Комплекс оксоглутаратдегидрогеназы ( OGDC ) или комплекс α-кетоглутаратдегидрогеназы представляет собой ферментный комплекс, наиболее известный своей ролью в цикле лимонной кислоты .
Подобно комплексу пируватдегидрогеназы (PDC), этот фермент образует комплекс, состоящий из трех компонентов:
Охарактеризованы три класса этих мультиферментных комплексов: один специфичен для пирувата , второй специфичен для 2-оксоглутарата и третий специфичен для α-кетокислот с разветвленной цепью . Комплекс оксоглутаратдегидрогеназы имеет ту же структуру субъединиц и, следовательно, использует те же кофакторы, что и комплекс пируватдегидрогеназы и комплекс дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью (ТТР, КоА, липоат, ФАД и НАД). Только субъединица E3 является общей для всех трех ферментов. [1]
Этот фермент участвует в трех различных путях:
Следующие значения взяты из Azotobacter vinelandii (1) :
Реакция, катализируемая этим ферментом цикла лимонной кислоты:
Эта реакция протекает в три стадии:
ΔG°' для этой реакции составляет -7,2 ккал/ моль . Энергия, необходимая для этого окисления, сохраняется при образовании тиоэфирной связи сукцинил-КоА .
Оксоглутаратдегидрогеназа является ключевой контрольной точкой в цикле лимонной кислоты. Он ингибируется его продуктами, сукцинил-КоА и НАДН . Высокий энергетический заряд в клетке также будет тормозить. АДФ и ионы кальция являются аллостерическими активаторами фермента.
Контролируя количество доступных восстанавливающих эквивалентов, генерируемых циклом Кребса , оксоглутаратдегидрогеназа оказывает последующее регулирующее воздействие на окислительное фосфорилирование и выработку АТФ . [2] Восстанавливающие эквиваленты (такие как НАД+/НАДН) поставляют электроны, которые проходят через электрон-транспортную цепь окислительного фосфорилирования. Повышенные уровни активации оксоглутаратдегидрогеназы способствуют увеличению концентрации НАДН по сравнению с НАД+. Высокие концентрации НАДН стимулируют увеличение потока за счет окислительного фосфорилирования.
Хотя увеличение потока по этому пути генерирует АТФ для клетки, этот путь также генерирует виды свободных радикалов в качестве побочного продукта, которые могут вызвать окислительный стресс в клетках, если их оставить накапливаться.
Оксоглутаратдегидрогеназа считается окислительно-восстановительным сенсором в митохондриях и обладает способностью изменять уровень функционирования митохондрий, помогая предотвратить окислительное повреждение. [3] В присутствии высокой концентрации свободных радикалов оксоглутаратдегидрогеназа подвергается полностью обратимому ингибированию, опосредованному свободными радикалами. [4] В крайних случаях фермент также может подвергнуться полному окислительному ингибированию. [4]
Когда митохондрии обрабатываются избытком перекиси водорода , поток через цепь переноса электронов уменьшается и производство НАДН прекращается. [4] [5] После потребления и удаления источника свободных радикалов нормальная функция митохондрий восстанавливается.
Считается, что временное ингибирование функции митохондрий происходит в результате обратимого глутатионилирования домена Е2-липоевой кислоты оксоглутаратдегидрогеназы. [5] Глутатионилирование, форма посттрансляционной модификации , происходит во время повышенной концентрации свободных радикалов и может быть отменено после потребления перекиси водорода с помощью глутаредоксина . [4] Глутатионилирование «защищает» липоевую кислоту домена Е2 от окислительного повреждения, что помогает уберечь комплекс оксоглутаратдегидрогеназы от окислительного стресса.
Активность оксоглутаратдегидрогеназы отключается в присутствии свободных радикалов, чтобы защитить фермент от повреждения. Как только свободные радикалы поглощаются клеткой, активность фермента снова включается с помощью глутаредоксина. Снижение активности фермента во время окислительного стресса также способствует замедлению потока через цепь переноса электронов, что замедляет выработку свободных радикалов.
Помимо свободных радикалов и окислительно-восстановительного состояния митохондрий, активность оксоглутаратдегидрогеназы также регулируется соотношением АТФ/АДФ, соотношением сукцинил-КоА и КоА-SH, а также концентрацией различных кофакторов ионов металлов (Mg2+, Ca2+). [6] Многие из этих аллостерических регуляторов действуют в домене E1 ферментного комплекса, но все три домена ферментного комплекса можно контролировать аллостерически. [7] Активность ферментного комплекса регулируется высокими уровнями АДФ и Pi, Ca2+ и CoA-SH. Фермент ингибируется высокими уровнями АТФ, высокими уровнями НАДН и высокими концентрациями сукцинил-КоА. [7]
Оксоглутаратдегидрогеназа играет роль в клеточном ответе на стресс. Ферментный комплекс подвергается временному ингибированию, опосредованному стрессом, при остром воздействии стресса. Период временного торможения вызывает более сильную реакцию повышения регуляции, позволяя повышенному уровню активности оксоглутаратдегидрогеназы компенсировать острое воздействие стресса. [8] Острые воздействия стресса обычно находятся на более низких, переносимых клетками уровнях.
Патофизиология может возникнуть, когда стресс становится кумулятивным или перерастает в хронический стресс. Реакция повышения регуляции, возникающая после острого воздействия, может истощиться, если ингибирование ферментного комплекса становится слишком сильным. [8] Стресс в клетках может вызвать нарушение регуляции биосинтеза нейромедиатора глутамата . Токсичность глутамата в мозге вызвана накоплением глутамата во время стресса. Если активность оксоглутаратдегидрогеназы нарушена (отсутствует адаптивная компенсация стресса), накопление глутамата невозможно исправить, и могут возникнуть патологии головного мозга. Дисфункциональная оксоглутаратдегидрогеназа может также предрасполагать клетку к повреждению другими токсинами, которые могут вызвать нейродегенерацию . [9]
2-Оксоглутаратдегидрогеназа — аутоантиген, обнаруживаемый при первичном билиарном циррозе печени , форме острой печеночной недостаточности. Эти антитела, по-видимому, распознают окисленный белок , возникший в результате воспалительных иммунных реакций. Некоторые из этих воспалительных реакций объясняются чувствительностью к глютену . [10] Другие митохондриальные аутоантигены включают пируватдегидрогеназу и комплекс дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью , которые представляют собой антигены, распознаваемые антимитохондриальными антителами .
Активность 2-оксоглутаратдегидрогеназного комплекса снижается при многих нейродегенеративных заболеваниях. Болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , болезнь Хантингтона и надъядерный паралич связаны с повышенным уровнем окислительного стресса в мозге. [11] В частности, у пациентов с болезнью Альцгеймера активность оксоглутаратдегидрогеназы значительно снижается. [12] Это приводит к возможности того, что часть цикла ТСА, ответственная за накопление свободных радикалов в мозгу пациентов, представляет собой неисправный комплекс оксоглутаратдегидрогеназы. Механизм ингибирования этого ферментного комплекса, связанного с заболеванием, остается относительно неизвестным.
При метаболическом заболевании, сочетающем малоновую и метилмалоновую ацидурию (CMAMMA), вследствие дефицита ACSF3 нарушается синтез митохондриальных жирных кислот (mtFASII), который является реакцией-предшественником биосинтеза липоевой кислоты . [13] [14] Результатом является снижение степени липоилирования важных митохондриальных ферментов, таких как комплекс оксоглутаратдегидрогеназы (OGDC). [14]