Комплекс α-кетоглутаратдегидрогеназы: регуляция, функции и роль в окислительном стрессе.

Введение

Энзимный комплекс, участвующий в цикле Кребса.

Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс (OGDC) или α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс – это энзимный комплекс, наиболее известный своей ролью в цикле лимонной кислоты.

Регулирование

Оксиглутаратдегидрогеназа является ключевым регуляторным звеном цикла лимонной кислоты. Она ингибируется своими продуктами – сукцинил-КоА и NADH. Высокий энергетический заряд в клетке также оказывает ингибирующее действие. АДФ и ионы кальция являются аллостерическими активаторами фермента. Контролируя количество доступных редуцирующих эквивалентов, образующихся в цикле Кребса, оксиглутаратдегидрогеназа оказывает нисходящее регуляторное влияние на окислительное фосфорилирование и продукцию АТФ. Редуцирующие эквиваленты (такие как NAD+/NADH) поставляют электроны для функционирования электрон-транспортной цепи окислительного фосфорилирования. Повышение уровня активации оксиглутаратдегидрогеназы приводит к увеличению концентрации NADH по отношению к NAD+. Высокие концентрации NADH стимулируют увеличение потока через окислительное фосфорилирование. Хотя увеличение потока по этому пути генерирует АТФ для клетки, он также производит свободные радикалы как побочный продукт, которые могут вызывать окислительный стресс в клетках при их накоплении. Оксиглутаратдегидрогеназа рассматривается как редокс-сенсор в митохондриях, способный изменять уровень функционирования митохондрий для предотвращения окислительного повреждения. В присутствии высокой концентрации свободных радикалов оксиглутаратдегидрогеназа подвергается полностью обратимому ингибированию, опосредованному свободными радикалами. После потребления и удаления источника свободных радикалов нормальная функция митохондрий восстанавливается. Считается, что временное ингибирование митохондриальной функции связано с обратимым глутатионилированием E2-домена липоевой кислоты оксиглутаратдегидрогеназы. Многие из этих аллостерических регуляторов действуют на E1-домен ферментного комплекса, но все три домена комплекса могут подвергаться аллостерическому контролю. Активность ферментного комплекса повышается при высоких уровнях АДФ и Pi, Ca2+ и CoA SH. Фермент ингибируется высокими уровнями АТФ, NADH и сукцинил-КоА. Острое воздействие стресса обычно происходит на более низких, переносимых для клетки уровнях. Патофизиологии могут возникать, когда стресс становится кумулятивным или переходит в хроническую форму. Реакция повышения регуляции, возникающая после острого воздействия, может истощаться, если ингибирование ферментного комплекса становится слишком сильным.

Oxoglutarate dehydrogenase is a key control point in the citric acid cycle. It is inhibited by its products, succinyl CoA and NADH. A high energy charge in the cell will also be inhibitive. ADP and calcium ions are allosteric activators of the enzyme. By controlling the amount of available reducing equivalents generated by the Krebs cycle, Oxoglutarate dehydrogenase has a downstream regulatory effect on oxidative phosphorylation and ATP production. Reducing equivalents (such as NAD+/NADH) supply the electrons that run through the electron transport chain of oxidative phosphorylation. Increased Oxoglutarate dehydrogenase activation levels serve to increase the concentrations of NADH relative to NAD+. High NADH concentrations stimulate an increase in flux through oxidative phosphorylation. While an increase in flux through this pathway generates ATP for the cell, the pathway also generates free radical species as a side product, which can cause oxidative stress to the cells if left to accumulate. Oxoglutarate dehydrogenase is considered to be a redox sensor in the mitochondria, and has an ability to change the functioning level of mitochondria to help prevent oxidative damage. In the presence of a high concentration of free radical species, Oxoglutarate dehydrogenase undergoes fully reversible free radical mediated inhibition. Upon consumption and removal of the free radical source, normal mitochondrial function is restored. It is believed that the temporary inhibition of mitochondrial function stems from the reversible glutathionylation of the E2 lipoac acid domain of Oxoglutarate dehydrogenase. Many of these allosteric regulators act at the E1 domain of the enzyme complex, but all three domains of the enzyme complex can be allosterically controlled. The activity of the enzyme complex is upregulated with high levels of ADP and Pi, Ca2+, and CoA SH. The enzyme is inhibited by high ATP levels, high NADH levels, and high Succinyl CoA concentrations. Acute exposures to stress are usually at lower, tolerable levels for the cell. Pathophysiologies can arise when the stress becomes cumulative or develops into chronic stress. The up regulation response that occurs after acute exposure can become exhausted if the inhibition of the enzyme complex becomes too strong.

Патология

Оксиоглутаратдегидрогеназа является аутоантигеном, распознаваемым при первичном билиарном циррозе, форме острой печеночной недостаточности. Эти антитела, по-видимому, распознают окисленный белок, образовавшийся в результате воспалительных иммунных реакций. Некоторые из этих воспалительных реакций объясняются чувствительностью к глютену. Другие митохондриальные аутоантигены включают пируватдегидрогеназу и комплекс разветвленной цепи альфа-кетокислотной дегидрогеназы, которые являются антигенами, распознаваемыми антимитохондриальными антителами. Активность 2-оксоглутаратдегидрогеназного комплекса снижена при многих нейродегенеративных заболеваниях. Болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и супрануклеарный паралич связаны с повышенным уровнем окислительного стресса в головном мозге. В частности, у пациентов с болезнью Альцгеймера активность оксоглутаратдегидрогеназы значительно снижена. Это позволяет предположить, что часть цикла Кребса, ответственная за образование свободных радикалов в мозге пациентов, представляет собой неисправный комплекс оксоглутаратдегидрогеназы. Механизм ингибирования этого ферментного комплекса, связанного с заболеванием, остается малоизученным. При метаболическом заболевании – комбинированной малоновой и метилмалоновой ацидурии (CMAMMA), вызванной дефицитом ACSF3, нарушается синтез митохондриальных жирных кислот (mtFASII), являющийся предшествующей реакцией биосинтеза липоевой кислоты. В результате снижается степень липоилирования важных митохондриальных ферментов, таких как комплекс оксоглутаратдегидрогеназы (OGDC).