Succinato deshidrogenasa

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succinato deshidrogenasa
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número CAS 9028-11-9
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La succinato deshidrogenasa o succinato-ubiquinona oxidorreductasa , también conocida como complejo II  , es un complejo proteico ubicado en la membrana interna de las mitocondrias y las membranas de muchos organismos procarióticos . Al mismo tiempo, participa en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y en la cadena respiratoria de transporte de electrones .

En el sexto paso del ciclo del ácido tricarboxílico, la succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación de succinato a fumarato , reduciendo la ubiquinona a ubiquinol [1] .

Historia

En 1910, el científico Tanberg descubrió que tejido muscular aislado de animales es capaz de oxidar succinato ( ácido succínico ) [2] , de lo que se concluyó que existe una enzima para llevar a cabo esta reacción. Una enzima desconocida, más tarde identificada como succinato deshidrogenasa, ha sido objeto de investigación activa desde la década de 1950, cuando nació la bioenergética en la cima de una bioquímica y una investigación sobre la respiración celular en pleno desarrollo . En 1954, el científico estadounidense Thomas P. Singer fue el primero en aislar la succinato deshidrogenasa purificada en forma de solución [3] . La disponibilidad de una forma soluble de la enzima marcó un gran avance en la investigación y, durante los siguientes quince años, se identificaron todos los componentes principales del complejo succinato deshidrogenasa. A partir de los primeros estudios de la forma soluble, se entendió que esta proteína contenía hierro y flavina . La succinato deshidrogenasa fue la primera proteína estudiada que tenía un dinucleótido de flavina y adenina unido covalentemente . Además, la enzima contenía átomos de azufre lábiles [4] .

En 1959, inmediatamente después del descubrimiento de la coenzima Q , Ziegler y Doik aislaron la succinato deshidrogenasa, que se disolvió en ácido cólico , contenía flavina, hierro y hemo, y podía reducir la coenzima Q. Estos resultados fueron fundamentalmente diferentes de los obtenidos en el estudio de succinato deshidrogenasa soluble en agua, que no contenía hemo y no podía reducir la coenzima Q. La controversia resultante dio lugar a un feroz debate sobre la corrección y calidad de los procedimientos de aislamiento y posible contaminación, que continuó hasta principios de la década de 1970. A principios de los años 60 se formó una idea sobre la cadena respiratoria de transporte de electrones , y como resultado de los experimentos, en 1962 fue posible aislar los tres primeros complejos respiratorios. El complejo con actividad de succinato deshidrogenasa aislado de las mitocondrias se denominó complejo respiratorio II y algo más tarde se identificó con la succinato deshidrogenasa soluble en agua. Cabe señalar que fue posible demostrar de manera convincente la presencia de grupos de hierro y azufre en la succinato deshidrogenasa y determinar su estructura solo 30 años después de su aislamiento. Esto se logró con el advenimiento de nuevas técnicas EPR que fueron probadas en esta enzima [4] .

Organización estructural del complejo II

El monómero del complejo II en las mitocondrias de mamíferos , protozoos , hongos y muchas bacterias consta de cuatro subunidades codificadas por el genoma nuclear: dos hidrofílicas y dos hidrofóbicas . El peso molecular del monómero completo, según varios datos, oscila entre ~125 kDa [1] y ~140 kDa [5] . Dos subunidades hidrófilas miran hacia la matriz. La subunidad A es una flavoproteína y la subunidad B lleva una proteína de hierro y azufre. La subunidad A tiene un FAD unido covalentemente y un sitio de unión de succinato , y B tiene tres grupos de hierro y azufre: [2Fe-2S], [4Fe-4S] y [3Fe-4S]. En humanos, la subunidad A está representada por dos isoformas (subunidades tipo I y II), estas isoformas también se encuentran en Ascaris suum y Caenorhabditis elegans [6] . Las subunidades hidrofóbicas C y D son proteínas transmembrana. Juntos forman el citocromo b 560 , en el que el hemo b y el sitio de unión de la ubiquinona se encuentran en seis hélices α transmembrana . Dos moléculas de fosfolípidos , una cardiolipina y una fosfatidiletanolamina , que llenan el espacio hidrofóbico entre las subunidades C y D debajo del hemo b [7] .

El complejo II no interacciona con otros complejos de la cadena respiratoria de electrones y no forma parte de los complejos supramoleculares - respirases . Sin embargo, se ha demostrado en cultivos de tejido humano y de rata, así como en tejidos obtenidos de organismos completos, que el complejo II puede formar una forma catalíticamente activa de alto peso molecular a partir de una variedad de complejos con pesos moleculares de 500 a 1000 kDa en tejidos intactos. y de 400 a 670 kDa en cultivos celulares [5] .

Se sabe mucho menos sobre el complejo II en las plantas , y hasta el día de hoy sigue siendo uno de los complejos de mitocondrias vegetales más inexplorados. Experimentos recientes sobre su aislamiento de Arabidopsis y su estudio por electroforesis nativa azul mostraron que en las plantas aparentemente consta de ocho subunidades, cuatro de las cuales son idénticas a las subunidades del complejo II habitual, y cuatro específicas de la planta y no son encontrado en las mitocondrias de otros eucariotas. Se obtuvieron resultados similares para las papas [8] .

Tabla de subunidades [9]
no. subunidad proteina humana Masa molecular Familia de proteínas Pfam
una SDHA SDHA_HUMANO 72kDa Pfam PF00890 , Pfam PF02910
2 SdhB SDHB_HUMANO 30kDa Pfam PF13085 , Pfam PF13183
3 sdhc CDHB_HUMANO 18kDa Pfam PF01127
cuatro SDHD DHSD_HUMANO 15kDa Pfam PF05328

Sitio de unión de ubiquinona

El sitio de unión de la ubiquinona se encuentra en el receso formado por las subunidades B, C y D. Aquí, la ubiquinona se estabiliza por los grupos laterales de la subunidad B de histidina -207, la subunidad C de serina -27 y arginina -31 y la subunidad C de tirosina -83 . D. El anillo de quinona está rodeado por isoleucina -28 subunidad C y prolina -160 subunidad B. Estos residuos de aminoácidos , junto con isoleucina -209, triptófano -163 y triptófano -164 subunidad B, y serina-27 subunidad C, forman una ambiente hidrofóbico en el bolsillo de unión de quinona [10] .

Sitio de unión de succinato

La subunidad A tiene un sitio para unir y oxidar succinato. Los grupos laterales tirosina-254, histidina-354 y arginina-399 de esta subunidad estabilizan la molécula de succinato mientras que FAD oxida y dona electrones al primer grupo de hierro y azufre , [2Fe-2S] [11] .

Centros redox

El sitio de unión del succinato y el sitio de unión de la ubiquinona están conectados por una cadena de centros redox que consta de FAD y tres grupos de hierro y azufre. Esta cadena se extiende 40 Å a través de todo el cuerpo de la enzima. La distancia aproximada entre cofactores no supera el límite fisiológico de transferencia de electrones de 14 Å [7] .

Mecanismo de reacción

El complejo II oxida el succinato a fumarato y reduce la ubiquinona :

Succinato + Q → Fumarato + QH 2

Los electrones del succinato se transfieren primero a FAD y luego a través de grupos de Fe-S a Q. El transporte de electrones en el complejo no va acompañado de la generación de un gradiente de protones . El 2H + formado durante la oxidación del succinato permanece del mismo lado de la membrana, es decir, en la matriz , y luego se reabsorbe durante la reducción de la quinona. Por lo tanto, el complejo II no contribuye a la creación de un gradiente de protones a través de la membrana y solo funciona como transportador de electrones desde el succinato hasta la ubiquinona [12] [13] .

Oxidación de succinato

Poco se sabe sobre el mecanismo exacto de oxidación del succinato. El análisis de difracción de rayos X reveló que FAD , glutamato -255, arginina -286 e histidina -242 subunidad A pueden ser candidatos para la reacción de desprotonación. Hay dos mecanismos posibles para esta reacción de eliminación : E2 y E1cb. En el caso de E2, este es un mecanismo negociado. Los principales residuos o cofactores desprotonan el carbono alfa, y FAD acepta un anión hidruro del carbono beta, oxidando succinato a fumarato  - ver fig. 1. En el caso del mecanismo E1cb, antes de que FAD se una al anión hidruro, se forma la forma enol de succinato, como se muestra en la Fig. 2. Para determinar qué mecanismo está teniendo lugar realmente, se requieren estudios adicionales de succinato deshidrogenasa.

Una vez completada la reacción , el fumarato , que está débilmente unido al sitio activo de la enzima, se disocia fácilmente. Hay datos de los que se deduce que el dominio de unión al sustrato citosólico de la succinato deshidrogenasa sufre cambios conformacionales: después de que el producto sale, la enzima se encuentra en una forma abierta y, al unirse a un nuevo sustrato, pasa a un estado cerrado, cerrándose herméticamente. a su alrededor [14] .

Transferencia de electrones

Como resultado de la oxidación del succinato, sus electrones se transfieren a FAD y luego se transfieren a lo largo de la cadena de grupos de hierro-azufre desde el grupo [Fe-S] al [3Fe-4S]. Allí, estos electrones se transfieren a una molécula de ubiquinona que espera en el sitio de unión .

Recuperación de ubiquinona

En el sitio activo , la ubiquinona se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno entre su átomo de oxígeno carbonilo en la primera posición y la tirosina -83 de la subunidad D. La transferencia de electrones al grupo de hierro-azufre [3Fe-4S] hace que la ubiquinona se mueva a otra posición Como resultado, se forma un segundo enlace de hidrógeno entre el grupo carbonilo de la ubiquinona en la cuarta posición y la serina-27 de la subunidad C. Después de que la ubiquinona acepta el primer electrón durante el proceso de reducción, se convierte en el radical activo semiquinona , que, después de unir el segundo electrón del grupo [3Fe-4S] completamente reducido a ubiquinol . El mecanismo completo de recuperación de ubiquinona se muestra en la Figura 3 [15] .

Gema b

Aunque todavía no se conoce la función exacta de la hemo succinato deshidrogenasa, algunos investigadores argumentan que el primer electrón de la ubiquinona a través de [3Fe-4S] puede moverse rápidamente entre el hemo y la ubiquinona unida. Así, el hemo cumple el papel de sumidero de electrones, impidiendo su interacción con el oxígeno molecular, lo que conduciría a la formación de especies reactivas de oxígeno .

También existe la suposición de que para evitar que el electrón caiga directamente del grupo [3Fe-4S] al grupo hemo, funciona un mecanismo de compuerta especial. Un posible candidato de puerta es la subunidad B histidina -207, que se encuentra justo entre el grupo de hierro y azufre y el grupo hemo, no lejos de la ubiquinona unida; probablemente pueda controlar el flujo de electrones entre estos centros redox [15] .

Inhibidores

Hay dos clases de inhibidores del complejo II: algunos bloquean el bolsillo de unión del succinato y otros bloquean el bolsillo de unión del ubiquinol . Los inhibidores que imitan al ubiquinol incluyen la carboxina y la tenoiltrifluoroacetona . Los inhibidores de análogos de succinato incluyen el compuesto sintético malonato . Curiosamente, el oxaloacetato es uno de los inhibidores más potentes del complejo II. No está claro por qué un metabolito común del ciclo del ácido cítrico inhibe el complejo II, aunque se sugiere que, por lo tanto, puede desempeñar un papel protector al minimizar el transporte de electrones inversos en el complejo I , lo que da como resultado la formación de superóxido [16] .

Los inhibidores que imitan el ubiquinol se han utilizado como fungicidas en la agricultura desde la década de 1960. Por ejemplo, la carboxina se ha utilizado principalmente para enfermedades causadas por basidiomicetos , como la roya del tallo y enfermedades causadas por Rhizoctonia . Recientemente, han sido reemplazados por otros compuestos con una gama más amplia de patógenos suprimidos. Estos compuestos incluyen boscalid , pentiopirad y fluopiram [17] . Algunos hongos de importancia agrícola no son susceptibles a esta nueva generación de inhibidores [18] .

Papel en las enfermedades

El papel fundamental de la succinato deshidrogenasa en la cadena de transporte de electrones mitocondrial hace que sea vital para la mayoría de los organismos multicelulares , la eliminación de los genes de esta enzima del genoma es letal, lo que se ha demostrado en embriones tempranos de ratón.

La succinato deshidrogenasa de mamíferos no solo está involucrada en la generación de energía en las mitocondrias, sino que también juega un papel en la sensibilidad celular al oxígeno y la supresión de tumores; ahora estas propiedades son objeto de un estudio detallado [19] [20] .

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , pág. 239.
  2. ↑ T. Thunberg, Skand. Arco. fisiol. , 24 (1910) 23; 41 (1920)1
  3. ↑ Singer, TP, Kearney, EB y Kenney, W. C. Succinato deshidrogenasa, en Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology / ed. A. Meister. - Nueva York, EE. UU.: John Wiley & Sons , Inc., 1973. - Vol. 37.- (Avances en Enzimología - y Áreas Afines de la Biología Molecular). — ISBN 9780470122822 . Archivado el 30 de mayo de 2016 en Wayback Machine .
  4. ↑ 1 2 Manual de flavoproteínas: Volumen 2 Flavoproteínas complejas, deshidrogenasas y métodos físicos / editado por Russ Hille, Susan Miller, Bruce Palfey. - 1 edición. — Berlín: Walter de Gruyter & Co, 30 de junio. 2013. - vol. 2.- Pág. 141-143. — 436 pág. — ISBN 978-3110298284 . Archivado el 1 de junio de 2016 en 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. Formas de alto peso molecular del complejo II de la cadena respiratoria de mamíferos  (inglés)  // PLoS ONE  : revista. - 2013. - Agosto ( vol. 8 , no. 8 ). — P.e71869 . - doi : 10.1371/journal.pone.0071869 .
  6. ↑ Tomitsuka E., Hirawake H., Goto Y., Taiwaki M., Harada S., Kita K. Evidencia directa de dos formas distintas de la subunidad de flavoproteína del complejo mitocondrial humano II (succinato-ubiquinona reductasa  )  // J. Biochem : diario. - 2003. - vol. 134 , núm. 2 . - pág. 191-195 . -doi : 10.1093 / jb/mvg144 . —PMID 12966066 .
  7. ↑ 1 2 Yankovskaya V., Horsefield R., Törnroth S., et al. Arquitectura de la succinato deshidrogenasa y la generación de especies reactivas de oxígeno  (inglés)  // Ciencia: revista. - 2003. - enero ( vol. 299 , no. 5607 ). - Pág. 700-704 . -doi : 10.1126 / ciencia.1079605 . —PMID 12560550 .
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Literatura

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