Сукцинатдегидрогеназа - Succinate dehydrogenase
| сукцинатдегидрогеназа (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура SQR в фосфолипидной мембране. SdhA , SdhB , SdhC и SdhD
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| ЕС нет. | 1.3.5.1 | ||||||||
| № CAS | 9028-11-9 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | BRENDA запись | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| КЕГГ | Запись в KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| ПРИАМ | профиль | ||||||||
| Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Генная онтология | Amigo / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
| Сукцинатдегидрогеназа | |
|---|---|
| Идентификаторы | |
| Условное обозначение | Дыхательный комплекс II |
| OPM суперсемейство | 3 |
| Белок OPM | 1зой |
| Мембранома | 656 |
Сукцинатдегидрогеназа ( АЯ ) или сукцинат-коэнзим Q - редуктаза ( SQR ) или респираторный комплекс II , представляет собой фермент , комплекс, найденный во многих бактериальных клетках и во внутренней митохондриальной мембране из эукариота . Это единственный фермент, который участвует как в цикле лимонной кислоты, так и в цепи переноса электронов . Гистохимический анализ, показывающий высокий уровень сукцинатдегидрогеназы в мышцах, демонстрирует высокое содержание митохондрий и высокий окислительный потенциал.
На этапе 6 кислоты цикла лимонной , SQR катализирует к окислению из сукцината в фумарат с сокращением от убихинона до убихинола . Это происходит во внутренней митохондриальной мембране за счет связывания двух реакций вместе.
Состав
Подразделения
SQR митохондрий и многих бактерий состоят из четырех структурно различных субъединиц : двух гидрофильных и двух гидрофобных . Первые две субъединицы, флавопротеин (SdhA) и белок железо-сера (SdhB), образуют гидрофильную головку, где имеет место ферментативная активность комплекса. SdhA содержит ковалентно связанный кофактор флавинадениндинуклеотида (FAD) и сайт связывания сукцината, а SdhB содержит три кластера железо-сера: [2Fe-2S], [4Fe-4S] и [3Fe-4S]. Вторые две субъединицы представляют собой субъединицы гидрофобного якоря мембраны, SdhC и SdhD. Митохондрии человека содержат две отдельные изоформы SdhA (субъединицы Fp типа I и типа II), эти изоформы также обнаружены у Ascaris suum и Caenorhabditis elegans . Субъединицы образуют мембраносвязанный комплекс цитохрома b с шестью трансмембранными спиралями, содержащими одну группу гема b и сайт связывания убихинона . Две молекулы фосфолипидов , одна кардиолипин и одна фосфатидилэтаноламин , также обнаруживаются в субъединицах SdhC и SdhD (не показаны на изображении). Они служат для занятия гидрофобного пространства под гемом b. Эти субъединицы показаны на прикрепленном изображении. SdhA - зеленый, SdhB - бирюзовый, SdhC - фуксия, а SdhD - желтый. Вокруг SdhC и SdhD находится фосфолипидная мембрана с межмембранным пространством в верхней части изображения.
Таблица субъединичного состава
| Нет. | Название подразделения | Человеческий белок | Описание протеина от UniProt | Семейство pfam с человеческим белком |
|---|---|---|---|---|
| 1 | SdhA | SDHA _HUMAN | Субъединица флавопротеина сукцинатдегидрогеназа [убихинон], митохондриальная | Pfam PF00890 , Pfam PF02910 |
| 2 | SdhB | SDHB _HUMAN | Сукцинатдегидрогеназа [убихинон] субъединица железо-сера, митохондриальная | Pfam PF13085 , Pfam PF13183 |
| 3 | SdhC | C560_HUMAN | Субъединица цитохрома b560 сукцинатдегидрогеназы, митохондриальная | Pfam PF01127 |
| 4 | SdhD | DHSD_HUMAN | Сукцинатдегидрогеназа [убихинон] цитохром b малая субъединица, митохондриальная | Pfam PF05328 |
Сайт связывания убихинона
Две отличительные убихинон сайты связывания могут быть признаны на СДГ млекопитающих - матрица проксимальных Q P и матрицы-дистальной Q D . Сайт связывания убихинона Qp, который показывает более высокое сродство к убихинону, расположен в промежутке, состоящем из SdhB, SdhC и SdhD. Убихинон стабилизируется боковыми цепями His207 субъединицы B, Ser27 и Arg31 субъединицы C и Tyr83 субъединицы D. Хиноновое кольцо окружено Ile28 субъединицы C и Pro160 субъединицы B. Эти остатки вместе с Il209, Trp163 и Trp164 субъединицы B, и Ser27 (атом C) субъединицы C, образуют гидрофобное окружение хинон- связывающего кармана Qp. Напротив, сайт связывания убихинона Q D , который расположен ближе к межмембранному пространству, состоит только из SdhD и имеет более низкое сродство к убихинону.
Сайт связывания сукцината
SdhA обеспечивает сайт связывания для окисления от сукцината . В боковых цепях Thr254, His354, и Arg399 из субъединицы А стабилизировать молекулу то время как FAD окисляется и переносят электроны в первый из кластеров железы-сера , [2Fe-2S]. Это можно увидеть на изображении 5.
Редокс-центры
Сукцинат -связывающего сайта и убихинон -связывающего сайт соединены посредством цепи окислительно - восстановительных центров , включая ФАД и железо - серные кластеры. Эта цепь простирается через мономер фермента более чем на 40 Å . Все расстояния от края до края между центрами меньше, чем предполагаемый предел в 14 Å для физиологического переноса электронов . Этот перенос электронов показан на изображении 8.
Субъединица E
| SdhE | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура ЯМР раствора белка NMA1147 из Neisseria meningitidis . Северо-восточный консорциум структурной геномики нацелен на mr19
| |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Условное обозначение | SdhE | ||||||||
| Pfam | PF03937 | ||||||||
| ИнтерПро | IPR005631 | ||||||||
| |||||||||
В молекулярной биологии , то домен белка по имени Sdh5 также называют SdhE , который выступает за сукцинатдегидрогеназу белка Е. В прошлом он также был назван YgfY и DUF339. Другое название SdhE - фактор сборки 2 сукцинатдегидрогеназы (Sdhaf2). Этот белок принадлежит к группе высококонсервативных малых белков, обнаруженных как у эукариот, так и у прокариот , включая NMA1147 из Neisseria meningitidis и YgfY из Escherichia coli . Белок SdhE находится на митохондриальной мембране, так как он важен для создания энергии посредством процесса, называемого цепью переноса электронов .
Функция
Функция SdhE была описана как флавинатор сукцинатдегидрогеназы. SdhE работает как кофактор компаньонка , который включает ФАД в SdhA. Это приводит к флавинилированию SdhA, которое требуется для правильного функционирования сукцинатдегидрогеназы. Исследования показывают, что SdhE требуется бактериям для роста на сукцинате , с использованием сукцината в качестве единственного источника углерода и, кроме того, для функции сукцинатдегидрогеназы, жизненно важного компонента цепи переноса электронов, производящей энергию.
Состав
Структура этих белков состоит из сложного пучка пять альфа-спиралей, который состоит из вверх-вниз 3-винтового пучка плюс ортогонального 2-винтового пучка.
Белковые взаимодействия
SdhE взаимодействует с каталитической субъединицей комплекса сукцинатдегидрогеназы (SDH).
Болезнь человека
Ген человека, названный SDH5 , кодирует белок SdhE. Сам ген находится в хромосомной позиции 11q13.1. Мутации с потерей функции приводят к параганглиоме , нейроэндокринной опухоли .
История
Недавние исследования, которые предполагают, что SdhE необходим для бактериального флавинилирования, противоречат предыдущим представлениям о SdhE. Первоначально предполагалось, что включение FAD в бактериальные флавопротеины было автокаталитическим процессом. Недавние исследования доказывают, что SdhE является первым белком, который идентифицирован как необходимый для флавинилирования у бактерий. Исторически белок SdhE когда-то считался гипотетическим белком. YgfY также считается вовлеченным в регуляцию транскрипции .
Сборка и созревание
Все субъединицы митохондриального SDH человека кодируются в ядерном геноме . После трансляции субъединица SDHA перемещается как апопротеин в митохондриальный матрикс. Впоследствии одним из первых шагов является ковалентное связывание кофактора FAD (флавинилирование). Этот процесс, по-видимому, регулируется некоторыми промежуточными продуктами цикла трикарбоновых кислот. В частности, сукцинат , изоцитрат и цитрат стимулируют флавинилирование SDHA. В случае эукариотического Sdh1 (SDHA у млекопитающих) для процесса включения FAD необходим другой белок, а именно Sdh5 в дрожжах, фактор сборки сукцинатдегидрогеназы 2 ( SDHAF2 ) в клетках млекопитающих.
Перед образованием гетеродимера с субъединицей SDHB , некоторая часть SDHA с ковалентно связанным FAD, по-видимому, взаимодействует с другим фактором сборки - SDHAF4 (Sdh8 у дрожжей). Несвязанный флавинилированный SDHA димеризуется с SDHAF4, который служит шапероном . Исследования показывают, что образование димера SDHA-SDHB нарушается в отсутствие SDHAF4, поэтому шапероноподобный фактор сборки может способствовать взаимодействию субъединиц. Более того, SDHAF4, по-видимому, предотвращает образование ROS, принимая электроны от сукцината, который все еще может окисляться несвязанной мономерной субъединицей SDHA.
Простетические группы Fe-S субъединицы SDHB преобразуются в митохондриальном матриксе с помощью белкового комплекса ISU. Также считается, что комплекс способен вставлять железо-серные кластеры в SDHB во время его созревания. Исследования показывают, что вставка кластера Fe-S предшествует образованию димера SDHA-SDHB. Такое включение требует уменьшения остатков цистеина в активном центре SDHB. И восстановленные остатки цистеина, и уже включенные кластеры Fe-S очень чувствительны к повреждению ROS . Еще два фактора сборки SDH, SDHAF1 (Sdh6) и SDHAF3 (Sdh7 у дрожжей), по-видимому, участвуют в созревании SDHB путем защиты субъединицы или димера SDHA-SDHB от повреждения кластера Fe-S, вызванного ROS.
Сборка гидрофобного якоря, состоящего из субъединиц SDHC и SDHD, остается неясной. Особенно в случае введения гема b и даже его функции. Простетическая группа Heme b, по-видимому, не является частью пути переноса электронов в комплексе II. Кофактор скорее поддерживает устойчивость якоря.
Механизм
Окисление сукцината
Мало что известно о точном механизме окисления сукцината . Однако кристаллическая структура показывает, что FAD , Glu255, Arg286 и His242 субъединицы A (не показана) являются хорошими кандидатами для начальной стадии депротонирования . После этого существует два возможных механизма удаления: E2 или E1cb. В устранении E2 механизм согласован. Основной остаток или кофактор депротонирует альфа-углерод , и FAD принимает гидрид из бета-углерода , окисляя связанный сукцинат до фумарата - см. Изображение 6. В E1cb образуется промежуточный енолят , показанный на рисунке 7, до того, как FAD принимает гидрид . Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, какой механизм выведения сукцината претерпевает сукцинатдегидрогеназа. Окисленный фумарат , теперь слабо связанный с активным центром , может свободно выходить из белка .
Электронное туннелирование
После того, как электроны получены в результате окисления сукцината посредством FAD , они туннелируют вдоль реле [Fe-S], пока не достигнут кластера [3Fe-4S]. Эти электроны впоследствии передаются ожидающей молекуле убихинона в активном центре . Железо - Сера электронная система туннелирования показана на рисунке 9.
Уменьшение убихинона
О1 карбонила кислород из убихинона ориентирован на активном участке (изображение 4) с помощью водородных связей взаимодействий с Tyr83 субъединицей D. Присутствие электронов в [3Fe-4S] кластер железа серы вызывает движение убихинона во вторую ориентацию. Это облегчает второе водородную связь взаимодействие между О4 карбонильной группой из убихинона и Ser27 субъединицы C. После первого одного электрона восстановления шага, семихинонные радикальные частицы образуются. Второй электрон прибывает из кластера [3Fe-4S], чтобы обеспечить полное восстановление убихинона до убихинола . Этот механизм восстановления убихинона показан на изображении 8.
Протезная группа Heme
Хотя функциональность гема в сукцинатдегидрогеназе все еще исследуется, некоторые исследования утверждают, что первый электрон, доставленный к убихинону через [3Fe-4S], может туннелировать туда и обратно между гемом и промежуточным продуктом убихинона . Таким образом, кофактор гема действует как поглотитель электронов . Его роль заключается в предотвращении взаимодействия промежуточного продукта с молекулярным кислородом с образованием активных форм кислорода (АФК). Группа гема относительно убихинона показана на изображении 4.
Также было высказано предположение, что может иметь место стробирующий механизм, предотвращающий туннелирование электронов непосредственно на гем из кластера [3Fe-4S]. Потенциальным кандидатом является остаток His207, который находится непосредственно между кластером и гемом . His207 субъединицы B находится в непосредственной близости от кластера [3Fe-4S], связанного убихинона и гема ; и может модулировать поток электронов между этими окислительно-восстановительными центрами.
Перенос протона
Чтобы полностью восстановить хинон в SQR, необходимы два электрона, а также два протона . Было высказано мнение , что молекула воды (HOH39) поступает на активном сайте и координируется His207 субъединица B, Arg31 субъединицы С, и Asp82 субъединицы Д. семихинонных видов протонированным от протонов , доставленных из HOH39, завершив убихинон восстановление до убихинола . His207 и Asp82, скорее всего, облегчают этот процесс. Другие исследования утверждают , что Tyr83 субъединицы D координируется к ближайшему гистидина , а также О1 карбонильного кислорода из убихинона . Гистидин остаток снижает рКа из тирозина , что делает его более подходящим пожертвовать его протон с пониженным убихиноном промежуточного.
Ингибиторы
Существует два различных класса ингибиторов (SDHI) комплекса II: те, которые связываются в кармане сукцината, и те, которые связываются в кармане убихинона. Ингибиторы убихинонового типа включают карбоксин и теноилтрифторацетон . Ингибиторы сукцинатных аналогов включают синтетическое соединение малонат, а также промежуточные продукты цикла TCA, малат и оксалоацетат . Действительно, оксалоацетат - один из самых сильных ингибиторов Комплекса II. Почему обычный промежуточный продукт цикла TCA может ингибировать Комплекс II, не совсем понятно, хотя он может играть защитную роль в минимизации опосредованного обратным переносом электрона образования супероксида комплексом I. Атпенин 5a - сильнодействующие ингибиторы Комплекса II, имитирующие связывание убихинона.
Ингибиторы убихинонового типа используются в качестве фунгицидов в сельском хозяйстве с 1960-х годов. Карбоксин в основном использовался для борьбы с болезнями, вызываемыми базидиомицетами, такими как стеблевые ржавчины и болезни Rhizoctonia . Совсем недавно были разработаны другие соединения с более широким спектром действия против ряда патогенов растений, включая боскалид , пентиопирад и флуопирам . Некоторые сельскохозяйственно важные грибы нечувствительны к членам нового поколения ингибиторов убихинонового типа.
Роль в болезни
Основополагающую роль сукцинат-коэнзим Q - редуктазы в цепи переноса электронов из митохондрий делает его жизненно важным в большинстве многоклеточных организмов , удаление этого фермента из генома также было показано , чтобы привести к летальному исходу на эмбриональной стадии у мышей.
- Мутации SdhA могут привести к синдрому Ли , митохондриальной энцефалопатии и атрофии зрительного нерва .
- Мутации SdhB могут приводить к онкогенезу в хромаффинных клетках , вызывая класс опухолей, известный как дефицит сукцинатдегидрогеназы, включая наследственную параганглиому и наследственную феохромоцитому , почечную карциному с дефицитом сукцинатдегидрогеназы и стромальную опухоль желудочно-кишечного тракта с дефицитом сукцинатдегидрогеназы (GIST). Опухоли, как правило, злокачественные . Это также может привести к сокращению продолжительности жизни и увеличению производства ионов супероксида .
- Мутации SdhC могут привести к сокращению продолжительности жизни, увеличению выработки супероксид- ионов, наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме . Опухоли обычно доброкачественные . Эти мутации необычны.
- Мутации SdhD могут привести к наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме . Опухоли, как правило, доброкачественные и часто возникают в области головы и шеи. Эти мутации также могут сократить продолжительность жизни и увеличить производство ионов супероксида .
Сукцинатдегидрогеназа млекопитающих действует не только в выработке энергии митохондриями , но также играет роль в восприятии кислорода и подавлении опухоли ; и, следовательно, является объектом постоянных исследований.
Пониженные уровни митохондриального фермента сукцинатдегидрогеназы (SDH), основного элемента комплекса II, наблюдаются посмертно в головном мозге пациентов с болезнью Хантингтона, а дефекты энергетического метаболизма были выявлены как у пациентов с предсимптоматической, так и у симптоматической ГБ.
