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.
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)
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.