SDH

ソルビトール脱水素酵素（SDH）は、ヒトのSORD遺伝子によってコードされる細胞質内酵素であり、中鎖脱水素酵素/還元酵素タンパク質ファミリーに属します。SDHは、NAD⁺を補因子として、ソルビトール（グルコースの糖アルコール形態）をフルクトースに変換することができ、アルドース還元酵素と共に炭水化物代謝に関与します。これは、ATPの関与なしに体がグルコースからフルクトースを生成する経路に寄与し、グルコース代謝における解糖系の重要なバイパスであり、糖尿病合併症の発展に重要な役割を果たすと考えられています。ソルビトールは細胞から拡散するのが難しく、そのフルクトースへの酸化過程は遅いため、高血糖によるソルビトールの蓄積は、細胞内浸透圧を高め、細胞の膨張を促進するだけでなく、糖尿病性白内障の原因にもなります。触媒反応は次の通りです。

図1. SDH触媒反応。

ここで、Zn²⁺も触媒に関与しています。SDHは、さまざまなポリオールや他の二次アルコールを対応するケトンに酸化する能力も持っています。SDHは、細菌からヒトまでのあらゆる生物にほぼ普遍的に発現しており、肝臓や精嚢で最も頻繁に使用されます。しかし、SDHは不安定な活性を持ち、半減期が短いです。したがって、その有用性は限られており、分析は迅速に行う必要があります。

構造

ヒトSDHの構造を決定するために、4つの同一の鎖（A、B、C、D）からなる結晶化実験と2.20 Åの解像度のX線回折が行われました。それぞれは31%がヘリカルで14のヘリックスを持ち、26%がベータシートで23のストランドを持ち、356の残基と触媒部位があります。MolProbity Ramachandran分析によると、すべての残基の97.1%が好ましい領域にあり、すべての残基の100.0%が許可された領域にあり、外れ値はありません。触媒部位は、セリンおよびヒスチジン残基の親水性側鎖をカバーしており、触媒活性にはNAD⁺と亜鉛イオンの存在が必要です。保存された亜鉛結合モチーフと疎水性基質結合ポケットについて言及すると、SDHは哺乳類のアルコール脱水素酵素と構造的に相同であることも明らかになっています。最近、SDHとアルコール脱水素酵素の間には全体的な3D構造の類似性があるにもかかわらず、2つの酵素の活性部位における亜鉛の配位が異なることがわかりました。SDHの利用可能な構造および生化学的データは、糖尿病合併症の予防または治療のための薬剤を開発するための構造ベースのアプローチに利用されています。

SDHにおけるサブユニット相互作用

SDHのサブユニット間の非共有結合相互作用は、テトラマーを形成し、4つの同一のサブユニット間の疎水効果、水素結合、および静電相互作用から成ります。ホモテトラマータンパク質SDHにおいて、構造はモノマーからダイマーに進化し、最終的にテトラマーの四次構造を生成するものと考えられています。タンパク質配列のアラインメント、構造比較、エネルギー計算、ゲル濾過実験、酵素動力学実験などのさまざまな方法により、サブユニット間の水素結合ネットワークがテトラマー構造の安定性に重要であることが明らかになりました。SDHにおける一般的な結合プロセスは、サブユニット間の結合および解離の速度を通じてエネルギーの獲得なしに決定できます。SDHタンパク質はアルコール脱水素酵素と密接な進化的関係を持っています。銀葉白蝉のSDHと酵母のアルコール脱水素酵素の両方は、構造的亜鉛部位を欠き、テトラマーの四次構造を共有しています。したがって、構造的観点から見ると、これら2つのクラスのタンパク質は密接な進化的関係を示しています。

図2. SDHにおける4つのサブユニット（A、B、C、D）の集合

機能

SDHの主な応用の1つは、食事中のソルビトールの代謝を助けることであり、これは体内のさまざまな器官の機能に特に重要です。ただし、ソルビトールは通常、食事中に非常に少量しか存在せず、グルコースやフルクトースなどの関連化合物と同様に腸で吸収されません。グルコースからフルクトースへのポリオール経路（解糖系）では、アルドース還元酵素がグルコースをソルビトールに変換し、NADPHがNADP⁺に酸化され、SDHはソルビトールをフルクトースに酸化し、NAD⁺をNADHに還元するのを助けます。ソルビトール経路は、ATPの形でエネルギーの投入を伴わないため意義があります。過剰なグルコースは、グルタチオンの生成に必要な補因子であるNADPHの枯渇を引き起こします。

図3. SDHを含むポリオール経路。（El-Kabbani O; et al. 2004）

制御されていない糖尿病では、大量のグルコースがSDHが低いか存在しない組織（網膜、レンズ、腎臓、神経細胞など）に入り、アルドース還元酵素によってソルビトールに触媒され、ソルビトールの蓄積を引き起こし、浸透圧の増加により水が細胞内に引き込まれ、組織機能が損なわれます。糖尿病で観察される網膜症、白内障形成、腎症、末梢神経障害などの症状は、この現象によって部分的に引き起こされます。したがって、糖尿病合併症の発展におけるその影響の結果として、SDHへの関心が高まっており、糖尿病治療のための薬剤の探索はその三次構造によって促進される可能性があります。SDHは、肝細胞毒性の臨床化学パネルにバイオマーカーとして含まれることがあり、一般的に主に肝臓特異的であると見なされています。

参考文献