三羧酸循环中琥珀酸脱氢真的可逆么?
这是一个好问题!
先说我的回答:琥珀酸脱氢酶催化的是可逆反应,但琥珀酸脱氢酶不能催化从延胡索酸到琥珀酸的逆反应。
琥珀酸脱氢酶(Succinate dehydrogenase,SDH)作为三羧酸(Tricarboxylic Acid cycle, TCA)循环(又称为柠檬酸循环,Citric acid cycle)中唯一的线粒体内膜蛋白,承担了线粒体(图1)中两大重要代谢通路——TCA循环与氧化磷酸化——沟通的桥梁。
琥珀酸脱氢酶(SDH)的名字很多,又名琥珀酸-辅酶Q还原酶(succinate-coenzyme Q reductase,SQR)或复合体II(Complex II)。它之所以在线粒体电子传递链中被称为复合体II是因为它不是以蛋白质单体存在并发挥功能的,而是由4个亚基(分别命名为SdhA, B, C和D)组成的跨线粒体内膜蛋白质复合体(如图2[1])。
如果这个图看着觉得不清楚,没关系,接着往下看(图3[1])。
图示中术语翻译:
Inter-membrane space, 线粒体膜间隙;Inner mitochondrial membrane, 线粒体内膜;Matrix, 线粒体基质;Succinate, 琥珀酸;Fumarate, 延胡索酸;Heme, 血红素;3x[Fe-S], 三个铁-硫簇;Q和QH2指的分别是辅酶Q和还原型辅酶Q。因为辅酶Q(Co-enzyme Q, CoQ)又称为泛醌( “广泛存在的醌”, Ubiquinone, UQ或简称为Q)。
SDH的四个亚基分为两大类:亲水性亚基和疏水性亚基。看图就能很容易区分出来,亲水性亚基就是在线粒体基质侧的SdhA和SdhB亚基,而疏水性亚基就是嵌入线粒体内膜的SdhC和SdhD亚基。从示意图(图3)中不难看出,SDH的两个亲水性亚基(尤其是SdhA亚基)主要负责催化琥珀酸到延胡索酸的转化:琥珀酸+FAD→延胡索酸+FADH2
回到题主的问题,虽然这个反应在教材和很多参考书里都是用了可逆符号,但它代表的是这个反应本身是一个可逆反应。言外之意就是,为了保证化学反应的方向是从琥珀酸到延胡索酸,SDH需要其他辅助反应。这些辅助反应就是上面(图3)提到的其他三个亚基的功能,都是为了保证反应方向是从琥珀酸到延胡索酸。
这个反应式里的可逆符号不意味着在细胞里它的逆反应也是同样由SDH来催化。因为细胞里延胡索酸还原酶(Quniol:Fummarate reductase, QFR)负责来催化它的逆反应[2]。
Succinate dehydrogenases(succinate:quinone reductases, also known as complex II or SQR) catalyse the reaction succinate+Q⇌fumarate+QH2, which serves as a vital link between the tricarboxylic acid cycle and oxidative phosphorylation. The reverse reaction can be performed by fumarate reductases(quinol:fumarate reductases, QFR), in which fumarate would serve as a terminal electron acceptor.
上面这段话翻译一下就是:琥珀酸脱氢酶可以催化琥珀酸+辅酶Q⇌延胡索酸+还原型辅酶Q的反应,该反应充当了连接TCA循环和氧化磷酸化的重要桥梁。它的逆反应可以被延胡索酸还原酶催化(QFR),在该逆反应中延胡索酸作为电子的最终受体。
这个问题还可以用氧化电子传递链的势能梯度来解释(图4)。