Пируват дегидрогеназа кешенінің құрамы және функциясы
Pyruvate dehydrogenase complex
Пируват дегидрогеназа кешені: пируватты ацетил-КоА-ға түрлендіру, гликолиз бен лимон қышқылы циклын байланыстырады. Ферменттердің құрамы мен функциясы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Үш фермент кешені
Three enzyme complex
Пируват дегидрогеназа кешені (PDC) – пируватты пируват декарбоксилдеу процесі арқылы ацетил-КоА-ға түрлендіретін үш ферменттен тұратын кешен. Ацетил-КоА жасушалық тыныс алуды жүзеге асыру үшін лимон қышқылы циклінде қолданылуы мүмкін, ал бұл кешен гликолиз метаболизмі жолын лимон қышқылы циклімен байланыстырады. Пируват декарбоксилдеуі пируваттың тотығуы да болғандықтан, "пируват дегидрогеназа реакциясы" деп те аталады. Бұл көпферментті кешен құрылымдық және функционалдық тұрғыдан оксоглутарат дегидрогеназа және тармақталған тізбекті оксоқышқыл дегидрогеназа көпферментті кешендерімен байланысты.
Pyruvate dehydrogenase complex (PDC) is a complex of three enzymes that converts pyruvate into acetyl CoA by a process called pyruvate decarboxylation. Acetyl CoA may then be used in the citric acid cycle to carry out cellular respiration, and this complex links the glycolysis metabolic pathway to the citric acid cycle. Pyruvate decarboxylation is also known as the "pyruvate dehydrogenase reaction" because it also involves the oxidation of pyruvate. This multi enzyme complex is related structurally and functionally to the oxoglutarate dehydrogenase and branched chain oxo acid dehydrogenase multi enzyme complexes.
Пируват дегидрогеназа (E1)
E1 суббұтағы пируват дегидрогеназасы деп аталады, ол біртектес димер (мысалы, Escherichia coli-де екі “ɑ” тізбектен тұрады) немесе екі түрлі тізбектен құралған төртеулік (екі “ɑ” және екі “ꞵ” тізбек). Магний ионы альфа тізбегінде орналасқан үш полярлы аминқышқыл қалдығымен (Asp, Asn және Tyr) және пируватты декарбоксилдеуге тікелей қатысатын тиамин дифосфаты (TPP) кофакторымен 4 координациялық кешен құрайды.
The E1 subunit, called the pyruvate dehydrogenase subunit, is either a homodimer (comprising two “ɑ” chains, e. g. in Escherichia coli) or a heterotetramer of two different chains (two “ɑ” and two “ꞵ” chains). A magnesium ion forms a 4 coordinate complex with three, polar amino acid residues (Asp, Asn, and Tyr) located on the alpha chain, and the thiamine diphosphate (TPP) cofactor directly involved in decarboxylation of the pyruvate.
Дигидролипоил трансацетилаза (E2)
Прокариоттар мен эукариоттар үшін E2 суббұрағы, немесе дигидролипоил ацетилтрансфераза, әдетте үш доменнен тұрады. N-терминалды домен (липоил домені) шамамен 80 аминқышқылынан тұратын 1-3 липоил тобынан құралған. Шеткі суббұрақты байланыстыру домені (PSBD) E1 және E3 суббұраларының басқа домендері үшін таңдамалы байланысу орны болып табылады. Соңында, C-терминалды (каталитикалық) домен ацетил топтарының ауысуын және ацетил CoA синтезін катализдейді. Гаммапротеобактерияларда 24 E2 көшірмесі пируват дегидрогеназа кешенінің текше ядросын құрайды, онда текше ядролық бөлшектің төбелерінде 8 E2 гомотримері орналасқан.
The E2 subunit, or dihydrolipoyl acetyltransferase, for both prokaryotes and eukaryotes, is generally composed of three domains. The N terminal domain (the lipoyl domain), consists of 1–3 lipoyl groups of approximately 80 amino acids each. The peripheral subunit binding domain (PSBD), serves as a selective binding site for other domains of the E1 and E3 subunits. Finally, the C terminal (catalytic) domain catalyzes the transfer of acetyl groups and acetyl CoA synthesis. In Gammaproteobacteria, 24 copies of E2 form the cubic core of the pyruvate dehydrogenase complex, in which 8 E2 homotrimers are located at the vertices of the cubic core particle.
Дигидролипоил дегидрогеназа (E3)
Дигидролипоилдегидрогеназа ферменті деп аталатын E3 суббұрыны гомодимерлі ақуыз ретінде сипатталады, онда дисульфидтік байланысқа қатысатын екі цистеин қалдығы және белсенді орындағы FAD кофакторы оның негізгі қызметін – тотығу катализаторы ретінде атқаруына көмектеседі. Pseudomonas putida-да табылған E3 құрылымының бір мысалында әрбір жеке гомодимерлік суббұрыны FAD-ты және NAD-ты байланыстыратын екі байланыстыру доменін, сондай-ақ орталық және интерфейс домендерін қамтиды.
The E3 subunit, called the dihydrolipoyl dehydrogenase enzyme, is characterized as a homodimer protein wherein two cysteine residues, engaged in disulfide bonding, and the FAD cofactor in the active site facilitate its main purpose as an oxidizing catalyst. One example of E3 structure, found in Pseudomonas putida, is formed such that each individual homodimer subunit contains two binding domains responsible for FAD binding and NAD binding, as well as a central domain and an interface domain.
Дигидролипоил дегидрогеназаның белдеуі (E3BP)
Көптеген эукариоттарға тән қосымша белок – E3 байланыстырушы белок (E3BP), ол E3 суббөлігін PDC кешеніне байланыстыруға қызмет етеді. Адам E3BP жағдайында, BP-дегі гидрофобты пролин және лейцин қалдықтары, екі бірдей E3 мономерлерінің байланысуынан пайда болған беттік тану орнымен өзара әрекеттеседі.
An auxiliary protein unique to most eukaryotes is the E3 binding protein (E3BP), which serves to bind the E3 subunit to the PDC complex. In the case of human E3BP, hydrophobic proline and leucine residues in the BP interact with the surface recognition site formed by the binding of two identical E3 monomers.
Бастапқыда пируват және тиамин пирофосфаты (ТПП немесе В1 витамині) пируват дегидрогеназа субъюниттерімен байланысады.
Initially, pyruvate and thiamine pyrophosphate (TPP or vitamin B1) are bound by pyruvate dehydrogenase subunits.
Грам-позитивті бактериялар мен эукариоттар
Грам оң бактерияларда (мысалы, Bacillus stearothermophilus) және эукариоттарда орталық PDC ядросы 60 E2 молекуласынан тұрады, олар икосаэдр түрінде орналасқан. Бұл E2 суббірлігінің "ядросы" 30 E1 суббірлігімен және 12 E3 көшірмесімен координацияланады. Эукариоттарда сонымен қатар 12 E3 байланыстырушы белок (E3BP) көшірмесі бар, ол E3 суббірліктерін E2 ядросына байлайды. E3BP-нің нақты орналасқан жері толыққанды анықталмаған. Криоэлектрондық микроскопия ашытқыда E3BP-нің икосаэдр беттерінің әрқайсысына байланысатынын көрсетті. Дегенмен, сиыр PDC ядросындағы E2 молекулаларының эквивалентті санын алмастыратыны болжануда. Грам оң бактериялардан шыққан E2 ядросымен 60-қа дейін E1 немесе E3 молекулалары байланыса алады, мұндай байланыс өзара ерекшеленеді. Эукариоттарда E1 E2-мен ерекше байланысады, ал E3 E3BP-мен байланысады. Шамамен 30 E1 және 6 E3 ферменті бар деп есептеледі, бірақ молекулалардың нақты саны тірі организмде (in vivo) өзгеруі мүмкін және көбінесе тіндің метаболизмік қажеттіліктерін көрсетеді.
In contrast, in Gram positive bacteria (e. g. Bacillus stearothermophilus) and eukaryotes the central PDC core contains 60 E2 molecules arranged into an icosahedron. This E2 subunit “core” coordinates to 30 subunits of E1 and 12 copies of E3. Eukaryotes also contain 12 copies of an additional core protein, E3 binding protein (E3BP) which bind the E3 subunits to the E2 core. The exact location of E3BP is not completely clear. Cryo electron microscopy has established that E3BP binds to each of the icosahedral faces in yeast. However, it has been suggested that it replaces an equivalent number of E2 molecules in the bovine PDC core. Up to 60 E1 or E3 molecules can associate with the E2 core from Gram positive bacteria binding is mutually exclusive. In eukaryotes E1 is specifically bound by E2, while E3 associates with E3BP. It is thought that up to 30 E1 and 6 E3 enzymes are present, although the exact number of molecules can vary in vivo and often reflects the metabolic requirements of the tissue in question.
Реттеу
Пируват дегидрогеназасы келесі үш қатынастың бірі немесе бірнешесінің жоғарылауымен тежеледі: АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ және ацетил-КоА/КоА. Эукариоттарда ПДГ өзінің пируват дегидрогеназа киназасы (PDK) және пируват дегидрогеназа фосфатазасы (PDP) арқылы қатаң реттеледі, олар тиісінше оны деактивациялайды және белсендіреді. PDK E1-дегі үш спецификалық серин қалдықтарын әртүрлі байланыстыру қабілетімен фосфорилдейді. Олардың кез келгенінің фосфорилденуі (АТФ қолданылуымен) E1-ді (соның салдарынан бүкіл кешенді) белсенді емес етеді. Баламалы дереккөздерде «пируваттың сыртқы митохондриялық мембрана арқылы тасымалдануы, кернеуге тәуелді аниондық каналдар сияқты үлкен, таңдаусыз каналдар арқылы оңай жүзеге асырылады, бұл пассивті диффузияға мүмкіндік береді» делінген, ал ішкі митохондриялық мембрана арқылы тасымалдау митохондриялық пируват тасымалдаушысы 1 (MPC1) және митохондриялық пируват тасымалдаушысы 2 (MPC2) арқылы жүзеге асырылады. Митохондриялық матрицаға енгеннен кейін пируват декарбоксилденіп, ацетил-КоА (және көмірқышқыл газы мен НАДН) түзіледі. Бұл қайтымсыз реакция ацетил-КоА-ны митохондрия ішінде ұстап тұрады (ацетил-КоА митохондриялық матрицадан тек жоғары оксалоацетат концентрациясы кезінде цитрат шаттлы арқылы шығарыла алады, бұл әдетте сирек кездесетін ТСА аралық зат). Бұл реакцияның нәтижесінде түзілген көмірқышқыл газы полярлы емес және кішкентай, сондықтан митохондриядан және жасушадан диффузиялана алады. Митохондриясы жоқ прокариоттарда бұл реакция цитозольде жүзеге асырылады немесе мүлдем болмайды.
Pyruvate dehydrogenase is inhibited when one or more of the three following ratios are increased: ATP/ADP, NADH/NAD+ and acetyl CoA/CoA. In eukaryotes PDC is tightly regulated by its own specific pyruvate dehydrogenase kinase (PDK) and pyruvate dehydrogenase phosphatase (PDP), deactivating and activating it respectively. PDK phosphorylates three specific serine residues on E1 with different affinities. Phosphorylation of any one of them (using ATP) renders E1 (and in consequence the entire complex) inactive. Alternative sources say "transport of pyruvate across the outer mitochondrial membrane appears to be easily accomplished via large non selective channels such as voltage dependent anion channels, which enable passive diffusion" and transport across inner mitochondrial membrane is mediated by mitochondrial pyruvate carrier 1 (MPC1) and mitochondrial pyruvate carrier 2 (MPC2). Upon entry into the mitochondrial matrix, the pyruvate is decarboxylated, producing acetyl CoA (and carbon dioxide and NADH). This irreversible reaction traps the acetyl CoA within the mitochondria (the acetyl CoA can only be transported out of the mitochondrial matrix under conditions of high oxaloacetate via the citrate shuttle, a TCA intermediate that is normally sparse). The carbon dioxide produced by this reaction is nonpolar and small, and can diffuse out of the mitochondria and out of the cell. In prokaryotes, which have no mitochondria, this reaction is either carried out in the cytosol, or not at all.
Эволюциялық тарих
Эукариоттық жасушалардың митохондриясында табылған пируват дегидрогеназа ферменті, грам-оң бактериялардың бір түрі – Geobacillus stearothermophilus ферментіне өте ұқсас екені анықталды. Пируват дегидрогеназа кешенінің грам-оң бактериялармен ұқсастығына қарамастан, грам-теріс бактериялармен ұқсастығы шамалы. Пируват дегидрогеназа мен грам-оң бактериялардағы ферменттердің төртіншілік құрылымдарының ұқсастығы, грам-теріс бактериялардағы сәйкес ферменттердің эволюциялық тарихынан ерекшеленетін ортақ эволюциялық тарихты көрсетеді. Эндосимбиотикалық оқиға арқылы еукариоттық митохондриядағы пируват дегидрогеназа грам-оң бактерияларға дейінгі ататектермен байланысты екенін көрсетеді. Пируват дегидрогеназа кешендері, әсіресе альфа-кето қышқылдарына қатысты субстратқа таңдаулылығы тұрғысынан, тармақталған тізбекті 2-оксоқышқыл дегидрогеназасымен (BCOADH) көптеген ұқсастықтарды бөліседі. Атап айтқанда, BCOADH аминқышқылдарының ыдырауын катализдейді және бұл ферменттер аминқышқылдарына бай ортада басым болған тарихи алдындағы Жер кезеңдерінде кең таралған болуы мүмкін. Пируват дегидрогеназаның E2 кішібірлігі BCOADH-та табылған E2 генінен пайда болды, ал екі фермент те бір ғана E3 генінің болуына байланысты бірдей E3 кішібірлігін қамтиды. E1 кішібірліктері белгілі бір субстраттарға қатысты ерекше таңдаулылыққа ие болғандықтан, пируват дегидрогеназасы мен BCOADH-ның E1 кішібірліктері әртүрлі, бірақ генетикалық ұқсастықтарды бөліседі. Грам-оң бактериялар мен цианобактериялар, кейіннен еукариоттық жасушаларда митохондриялар мен хлоропласттарға айналатын, BCOADH ферменттерінде табылған E1 кішібірліктерін сақтап қалды.
It was found that pyruvate dehydrogenase enzyme found in the mitochondria of eukaryotic cells closely resembles an enzyme from Geobacillus stearothermophilus, which is a species of gram positive bacteria. Despite similarities of the pyruvate dehydrogenase complex with gram positive bacteria, there is little resemblance with those of gram negative bacteria. Similarities of the quaternary structures between pyruvate dehydrogenase and enzymes in gram positive bacteria point to a shared evolutionary history which is distinctive from the evolutionary history of corresponding enzymes found in gram negative bacteria. Through an endosymbiotic event, pyruvate dehydrogenase found in the eukaryotic mitochondria points to ancestral linkages dating back to gram positive bacteria. Pyruvate dehydrogenase complexes share many similarities with branched chain 2 oxoacid dehydrogenase (BCOADH), particularly in their substrate specificity for alpha keto acids. Specifically, BCOADH catalyzes the degradation of amino acids and these enzymes would have been prevalent during the periods on prehistoric Earth dominated by rich amino acid environments. The E2 subunit from pyruvate dehydrogenase evolved from the E2 gene found in BCOADH while both enzymes contain identical E3 subunits due to the presence of only one E3 gene. Since the E1 subunits have a distinctive specificity for particular substrates, the E1 subunits of pyruvate dehydrogenase and BCOADH vary but share genetic similarities. The gram positive bacteria and cyanobacteria that would later give rise to mitochondria and chloroplast found in eukaryotic cells retained the E1 subunits that are genetically related to those found in the BCOADH enzymes.
Клиникалық маңызы
Пируват дегидрогеназаның жетіспеушілігі (PDCD) кешенді құруға қатысатын ферменттердің немесе кофакторлардың кез келген мутациясынан туындауы мүмкін. Оның негізгі клиникалық белгісі – сүт қышқылының артуы (лактат ацидозы). Мұндай PDCD мутациялары NAD және FAD өндірісінің төмендеуіне алып келеді, бұл аэробты тыныс алудағы маңызды оксидативтік фосфорилирлеу процестерін бәсеңдетеді. Осының салдарынан ацетил-КоА анаэробты механизмдер арқылы лактат сияқты басқа молекулаларға айналады, денеде лактаттың шамадан тыс жиналуына және осыған байланысты неврологиялық патологияларға себеп болады. Пируват дегидрогеназаның жетіспеушілігі сирек кездеседі, бірақ осы жетіспеушілікті тудыруы мүмкін мутацияланған немесе жұмыс істемейтін әртүрлі гендер бар. Біріншіден, пируват дегидрогеназаның E1 субъюниті төрт түрлі субъюниттен тұрады: екі альфа субъюниті E1 альфа деп аталады, ал екі бета субъюниті E1 бета деп аталады. E1 альфа субъюниттерінде орналасқан PDHA1 генінің мутациясы пируват дегидрогеназа жетіспеушілігінің 80% жағдайына себеп болады, өйткені бұл мутация E1 альфа протеинін қысқартады. Функционалды E1 альфа деңгейінің төмендеуі пируват дегидрогеназаның пируватқа тиісті деңгейде байланысуына кедеріс келтіреді, соның салдарынан кешеннің жалпы активтілігі төмендейді. E1 бета субъюниттерінде орналасқан PDHB генінің мутациясы да пируват дегидрогеназа жетіспеушілігіне әкеледі. Сондай-ақ, кешеннің басқа субъюниттеріндегі мутациялар, мысалы, E2 субъюниттеріндегі DLAT гені, E3 субъюниттеріндегі PDHX гені, сондай-ақ пируват дегидрогеназа фосфатаза гені PDP1-дің мутациясы да пируват дегидрогеназа жетіспеушілігімен байланысты, бірақ олардың ауруға нақты қосқан үлесі әлі белгісіз.
Pyruvate dehydrogenase deficiency (PDCD) can result from mutations in any of the enzymes or cofactors used to build the complex. Its primary clinical finding is lactic acidosis. Such PDCD mutations, leading to subsequent deficiencies in NAD and FAD production, hinder oxidative phosphorylation processes that are key in aerobic respiration. Thus, acetyl CoA is instead reduced via anaerobic mechanisms into other molecules like lactate, leading to an excess of bodily lactate and associated neurological pathologies. While pyruvate dehydrogenase deficiency is rare, there are a variety of different genes when mutated or nonfunctional that can induce this deficiency. First, the E1 subunit of pyruvate dehydrogenase contains four different subunits: two alpha subunits designated as E1 alpha and two beta subunits designated as E1 beta. The PDHA1 gene found in the E1 alpha subunits, when mutated, causes 80% of the cases of pyruvate dehydrogenase deficiency because this mutation abridges the E1 alpha protein. Decreased functional E1 alpha prevents pyruvate dehydrogenase from sufficiently binding to pyruvate, thus reducing the activity of the overall complex. When the PDHB gene found in the E1 beta subunit of the complex is mutated, this also leads to pyruvate dehydrogenase deficiency. Likewise, mutations found on other subunits of the complex, like the DLAT gene found on the E2 subunit, the PDHX gene found on the E3 subunit, as well as a mutation on a pyruvate dehydrogenase phosphatase gene, known as PDP1, have all been traced back to pyruvate dehydrogenase deficiency, while their specific contribution to the disease state is unknown.