La succinato deshidrogenasa ( SDH ) o succinato-coenzima Q reductasa ( SQR ) o complejo respiratorio II es un complejo enzimático que se encuentra en muchas células bacterianas y en la membrana mitocondrial interna de los eucariotas . Es la única enzima que participa tanto en el ciclo del ácido cítrico como en la fosforilación oxidativa . [1] El análisis histoquímico que muestra niveles altos de succinato deshidrogenasa en el músculo demuestra un alto contenido mitocondrial y un alto potencial oxidativo. [2]
En el paso 6 del ciclo del ácido cítrico , la SQR cataliza la oxidación del succinato a fumarato con la reducción de la ubiquinona a ubiquinol . Esto ocurre en la membrana mitocondrial interna mediante el acoplamiento de las dos reacciones.
Los SQR mitocondriales y muchos bacterianos están compuestos de cuatro subunidades estructuralmente diferentes : dos hidrófilas y dos hidrófobas . Las dos primeras subunidades, una flavoproteína (SDHA) y una proteína de hierro-azufre (SDHB), forman una cabeza hidrófila donde tiene lugar la actividad enzimática del complejo. La SDHA contiene un cofactor de flavina adenina dinucleótido (FAD) unido covalentemente y el sitio de unión del succinato y la SDHB contiene tres grupos de hierro-azufre: [2Fe-2S], [4Fe-4S] y [3Fe-4S]. Las dos segundas subunidades son subunidades de anclaje de membrana hidrófobas, SDHC y SDHD. Las mitocondrias humanas contienen dos isoformas distintas de SDHA (subunidades Fp tipo I y tipo II), estas isoformas también se encuentran en Ascaris suum y Caenorhabditis elegans . [3] Las subunidades forman un complejo de citocromo b unido a la membrana con seis hélices transmembrana que contienen un grupo hemo b y un sitio de unión a la ubiquinona . También se encuentran dos moléculas de fosfolípidos , una cardiolipina y una fosfatidiletanolamina , en las subunidades SDHC y SDHD (no se muestran en la imagen). Sirven para ocupar el espacio hidrofóbico debajo del hemo b. Estas subunidades se muestran en la imagen adjunta. SDHA es verde, SDHB es verde azulado, SDHC es fucsia y SDHD es amarillo. Alrededor de SDHC y SDHD hay una membrana de fosfolípidos con el espacio intermembrana en la parte superior de la imagen. [4]
Se pueden reconocer dos sitios de unión de ubiquinona distintivos en SDH de mamíferos: Q P proximal a la matriz y Q D distal a la matriz . El sitio de unión de ubiquinona Qp, que muestra mayor afinidad por la ubiquinona, se encuentra en un espacio compuesto por SDHB, SDHC y SDHD. La ubiquinona se estabiliza mediante las cadenas laterales de His207 de la subunidad B, Ser27 y Arg31 de la subunidad C, y Tyr83 de la subunidad D. El anillo de quinona está rodeado por Ile28 de la subunidad C y Pro160 de la subunidad B. Estos residuos , junto con Il209, Trp163 y Trp164 de la subunidad B, y Ser27 (átomo C) de la subunidad C, forman el entorno hidrofóbico del bolsillo de unión de quinona Qp. [6] Por el contrario, el sitio de unión de la ubiquinona Q D , que se encuentra más cerca del espacio intermembrana, está compuesto solo de SDHD y tiene menor afinidad por la ubiquinona. [7]
La SDHA proporciona el sitio de unión para la oxidación del succinato . Las cadenas laterales Thr254, His354 y Arg399 de la subunidad A estabilizan la molécula mientras que el FAD oxida y transporta los electrones al primero de los grupos hierro-azufre , [2Fe-2S]. [8] Esto se puede ver en la imagen 5.
El sitio de unión del succinato y el sitio de unión de la ubiquinona están conectados por una cadena de centros redox que incluyen FAD y los grupos de hierro y azufre . Esta cadena se extiende sobre 40 Å a través del monómero enzimático . Todas las distancias de borde a borde entre los centros son menores que el límite sugerido de 14 Å para la transferencia fisiológica de electrones . [4] Esta transferencia de electrones se demuestra en la imagen 8.
Todas las subunidades de la SDH mitocondrial humana están codificadas en el núcleo. Después de la traducción, la subunidad SDHA se transloca como apoproteína a la matriz mitocondrial. Posteriormente, uno de los primeros pasos es la unión covalente del cofactor FAD (flavinilación covalente). Este proceso se ve potenciado por el factor de ensamblaje de la succinato deshidrogenasa 2 ( SDHAF2 ; [9] también llamado SDH5 en levaduras y SDHE en bacterias) y por algunos de los intermediarios del ciclo de Krebs. El fumarato estimula con mayor fuerza la flavinilación covalente de la SDHA. [10] A través de estudios del sistema bacteriano, se ha demostrado que el mecanismo de unión de la FAD implica un intermediario quinona:metida. [11] En el ensamblaje mitocondrial, pero no en las bacterias, la SDHA interactúa con un segundo factor de ensamblaje llamado factor de ensamblaje de la succinato deshidrogenasa 4 (SDHAF4; llamado SDH8 en levaduras) antes de insertarse en el complejo final. [7]
Los grupos prostéticos Fe-S de la subunidad SDHB se están formando en la matriz mitocondrial por el complejo proteico ISU. También se cree que el complejo es capaz de insertar los grupos de hierro-azufre en SDHB durante su maduración. Los estudios sugieren que la inserción del grupo Fe-S precede a la formación del dímero SDHA-SDHB. Dicha incorporación requiere la reducción de residuos de cisteína dentro del sitio activo de SDHB. Tanto los residuos de cisteína reducidos como los grupos Fe-S ya incorporados son altamente susceptibles al daño de ROS . Dos factores de ensamblaje de SDH más, SDHAF1 (SDH6) y SDHAF3 (SDH7 en levadura), parecen estar involucrados en la maduración de SDHB de manera de proteger la subunidad o el dímero SDHA-SDHB del daño del grupo Fe-S causado por ROS. [7]
El ensamblaje del ancla hidrofóbica que consta de las subunidades SDHC y SDHD aún no está claro, especialmente en el caso de la inserción del hemo b , e incluso su función. El grupo prostético del hemo b no parece ser parte de la vía de transporte de electrones dentro del complejo II. [5] El cofactor, más bien, mantiene la estabilidad del ancla.
Se sabe mucho sobre el mecanismo de oxidación del succinato , que implica la transferencia de un protón y un hidruro. Una combinación de mutagénesis y análisis estructural identifica a Arg-286 de la subunidad SDHA ( numeración de E. coli ) como el transbordador de protones. Las estructuras cristalinas de las enzimas de múltiples organismos muestran que está bien preparada para el paso de transferencia de protones. A partir de entonces, hay dos posibles mecanismos de eliminación: E2 o E1cb. En la eliminación E2, el mecanismo está concertado. El residuo básico o cofactor desprotona el carbono alfa y FAD acepta el hidruro del carbono beta , oxidando el succinato unido a fumarato (consulte la imagen 6). En E1cb, se forma un intermedio enolato , que se muestra en la imagen 7, antes de que FAD acepte el hidruro . Se requiere más investigación para determinar qué mecanismo de eliminación experimenta el succinato en la succinato deshidrogenasa. El fumarato oxidado , ahora unido de forma débil al sitio activo , es libre de salir de la proteína .
Una vez que los electrones se derivan de la oxidación del succinato a través de FAD , se desplazan a lo largo del relevo [Fe-S] hasta que alcanzan el grupo [3Fe-4S]. Estos electrones se transfieren posteriormente a una molécula de ubiquinona que se encuentra en espera dentro del sitio activo . El sistema de tunelización de electrones de hierro y azufre se muestra en la imagen 9.
El oxígeno del carbonilo O1 de la ubiquinona se orienta en el sitio activo (imagen 4) mediante interacciones de enlace de hidrógeno con Tyr83 de la subunidad D. La presencia de electrones en el grupo de azufre de hierro [3Fe-4S] induce el movimiento de la ubiquinona hacia una segunda orientación. Esto facilita una segunda interacción de enlace de hidrógeno entre el grupo de carbonilo O4 de la ubiquinona y Ser27 de la subunidad C. Después del primer paso de reducción de un solo electrón , se forma una especie de radical semiquinona . El segundo electrón llega desde el grupo [3Fe-4S] para proporcionar la reducción completa de la ubiquinona a ubiquinol . Este mecanismo de la reducción de la ubiquinona se muestra en la imagen 8.
Aunque la funcionalidad del hemo en la succinato deshidrogenasa aún se está investigando, algunos estudios [¿ por quién? ] han afirmado que el primer electrón entregado a la ubiquinona a través de [3Fe-4S] puede hacer un túnel de ida y vuelta entre el hemo y el intermediario de la ubiquinona . De esta manera, el cofactor hemo actúa como un sumidero de electrones . Su función es evitar la interacción del intermediario con el oxígeno molecular para producir especies reactivas de oxígeno (ROS). El grupo hemo , en relación con la ubiquinona , se muestra en la imagen 4.
También se ha propuesto que puede existir un mecanismo de compuerta para evitar que los electrones se tunelicen directamente hacia el hemo desde el grupo [3Fe-4S]. Un candidato potencial es el residuo His207, que se encuentra directamente entre el grupo y el hemo . La His207 de la subunidad B está en proximidad directa al grupo [3Fe-4S], la ubiquinona unida y el hemo ; y podría modular el flujo de electrones entre estos centros redox. [12]
Para reducir completamente la quinona en SQR, se necesitan dos electrones y dos protones . Se ha argumentado que una molécula de agua (HOH39) llega al sitio activo y es coordinada por His207 de la subunidad B, Arg31 de la subunidad C y Asp82 de la subunidad D. La especie de semiquinona es protonada por protones entregados desde HOH39, completando la reducción de ubiquinona a ubiquinol . His207 y Asp82 probablemente facilitan este proceso. Otros estudios afirman que Tyr83 de la subunidad D está coordinada a una histidina cercana, así como al oxígeno carbonílico O1 de la ubiquinona . El residuo de histidina disminuye el pKa de la tirosina , lo que la hace más adecuada para donar su protón al intermediario ubiquinona reducido .
Existen dos clases distintas de inhibidores (SDHI) del complejo II: los que se unen en el bolsillo del succinato y los que se unen en el bolsillo de la ubiquinona. Los inhibidores de tipo ubiquinona incluyen la carboxina y la tenoiltrifluoroacetona . Los inhibidores análogos del succinato incluyen el compuesto sintético malonato , así como los intermediarios del ciclo del TCA, malato y oxaloacetato . De hecho, el oxaloacetato es uno de los inhibidores más potentes del complejo II. No se entiende por completo por qué un intermediario común del ciclo del TCA inhibiría el complejo II, aunque puede ejercer un papel protector al minimizar la producción de superóxido mediada por transferencia inversa de electrones por el complejo I. [13] La atpenina 5a son inhibidores muy potentes del complejo II que imitan la unión de la ubiquinona.
Los inhibidores de tipo ubiquinona se han utilizado como fungicidas en la agricultura desde la década de 1960. La carboxina se utilizó principalmente para controlar enfermedades causadas por basidiomicetos como las royas del tallo y las enfermedades causadas por Rhizoctonia . En la década de 1980 se descubrió que las benzanilidas simples tenían una actividad comparable a la de la carboxina y se comercializaron varias de ellas, entre ellas benodanil , flutolanil y mepronil . [14] Más recientemente, se han desarrollado otros compuestos con un espectro más amplio contra una variedad de patógenos vegetales, entre ellos boscalid , fluopyram , fluxapyroxad , pydiflumetofen y sedaxane . [15] [14] Algunos hongos importantes para la agricultura no son sensibles a los miembros de la nueva generación de inhibidores de tipo ubiquinona. [16]
FRAC tiene un grupo de trabajo [17] para SDHI y recomienda prácticas de gestión de la resistencia . [18]
El papel fundamental de la succinato-coenzima Q reductasa tanto en la fosforilación oxidativa como en el ciclo del ácido cítrico la hace vital en todos los organismos eucariotas. La pérdida de la función de la SDH a través de mutaciones o toxinas puede causar una amplia gama de enfermedades.
Cuando la SDH es disfuncional en el ciclo del ácido cítrico, puede conducir a una acumulación del oncometabolito succinato, que puede conducir a la tumorogénesis. Es bien sabido que esto ocurre en las células cromafines , causando tumores neuroendocrinos como paraganglioma , carcinoma renal y tumor del estroma gastrointestinal (GIST). [19] Los datos de penetrancia para las mutaciones de SDH que causan tumorogénesis son insuficientes, y las directrices internacionales sugieren una detección exhaustiva de cualquier portador. [20] La penetrancia del paraganglioma en las mutaciones de pérdida de función de SDH es incompleta y varía según la subunidad. Las mutaciones SDHB tienen una penetrancia entre el 8% y el 37%, las mutaciones SDHD tienen una penetrancia entre el 38% y el 64% con algunos efectos de impronta materna, y la penetrancia de las mutaciones SDHA y SDHC está poco estudiada, pero probablemente entre el 1% y el 30%. [21] [22] La SDH de los mamíferos no sólo funciona en la generación de energía, sino que también tiene un papel en la detección de oxígeno . La acumulación de succinato debido a una SDH defectuosa puede causar una pseudohipoxia y angiogénesis, las cuales contribuyen a la apariencia vascular y característica de "sal y pimienta" del paraganglioma en las imágenes. [23]
Las mutaciones bialélicas de pérdida de función de SDHA, SDHB, SDHD y SDHAF1 o las mutaciones monoalélicas de pérdida de función de SDHA pueden causar deficiencia del complejo mitocondrial II . Esta alteración en la fosforilación oxidativa puede provocar síndrome de Leigh , encefalopatía mitocondrial , atrofia óptica , miopatía y un espectro de enfermedades. Estas presentaciones pueden variar desde la muerte durante el primer año de vida o en el útero hasta síntomas leves que comienzan en la edad adulta. [24]
Se observan niveles reducidos de SDH post mortem en los cerebros de pacientes con enfermedad de Huntington , y se han identificado defectos del metabolismo energético tanto en pacientes presintomáticos como sintomáticos con EH. [25]
