Килибарна киселина или сукцинска киселина — дикарбоксилна киселина со хемиска формула (CH2)2(COOH)2. 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.
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:
(CH2)2(CO2H)2 → (CH2)2(CO2H)(CO2)− + H+ (CH2)2(CO2H)(CO2)− → (CH2)2(CO2)22− + H+
pKa 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(CH2)2(COOH)(COO)- и Na(CH2)2(COO2)2-. 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.
Добивање и најчести реакции
Хемиски реакции Килибарната киселина може да биде оксидирана до фумарна киселина или да биде претворена во диестри, како што е диетил сукцинатот (CH2CO2CH2CH3)2. 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.
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%.
Употреба 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.
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.
Биосинтеза
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 + FADH2
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.
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.
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).
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. мини|525x525px|Биолошки улоги на сукцинат. Во внатрешноста на митохондриите, сукцинат е меѓупроизвод во повеќе метаболни патишта и придонесува за создавањето на ROS. Надвор од митохондриите, сукцинат функционира како внатреклеточна и вонклеточна сигнална молекула. OOA=оксалоацетат; a-KG=алфа-кетоглутарат; GLUT=Глутамат; GABA=гама-аминобутерна киселина; SSA=Сукцински полуалдехид; Р=пролил хидроксилаза; HIF-1a=hypoxia inducible factor 1a; ТЕТ=Ten-eleven Translocation Enzyme; JMJD3=Histone demethylase Jumonji D3|алт=
Клеточен метаболизам
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.
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.
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.
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. мини|546x546пкс|Аминокиселинска низа на GPR91. Сукцинатот се врзува за GPR91, кој е рецептор споен со 7-трансмембранска G-белковина. Црвено-обоените аминокиселини се оние вклучени во врзувањето на сукцинат. Сите други аминокиселини се обоени според нивните хемиски својства (сива = неполарни, цијан = негативен полнеж, темносини = позитивен полнеж, зелени = ароматични, темновиолетови = поларни и ненаелектризирани, портокал/светловиолетова = посебни случаи).|алт=
Вонклеточна сигнализација