Килибарна киселина

Килибарна киселина или сукцинска киселина — дикарбоксилна киселина со хемиска формула (CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(COOH)<sub>2</sub>. Името на ова соединение доаѓа од латинсккиот збор ''succinum'' што значи килибар. Во живите организми килибарната киселина се јавува во форма на анјон, сукцинат, кој има мноштво биолошки функции како метаболен меѓупроизвод. Ензимот сукцинат дехидрогеназа го претвора сукцинатот во фумарат во комплекс 2 од електронскиот транспортен синџир. Сукцинатот се создава во митохондриите како меѓупроизвод во тек на Кребсовиот циклус, меѓутоа тој може да го напушти митохондриската матрица и да извршува важни улоги во цитоплазмата на клетката, како и во вонклеточниот простор. Некои од тие функции се промени во генетската експресија, модулација на епигенетските сигнали или хормонска сигнализација. Како таков, сукцинатот го поврзува клеточниот метаболизам, особено синтезата на ATP, со регулација на клеточната функција. Нерегулираност во синтезата на сукцинат, а со тоа и синтезата на ATP, се случува кај некои генетски митохондријални заболувања, како што е Leighs и Melas заболувањата, а неговото распаѓање може да доведе до патолошки состојби како злоќудна трансформација, воспаление и оштетување на ткивото.
1 Физички својства
Килибарната киселина е цврста супстанца со бела боја и изразено кисел вкус. Во воден раствор таа се јонизира за да ја даде својата конјугирана база – сукцинат. Како дипротична киселина, таа подлежи на две последователни реакции на депротонација:
: (CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(CO<sub>2</sub>H)<sub>2</sub> → (CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(CO<sub>2</sub>H)(CO<sub>2</sub>)<sup>−</sup> + H<sup>+</sup>: (CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(CO<sub>2</sub>H)(CO<sub>2</sub>)<sup>−</sup> → (CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(CO<sub>2</sub>)<sub>2</sub><sup>2−</sup> + H<sup>+</sup>
pK<sub>a</sub> вредностите на овие процеси се 4.3 и 5.6, соодветно. И двата анјона се безбојни и можат да се изолираат како соли, на пример Na(CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(COOH)(COO)<sup>-</sup> и Na(CH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(COO<sub>2</sub>)<sup>2-</sup>. Во живите организми, килибарната киселина е присутна во форма на нејзиниот анјон сукцинат, а не во неутрална форма.
Радикалот на килибарната киселина е познат како сукцинилна група.
Како повеќето моно- и дикарбоксилни киселини, таа не е штетна, но може да биде раздразнувач за кожата и очите.
2 Добивање и најчести реакции
2.1 Хемиски реакции
Килибарната киселина може да биде оксидирана до фумарна киселина или да биде претворена во диестри, како што е диетил сукцинатот (CH<sub>2</sub>CO<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>. Овој диетил естер е супстрат на Стобеовата кондензација. Дехидратацијата на килибарната киселина дава анхидрид на килибарна киселина. Сукцинатот може да се користи за добивање на 1,4-бутандиол, анхидрид на малеинска киселина, сукцинимид и тетрахидрофуран.
2.2 Комерцијално добивање
Историски, килибарната киселина била добивана со дестилација на килибар, па оттука името килибарна киселина. Денес, оваа киселина се добива синтетски или со процес на ферментација. Најчести индустриски методи за синтеза на килибарната киселина вклучуваат: парцијална хидрогенација на малеинска киселина, оксидација на 1,4-бутандиол и карбонилација на етилен гликол. Во скорешно време, генетскиот инжинеринг на микроорганизмите како ''E. coli''''Saccharomyces cerevisiae'', овозможува добивање на големи количини килибарна киселина преку ферментација на гликоза. Глобалното производство се проценува на 16,000 до 30,000 тони годишно, со годишен прираст од 10%.
3 Употреба
3.1 Претходник на полимери, смоли и растворувачи
Килибарната киселина е претходник на некои полиестри и влегува во состав на некои алкиди. 1,4-бутандиолот може да се синтетизира со употреба на килибарната киселина како претходник. Автомобилската и електронската индустрија во големи мери го користат 1,4-бутандиолот во производство на изолатори, конектори, раткапни, менувачи итн. Килибарната киселина може да се користи како појдовен материјал за синтеза на оредени биоразградливи полимери.
3.2 Во исхрана
Килибарната киселина е признаена како безбедна од американската FDA (''Food and Drug Administration'') за употреба како прехранбен адитив и диетарен додаток. Таа најчесто се користи како регулатор на киселост во индустријата за храна и пијалаци. Се користи и како средство за подобрување на вкусот бидејќи дава кисел и астригентен вкус. Во фармацевтските производи може да се користи како ексципиенс за контрола на киселоста или како каунтерјон. Лекови кои имаат во составот сукцинат се на пр. метопролол сукцинат, суматриптан сукцинат, доксиламин сукцинат и солифенацин сукцинат.
4 Биосинтеза
4.1 Кребсов циклус
Сукцинатот е клучен меѓупроизвод во циклусот на лимонска киселина. Тој се добива од сукцинил-КоА под дејство на ензимот сукцинил-КоА синтетаза, во чекор кој дава GTP/ATP како продукт:
Сукцинил-КоA + NDP + Pi → Сукцинат + КоA + NTP
По овој чекор, сукцинатот се оксидира во фумарат, со делување на ензимот сукцинат дехидрогеназа (SDH).
Сукцинат + FAD → Фумарат + FADH<sub>2</sub>
Сукцинат дехидрогеназа е всушност респираторниот комплекс 2 во состав на митохондријалниот електронско-транспортен синџир. Овој ензимски комплекс е составен од мембранско-врзан липобелковина изградена од 4 подединици, а ја поврзува оксидацијата на сукцинатот со редукцијата на убихинонот преку електронско-носачките посредници FAD и 2Fe-2S кластерите. На овој начин, сукцинатот претставува директен дарител на електрони на електронско-транспортниот синџир.
4.2 Редуктивен Кребсов циклус
Друг метаболен пат на добивање на сукцинатот е реверзната активност на сукцинат дехидрогеназата (SDH). Кај одредени бактериски видови (''A. succinogenes'', ''A. succiniproducens'', ''M. succiniproducens'') во анаеробни услови, циклусот на лимонска киселина се одвива во обратна насока, така што гликозата ја трансформираат во сукцинат преку интермедиерите оксалоацетат, малат и фумарат. Овој метаболен пат се користи во метаболното инжинерство за добивање на сукцинат за човечка употреба.
Акумулацијата на фумаратот може да ја поттикне реверзната активност на SDH, и на овој начин да се зголеми концентрацијата на сукцинат. При физиолошки и патолошки услови, концентрацијата на митохондријалниот фумарат може да се зголеми со активноста на малатно-аспартатниот шант или шантот на пуринските нуклеотиди.
4.3 Глиоксалатен циклус
Во тек на глиоксалатниот циклус, две дво-јаглеродни ацетилни единици се претвораат во еден 4-јаглероден сукцинат. Овој циклус е присутен во многу бактериски, растителни и габични видови, а им овозможува на овие организми да користат како извор на енергија ацетат или соединенија кои се разградуваат до ниво на ацетил-КоА. Глиоксалатниот метаболен пат е сличен со Кребсовиот циклус, иако овде не се одвиваат чекорите на декарбоксилација присутни во Кребсовиот циклус. Избегнувањето на овие чекори е овозможено со дејството на ензимот изоцитрат лиаза, кој го разградува изоцитратот на сукцинат и глиоксалат. Вака добиениот сукцинат може да се користи како извор на енергија или во анаболни процеси (на пр. гликонеогенеза).
4.4 GABA шант
Шантот на гама-аминобутерна киселина (GABA шант) е алтернативен пат за претворање на алфа-кетоглутарат во сукцинат, со што се заобиколува интермедиерот сукцинил-КоА, а наместо него, како интермедиер се добива GABA. Оваа аминокиселина се добива со трансаминација и декарбоксилација на алфа-кетоглутаратот. Ензимот GABA-трансаминаза потоа ја метаболизира GABA во сукцински полуалдехид. На крај, сукцинскиот полуалдехид се оксидира во сукцинат со помош на ензимот сукцинска полуалдехидна дехидрогеназа (SSADH). GABA шантот се одвива во невроните, глија клетките, макрофагите и клетките на панкреасот.
5 Клеточен метаболизам
5.1 Метаболен меѓупроизвод
Сукцинатот се создава и концентрира во митохондриите на клетката, а неговата примарна биолошка функција е на метаболен меѓупроизвод. Сите метаболни патишта кои се меѓусебно поврзани преку Кребсовиот циклус, вклучувајќи ги метаболизмот на јаглехидратите, аминокиселините, масните киселини, холестеролот и хемот, поминуваат низ фаза на привремено формирање на сукцинат. Сукцинатот е достапен за биосинтетските процеси преку повеќе патишта, вклучувајќи ја редуктивната гранка на Кребсовиот циклус или глиоксилатниот циклус, преку кои се добива сукцинатот. Кај глодачите, митохондриската концентрација на сукцинат е околу ~ 0,5 mM, додека концентрацијата во плазмата е само 2-20 μM.
5.2 Создавање на реактивни кислородни видови (ROS)
Сукцинат дехидрогеназата (SDH), која го претвора сукцинатот во фумарат, може да учествува во продукцијата на митохондријални реактивни кислородни видови (анг. ''reactive oxygen species'' ROS) преку насочување на протокот на електрони во електронскиот транспортен синџир. Во услови на акумулација на сукцинат, брзата оксидација на сукцинатот од страна на SDH може да доведе до обратен електронски транспорт (анг. ''reverse electron transport'' RET). Доколку митохондријалниот респираторен комплекс III не е способен доволно брзо да го прима вишокот на електрони добиени од оксидацијата на сукцинат, тој ги принудува електроните да течат назад низ електронскиот транспортен синџир. RET кај митохондријалниот респираторен комплекс I, комплексот што нормално претходи на SDH во електронскиот транспортен синџир, доведува до продукција на ROS, што создава оксидирачка микросредина.
6 Дополнителни биолошки функции
Покрај неговите метаболни улоги, сукцинатот служи и како внатреклеточна и вонклеточна сигнална молекула. Екстра-митохондријалниот сукцинат го менува епигенетскиот пејзаж со инхибиција на семејството на 2-оксоглутарат-зависните диоксигенази. Исто така, сукцинатот може да се ослободи во вонклеточната течност и крвотокот, каде што го препознаваат целните рецептори. Општо земено, излегувањето на сукцинатот од митохондриите се случува поради негова прекумерна продукција или недоволна потрошувачка, а тие можат да се јават поради редуцирана, реверзна или сосема отсутна активност на SDH или други промени во метаболната состојба. Мутациите во SDH, хипоксијата или енергетски дисбаланс се поврзани со промена на флуксот низ циклусот на лимонска киселина и акумулација на сукцинат. По напуштањето на митохондриите, сукцинатот служи како сигнал за метаболната состојба, сигнализирајќи на соседните клетки колку метаболички е активна популацијата на клетките од каде потекнува. Како таков, сукцинатот ја поврзува дисфункцијата на Кребсовиот циклус или метаболичките промени со клетка-клетка комуникацијата и со одговорите кон оксидативен стрес.
6.1 Транспортери на сукцинат
За движење на сукцинатот низ митохондриската и плазматската мембрана потребни се специфични транспортери. Тој излегува од митохондриската матрица и поминува низ внатрешната митохондриска мембрана со помош на дикарбоксилатни транспортери, првенствено SLC25A10, транспортер на сукцинат-фумарат/малат. Во вториот чекор на излезот низ митохондријата, сукцинат лесно ја преминува надворешната митохондриска мембрана преку порини, неспецифични белковински канали кои ја олеснуваат дифузијата на молекулите помали од 1,5 kDa. Транспортот низ плазматската мембрана најверојатно е специфичен за различните типови на ткиво. Кандидат за транспортер е INDY (анг. ''I'm not dead yet''), натриум-независен анјонски разменувач, кој ги транспортира и дикарбоксилатот и цитратот во крвотокот.
6.2 Вонклеточна сигнализација
Вонклеточниот сукцинат може да дејствува како сигнална молекула со функција слична на хормон, насочена кон различни ткива како што се крвни клетки, масното ткиво, имунолошките клетки, црниот дроб, срцето, ретината, а особено бубрезите. G –белковина-зависниот рецептор, GPR91, познат и како SUCNR1, служи како детектор на вонклеточен сукцинат. Аминокиселинските остатоци на Arg<sup>99</sup>, His<sup>103</sup>, Arg<sup>252</sup> и Arg<sup>281</sup> во близина на центарот на рецепторот создаваат позитивно наелектризирано место за врзување на негативно наелектризираниот сукцинат. Специфичноста на лигандот за GPR91 била ригорозно тестирана со употреба на 800 фармаколошки активни соединенија и 200 карбоксилни соединенија слични на сукцинат, кои покажаа значително понизок афинитет на врзување. Генерално, EC50 (половина максимална делотворна концентрација) за сукцинат-GPR91 е во опсегот 20-50 uM. Во зависност од типот на клетки, GPR91 може да комуницира со повеќе G-белковини, вклучувајќи ги и G<sub>s</sub>, G<sub>i</sub> и G<sub>q</sub>, и давајќи различни одговори на сигнализацијата.
6.2.1 Ефект врз адипоцитите
Кај адипоцитите, каскадата за сигнализирање на GPR91, активирана од сукцинат, ја инхибира липолизата.
6.2.2 Ефект врз црниот дроб и мрежницата
Сигнализација на сукцинат често се јавува како одговор на хипоксични состојби. Во црниот дроб, сукцинат служи како паракрински сигнал, ослободен од аноксични хепатоцити, и цели на ѕвездестите клетки преку GPR91. Ова доведува до активирање на ѕвездестата клетка и фиброгенеза. Така, се смета дека сукцинат игра улога во хомеостазата на црниот дроб. Во мрежницата, сукцинатот се акумулира во клетките на ретиналните ганглии како одговор на исхемични состојби. Сигнализацијата од автокриниот сукцинат поттикнува ретинална неоваскуларизација, предизвикувајќи активирање на ангиогени фактори како што е ендотелниот фактор на раст (VEGF).
6.2.3 Ефект врз срцето
Вонклеточниот сукцинат ја регулира вијабилноста на кардиомиоцитите преку активирање на GPR91; долготрајното изложување на сукцинат води до патолошка хипертрофија на кардиомиоцитите. Стимулацијата на GPR91 предизвикува најмалку две сигнални патишта во срцето: патека MEK1/2 и ERK1/2 која активира хипертрофична генска експресија и патека на фосфолипаза C која го менува моделот на навлегување и дистрибуција на Ca<sup>2+</sup> и предизвикува CaM-зависна хипертрофична генска активација.
6.2.4 Ефект врз имунолошките клетки
SUCNR1 е високо изразен кај незрелите дендритични клетки, при што врзувањето на сукцинат ја стимулира хемотаксата. Понатаму, SUCNR1 синергизира со толичните рецептори за зголемување на продукцијата на проинфламаторни цитокини како што се TNF алфа и интерлеукин-1бета. Сукцинатот може да го подобри адаптивниот имунитет со активирање на активноста на антиген-презентирачките клетки кои, пак, ги активираат Т-клетките.
6.2.5 Ефект врз тромбоцитите
SUCNR1 е еден од најмногу изразените G-белковински рецептори на човечките тромбоцити, присутни на нивоа слични на P2Y12, иако се дебатира за улогата на сукцинатна сигнализација во тромбоцитната агрегација. Повеќекратните студии покажаа агрегација предизвикана од сукцинат, но ефектот има голема интер-поединечна варијабилност.
6.2.6 Ефект врз бубрезите
Сукцинатот служи како модулатор на крвниот притисок преку стимулирање на ослободување на ренин во macula densa и јукстагломеруларните клетки преку GPR91. Терапиите кои целат на сукцинатот за намалување на кардиоваскуларниот ризик и хипертензија се во фаза на истражување.
6.3 Внатреклеточна сигнализација
Акумулацијата на фумарат или сукцинат ја намалува активноста на 2-оксоглутарат-зависни диоксигеназите, вклучувајќи ги деметилазите на хистони и ДНК, пролил хидроксилази и колагенски пролил-4-хидроксилази, преку компетитивна инхибиција. На 2-оксоглутарат-зависните диоксигенази потребен им е железен кофактор за катализирање на хидроксилациите, десатурациите и затворањето на прстените. Заедно со оксидацијата на супстратот, тие го претвораат 2-оксоглутаратот во сукцинат и СО<sub>2</sub>. 2-оксоглутарат-зависните диоксигенази го врзуваат супстратот на низен, правилен начин. Прво, 2-оксоглутаратот координира со Fe(II) јон врзан за сочуваната 2-хистидинил-1-аспартил/глутамил тријада на остатоци присутни во ензимскиот центар. Потоа, примарниот супстрат влегува во врзувачкото место, за да на крај кислородот се врзе за комплексот ензим-супстрат. Оксидативната декарбоксилација потоа создава железен меѓупроизвод координиран за сукцинатот, кој служи за оксидација на врзаниот примарен супстрат. Сукцинатот може да интерферира со ензимскиот процес така што прв ќе се врзе за Fe(II) центарот, попречувајќи го врзувањето на 2-оксоглутарат. На тој начин, со ензимска инхибиција, зголемената концентрација на сукцинат може да доведе до промени во активноста на транскрипциониот фактор и промени метилацијата на хистони и ДНК-низ геномот.
6.3.1 Епигенетски ефекти
Сукцинат и фумарат ја инхибираат ТЕТ (анг. ''ten-eleven translocation'') групата на 5-метилцитозински ДНК модифицирачки ензими и хистонските лизин деметилази кои содржат JmjC домен (анг. ''JmjC domain-containing histone lysine demethylase''). Патолошки покачените нивоа на сукцинат водат до хиперметилација, епигенетско замолчување и промени во невроендокрината диференцијација, потенцијално индуцирајќи го развојот на рак.
6.3.2 Генска регулација
Инхибицијата на пролил хидроксилазите (PHD) од страна на сукцинат го стабилизира транскрипциониот фактор наречен хипоксија-индуцибилен фактор (HIF) 1α (анг. ''hypoxia inducible factor (HIF)1α''). PHDs го хидроксилираат пролинот, а истовремено оксидативно го декарбоксилираат 2-оксоглутарат во сукцинат и СО<sub>2</sub>. Кај луѓето, три HIF пролил 4-хидроксилази ја регулираат стабилноста на HIF ензимите. Хидроксилацијата на два пролински остатоци во HIF1α го олеснува врзувањето за убиквитинот, и на тој начин ја обележува за протеолитичко разградување со патот на убиквитин/протеазом. Бидејќи за PDH молекуларниот кислород е неопходен, овој процес е потиснат во услови на хипоксија, овозможувајќи HIF1α да избегне разградување. Високите концентрации на сукцинат имитираат состојба на хипоксија со потиснување на PHD, па затоа го стабилизираат HIF1α и индуцираат транскрипција на HIF1-зависните гени, дури и при нормална заситеност со кислород. Познато е дека HIF1 индуцира транскрипција на повеќе од 60 гени, вклучувајќи ги и гените одговорни за васкуларизација и ангиогенеза, енергетски метаболизам, преживувањето на клетките и туморската инвазија.
7 Поврзано
*Килибар
* Кребсов циклус