Введение

Комплекс пируватдегидрогеназы (PDC) — это комплекс из трех ферментов, который превращает пируват в ацетил-КоА посредством процесса, называемого декарбоксилированием пирувата. Ацетил-КоА затем может быть использован 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 она также включает окисление пирувата. Этот мультиферментный комплекс структурно и функционально связан с комплексами оксоглутаратдегидрогеназы и разветвленных цепей оксокислотдегидрогеназы.

Пируват-дегидрогеназа (E1)

Подединица E1, называемая подединицей пируватдегидрогеназы, представляет собой либо гомодимер (состоящий из двух α-цепей, например, у Escherichia coli), либо гетеротетрамер из двух различных цепей (двух α и двух β-цепей). Ион магния образует 4-координатный комплекс с тремя полярными аминокислотными остатками (Asp, Asn и Tyr), расположенными на альфа-цепи, и кофактором тиаминдифосфатом (TPP), непосредственно участвующим в декарбоксилировании пирувата.

Дигидролипоилтрансацетилаза (E2)

Подединица E2, или дигидролипоилацетилтрансфераза, у прокариот и эукариот обычно состоит из трех доменов. N-терминальный домен (липоильный домен) состоит из 1–3 липоильных групп, каждая из которых содержит примерно 80 аминокислот. Периферический домен связывания подкомплексов (PSBD) служит селективным местом связывания для других доменов подединиц E1 и E3. Наконец, C-терминальный (каталитический) домен катализирует перенос ацетильных групп и синтез ацетил-КоА. У гаммапротеобактерий 24 копии E2 формируют кубическое ядро комплекса пируватдегидрогеназы, в котором 8 E2-гомотримеров расположены в вершинах кубической частицы ядра.

Дигидролипоилдегидрогеназа (E3)

Подединица E3, называемая ферментом дигидролипоилдегидрогеназой, представляет собой гомодимерный белок, в котором два остатка цистеина, соединенных дисульфидной связью, и кофактор FAD в активном центре обеспечивают его основную функцию как окислительного катализатора. Один из примеров структуры E3, обнаруженный у Pseudomonas putida, состоит из двух гомодимерных подединиц, каждая из которых содержит два домена, ответственных за связывание FAD и NAD, а также центральный и интерфейсный домены.

Дигидролипоилдегидрогеназа Связывающий белок (E3BP)

Вспомогательный белок, уникальный для большинства эукариот, – это E3-связывающий белок (E3BP), который обеспечивает связывание субъединицы E3 с комплексом PDC. В случае человеческого E3BP, гидрофобные остатки пролина и лейцина в BP взаимодействуют с поверхностным участком распознавания, сформированным связыванием двух идентичных мономеров E3.

Механизм

Энзимы Abbrev. Кофакторы # субъединиц прокариот # субъединиц эукариот пируватдегидрогеназа E1 TPP (тиаминпирофосфат), Mg2+ 32 30 дигидролипоилтрансацетилаза E2 альфа-липоевая кислота (липоат) 24 60 дигидролипоилдегидрогеназа E3 FAD 16 12

Пируват-дегидрогеназа (E1)

Первоначально пируват и тиаминпирофосфат (ТПП или витамин В1) связываются с субъединицами пируватдегидрогеназы.

Грамположительные бактерии и эукариоты

В отличие от этого, в грамположительных бактериях (например, Bacillus stearothermophilus) и эукариотах центральное ядро PDC содержит 60 молекул E2, организованных в икосаэдр. Это ядро из субъединиц E2 координируется с 30 субъединицами E1 и 12 копиями E3. Эукариоты также содержат 12 копий дополнительного белка ядра – белка, связывающего E3 (E3BP), который связывает субъединицы E3 с ядром E2. Точное местоположение E3BP остается неясным. Криоэлектронная микроскопия показала, что E3BP связывается с каждой из икосаэдрических граней в дрожжах. Однако было предположено, что он заменяет эквивалентное количество молекул E2 в ядре PDC крупного рогатого скота. До 60 молекул E1 или E3 могут ассоциироваться с ядром E2 грамположительных бактерий, причем связывание является взаимоисключающим. У эукариотов E1 специфически связывается с E2, а E3 ассоциируется с E3BP. Предполагается, что присутствует до 30 ферментов E1 и 6 ферментов E3, хотя точное число молекул может варьироваться in vivo и часто отражает метаболические потребности конкретной ткани.

Регулирование

Пируватдегидрогеназа ингибируется при увеличении одного или нескольких из следующих соотношений: АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетил-КоА/КоА. У эукариот PDC жёстко регулируется собственной специфической пируватдегидрогеназо-киназой (PDK) и пируватдегидрогеназо-фосфатазой (PDP), деактивируя и активируя его соответственно. PDK фосфорилирует три специфических сериновых остатка на E1 с различной аффинностью. Фосфорилирование любого из них (с использованием АТФ) делает E1 (и, как следствие, весь комплекс) неактивным. Другие источники указывают, что "транспорт пирувата через внешнюю митохондриальную мембрану, по-видимому, легко осуществляется через крупные неселективные каналы, такие как анионные каналы, зависящие от напряжения, которые обеспечивают пассивную диффузию", а транспорт через внутреннюю митохондриальную мембрану опосредован митохондриальным переносчиком пирувата 1 (MPC1) и митохондриальным переносчиком пирувата 2 (MPC2). Попадая в митохондриальный матрикс, пируват декарбоксилируется, образуя ацетил-КоА (и углекислый газ и НАДH). Эта необратимая реакция удерживает ацетил-КоА внутри митохондрий (ацетил-КоА может быть выведен из митохондриального матрикса только в условиях высокого уровня оксалоацетата посредством цитратного шаттла, промежуточного продукта ТЦК, который обычно встречается в небольших количествах). Углекислый газ, образующийся в результате этой реакции, неполярен и мал, и может диффундировать из митохондрий и из клетки. У прокариот, не имеющих митохондрий, эта реакция либо происходит в цитозоле, либо не происходит вовсе.

Эволюционная история

Было обнаружено, что фермент пируватдегидрогеназа, находящийся в митохондриях эукариотических клеток, тесно похож на фермент из Geobacillus stearothermophilus, который является видом грамположительных бактерий. Несмотря на сходство комплекса пируватдегидрогеназы с грамположительными бактериями, сходство с комплексами граммотрицательных бактерий незначительно. Сходство четвертичных структур между пируватдегидрогеназой и ферментами грамположительных бактерий указывает на общее эволюционное происхождение, отличающееся от эволюционной истории соответствующих ферментов, обнаруженных у граммотрицательных бактерий. Эндосимбиотическое событие указывает на то, что пируватдегидрогеназа, найденная в митохондриях эукариот, имеет связь с предками, относящимися к грамположительным бактериям. Комплексы пируватдегидрогеназы имеют много общего с 2-оксокислотной дегидрогеназой с разветвленной цепью (BCOADH), особенно в отношении субстратной специфичности к альфа-кетокислотам. В частности, BCOADH катализирует распад аминокислот, и эти ферменты были широко распространены в периоды доисторической Земли, характеризующиеся богатой аминокислотами средой. Субъединица E2 пируватдегидрогеназы эволюционировала из гена E2, обнаруженного в BCOADH, в то время как оба фермента содержат идентичные субъединицы E3 из-за наличия единственного гена E3. Поскольку субъединицы E1 обладают специфичностью к определенным субстратам, субъединицы E1 пируватдегидрогеназы и BCOADH различаются, но имеют генетическое сходство. Грамположительные бактерии и цианобактерии, которые впоследствии дали начало митохондриям и хлоропластам в эукариотических клетках, сохранили субъединицы E1, генетически связанные с теми, что обнаружены в ферментах BCOADH.

Клиническая значимость

Дефицит пируватдегидрогеназы (PDCD) может быть вызван мутациями в любом из ферментов или кофакторов, используемых для построения комплекса. Основным клиническим проявлением является молочнокислый ацидоз. Такие мутации PDCD, приводящие к последующей недостаточности продукции NAD и FAD, препятствуют процессам окислительного фосфорилирования, которые имеют ключевое значение в аэробном дыхании. Таким образом, ацетил-КоА вместо этого восстанавливается посредством анаэробных механизмов в другие молекулы, такие как лактат, что приводит к избытку лактата в организме и связанным с ним неврологическим патологиям. Хотя дефицит пируватдегидрогеназы встречается редко, существует множество различных генов, мутации или нефункциональность которых могут вызывать этот дефицит. Во-первых, субъединица E1 пируватдегидрогеназы содержит четыре различные субъединицы: две альфа-субъединицы, обозначенные как E1 альфа, и две бета-субъединицы, обозначенные как E1 бета. Ген PDHA1, обнаруженный в альфа-субъединицах E1, при мутации вызывает 80% случаев дефицита пируватдегидрогеназы, поскольку эта мутация укорачивает белок E1 альфа. Снижение количества функциональной E1 альфа препятствует достаточному связыванию пируватдегидрогеназы с пируватом, тем самым снижая активность всего комплекса. Мутация гена PDHB, обнаруженного в бета-субъединице E1 комплекса, также приводит к дефициту пируватдегидрогеназы. Аналогично, мутации, обнаруженные в других субъединицах комплекса, такие как ген DLAT, обнаруженный в субъединице E2, ген PDHX, обнаруженный в субъединице E3, а также мутация в гене пируватдегидрогеназа-фосфатазы, известной как PDP1, также были связаны с дефицитом пируватдегидрогеназы, хотя их конкретный вклад в развитие заболевания остается неизвестным.