Введение

Энзим сукцинатдегидрогеназа (SDH) или сукцинатокоэнзим Q редуктаза (SQR), также известный как респираторный комплекс II, – это ферментный комплекс, обнаруженный во многих бактериальных клетках и во внутренней митохондриальной мембране эукариот. Это единственный фермент, участвующий как в цикле Кребса (цикле лимонной кислоты), так и в цепи переноса электронов. Гистохимический анализ, демонстрирующий высокую активность сукцинатдегидрогеназы в мышцах, свидетельствует о высоком содержании митохондрий и высоком окислительном потенциале. На 6-й стадии цикла Кребса SQR катализирует окисление сукцината до фумарата с одновременным восстановлением убихинона до убихинола. Этот процесс происходит во внутренней митохондриальной мембране, объединяя обе реакции.

Подединицы

Митохондриальные и многие бактериальные SQR состоят из четырех структурно различных субъединиц: двух гидрофильных и двух гидрофобных. Первые две субъединицы, флавопротеин (SdhA) и железосерный белок (SdhB), формируют гидрофильную головку, где происходит ферментативная активность комплекса. SdhA содержит ковалентно присоединенный кофактор флавин-аденодиндинуклеотида (FAD) и сайт связывания сукцината, а SdhB содержит три железосерные кластеры: [2Fe 2S], [4Fe 4S] и [3Fe 4S]. Вторые две субъединицы – гидрофобные мембранные якорные субъединицы SdhC и SdhD. Митохондрии человека содержат две различные изоформы SdhA (субъединицы Fp типа I и типа II), эти изоформы также встречаются у Ascaris suum и Caenorhabditis elegans. Субъединицы формируют мембранный цитохромный b-комплекс с шестью трансмембранными спиралями, содержащими одну гемовую группу b и сайт связывания убихинона. Две молекулы фосфолипидов, один кардиолипин и один фосфатидилэтаноламин, также обнаружены в субъединицах SdhC и SdhD (не показаны на изображении). Они служат для заполнения гидрофобного пространства под гемом b. Эти субъединицы показаны на приложенном изображении. SdhA – зеленый, SdhB – бирюзовый, SdhC – фуксия, и SdhD – желтый. Вокруг SdhC и SdhD находится фосфолипидная мембрана, а межмембранное пространство – в верхней части изображения.

Таблица состава подразделов

№ Название субъединицыБелок человекаОписание белка из UniProtСемейство Pfam с белком человека 1 SdhA SDHA HUMAN Сукцинатдегидрогеназа [убихинон] флавопротеиновая субъединица, митохондриальная , 2 SdhB SDHB HUMAN Сукцинатдегидрогеназа [убихинон] железосерная субъединица, митохондриальная , 3 SdhC C560 HUMAN Сукцинатдегидрогеназа цитохром b560 субъединица, митохондриальная 4 SdhD DHSD HUMAN Сукцинатдегидрогеназа [убихинон] малая цитохром b субъединица, митохондриальная

Место связывания убихинона

На митохондриальном SDH млекопитающих можно выделить два различных места связывания убихинона – проксимальное к матриксу QP и дистальное к матриксу QD. Место связывания убихинона Qp, демонстрирующее более высокую аффинность к убихинону, расположено в щели, образованной субъединицами SdhB, SdhC и SdhD. Убихинон стабилизируется боковыми цепями His207 субъединицы B, Ser27 и Arg31 субъединицы C, а также Tyr83 субъединицы D. Квинонное кольцо окружено Ile28 субъединицы C и Pro160 субъединицы B. Эти остатки, вместе с Ile209, Trp163 и Trp164 субъединицы B, и Ser27 (атом углерода) субъединицы C, формируют гидрофобную среду кармана связывания убихинона Qp. В отличие от этого, место связывания убихинона QD, расположенное ближе к межмембранному пространству, состоит только из SdhD и обладает более низкой аффинностью к убихинону.

Место связывания сукцината

SdhA обеспечивает место связывания для окисления сукцината. Боковые цепи Thr254, His354 и Arg399 субъединицы A стабилизируют молекулу, в то время как FAD окисляет сукцинат и передает электроны к первому железо-серному кластеру [2Fe 2S]. Это показано на рисунке 5.

Редокс-центры

Сукцинат-связывающий и убихиноновый связующие участки соединены цепью окислительно-восстановительных центров, включающей FAD и железо-серные кластеры. Эта цепь простирается более чем на 40 Å через мономер фермента. Все расстояния между центрами меньше предложенного предела в 14 Å для физиологического переноса электронов. Стимуляция ковалентной флавиниляции SDHA наиболее сильна в присутствии фумарата, а также некоторых промежуточных продуктов цикла Кребса. Исследования бактериальной системы показали, что механизм присоединения FAD включает в себя промежуточное соединение хинон-метид. При митохондриальной, но не бактериальной сборке, SDHA взаимодействует со вторым фактором сборки, называемым фактором сборки сукцинатдегидрогеназы 4 (SDHAF4; известен как Sdh8 у дрожжей), перед включением в финальный комплекс.

Передача протонов

Для полного восстановления хинона в SQR требуются два электрона и два протона. Предполагается, что молекула воды (HOH39) достигает активного центра и координируется His207 из субъединицы B, Arg31 из субъединицы C и Asp82 из субъединицы D. Полухинонный радикал протонируется протонами, переданными из HOH39, завершая восстановление убихинона до убихинола. His207 и Asp82, вероятно, облегчают этот процесс. Другие исследования показывают, что Tyr83 субъединицы D координируется с расположенным поблизости гистидином, а также с карбонильным кислородом O1 убихинона. Гистидиновый остаток снижает pKa тирозина, делая его более способным отдавать протон промежуточному продукту восстановленного убихинона.

Ингибиторы

Существует два различных класса ингибиторов (СДИ) комплекса II: те, которые связываются в сукцинатном кармане, и те, которые связываются в убихиноновом кармане. К ингибиторам типа убихинонов относятся карбоксин и теноилтрифторацетон. К ингибиторам, являющимся аналогами сукцинатов, относятся синтетическое соединение малонат, а также промежуточные продукты цикла ТСА – малат и оксалоацетат. Действительно, оксалоацетат является одним из наиболее мощных ингибиторов комплекса II. Причины, по которым обычный промежуточный продукт цикла ТСА ингибирует комплекс II, до конца не выяснены, однако предполагается, что он может выполнять защитную функцию, минимизируя образование супероксида, индуцированное обратным переносом электронов комплексом I. Атпенин 5a – высокоэффективный ингибитор комплекса II, имитирующий связывание убихинона. Ингибиторы типа убихинонов используются в качестве фунгицидов в сельском хозяйстве с 1960-х годов. Карбоксин в основном применялся для борьбы с заболеваниями, вызываемыми базидиомицетами, такими как стеблевая ржавчина и болезни, вызываемые ризоктонией. В 1980-х годах было установлено, что простые бензанилиды обладают сопоставимой с карбоксином активностью, и некоторые из них были выведены на рынок, включая беноданил, флутоланил и мепронил. В последнее время были разработаны другие соединения с более широким спектром действия против различных растительных патогенов, такие как боскалид, флуопирам, флюксапироксад, пидифлуметофен и седаксан. FRAC имеет рабочую группу по СДИ и рекомендует методы управления резистентностью.

Роль в болезни

Фундаментальная роль сукцинатного кофермента Q-редуктазы в цепи переноса электронов митохондрий делает её жизненно важной для большинства многоклеточных организмов, и удаление этого фермента из генома также оказалось летальным на эмбриональной стадии у мышей. Мутации SdhA могут приводить к синдрому Ли, митохондриальной энцефалопатии и атрофии зрительного нерва. Мутации SdhB могут вызывать опухолеобразование в хромаффинных клетках, приводя к классу опухолей, известных как дефицит сукцинатдегидрогеназы, включая наследственную параганглиому и наследственную феохромоцитому, карциному почек с дефицитом сукцинатдегидрогеназы и желудочно-кишечную стромальную опухоль (GIST) с дефицитом сукцинатдегидрогеназы. Опухоли, как правило, злокачественные. Это также может приводить к сокращению продолжительности жизни и увеличению продукции ионов супероксида. Мутации SdhC могут приводить к сокращению продолжительности жизни, увеличению продукции ионов супероксида, наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме. Опухоли обычно доброкачественные. Эти мутации встречаются редко. Мутации SdhD могут приводить к наследственной параганглиоме и наследственной феохромоцитоме. Опухоли, как правило, доброкачественные и часто локализуются в области головы и шеи. Эти мутации также могут сокращать продолжительность жизни и увеличивать продукцию ионов супероксида. Сукцинатдегидрогеназа млекопитающих выполняет функции не только в генерации энергии митохондриями, но и играет роль в восприятии кислорода и подавлении опухолей, и поэтому является объектом продолжающихся исследований. Постмортомно в мозге пациентов с болезнью Гентингтона наблюдается снижение уровня митохондриального фермента сукцинатдегидрогеназы (SDH), основного компонента комплекса II, а дефекты энергетического метаболизма выявлены как у пациентов с предсимптомным, так и с симптоматическим течением заболевания.