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コハク酸デヒドロゲナーゼ（SDH）またはコハク酸-補酵素Q還元酵素（SQR）または呼吸複合体IIは、多くの細菌細胞および真核生物のミトコンドリア内膜に存在する酵素複合体です。これは、クエン酸回路と酸化的リン酸化の両方に関与する唯一の酵素です。[ 1 ]筋肉に高濃度のコハク酸デヒドロゲナーゼが存在することを示す組織化学的分析は、ミトコンドリア含有量が高く、酸化能が高いことを示しています。[ 2 ]
クエン酸回路のステップ6では、SQRがコハク酸のフマル酸への酸化とユビキノンのユビキノールへの還元を触媒する。この反応はミトコンドリア内膜で、 2つの反応を連動させることによって起こる。
ミトコンドリアおよび多くの細菌のSQRは、構造的に異なる4つのサブユニット（2つの親水性サブユニットと2つの疎水性サブユニット）から構成されています。最初の2つのサブユニット、フラボタンパク質（SDHA）と鉄硫黄タンパク質（SDHB）は、複合体の酵素活性が起こる親水性ヘッドを形成します。SDHAは、共有結合したフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）補因子とコハク酸結合部位を含み、SDHBは3つの鉄硫黄クラスター（[2Fe-2S]、[4Fe-4S]、[3Fe-4S]）を含みます。2番目の2つのサブユニットは、疎水性膜アンカーサブユニットであるSDHCとSDHDです。ヒトミトコンドリアには、SDHAの2つの異なるアイソフォーム（FpサブユニットタイプIとタイプII）が含まれており、これらのアイソフォームは、Ascaris suumとCaenorhabditis elegansにも見られます。[ 3 ] サブユニットは、1 つのヘム bグループとユビキノン結合部位を含む6 つの膜貫通ヘリックスを持つ膜結合型シトクロム b複合体を形成します。SDHC および SDHD サブユニットには、2 つのリン脂質分子、1 つのカルジオリピンと 1 つのホスファチジルエタノールアミンも存在します (画像には示されていません)。これらは、ヘム b の下の疎水性空間を占める役割を果たします。これらのサブユニットは、添付画像に表示されています。SDHA は緑色、SDHB は青緑色、SDHC はフクシア色、SDHD は黄色です。SDHC および SDHD の周囲にはリン脂質膜があり、膜間空間は画像の上部にあります。[ 4 ]
哺乳類のSDHには、マトリックス近位のQ Pとマトリックス遠位のQ Dという2つの特徴的なユビキノン結合部位が認められる。ユビキノンに対する親和性が高いユビキノン結合部位Qpは、SDHB、SDHC、SDHDからなるギャップに位置している。ユビキノンは、サブユニットBのHis207、サブユニットCのSer27とArg31、サブユニットDのTyr83の側鎖によって安定化されている。キノン環は、サブユニットCのIle28とサブユニットBのPro160に囲まれている。これらの残基は、サブユニットBのIl209、Trp163、Trp164、およびサブユニットCのSer27（C原子）とともに、キノン結合ポケットQpの疎水性環境を形成する。[ 6 ]対照的に、膜間腔に近いユビキノン結合部位QDはSDHDのみで構成されており、ユビキノンに対する親和性が低い。 [ 7 ]
SDHAはコハク酸の酸化のための結合部位を提供する。サブユニットAの側鎖Thr254、His354、およびArg399は分子を安定化させ、 FADは酸化して電子を鉄硫黄クラスターの最初の[2Fe-2S]に運ぶ。 [ 8 ]これは図5で見ることができる。
コハク酸結合部位とユビキノン結合部位は、 FADと鉄硫黄クラスターを含む酸化還元中心の鎖でつながっている。この鎖は酵素モノマーを40Å以上にわたって貫通している。中心間の端から端までの距離はすべて、生理的電子伝達の推奨限界である14Å未満である。[ 4 ]この電子伝達は図8に示されている。
ヒトミトコンドリアSDHのすべてのサブユニットは核にコードされています。翻訳後、SDHAサブユニットはアポタンパク質としてミトコンドリアマトリックスに転座します。続いて、最初のステップの1つはFAD補因子の共有結合（共有結合フラビニル化）です。このプロセスは、 コハク酸デヒドロゲナーゼアセンブリ因子2（SDHAF2；[ 9 ]酵母ではSDH5、細菌ではSDHEとも呼ばれる）とクレブス回路の中間体の一部によって促進されます。フマル酸はSDHAの共有結合フラビニル化を最も強く促進します。[ 10 ]細菌系の研究により、FAD結合のメカニズムにはキノン：メチド中間体が関与することが示されています。[ 11 ]ミトコンドリアのアセンブリでは、SDHAは最終複合体に挿入される前に、コハク酸デヒドロゲナーゼアセンブリ因子4（SDHAF4；酵母ではSDH8と呼ばれる）と呼ばれる2番目のアセンブリ因子と相互作用しますが、細菌のアセンブリでは相互作用しません。[ 7 ]
サブユニットSDHBのFe-S補欠分子族は、ミトコンドリアマトリックス内でタンパク質複合体ISUによって予め形成されています。この複合体は、SDHBの成熟中に鉄硫黄クラスターを挿入する能力も持っていると考えられています。研究によると、Fe-Sクラスターの挿入はSDHA-SDHB二量体の形成に先行します。このような組み込みには、 SDHBの活性部位内のシステイン残基の還元が必要です。還元されたシステイン残基と既に組み込まれたFe-Sクラスターの両方が、ROSによる損傷を受けやすいです。さらに2つのSDHアセンブリ因子、SDHAF1（SDH6）とSDHAF3（酵母ではSDH7）が、サブユニットまたは二量体SDHA-SDHBをROSによるFe-Sクラスターの損傷から保護する形でSDHBの成熟に関与しているようです。[ 7 ]
SDHCとSDHDサブユニットからなる疎水性アンカーの組み立ては依然として不明である。特にヘムbの挿入とその機能については不明である。ヘムb補欠分子族は複合体II内の電子伝達経路の一部ではないようである。[ 5 ]むしろ補因子はアンカーの安定性を維持している。
プロトンとヒドリドの移動を伴うコハク酸酸化機構については多くのことが知られています。変異誘発と構造解析の組み合わせにより、SDHAサブユニット（大腸菌の番号付け）のArg-286がプロトンシャトルであることが特定されています。 複数の生物由来の酵素の結晶構造は、これがプロトン移動ステップに適した位置にあることを示しています。その後、E2またはE1cbの2つの可能な脱離機構があります。E2脱離では、機構は協奏的です。塩基性残基または補因子がα炭素を脱プロトン化し、FADがβ炭素からヒドリドを受け取り、結合したコハク酸をフマル酸に酸化します（図6を参照）。E1cbでは、FADがヒドリドを受け取る前に、図7に示すようにエノラート中間体が形成されます。コハク酸脱水素酵素においてコハク酸がどの脱離機構を受けるかを決定するには、さらなる研究が必要です。酸化されたフマル酸は、活性部位に緩く結合しているため、タンパク質から自由に放出される。
FADを介したコハク酸の酸化によって生成された電子は、[Fe-S]リレーに沿ってトンネル効果を起こし、[3Fe-4S]クラスターに到達します。これらの電子はその後、活性部位内の待機中のユビキノン分子に伝達されます。鉄-硫黄電子トンネルシステムは図9に示されています。
ユビキノンのO1カルボニル酸素は、サブユニットDのTyr83との水素結合相互作用により、活性部位（図4）に配向している。[3Fe-4S]鉄硫黄クラスターに電子が存在すると、ユビキノンが2番目の配向に移動する。これにより、ユビキノンのO4カルボニル基とサブユニットCのSer27との間に2番目の水素結合相互作用が促進される。最初の1電子還元ステップの後、セミキノンラジカル種が形成される。2番目の電子は[3Fe-4S]クラスターから到着し、ユビキノンをユビキノールに完全に還元する。このユビキノン還元のメカニズムを図8に示す。
コハク酸デヒドロゲナーゼにおけるヘムの機能についてはまだ研究が続けられているが、いくつかの研究では、[3Fe-4S]を介してユビキノンに最初に渡される電子がヘムとユビキノン中間体の間をトンネル効果によって行き来する可能性があると主張されている。このようにして、ヘム補因子は電子シンクとして機能する。その役割は、中間体と分子状酸素との相互作用を防ぎ、活性酸素種（ROS）の生成を抑制することである。ユビキノンに対するヘム基の位置関係を図4に示す。
また、 [3Fe-4S]クラスターからヘムへ電子が直接トンネルするのを防ぐためのゲーティング機構が存在する可能性も示唆されている。候補の一つは、クラスターとヘムの間に位置するHis207残基である。サブユニットBのHis207は、[3Fe-4S]クラスター、結合したユビキノン、およびヘムに直接近接しており、これらの酸化還元中心間の電子の流れを調節する可能性がある。[ 12 ]
SQR のキノンを完全に還元するには、2 つの電子と 2 つのプロトンが必要です。水分子(HOH39)が活性部位に到達し、サブユニット B の His207、サブユニット C の Arg31、およびサブユニット D の Asp82 によって配位されると考えられています。セミキノン種はHOH39 から供給されるプロトンによってプロトン化され、ユビキノンからユビキノールへの還元が完了します。His207 と Asp82 はこのプロセスを促進する可能性が最も高いです。他の研究では、サブユニット D の Tyr83 が近くのヒスチジンとユビキノンのO1カルボニル酸素に配位していると主張しています。ヒスチジン残基はチロシンのpKa を低下させ、還元されたユビキノン中間体にプロトンを供与しやすくします。
複合体 II の阻害剤 (SDHI) には、コハク酸ポケットに結合するものとユビキノンポケットに結合するものの 2 つの明確なクラスがあります。ユビキノン型阻害剤には、カルボキシンとテノイルトリフルオロアセトンが含まれます。コハク酸類似体阻害剤には、合成化合物マロン酸のほか、TCA サイクル中間体であるリンゴ酸とオキサロ酢酸が含まれます。実際、オキサロ酢酸は複合体 II の最も強力な阻害剤の 1 つです。一般的な TCA サイクル中間体が複合体 II を阻害する理由は完全には理解されていませんが、複合体 I による逆電子移動を介したスーパーオキシドの生成を最小限に抑える保護的な役割を果たしている可能性があります。 [ 13 ]アトペニン 5a は、ユビキノン結合を模倣した非常に強力な複合体 II 阻害剤です。
ユビキノン型阻害剤は、1960年代から農業で殺菌剤として使用されてきました。カルボキシンは主に、茎さび病やリゾクトニア病などの担子菌類によって引き起こされる病気の防除に使用されていました。1980年代には、単純なベンザニリドがカルボキシンと同等の活性を持つことが判明し、ベノダニル、フルトラニル、メプロニルなど、これらのうちのいくつかが市販されました。[ 14 ]最近では、ボスカリド、フルオピラム、フルキサピロキサド、ピジフルメトフェン、セダキサンなど、さまざまな植物病原体に対してより広いスペクトルを持つ他の化合物が開発されています。[ 15 ] [ 14 ]農業上重要な真菌の中には、新世代のユビキノン型阻害剤に対して感受性を示さないものがあります。[ 16 ] FRACにはSDHIsのワーキンググループがあり、耐性管理の実践を推奨しています。 [ 17 ] [ 18 ]
複合体II阻害剤は、 IRACグループ25の殺虫剤および殺ダニ剤としても使用されています。 [ 19 ]
コハク酸-コエンザイムQ還元酵素は、酸化的リン酸化とクエン酸回路の両方において重要な役割を担っており、すべての真核生物にとって不可欠な酵素である。突然変異や毒素によってSDHの機能が失われると、様々な疾患を引き起こす可能性がある。
クエン酸回路でSDHが機能不全になると、腫瘍代謝産物であるコハク酸が蓄積し、腫瘍形成につながる可能性があります。これは、クロマフィン細胞でよく知られており、傍神経節腫、腎癌、消化管間質腫瘍（GIST）などの神経内分泌腫瘍を引き起こします。 [ 20 ]腫瘍形成を引き起こすSDH変異の浸透率データは不足しており、国際的なガイドラインでは、保因者全員を徹底的にスクリーニングすることを推奨しています。[ 21 ] SDHの機能喪失変異における傍神経節腫の浸透率は不完全であり、サブユニットによって異なります。SDHB変異の浸透率は8%から37%の間であり、SDHD変異の浸透率は38%から64%の間で、母性インプリンティング効果がいくらかあり、SDHAとSDHCの両方の変異の浸透率は十分に研究されていませんが、おそらく1%から30%の間です。[ 22 ] [ 23 ]哺乳類のSDHはエネルギー生成だけでなく、酸素感知にも関与している。SDHの欠陥によるコハク酸の蓄積は、偽低酸素症と血管新生を引き起こし、その両方が画像診断における傍神経節腫の血管が顕著で特徴的な「塩コショウ状」の外観に寄与している。[ 24 ]
SDHA、SDHB、SDHD、SDHAF1の両アレル性機能喪失変異、またはSDHAの単アレル性機能喪失変異は、ミトコンドリア複合体II欠損症を引き起こす可能性があります。この酸化リン酸化の障害は、リー症候群、ミトコンドリア脳症、視神経萎縮、ミオパチー、および一連の疾患につながる可能性があります。これらの症状は、生後1年以内または胎内での死亡から、成人になってから始まる軽度の症状まで多岐にわたります。[ 25 ]
ハンチントン病患者の脳では死後SDHレベルの低下が観察され、症状発現前および症状発現後のHD患者の両方でエネルギー代謝異常が確認されている。[ 26 ]
多くのウイルスはヒト細胞の呼吸鎖複合体IIであるコハク酸デヒドロゲナーゼの活性に依存しているため、アトペニンA5を使用してこの酵素を阻害すると、SARS-CoV-2、デングウイルス、呼吸器合胞体ウイルス、インフルエンザAウイルスがin vitroで高い選択性指数で阻害された。[ 27 ]
