SUKCINATNA DEHIDROGENAZA: STRUKTURA, FUNKCIJA, REGULACIJA, BOLESTI - BIOLOGIJA - 2025

S ucinato dehidrogenaza (SDH), poznata i kao kompleks II transportnog lanca elektrona, mitohondrijski je proteinski kompleks s enzimskom aktivnošću koji djeluje i na Krebsov ciklus i na transportni lanac elektrona (stanično disanje).

To je enzim koji je prisutan u svim aerobnim stanicama. Kod eukariota je kompleks usko povezan s unutarnjom mitohondrijskom membranom, dok se kod prokariota nalazi u plazma membrani.

Opća shema kompleksa mitohondrijalne sukcinat dehidrogenaze (Izvor: Sebe, zasnovano na vektorizaciji Fvasconcellos. / Javna domena, putem Wikimedia Commonsa)

Kompleks sukcinat dehidrogenaze, otkriven oko 1910., a prvi put ga je 1954. pročistio Singer i Kearney, detaljno je proučavan iz više razloga:

- djeluje u Krebsovom ciklusu (ciklus limunske kiseline ili ciklusa trikarboksilne kiseline) i u lancu transporta elektrona (katalizira oksidaciju sukcinata do fumarata)

- njegovo djelovanje reguliraju različiti aktivatora i inhibitori i

- kompleks je povezan s: željezo nije vezano za hemnu skupinu, labilni sumpor i flavin adeninski dinukleotidi (FAD)

Kodiran je nuklearnim genomom i dokazano je da mutacije u četiri gena koji kodiraju svaku njegovu podjedinicu (A, B, C i D) rezultiraju različitim kliničkim slikama, to jest mogu biti prilično negativne s gledišta fizičke cjelovitosti ljudskih bića.

Struktura

Enzimski kompleks sukcinatne dehidrogenaze sastoji se od četiri podjedinice (heterotetramera) kodiranih nuklearnim genomom, što ga čini jedinim oksidacijskim fosforilacijskim kompleksom u lancu transporta elektrona koji nema podjedinice kodirane genom mitohondrija.

Nadalje, ovaj je kompleks jedini koji ne pumpa protone kroz unutarnju mitohondrijsku membranu tijekom svog katalitičkog djelovanja.

Prema istraživanjima koja su provedena na osnovi enzimskog kompleksa srčanih stanica svinja, kompleks sukcinat dehidrogenaze sastoji se od:

- hidrofilna " glava " koja se proteže od unutarnje mitohondrijske membrane u mitohondrijski matriks i

- hidrofobni " rep " ugrađen u unutarnju mitohondrijsku membranu i koji ima mali segment koji projicira u topljivi intermembranski prostor mitohondrije

Struktura kompleksa sukcinatne dehidrogenaze (Izvor: Zephyris na engleskom Wikipediji / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) putem Wikimedia Commonsa)

Struktura hidrofilnog dijela

Hidrofilna glava sastoji se od podjedinica SdhA (70 kDa) i SdhB (27 kDa) (Sdh1 i Sdh2 u kvascu), što uključuje katalitičko središte kompleksa.

Podjedinice SdhA i SdhB sadrže redoks kofaktore koji sudjeluju u prijenosu elektrona prema ubikinonu (koenzim Q10, molekula koja prevozi elektrone između respiratornih kompleksa I, II i III).

Podjedinica SdhA ima kofaktorni FAD (koenzim koji sudjeluje u reakcijama redukcije oksidacije) kovalentno vezan na njegovu strukturu, točno na mjestu vezanja sukcinata (glavni supstrat enzima).

Podjedinica SdhB ima 3 centra željeza i sumpora (Fe-S) koji posreduju u prenošenju elektrona ubikvinonu. Jedan od središta, 2Fe-2S, nalazi se blizu mjesta FAD-a podjedinice SdhA, a ostali (4Fe-4S i 3Fe-4S) su susjedni prvom.

Značajno je da strukturalna istraživanja pokazuju da SdhB podjedinica tvori sučelje između hidrofilne katalitičke domene i membrane "sidrene" (hidrofobne) domene kompleksa.

Struktura hidrofobnog dijela

Membranska domena kompleksa, kao što je navedeno, sastoji se od SdhC (15 kDa) i SdhD (12-13 kDa) podjedinica (Sdh3 i Sdh4 u kvascu), koji su integralni membranski proteini, a svaki je formiran od 3 transmembranske helike., Ova domena sadrži heme b dio pričvršćen na sučelju između SdhC i SdhD podjedinice, gdje svaka osigurava jedan od dva histidinska liganda koja ih drže zajedno.

U ovom su enzimu otkrivena dva mjesta vezanja za ubikinon: jedno s visokim afinitetom i drugo s niskim afinitetom.

Mjesto visokog afiniteta, poznato kao Qp (p za proksimalno), sučeljava se s mitohondrijskom matricom i sastoji se od specifičnih aminokiselinskih ostataka smještenih u podjedinicama SdhB, SdhC i SdhD.

Mjesto s niskim afinitetom, koje se naziva i Qd (d za distalno), nalazi se na dijelu unutarnje mitohondrijske membrane u koji je kompleks ubačen, bliže intermembranskom prostoru, to jest dalje od matrice organele.

Kao cjelina, ukupni kompleks ima molekulsku masu blizu 200 kDa i utvrđeno je da ima omjer 4,2-5,0 nanomola flavina na svaki miligram proteina i 2-4 g željeza za svaki mol flavina.

Funkcija

Enzimska sukcinatna dehidrogenaza ispunjava važnu funkciju u mitohondrijama, jer ne samo da sudjeluje u Krebsovom ciklusu (gdje sudjeluje u razgradnji acetil-CoA), već je i dio respiratornog lanca, neophodan za proizvodnju energije u obliku ATP-a.

Drugim riječima, ključni je enzim za intermedijarni metabolizam i proizvodnju aerobne ATP.

- Odgovorna je za oksidaciju sukcinata do fumarata u ciklusu limunske kiseline

- Nahrani kompleks III lanca elektrona za transport s elektronima dobivenim oksidacijom sukcinata, koji pomaže smanjiti kisik i formirati vodu

- Transport elektrona stvara elektrokemijski gradijent kroz unutarnju mitohondrijsku membranu, što pogoduje sintezi ATP-a

Alternativno, elektroni se mogu koristiti za smanjenje molekula iz baze ubikinona, stvarajući redukcijske ekvivalente potrebne za smanjenje anjona superoksida koji potječu iz istog respiratornog lanca ili dolaze iz egzogenih izvora.

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

Kako radi?

Podjedinica kompleksa (ona koja je kovalentno vezana za koenzim FAD) veže se za supstrate, fumarat i sukcinat, kao i njihove fiziološke regulatore, oksaloacetat (konkurentski inhibitor) i ATP.

ATP pomiče vezu između oksaloacetata i SDH kompleksa, a zatim se elektroni „prelaze“ iz sukcinata u SdhA podjedinicu prenose u skupine atoma željeza i sumpora prisutne u podjedinici SdhB. koenzim FAD.

Iz B podjedinice, ovi elektroni dosežu heme b mjesta SdhC i SdhD podjedinice, odakle se preko njihovih mjesta vezanja kinona "dostavljaju" kinonskim koenzimima.

Protok elektrona iz sukcinata kroz ove transportere i do krajnjeg akceptora, koji je kisik, povezan je sa sintezom 1,5 ATP molekula za svaki par elektrona fosforilacijom povezanom s dišnim lancem.

Oštećenja enzima

Mutacije u genu koji kodira A podjedinicu kompleksa sukcinatne dehidrogenaze uzrokuju encefalopatije tijekom dojenačke dobi, dok su mutacije u genima koji kodiraju podjedinice B, C i D povezane s stvaranjem tumora.

regulacija

Aktivnost kompleksa sukcinat dehidrogenaze može se regulirati post-translacijskim modifikacijama kao što su fosforilacija i acetilacija, iako se može dogoditi i inhibicija aktivnog mjesta.

Acetilacija nekih ostataka lizina može smanjiti aktivnost ovog enzima i taj postupak se provodi enzimom deacetilazom poznatim kao SIRT3; fosforilacija ima isti učinak na enzim.

Pored ovih modifikacija, SDH kompleks reguliran je i intermedijarima Krebsova ciklusa, konkretno oksaloacetatom i sukcinatom. Oksaloacetat je moćan inhibitor, dok sukcinat pogoduje disocijaciji oksaloacetata, koji djeluje kao aktivator.

Nedostatak sukcinantne dehidrogenaze

Manjak sukcinatne dehidrogenaze je abnormalnost ili poremećaj respiratornog lanca mitohondrija. Ovaj nedostatak uzrokovan je mutacijama u SDHA (ili SDHAF1), SDHB, SDHC i SDHD genima.

Različita ispitivanja pokazala su homozigotne i heterozigotne mutacije u tim genima, posebno SDHA. Mutacije u tim genima uzrokuju supstituciju aminokiselina u proteinu (u bilo kojoj od podjedinica SDHA, B, C ili D) ili na neki drugi način kodiraju nenormalno kratke proteine.

Slijedom toga, supstitucije aminokiselina i nenormalno kratki kodiranja proteina dovode do poremećaja ili promjena SDH enzima, što uzrokuje neuspjeh u optimalnom kapacitetu mitohondrija za proizvodnju energije. To je ono što znanstvenici nazivaju poremećajem respiratornog lanca mitohondrija.

Ovaj poremećaj se može fenotipički izraziti kod ljudi na više načina. Najpoznatiji su: nedostatak ili nedostatak jezičnog razvoja, spastična kvadriplegija, nehotične kontrakcije mišića (distonija), mišićna slabost i kardiomiopatije, između ostalih povezanih problema.

Neki bolesnici s nedostatkom sukcinatne dehidrogenaze mogu razviti Leighovu bolest ili Kearns-saireov sindrom.

Kako se otkriva manjak dehidrogen sukcinata?

Određene studije sugeriraju upotrebu kvalitativnih histokemijskih ispitivanja i analiza, kao i kvantitativne, enzimske biokemijske analize dišnog lanca. Drugi pak sa svoje strane predlažu potpuno pojačavanje pomoću lančane reakcije polimeraze (PCR) eksona podjedinica koje se proučavaju, a zatim odgovarajuće sekvenciranje.

Ciklus trikarboksilne kiseline (Krebsov ciklus). Preuzeto i uređeno iz: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (na španjolski preveo Alejandro Porto).

Srodne bolesti

Veliki je broj fenotipskih izraza proizvedenih poremećajima respiratornog lanca mitohondrija zbog nedostatka sukcinat dehidrogenaze. Međutim, kad je riječ o sindromima ili bolestima, raspravlja se o sljedećem.

Leigh sindrom

To je progresivna neurološka bolest povezana s mutacijama u nuklearnom genomu (u ovom slučaju sukcinat dehidrogenaze), koje utječu na kompleks piruvat-dehidrogenaze sve do puta oksidativne fosforilacije.

Simptomi se pojavljuju prije pojedine godine života, ali u atipičnim slučajevima prvi simptomi primijećeni su tijekom adolescencije.

Među najčešće uočenim simptomima su: hipotonija s gubitkom cefalične kontrole, nehotični pokreti, ponavljajuće povraćanje, respiratorni problemi, nemogućnost pomicanja očne jabučice, piramidalni i ekstrapiramidalni znakovi. Epileptični napadi nisu baš česti.

Moguće je da se bolest može otkriti u prenatalnoj dijagnozi. Ne postoji poznati lijek ili specifičan tretman, ali neki stručnjaci sugeriraju liječenje određenim vitaminima ili kofaktorima.

Gastrointestinalni stromalni tumor (GIST)

Često se naziva GIST, to je vrsta tumora gastrointestinalnog trakta, koji se obično razvija na područjima kao što su želudac ili tanko crijevo. Smatra se da je uzrok tome određena skupina visoko specijaliziranih stanica nazvanih ICC stanice ili intersticijske stanice Cajala.

Ostala razmatranja uzroka GIST-a su mutacije u određenim vrstama gena, koje prema nekim autorima uzrokuju 90% tumora. Geni koji su uključeni su: geni KIT, PDGFRA, sukcinat dehidrogenaze (SDH).

Nedostatak sukcinantne dehidrogenaze (SDH), javlja se uglavnom kod mladih žena, stvara tumore u želucu i relativno često metastazira u limfne čvorove. Mali postotak se javlja u djece i u većini slučajeva nastaje zbog nedostatka izraženosti podjedinice SDHB.

Kearns-Sayreovog sindroma

Utvrđeno je da neki pacijenti s nedostatkom sukcinatne dehidrogenaze mogu manifestirati Kearns-Sayreov sindrom. Ova bolest povezana je s poremećajima mitohondrije, a karakterizira je odsutnost pokreta očnih jabučica.

Ostale značajke ove bolesti su retinitis pigmentosa, gluhoća, kardiomiopatija i poremećaji središnjeg živčanog sustava. Ovi simptomi se obično vide prije nego što pacijent napuni 20 godina. Prenatalna dijagnoza za ovo stanje nije poznata.

Također nije poznat lijek za ovu bolest. Liječenje je palijativno, to jest, djeluje samo na smanjivanju učinaka bolesti, a ne na liječenju. S druge strane, iako to ovisi o broju zahvaćenih organa i liječničkoj pomoći, životni vijek je relativno normalan.

Reference

1. Ackrell, BA, Kearney, EB, & Singer, TP (1978). Sisacina dehidrogenaza sisavaca. In Methods in encimology (Vol. 53, str. 466-483). Akademska štampa.
2. Brière, JJ, Favier, J., Ghouzzi, VE, Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, AP, & Rustin, P. (2005). Nedostatak sukcinantne dehidrogenaze u ljudi. Znanke o staničnom i molekularnom životu CMLS, 62 (19-20), 2317-2324.
3. Cecchini, G., Schröder, I., Gunsalus, RP, & Maklashina, E. (2002). Sukcinantna dehidrogenaza i fumarat reduktaza iz Escherichia coli. Biochimica i Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetika, 1553 (1-2), 140-157.
4. Hatefi, Y., i Davis, KA (1971). Sukcinantna dehidrogenaza. I. Pročišćavanje, molekularna svojstva i potkonstrukcija. Biokemija, 10 (13), 2509-2516.
5. Hederstedt, LARS i Rutberg, LARS (1981). Sukcinantna dehidrogenaza - komparativni pregled. Mikrobiološki pregledi, 45 (4), 542.
6. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehningerovi principi biokemije. Macmillan.
7. Rutter, J., Winge, DR, & Schiffman, JD (2010). Sukcinatna dehidrogenaza - skupljanje, regulacija i uloga u ljudskim bolestima. Mitochondrion, 10 (4), 393-401.