu i hemu ; i może modulować przepływ elektronów między tymi centrami redoks.
Transfer protonów
Aby w pełni zredukować chinon w SQR, potrzebne są dwa elektrony oraz dwa protony . Argumentowano, że cząsteczka wody (HOH39) dociera do miejsca aktywnego i jest koordynowana przez His207 z podjednostki B, Arg31 z podjednostki C i Asp82 z podjednostki D. Półchinon jest protonowany przez protony dostarczane z HOH39, uzupełniając ubichinon redukcja do ubichinolu . His207 i Asp82 najprawdopodobniej ułatwiają ten proces. Inne badania wnoszą Tyr83 podjednostki D jest skoordynowany z pobliskiego histydyny jak i O1 karbonylową tlenu z koenzymu . Histydyna pozostałości zmniejsza pKa od tyrozyny , dzięki czemu bardziej nadaje się do oddawania swojego protonu do zredukowanego koenzymu pośredniej.
Inhibitory
Istnieją dwie odrębne klasy inhibitorów (SDHI) kompleksu II: te, które wiążą się w kieszeni bursztynianu i te, które wiążą się w kieszeni ubichinonu. Inhibitory typu ubichinonu obejmują karboksynę i tenoilotrifluoroaceton . Inhibitory analogów bursztynianowych obejmują syntetyczny związek malonianowy, jak również związki pośrednie cyklu TCA, jabłczan i szczawiooctan . Rzeczywiście, szczawiooctan jest jednym z najsilniejszych inhibitorów Kompleksu II. Nie do końca wiadomo, dlaczego zwykły produkt pośredni cyklu TCA hamowałby kompleks II, chociaż może wywierać ochronną rolę w minimalizowaniu produkcji nadtlenku za pośrednictwem odwróconego transferu elektronów przez Kompleks I. Atpeniny 5a są bardzo silnymi inhibitorami kompleksu II naśladującymi wiązanie ubichinonu.
Inhibitory typu ubichinonu są stosowane jako środki grzybobójcze w rolnictwie od lat 60-tych. Karboksynę stosowano głównie do zwalczania chorób wywoływanych przez podstawczaki, takich jak rdza i choroby Rhizoctonia . Niedawno opracowano inne związki o szerszym spektrum przeciwko szeregowi patogenów roślinnych, w tym boskalid , pentiopirad i fluopyram . Niektóre ważne w rolnictwie grzyby nie są wrażliwe na członków nowej generacji inhibitorów typu ubichinonu
Rola w chorobie
Fundamentalna rola reduktazy bursztynian-koenzym Q w łańcuchu przenoszenia elektronów w mitochondriach sprawia, że jest ona niezbędna w większości organizmów wielokomórkowych. Wykazano , że usunięcie tego enzymu z genomu jest również śmiertelne w stadium embrionalnym u myszy.
- Mutacje SdhA mogą prowadzić do zespołu Leigh , encefalopatii mitochondrialnej i atrofii nerwu wzrokowego .
- Mutacje SdhB mogą prowadzić do powstawania nowotworów w komórkach chromochłonnych , powodując grupę nowotworów znanych jako niedobór dehydrogenazy bursztynianowej, w tym dziedziczny przyzwojak i dziedziczny guz chromochłonny nadnerczy , rak nerki z niedoborem dehydrogenazy bursztynianowej i nowotwór podścieliskowy przewodu pokarmowego (GIST). Guzy bywają złośliwe . Może również prowadzić do skrócenia żywotności i zwiększonej produkcji jonów ponadtlenkowych .
- Mutacje SdhC mogą prowadzić do skrócenia długości życia, zwiększonej produkcji jonów ponadtlenkowych , dziedzicznego przyzwojaka i dziedzicznego guza chromochłonnego . Guzy bywają łagodne . Te mutacje są rzadkie.
- Mutacje SdhD mogą prowadzić do dziedzicznego przyzwojaka i dziedzicznego guza chromochłonnego . Guzy są łagodne i często występują w okolicach głowy i szyi. Mutacje te mogą również skrócić długość życia i zwiększyć produkcję jonów ponadtlenkowych .
Dehydrogenaza bursztynianowa ssaków działa nie tylko w mitochondrialnym wytwarzaniu energii, ale także odgrywa rolę w wykrywaniu tlenu i supresji guza ; i dlatego jest przedmiotem ciągłych badań.
Obniżone poziomy mitochondrialnego enzymu dehydrogenazy bursztynianowej (SDH), głównego składnika kompleksu II, obserwuje się post mortem w mózgach pacjentów z chorobą Huntingtona, a wady metabolizmu energetycznego zidentyfikowano zarówno u pacjentów z HD przedobjawowymi, jak i objawowymi.
