Войти
Пируватдегидрогеназный комплекс Комплекс пируватдегидрогеназы ( PDC) - это комплекс из трех ферментов, который превращает пируват в ацетил-КоА с помощью процесса, называемого декарбоксилированием пирувата. Затем ацетил-КоА можно использовать 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.
Этот мультиферментный комплекс структурно и функционально связан с мультиферментными комплексами оксоглутаратдегидрогеназы и разветвленной цепи оксокислот дегидрогеназы.
Реакция, катализируемая комплексом пируватдегидрогеназы:
| пируват | пируватдегидрогеназный комплекс | ацетил-КоА | |
 |  | ||
| CoA-SH + NAD + | СО 2 + НАДН + Н + | ||
 | |||
Созданное пимолом изображение субъединицы E1 пируватдегидрогеназного комплекса в E. Coli Субъединица E1, называемая субъединицей пируватдегидрогеназы, имеет структуру, состоящую из двух цепей («ɑ» и «ꞵ» цепи). Ион магния образует 4-координатный комплекс с тремя полярными аминокислотными остатками (Asp, Asn и Tyr), расположенными на альфа-цепи, и кофактором тиаминдифосфата (TPP), непосредственно участвующим в декарбоксилировании пирувата.
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, приблизительно по 80 аминокислот каждая. Домен связывания периферической субъединицы (PBSD) служит селективным сайтом связывания для других доменов субъединиц E1 и E3. Наконец, С-концевой (каталитический) домен катализирует перенос ацетильных групп и синтез ацетил-КоА.
Генерируемая пимолом субъединица E3 пируватдегидрогеназного комплекса у Pseudomonas putida Субъединица E3, называемая ферментом дигидролипоилдегидрогеназа, характеризуется как гомодимерный белок, в котором два остатка цистеина, участвующие в дисульфидных связях, и кофактор FAD в активном центре облегчают ее основное назначение в качестве катализатора окисления. Один пример структуры E3, обнаруженный в Pseudomonas putida, сформирован таким образом, что каждая индивидуальная субъединица гомодимера содержит два связывающих домена, ответственных за связывание с FAD и NAD, а также центральный домен и интерфейсный домен.
Вспомогательный белок, уникальный для большинства эукариот, - это 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 поверхностным сайтом узнавания, образованным связыванием двух идентичных мономеров E3.
| Ферменты | Аббревиатура | Кофакторы | # субъединицы прокариот | # субъединицы эукариоты |
|---|---|---|---|---|
| пируватдегидрогеназа ( EC 1.2.4.1 ) | E1 | TPP (тиаминпирофосфат) | 24 | 30 |
| дигидролипоил трансацетилаза ( EC 2.3.1.12 ) | E2 | липоат- кофермент А | 24 | 60 |
| дигидролипоилдегидрогеназа ( EC 1.8.1.4 ) | E3 | FAD NAD + | 12 | 12 |
Механизм PDC с пируватом (R = H) Первоначально пируват и тиаминпирофосфат (TPP или витамин B 1 ) связываются субъединицами пируватдегидрогеназы. Тиазолиевое кольцо ТЭС находится в цвиттерионных форме, и анионные C2 углерод выполняет нуклеофильную атаку на С2 (кетон) карбонил пируваты. Полученный гемитиоацеталь подвергается декарбоксилированию с образованием эквивалента ацильного аниона (см. Химию циангидрина или альдегид-дитиан умполунг, а также конденсацию бензоина ). Этот анион атакует S1 окисленных липоатов, которые присоединены к остатку лизина. В S N 2-подобном механизме раскрытия кольца S2 замещается как сульфидный или сульфгидрильный фрагмент. Последующий коллапс тетраэдрического гемитиоацеталя выбрасывает тиазол, высвобождая кофактор TPP и генерируя тиоацетат на S1 липоата. Процесс, катализируемый E1, является лимитирующей стадией всего комплекса пируватдегидрогеназы.
На данный момент, липоаты-тиоэфир функциональность транслоцируется в dihydrolipoyl transacetylase активного сайта (Е2), где реакция transacylation передает ацетил из «поворотного кронштейна» от lipoyl к тиолу коэнзим А. Это производит ацетил-КоА, который высвобождается из ферментного комплекса и впоследствии входит в цикл лимонной кислоты. E2 также может быть известен как липоамидредуктаза-трансацетилаза.
Dihydrolipoate, по- прежнему связан с остатком лизина комплекса, затем мигрирует к dihydrolipoyl дегидрогеназы активного сайта (Е3), где он подвергается Flavin опосредованного окисления, идентичного по химии к дисульфидной изомеразе. Во-первых, FAD окисляет дигидролипоат обратно до состояния покоя липоата, образуя FADH 2. Затем кофактор NAD + окисляет FADH 2 обратно до состояния покоя FAD, производя NADH и H.
PDC - это большой комплекс, состоящий из нескольких копий 3 или 4 субъединиц в зависимости от вида.
У грамотрицательных бактерий, например Escherichia coli, PDC состоит из центрального кубического ядра, состоящего из 24 молекул дигидролипоилтрансацетилазы (E2). До 24 копий пируватдегидрогеназы (E1) и 12 молекул дигидролипоилдегидрогеназы (E3) связываются с внешней стороной ядра E2.
Напротив, у грамположительных бактерий (например, Bacillus stearothermophilus ) и эукариот центральное ядро PDC содержит 60 молекул E2, расположенных в виде икосаэдра. Это «ядро» субъединицы E2 координируется с 30 субъединицами E1 и 12 копиями E3.
Эукариоты также содержат 12 копий дополнительного корового белка, связывающего белка E3 (E3BP), который связывает субъединицы E3 с ядром E2. Точное местонахождение E3BP не совсем понятно. Крио-электронная микроскопия установила, что E3BP связывается с каждой из граней икосаэдра у дрожжей. Однако было высказано предположение, что он заменяет эквивалентное количество молекул E2 в ядре PDC крупного рогатого скота.
До 60 молекул E1 или E3 могут связываться 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 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.
У эукариот PDC строго регулируется собственной специфической киназой пируватдегидрогеназы (PDK) и фосфатазой пируватдегидрогеназы (PDP), дезактивируя и активируя ее соответственно.
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. В тех же условиях количество PDP уменьшается. Результирующее ингибирование PDC предотвращает катаболизм глюкозы и предшественников глюконеогенеза в мышцах и других тканях. Метаболизм смещается в сторону использования жира, в то время как распад мышечного белка для обеспечения предшественников глюконеогенеза сводится к минимуму, а доступная глюкоза сохраняется для использования мозгом.
Ионы кальция играют роль в регуляции PDC в мышечной ткани, потому что они активируют PDP, стимулируя гликолиз при его высвобождении в цитозоль - во время сокращения мышц. Некоторые продукты этой транскрипции высвобождают H2 в мышцы. Со временем это может привести к распаду ионов кальция.
В эукариотических клетках декарбоксилирование пирувата происходит внутри митохондриального матрикса после транспорта субстрата, пирувата, из цитозоля. Транспорт пирувата в митохондрии осуществляется через транспортный белок пируваттранслоказу. Пируваттранслоказа транспортирует пируват в режиме симпорта с протоном и, следовательно, является активным, потребляя энергию. Альтернативные источники говорят, что «транспорт пирувата через внешнюю митохондриальную мембрану, по-видимому, легко осуществляется через большие неселективные каналы, такие как потенциал-зависимый анион. каналы, которые обеспечивают «пассивную диффузию» и транспорт через внутреннюю митохондриальную мембрану, опосредуются митохондриальным переносчиком пирувата 1 (MPC1) и митохондриальным переносчиком пирувата 2 (MPC2).
При попадании в митохондрии пируват декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА. Эта необратимая реакция улавливает ацетил-КоА в митохондриях (ацетил-КоА может транспортироваться из митохондриального матрикса только в условиях высокого содержания оксалоацетата через цитратный челнок, промежуточное соединение TCA, которое обычно мало). Углекислый газ, образующийся в результате этой реакции, неполярный и небольшой, он может диффундировать из митохондрий и из клетки.
У прокариот, у которых нет митохондрий, эта реакция либо осуществляется в цитозоле, либо не происходит вовсе.
Было обнаружено, что фермент пируватдегидрогеназа, обнаруженный в митохондриях эукариотических клеток, очень похож на фермент из Geobacillus stearothermophilus, который является разновидностью грамположительных бактерий. Несмотря на сходство комплекса пируватдегидрогеназы с грамположительными бактериями, мало сходства с таковым у грамотрицательных бактерий. Сходство четвертичных структур между пируватдегидрогеназой и ферментами у грамположительных бактерий указывает на общую эволюционную историю, которая отличается от эволюционной истории соответствующих ферментов, обнаруженных у грамотрицательных бактерий. Через эндосимбиотическое событие пируватдегидрогеназа, обнаруженная в митохондриях эукариот, указывает на наследственные связи, восходящие к грамположительным бактериям. Комплексы пируватдегидрогеназы имеют много общего с 2-оксокислотой дегидрогеназы с разветвленной цепью (BCOADH), особенно в их субстратной специфичности для альфа-кетокислот. В частности, BCOADH катализирует разложение аминокислот, и эти ферменты были преобладающими в те периоды, когда на доисторической земле преобладала среда, богатая аминокислотами. Субъединица E2 из пируватдегидрогеназы произошла от гена E2, обнаруженного в BCOADH, в то время как оба фермента содержат идентичные субъединицы E3 из-за присутствия только одного гена E3. Поскольку субъединицы E1 обладают отличительной специфичностью к конкретным субстратам, субъединицы E1 пируватдегидрогеназы и BCOADH различаются, но имеют генетическое сходство. Грамположительные бактерии и цианобактерии, которые позже дадут начало митохондриям и хлоропластам, обнаруженным в эукариотических клетках, сохранили субъединицы E1, которые генетически связаны с субъединицами, обнаруженными в ферментах BCOADH.
Дефицит пируватдегидрогеназы (PCDC) может быть результатом мутаций любого из ферментов или кофакторов. Его первичный клинический признак - лактоацидоз. Такие мутации PCDC, приводящие к последующему дефициту продукции NAD и FAD, препятствуют процессам окислительного фосфорилирования, которые играют ключевую роль в аэробном дыхании. Таким образом, ацетил-КоА вместо этого восстанавливается с помощью анаэробных механизмов до других молекул, таких как лактат, что приводит к избытку лактата в организме и связанным с ним неврологическим патологиям.
Хотя дефицит пируватдегидрогеназы встречается редко, существует множество различных генов, когда они мутированы или нефункциональны, которые могут 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-beta. Ген PDHA1, обнаруженный в субъединицах E1-альфа, при мутации вызывает 80% случаев дефицита пируватдегидрогеназы, поскольку эта мутация сокращает белок E1-альфа. Снижение функционального E1 альфа препятствует достаточному связыванию пируватдегидрогеназы с пируватом, тем самым снижая активность всего комплекса. Когда ген PDHB, обнаруженный в бета-субъединице E1 комплекса, мутирует, это также приводит к дефициту пируватдегидрогеназы. Аналогичным образом, были обнаружены мутации, обнаруженные в других субъединицах комплекса, такие как ген DLAT, обнаруженный на субъединице E2, ген PDHX, обнаруженный на субъединице E3, а также мутация в гене пируватдегидрогеназной фосфатазы, известная как PDP1, все были отслежены. обратно к дефициту пируватдегидрогеназы, в то время как их конкретный вклад в состояние болезни неизвестен.
|
|---|
 АТФ ADP     АТФ ADP   + + 2 × Глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназа НАД + + P i НАДН + Н + НАД + + P i НАДН + Н + 2 ×  ADP АТФ ADP АТФ 2 × 3-фосфоглицерат 2 × 2 × 2-фосфоглицерат 2 × Phosphopyruvate гидратаз ( енолаз ) H 2 O H 2 O 2 × Фосфоенолпируват 2 × ADP АТФ 2 × Пируват 2 × |
Биологический портал 