Комплекс пируватдегидрогеназы ( PDC ) представляет собой комплекс из трех ферментов , который преобразует пируват в ацетил-КоА с помощью процесса, называемого декарбоксилированием пирувата . [1] Ацетил-КоА затем может использоваться в цикле лимонной кислоты для осуществления клеточного дыхания , и этот комплекс связывает метаболический путь гликолиза с циклом лимонной кислоты . Декарбоксилирование пирувата также известно как «реакция пируватдегидрогеназы», поскольку оно также включает окисление пирувата. [2]
Этот мультиферментный комплекс структурно и функционально связан с мультиферментными комплексами оксоглутаратдегидрогеназы и дегидрогеназы оксокислот с разветвленной цепью .
Реакция, катализируемая пируватдегидрогеназным комплексом:
Субъединица E1, называемая субъединицей пируватдегидрогеназы , является либо гомодимером (состоящим из двух цепей «α», например, в Escherichia coli ), либо гетеротетрамером из двух различных цепей (двух цепей «α» и двух цепей «β»). Ион магния образует 4-координационный комплекс с тремя полярными аминокислотными остатками (Asp, Asn и Tyr), расположенными на альфа-цепи, и кофактором тиаминдифосфата (TPP), непосредственно участвующим в декарбоксилировании пирувата . [3] [4]
Субъединица E2, или дигидролипоилацетилтрансфераза, как для прокариот, так и для эукариот, обычно состоит из трех доменов. N-концевой домен (липоильный домен) состоит из 1–3 липоильных групп, каждая из которых содержит приблизительно 80 аминокислот. Домен связывания периферической субъединицы (PSBD) служит селективным сайтом связывания для других доменов субъединиц E1 и E3. Наконец, C-концевой (каталитический) домен катализирует перенос ацетильных групп и синтез ацетил-КоА. [5] У Gammaproteobacteria 24 копии E2 образуют кубическое ядро пируватдегидрогеназного комплекса, в котором 8 гомотримеров E2 расположены в вершинах кубической частицы ядра.
Субъединица E3, называемая ферментом дигидролипоилдегидрогеназой , характеризуется как гомодимерный белок, в котором два остатка цистеина , участвующие в дисульфидной связи , и кофактор FAD в активном центре облегчают его основную цель как окислительного катализатора. Один пример структуры E3, обнаруженный в Pseudomonas putida , сформирован таким образом, что каждая отдельная гомодимерная субъединица содержит два связывающих домена, ответственных за связывание FAD и связывание NAD, а также центральный домен и интерфейсный домен. [6] [7]
Вспомогательным белком, уникальным для большинства эукариот, является связывающий белок E3 (E3BP), который служит для связывания субъединицы E3 с комплексом PDC. В случае человеческого E3BP гидрофобные остатки пролина и лейцина в BP взаимодействуют с сайтом распознавания поверхности, образованным связыванием двух идентичных мономеров E3. [8]
Первоначально пируват и тиаминпирофосфат (TPP или витамин B1 ) связываются субъединицами пируватдегидрогеназы . [1] Тиазолиевое кольцо TPP находится в цвиттерионной форме , а анионный углерод C2 осуществляет нуклеофильную атаку на карбонил C2 (кетон) пирувата. Полученный промежуточный продукт подвергается декарбоксилированию с образованием эквивалента ацил-аниона (см. химию циангидрина или альдегиддитианового умполунга , а также конденсацию бензоина ). Этот анион атакует S1 окисленного липоатного вида, который присоединен к остатку лизина . В механизме раскрытия кольца S N2 , подобном механизму, S2 замещается как сульфидный или сульфгидрильный фрагмент. Последующий коллапс тетраэдрического промежуточного продукта выбрасывает тиазол, высвобождая кофактор TPP и генерируя тиоацетат на S1 липоата. Катализируемый E1 процесс является лимитирующим этапом всего комплекса пируватдегидрогеназы.
На этом этапе функциональная группа липоата-тиоэфира перемещается в активный центр дигидролипоилтрансацетилазы (E2) [1] , где реакция трансацилирования переносит ацетил из «качающегося плеча» липоила в тиол кофермента А. Это приводит к образованию ацетил-КоА , который высвобождается из ферментного комплекса и затем входит в цикл лимонной кислоты . E2 также может быть известна как липоамидредуктаза-трансацетилаза.
Дигидролипоат , ковалентно связанный с остатком лизина комплекса, затем переносится в активный центр дигидролипоилдегидрогеназы (E3) [1] , где он подвергается окислению, опосредованному флавином , аналогичному по химии, например, тиоредоксинредуктазе. Сначала FAD окисляет дигидролипоат обратно в его липоатное (дисульфидное) состояние покоя, производя FADH 2 . Затем субстрат NAD + окисляет FADH 2 обратно в его состояние покоя FAD, производя NADH и H + .
Во всех организмах PDC представляет собой большой комплекс, состоящий из множества копий трех каталитических субъединиц E1, E2 и E3. Другой общей чертой всех PDC является тот факт, что субъединица E2 образует ядро комплекса, с которым связываются периферические субъединицы E1 и E3. Эукариотические PDC содержат дополнительную некаталитическую субъединицу в ядре, называемую связывающим белком E3 (E3BP) (иногда также «белком X»). В PDC с гетероолигомерным ядром с множеством копий E2 и E3BP, E1 ассоциируется исключительно с E2, а E3 связывается только с E3BP. Напротив, E1 и E3 конкурируют за связывание с E2 в бактериальных PDC с гомоолигомерным ядром E2. В то время как периферический фермент E3 является гомодимером во всех организмах, периферический фермент E1 является альфа- 2- бета- 2- гетеротетрамерином эукариот.
У грамотрицательных бактерий, например, Escherichia coli , PDC состоит из центрального кубического ядра, образованного 24 молекулами дигидролипоилтрансацетилазы (E2). До 16 гомодимеров пируватдегидрогеназы (E1) и 8 гомодимеров дигидролипоилдегидрогеназы (E3) связываются с 24 периферическими доменами связывания субъединиц (PSBD) 24-мера E2. У Gammaproteobacteria специфичность PSBD для связывания либо E1, либо E3 определяется олигомерным состоянием PSBD. В каждом гомотримере E2 два из трех PSBD димеризуются. В то время как два гомодимера E1 кооперативно связывают димерный PSBD, оставшийся неспаренный PSBD специфически взаимодействует с одним гомодимером E3. Таким образом, димеризация PSBD определяет субъединичный состав комплекса пируватдегидрогеназы при полном насыщении периферическими субъединицами E1 и E3, который имеет стехиометрию E1:E2:E3 (мономеры) = 32:24:16 [9]
Напротив, в грамположительных бактериях (например, Bacillus stearothermophilus ) и эукариотах центральное ядро PDC содержит 60 молекул E2, организованных в икосаэдр. Это «ядро» субъединицы E2 координируется с 30 субъединицами E1 и 12 копиями E3.
Эукариоты также содержат 12 копий дополнительного белка ядра, связывающего белок E3 (E3BP), который связывает субъединицы E3 с ядром E2. [10] Точное местоположение E3BP не совсем ясно. Криоэлектронная микроскопия установила, что E3BP связывается с каждой из икосаэдрических граней в дрожжах. [11] Однако было высказано предположение, что он заменяет эквивалентное количество молекул E2 в ядре бычьего PDC.
До 60 молекул E1 или E3 могут ассоциироваться с ядром E2 грамположительных бактерий — связывание является взаимоисключающим. У эукариот E1 специфически связывается с E2, тогда как E3 ассоциируется с E3BP. Считается, что присутствует до 30 ферментов E1 и 6 ферментов E3, хотя точное количество молекул может варьироваться in vivo и часто отражает метаболические потребности рассматриваемой ткани.
Пируватдегидрогеназа ингибируется, когда увеличивается одно или несколько из трех следующих соотношений: АТФ / АДФ , НАДН /НАД + и ацетил-КоА / КоА . [ необходима ссылка ]
У эукариот PDC строго регулируется собственной специфической пируватдегидрогеназной киназой (PDK) и пируватдегидрогеназной фосфатазой (PDP), дезактивируя и активируя ее соответственно. [12]
Продукты реакции действуют как аллостерические ингибиторы PDC, поскольку они активируют PDK. Субстраты в свою очередь ингибируют PDK, реактивируя PDC.
Во время голодания количество PDK увеличивается в большинстве тканей, включая скелетные мышцы , за счет увеличения транскрипции генов . При тех же условиях количество PDP уменьшается. Результирующее ингибирование PDC не позволяет мышцам и другим тканям катаболизировать глюкозу и предшественников глюконеогенеза . Метаболизм смещается в сторону использования жира , в то время как распад мышечного белка для поставки предшественников глюконеогенеза сводится к минимуму, а доступная глюкоза сохраняется для использования мозгом . [ необходима цитата ]
Ионы кальция играют роль в регуляции PDC в мышечной ткани, поскольку он активирует PDP, стимулируя гликолиз при его высвобождении в цитозоль - во время сокращения мышц . Некоторые продукты этих транскрипций высвобождают H2 в мышцы. Это может привести к распаду ионов кальция с течением времени. [ необходима цитата ]
В эукариотических клетках декарбоксилирование пирувата происходит внутри митохондриального матрикса после транспортировки субстрата, пирувата, из цитозоля . Транспорт пирувата в митохондрии осуществляется через транспортный белок пируваттранслоказу. Пируваттранслоказа транспортирует пируват в симпортном режиме с протоном (через внутреннюю митохондриальную мембрану), что можно считать формой вторичного активного транспорта, но для использования здесь дескриптора «вторичный активный транспорт» могут потребоваться дополнительные подтверждения/поддержка (Примечание: метод транспортировки пирувата через пируваттранслоказу, по-видимому, связан с протонным градиентом согласно S. Papa et al., 1971, что, по-видимому, соответствует определению вторичного активного транспорта). [13]
Альтернативные источники утверждают, что «транспорт пирувата через внешнюю митохондриальную мембрану, по-видимому, легко осуществляется через большие неселективные каналы, такие как потенциалзависимые анионные каналы , которые обеспечивают пассивную диффузию», а транспорт через внутреннюю митохондриальную мембрану опосредуется митохондриальным переносчиком пирувата 1 (MPC1) и митохондриальным переносчиком пирувата 2 (MPC2). [14]
При попадании в митохондриальный матрикс пируват декарбоксилируется, образуя ацетил-КоА (и углекислый газ и НАДН). Эта необратимая реакция удерживает ацетил -КоА внутри митохондрий (ацетил-КоА может быть транспортирован из митохондриального матрикса только в условиях высокого содержания оксалоацетата через цитратный челнок, промежуточное соединение ТКА, которое обычно встречается редко). Углекислый газ, образующийся в результате этой реакции, неполярен и мал, и может диффундировать из митохондрий и из клетки. [ необходима цитата ]
У прокариот , не имеющих митохондрий, эта реакция либо осуществляется в цитозоле, либо не осуществляется вообще. [ необходима цитата ]
Было обнаружено, что фермент пируватдегидрогеназа, обнаруженный в митохондриях эукариотических клеток, очень похож на фермент из Geobacillus stearothermophilus , который является видом грамположительных бактерий . Несмотря на сходство комплекса пируватдегидрогеназы с грамположительными бактериями, сходство с комплексом грамотрицательных бактерий мало . Сходство четвертичных структур между пируватдегидрогеназой и ферментами грамположительных бактерий указывает на общую эволюционную историю, которая отличается от эволюционной истории соответствующих ферментов, обнаруженных в грамотрицательных бактериях. Благодаря эндосимбиотическому событию пируватдегидрогеназа, обнаруженная в эукариотических митохондриях, указывает на родовые связи, восходящие к грамположительным бактериям. [15]
Комплексы пируватдегидрогеназы имеют много общего с дегидрогеназой 2-оксокислот с разветвленной цепью (BCOADH), особенно в их субстратной специфичности для альфа-кетокислот. В частности, BCOADH катализирует деградацию аминокислот, и эти ферменты были бы распространены в периоды на доисторической Земле, где доминировали богатые аминокислотами среды. Субъединица E2 из пируватдегидрогеназы произошла от гена E2, обнаруженного в BCOADH, в то время как оба фермента содержат идентичные субъединицы E3 из-за наличия только одного гена E3. Поскольку субъединицы E1 имеют отличительную специфичность для определенных субстратов, субъединицы E1 пируватдегидрогеназы и BCOADH различаются, но имеют генетическое сходство. Грамположительные бактерии и цианобактерии, которые позже дали начало митохондриям и хлоропластам, обнаруженным в эукариотических клетках, сохранили субъединицы E1, которые генетически связаны с субъединицами, обнаруженными в ферментах BCOADH. [16] [17]
Дефицит пируватдегидрогеназы (PDCD) может быть результатом мутаций в любом из ферментов или кофакторов, используемых для построения комплекса. Его основным клиническим проявлением является лактатацидоз . [18] Такие мутации PDCD, приводящие к последующим недостаткам в продукции НАД и ФАД, препятствуют процессам окислительного фосфорилирования, которые являются ключевыми в аэробном дыхании. Таким образом, ацетил-КоА вместо этого восстанавливается через анаэробные механизмы в другие молекулы, такие как лактат, что приводит к избытку лактата в организме и связанным с ним неврологическим патологиям. [19]
Хотя дефицит пируватдегидрогеназы встречается редко, существует множество различных генов, которые могут быть мутированы или нефункциональны и вызывать этот дефицит. Во-первых, субъединица E1 пируватдегидрогеназы содержит четыре различных субъединицы: две альфа-субъединицы, обозначенные как E1-альфа, и две бета-субъединицы, обозначенные как E1-бета. Ген PDHA1, обнаруженный в субъединицах E1-альфа, при мутации вызывает 80% случаев дефицита пируватдегидрогеназы, поскольку эта мутация урезает белок E1-альфа. Снижение функциональности E1-альфа не позволяет пируватдегидрогеназе в достаточной степени связываться с пируватом, тем самым снижая активность всего комплекса. [20] Когда ген PDHB, обнаруженный в бета-субъединице E1 комплекса, мутирует, это также приводит к дефициту пируватдегидрогеназы. [21] Аналогичным образом, мутации, обнаруженные в других субъединицах комплекса, таких как ген DLAT, обнаруженный в субъединице E2, ген PDHX, обнаруженный в субъединице E3, а также мутация в гене фосфатазы пируватдегидрогеназы, известной как PDP1, были отслежены до дефицита пируватдегидрогеназы, в то время как их конкретный вклад в состояние болезни неизвестен. [22] [23] [24]
