Сукцинатдегидрогеназа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Сукцинатдегидрогеназа
Succinate Dehydrogenase Cofactors 1NEK.gif
Идентификаторы
Шифр КФ

1.3.5.1

Номер CAS

9028-11-9

Базы ферментов
IntEnz

IntEnz view

BRENDA

BRENDA entry

ExPASy

NiceZyme view

MetaCyc

metabolic pathway

KEGG

KEGG entry

PRIAM

profile

PDB structures

RCSB PDB PDBe PDBsum

Gene Ontology

AmiGO • EGO

Поиск
PMC

статьи

PubMed

статьи

NCBI

NCBI proteins

CAS

9028-11-9

Сукцинатдегидрогеназа или сукцинат-убихинон-оксидорекдуктаза, также известная как комплекс II — белковый комплекс, расположенный во внутренней мембране митохондрий[en] и мембранах многих прокариотических организмов. Одновременно участвует в цикле трикарбоновых кислот и дыхательной цепи переноса электронов.

На шестой стадии цикла трикарбоновых кислот сукцинатдегидрогеназа катализирует окисление сукцината до фумарата, восстанавливая убихинон до убихинола[1].

История[править | править вики-текст]

В 1910 году, более века назад, Танберг обнаружил, что изолированная мышечная ткань животных способна окислять сукцинат (янтарную кислоту)[2], из чего был сделан вывод, что для осуществления этой реакции есть некий фермент. Неизвестный фермент, позже идентифицированный как сукцинатдегидрогеназа, стал предметом активных исследований начиная с 1950-х годов, когда на гребне активно развивавшейся биохимии и исследований клеточного дыхания зарождалась биоэнергетика. В 1954 году американскому учёному Томасу П. Сингеру впервые удалось выделить очищенную сукцинатдегидрогеназу в виде раствора[3]. Доступность растворимой формы фермента ознаменовало прорыв в исследованиях, и за последующие пятнадцать лет были идентифицированы все основные компоненты сукцинатдегидрогеназного комплекса. Из ранних исследований растворимой формы стало понятно, что этот белок содержит железо и флавин. Сукцинатдегидрогениаза оказалась первым исследованным белком, у которого был обнаружен ковалентно присоединённый флавинадениндинуклеотид. Кроме того, фермент содержал лабильные атомы серы[4].

В 1959 году, сразу же после открытия кофермента Q, Циглер и Доик выделили сукцинатдегидрогеназу, которая была растворена в холевой кислоте, содержала флавин, железо и гем и могла восстанавливать коэнзим Q. Эти результаты кардинально отличались от тех, которые были получены при исследовании водорастворимой сукцинатдегидрогеназы, которая не содержала гема и не могла восстанавливать коэнзим Q. Возникшее противоречие дало начало ожесточённым спорам о правильности и качестве процедур выделения и возможном загрязнении, которые продолжались вплоть до начала 1970-х годов. В начале 60-х годов сформировалось представление о дыхательной цепи переноса электронов, а в результате проводившихся экспериментов, в 1962 году удалось выделить три первых дыхательных комплекса. Выделенный из митохондрий комплекс с сукцинатдегидрогеназной активностью получил название дыхательный комплекс II и несколько позже был отождествлён с водорастворимой сукцинатдегидрогеназой. Следует отметить, что убедительно показать наличие в сукцинатдегидрогеназе железосерных кластеров и определить их строение удалось только 30 лет спустя после её выделение. Этого удалось добиться с появлением новых методик ЭПР, которые были испробованы на этом ферменте[4].

Структурная организация комплекса II[править | править вики-текст]

Субъединицы сукцинатдегидрогеназы

Субъединицы[править | править вики-текст]

Мономер комплекса II в митохондриях млекопитающих, простейших, грибов и многих бактерий состоит из четырёх субъединиц, кодируемых ядерным геномом: двух гидрофильных и двух гидрофобных. Молекулярная масса полного мономера по разным данным составляет от ~125 кДа[1] до ~140 кДа[5]. Две гидрофобные субъединицы обращены в матрикс. Субъединица А представляет собой флавопротеин, а субъединица B несёт железосерный белок. На субъединице A расположен ковалентно связанный ФАД, и сайт связывания сукцината, а на B находятся три железосерных кластера: [2Fe-2S], [4Fe-4S] и [3Fe-4S]. У человека субъединица А представлена двумя изоформами (субъединицы типа I и II), эти изоформы также обнаружены у Ascaris suum и Caenorhabditis elegans[6]. Гидрофобные субъединицы C и D — трансмембранные белки. Вместе они образуют цитохром b560, в шести трансмембранных α-спиралях которого расположен гем b и сайт связывания убихинона. Две молекулы фосфолипидов, один кардиолипин и один фосфатидилэтаноламин, которые заполняют гидрофобное пространство между субъединицами C и D ниже гема b[7].

Значительно меньше известно о комплексе II у растений, он и по сей день остаётся одним из самых неизученных комплексов растительных митохондрий. Последние эксперименты по его выделению из арабидопсиса и исследование его методом голубого нативного электрофореза[en] показали, у растений что он, по-видимому, состоит из восьми субъединиц, четыре из которых идентичны субъединицам обычным комплекса II, а четыре специфичных для растений и не обнаруживаются в митохондриях других эукариот. Аналогичные результаты были получены и для картофеля[8].

Таблица субъединиц[9][править | править вики-текст]

No. Субъединица Белок человека Молекулярная масса Семейство белков Pfam
1 SdhA SDHA_HUMAN 72 кДа Pfam PF00890, Pfam PF02910
2 SdhB SDHB_HUMAN 30 кДа Pfam PF13085, Pfam PF13183
3 SdhC CDHB_HUMAN 18 кДа Pfam PF01127
4 SdhD DHSD_HUMAN 15 кДа Pfam PF05328

Cайт связывания убихинона[править | править вики-текст]

Сайт связывания убихинона расположен в углублении, образованном субъединицами B, C и D. Здесь убихинон стабилизируется боковыми группами гистидина-207 субъединицы B, серином-27 и аргинином-31 субъединицы C и тирозином-83 субъединицы D. Хиноновое кольцо окружено изолейцином-28 субъединицы C и пролином-160 субъединицы B. Эти аминокислотные остатки вместе с изолейцином-209, триптофаном-163 и триптофаном-164 субъединицы B, и серином-27 субъединицы C, образуют гидрофобное окружение в кармане для связывания хинона[10].

Сайт связывания сукцината[править | править вики-текст]

На субъединице A расположен сайт связывания и окисления сукцината. Боковые группы тирозина-254, гистидина-354 и аргинина-399 этой субъединицы стабилизируют молекулу сукцината в то время как ФАД окисляется и передаёт электроны на первый железосерный кластер, [2Fe-2S][11].

Редокс-центры[править | править вики-текст]

Сайт связывания сукцината и сайт связывания убихинона соединены цепочкой из редокс-центров, состоящей из ФАД и трёх железосерных кластеров. Эта цепочка простирается на 40 Å через всё телофермента. Приблизительная дистанция между кофакторами не превышает физиологический предел для переноса электронов в 14 Å[7].

Механизм реакции[править | править вики-текст]

Комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон:

Сукцинат + Q → Фумарат + QH2

Электроны от сукцината сначала переносятся на ФАД, а затем через Fe-S кластеры на Q. Электронный транспорт в комплексе не сопровождается генерацией протонного градиента[en]. Образовавшиеся при окислении сукцината 2H+ остаются на той же стороне мембраны, то есть в матриксе[en], и затем снова поглощаются при восстановлении хинона. Таким образом комплекс II не вносит вклада в создание протонного градиента на мембране и работает только как переносчик электронов от сукцината к убихинону[12][13].

Рис. 1: Механизм окисления сукцината E2.
Рис. 2: Механизм окисления сукцинатаE1cb.

Окисление сукцината[править | править вики-текст]

О точном механизме окисления сукцината известно довольно мало. Рентгеноструктурный анализ выявил, что ФАД, глутамат-255, аргинин-286, и гистидин-242 субъединицы A могут быть кандидатами для осуществления реакции депротонирования. Существует два возможных механизма этой реакции элиминирования (отщепления): E2 и E1cb. В случая E2 — это согласованный механизм. Основные остатки или кофактор депротонируют альфа углерод, а ФАД принимает гидрид-анион от бета углерода, окисляя сукцинат до фумарата — см. рис. 1. В случае механизма E1cb, прежде чем ФАД присоединит гидрид-анион, образуется енольная сукцината, как это показано на рис. 2. Что бы определить какой механизм имеет место на самом деле, требуется провести дополнительные исследования сукцинатдегидрогеназы.

После завершения реакции фумарат, который слабо связан с активным центром фермента, легко диссоциирует. Существуют данные из которых следует, что цитозольный субстратсвязывающий домен сукцинатдегидрогеназы претерпевает конформационные изменения: после ухода продукта фермент находится в открытом виде, а связав новый субстрат, переходит в закрытое состояние, плотно смыкаясь вокруг него[14].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Ермаков, 2005, с. 239.
  2. T. Thunberg, Skand. Arch. Physiol., 24 (1910) 23; 41 (1920)1
  3. Singer, T. P., Kearney, E. B. and Kenney, W. C. Succinate Dehydrogenase, in Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology / ed. A. Meister. — New York, USA.: John Wiley & Sons, Inc., 1973. — Vol. 37. — (Advances in Enzymology - and Related Areas of Molecular Biology). — ISBN 9780470122822.
  4. 1 2 Handbook of Flavoproteins: Volume 2 Complex Flavoproteins, Dehydrogenases and Physical Methods / edited by Russ Hille, Susan Miller, Bruce Palfey. — 1 edition. — Berlin: Walter de Gruyter & Co, 30 Jun. 2013. — Vol. 2. — P. 141-143. — 436 p. — ISBN 978-3110298284.
  5. Kovářová, N., Mráček, T., Nůsková, H., Holzerová, E., Vrbacký, M., Pecina, P., Hejzlarová, K., Kľučková, K., Rohlena, J., Neuzil, J., Houštěk, J (August 2013). «High Molecular Weight Forms of Mammalian Respiratory Chain Complex II». PLoS ONE 8 (8): e71869. DOI:10.1371/journal.pone.0071869.
  6. Tomitsuka E, Hirawake H, Goto Y, Taiwaki M, Harada S, Kita K (2003). «Direct evidence for two distinct forms of the flavoprotein subunit of human mitochondrial complex II (succinate-ubiquinone reductase)». J. Biochem 134 (2): 191–5. DOI:10.1093/jb/mvg144. PMID 12966066.
  7. 1 2 Yankovskaya V, Horsefield R, Törnroth S, etal (January 2003). «Architecture of succinate dehydrogenase and reactive oxygen species generation». Science 299 (5607): 700–4. DOI:10.1126/science.1079605. PMID 12560550.
  8. A. Harvey Millar, Holger Eubel, Lothar Jansch, Volker Kruft, Joshua L. Heazlewood, Hans-Peter Braun (September 2004). «Mitochondrial cytochrome c oxidase and succinate dehydrogenase complexes contain plant specific subunits.». Plant Mol Biol 56 (1): 77-90. PMID 15604729.
  9. Sun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D, etal (2005). «Crystal structure of mitochondrial respiratory membrane protein complex II.». Cell 121 (7): 1043-57. DOI:10.1016/j.cell.2005.05.025. PMID 15989954.
  10. Horsefield R, Yankovskaya V, Sexton G, etal (March 2006). «Structural and computational analysis of the quinone-binding site of complex II (succinate-ubiquinone oxidoreductase): a mechanism of electron transfer and proton conduction during ubiquinone reduction». J. Biol. Chem. 281 (11): 7309–16. DOI:10.1074/jbc.M508173200. PMID 16407191.
  11. Kenney WC (April 1975). «The reaction of N-ethylmaleimide at the active site of succinate dehydrogenase». J. Biol. Chem. 250 (8): 3089–94. PMID 235539.
  12. Нельсон, Кокс, 2012, с. 331-333.
  13. Ермаков, 2005, с. 240.
  14. T.M. Iverson (May 2013). «Catalytic mechanisms of complex II enzymes: A structural perspective». Biochimica et Biophysica Acta 1827 (5): 648–657. DOI:10.1016/j.bbabio.2012.09.008.

Литература[править | править вики-текст]

  • Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. — М.: Академия, 2005. — 634 с.
  • Дэвид Л. Нельсон, Майкл М. Кокс. Основы биохимии Ленинджера. Биоэнергетика и метаболизм. = Leninger Principles of Biochemistry. — Бином. Лаборатория знаний, 2012. — Т. 2. — 692 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 978-5-94774-365-4.