Succinato desidrogenase: estrutura, função, regulação, doenças - Ciência - 2023

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Sucinato desidrogenase (SDH), também conhecido como complexo II da cadeia de transporte de elétrons, é um complexo proteico mitocondrial com atividade enzimática que atua tanto no ciclo de Krebs quanto na cadeia de transporte de elétrons (respiração celular).

É uma enzima que está presente em todas as células aeróbias. Nos eucariotos, é um complexo intimamente associado à membrana mitocondrial interna, enquanto nos procariotos é encontrado na membrana plasmática.

O complexo succinato desidrogenase, descoberto por volta de 1910 e purificado pela primeira vez em 1954 por Singer e Kearney, foi amplamente estudado por várias razões:

- atua tanto no ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico) quanto na cadeia de transporte de elétrons (catalisa a oxidação do succinato a fumarato)


- sua atividade é regulada por diferentes ativadores e inibidores e

- é um complexo associado a: ferro não ligado a um grupo heme, enxofre lábil e dinucleotídeos adenina flavina (FAD)

É codificado pelo genoma nuclear e está comprovado que mutações nos quatro genes que codificam cada uma de suas subunidades (A, B, C e D) resultam em diversos quadros clínicos, ou seja, podem ser bastante negativas do ponto de vista da integridade física dos seres humanos.

Estrutura

O complexo da enzima succinato desidrogenase é composto por quatro subunidades (heterotetrâmero) codificadas pelo genoma nuclear, tornando-o o único complexo de fosforilação oxidativa na cadeia de transporte de elétrons que não possui subunidades codificadas pelo genoma mitocondrial.

Além disso, este complexo é o único que não bombeia prótons através da membrana mitocondrial interna durante sua ação catalítica.

De acordo com estudos realizados com base no complexo enzimático de células do coração de suínos, o complexo succinato desidrogenase é composto por:


- uma "cabeça” hidrofílico estendendo-se da membrana mitocondrial interna para a matriz mitocondrial e

- uma "rabo” hidrofóbico que está embutido na membrana mitocondrial interna e que tem um pequeno segmento que se projeta no espaço intermembranar solúvel da mitocôndria

Estrutura da porção hidrofílica

A cabeça hidrofílica é composta pelas subunidades SdhA (70 kDa) e SdhB (27 kDa) (Sdh1 e Sdh2 na levedura) e esta compreende o centro catalítico do complexo.

As subunidades SdhA e SdhB contêm cofatores redox que participam da transferência de elétrons para a ubiquinona (coenzima Q10, molécula que transporta elétrons entre os complexos respiratórios I, II e III).


A subunidade SdhA tem um cofator FAD (uma coenzima que participa das reações de oxidação-redução) covalentemente ligado à sua estrutura, bem no local de ligação do succinato (o substrato principal da enzima).

A subunidade SdhB tem 3 centros de ferro-enxofre (Fe-S) que medeiam a transferência de elétrons para a ubiquinona. Um dos centros, 2Fe-2S, está próximo ao local FAD da subunidade SdhA e os outros (4Fe-4S e 3Fe-4S) são adjacentes ao primeiro.

Notavelmente, estudos estruturais indicam que a subunidade SdhB forma a interface entre o domínio catalítico hidrofílico e o domínio de "âncora" (hidrofóbico) da membrana do complexo.

Estrutura da porção hidrofóbica

O domínio da membrana do complexo, como afirmado, consiste nas subunidades SdhC (15 kDa) e SdhD (12-13 kDa) (Sdh3 e Sdh4 na levedura), que são proteínas integrais de membrana, cada uma formada por 3 hélices transmembrana. .

Este domínio contém uma parte heme b anexado na interface entre as subunidades SdhC e SdhD, onde cada uma fornece um dos dois ligantes de histidina que os mantêm juntos.

Dois sítios de ligação para a ubiquinona foram detectados nesta enzima: um com alta afinidade e outro com baixa afinidade.

O site de alta afinidade, conhecido como Qp (p para proximal) está voltada para a matriz mitocondrial e é composta por resíduos de aminoácidos específicos localizados nas subunidades SdhB, SdhC e SdhD.

O site de baixa afinidade, também chamado Qd (d para distal) está, na porção da membrana mitocondrial interna onde o complexo está inserido, mais perto do espaço intermembrana, ou seja, mais longe da matriz da organela.

Como um todo, o complexo total tem um peso molecular próximo a 200 kDa e foi determinado ter uma proporção de 4,2-5,0 nanomoles de flavina para cada miligrama de proteína e 2-4 g de ferro para cada mol de flavina.

Função

O complexo enzimático succinato desidrogenase cumpre importante função na mitocôndria, pois além de participar do ciclo de Krebs (onde participa da degradação da acetil-CoA), também faz parte da cadeia respiratória, essencial para a produção de energia. na forma de ATP.

Em outras palavras, é uma enzima chave para o metabolismo intermediário e a produção aeróbia de ATP.

- É responsável pela oxidação do succinato a fumarato no ciclo do ácido cítrico

- Alimenta o complexo III da cadeia de transporte de elétrons com elétrons derivados da oxidação do succinato, que ajuda a reduzir o oxigênio e a formar água

- O transporte de elétrons gera um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna, o que favorece a síntese de ATP

Alternativamente, os elétrons podem ser usados ​​para reduzir as moléculas de um pool de ubiquinona, produzindo os equivalentes redutores necessários para reduzir os ânions superóxidos originários da mesma cadeia respiratória ou de fontes exógenas.

Como funciona?

A subunidade A do complexo (aquela que está covalentemente ligada à coenzima FAD) liga-se aos substratos fumarato e succinato, bem como aos seus reguladores fisiológicos, oxaloacetato (inibidor competitivo) e ATP.

O ATP desloca a ligação entre o oxaloacetato e o complexo SDH e, então, os elétrons que são "passados" do succinato para a subunidade SdhA são transferidos para os grupos de átomos de ferro e enxofre presentes na subunidade SdhB por meio do coenzima FAD.

A partir da subunidade B, esses elétrons alcançam os sítios heme b das subunidades SdhC e SdhD, de onde são "entregues" às coenzimas quinonas por meio de seus locais de ligação às quinonas.

O fluxo eletrônico do succinato por esses transportadores e até o aceptor final, que é o oxigênio, é acoplado à síntese de 1,5 moléculas de ATP para cada par eletrônico por meio da fosforilação ligada à cadeia respiratória.

Defeitos enzimáticos

Mutações no gene que codifica a subunidade A do complexo succinato desidrogenase foram relatadas como causadoras de encefalopatias durante a infância, enquanto mutações nos genes que codificam as subunidades B, C e D foram associadas à formação de tumor.

Regulamento

A atividade do complexo succinato desidrogenase pode ser regulada por modificações pós-tradução, como fosforilação e a acetilação, embora também possa ocorrer inibição do sítio ativo.

A acetilação de alguns resíduos de lisina pode diminuir a atividade dessa enzima e esse processo é realizado por uma enzima desacetilase conhecida como SIRT3; a fosforilação tem o mesmo efeito na enzima.

Além dessas modificações, o complexo SDH também é regulado pelos intermediários do ciclo de Krebs, especificamente o oxaloacetato e ele succinato. O oxaloacetato é um poderoso inibidor, enquanto o succinato favorece a dissociação do oxaloacetato, funcionando como um ativador.

Deficiência de succinato desidrogenase

A deficiência de succinato desidrogenase é uma anormalidade ou distúrbio da cadeia respiratória mitocondrial. Essa deficiência é causada por mutações nos genes SDHA (ou SDHAF1), SDHB, SDHC e SDHD.

Diferentes investigações têm mostrado mutações homozigotas e heterozigotas nesses genes, especialmente SDHA. Mutações nesses genes causam substituições de aminoácidos na proteína (em qualquer uma das subunidades SDHA, B, C ou D), ou de outra forma codificam proteínas anormalmente curtas.

Consequentemente, as substituições de aminoácidos e codificações de proteínas anormalmente curtas levam a distúrbios ou alterações da enzima SDH, causando uma falha na capacidade ideal da mitocôndria para produzir energia. Isso é o que os cientistas chamam de distúrbio da cadeia respiratória mitocondrial.

Este distúrbio pode ser expresso fenotipicamente em humanos de várias maneiras. Os mais conhecidos são: deficiência ou falta de desenvolvimento da linguagem, tetraplegia espástica, contrações musculares involuntárias (distonia), fraqueza muscular e cardiomiopatias, entre outros problemas relacionados.

Alguns pacientes com deficiência de succinato desidrogenase podem desenvolver doença de Leigh ou síndrome de Kearns-saire.

Como é detectada a deficiência de succinato de desidrogênio?

Certos estudos sugerem o uso de testes e análises histoquímicas qualitativas, bem como análises bioquímicas enzimáticas quantitativas da cadeia respiratória. Outros, por sua vez, sugerem a amplificação completa por meio da reação em cadeia da polimerase (PCR) dos exons das subunidades em estudo e, a seguir, o respectivo sequenciamento.

Doenças relacionadas

É grande o número de expressões fenotípicas produzidas por distúrbios da cadeia respiratória mitocondrial, devido à deficiência da succinato desidrogenase. No entanto, quando se trata de síndromes ou doenças, o seguinte é discutido.

Síndrome de Leigh

É uma doença neurológica progressiva, associada a mutações no genoma nuclear (no caso da succinato desidrogenase), que afetam o complexo piruvato-desidrogenase até a via de fosforilação oxidativa.

Os sintomas aparecem antes do primeiro ano de idade do indivíduo, mas nos casos atípicos, os primeiros sintomas são observados na adolescência.

Entre os sintomas mais comumente observados estão: hipotonia com perda de controle da cabeça, movimentos involuntários, vômitos recorrentes, problemas respiratórios, incapacidade de mover o globo ocular, sinais piramidais e extrapiramidais, entre outros. As convulsões não são muito comuns.

É possível que a doença seja detectada em diagnósticos pré-natais. Não há cura conhecida ou tratamento específico, mas alguns especialistas sugerem tratamentos com certas vitaminas ou cofatores.

Tumor estromal gastrointestinal (GIST)

Comumente chamado de GIST, é um tipo de tumor do trato gastrointestinal, que geralmente se desenvolve em áreas como o estômago ou intestino delgado. Acredita-se que a causa disso seja um certo grupo de células altamente especializadas chamadas células ICC ou células intersticiais de Cajal.

Outras considerações sobre a causa dos GISTs são mutações em certos tipos de genes, que segundo alguns autores causam 90% dos tumores. Os genes envolvidos são: KIT, PDGFRA, genes da succinato desidrogenase (SDH) - deficientes.

Succinato desidrogenase (SDH) - deficiente, ocorre principalmente em mulheres jovens, produz tumores no estômago e com relativa frequência metástase para os nódulos linfáticos. Uma pequena porcentagem ocorre em crianças e, na maioria dos casos, é devido à falta de expressão da subunidade SDHB.

Síndrome de Kearns-Sayre

Foi determinado que alguns pacientes com deficiências de succinato desidrogenase podem manifestar a síndrome de Kearns-Sayre. Esta doença está relacionada a distúrbios mitocondriais e é caracterizada pela ausência de movimento do globo ocular.

Outras características dessa doença são retinite pigmentosa, surdez, cardiomiopatia e distúrbios do sistema nervoso central. Esses sintomas geralmente são vistos antes de o paciente atingir os 20 anos de idade. Não há diagnóstico pré-natal conhecido para esta condição.

Também não há cura conhecida para esta doença. O tratamento é paliativo, ou seja, funciona apenas para diminuir os efeitos da doença, não para curá-la. Por outro lado, embora dependa do número de órgãos afetados e do atendimento médico recebido, a expectativa de vida é relativamente normal.

Referências

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