Пируватдегидрогеназный комплекс - Pyruvate dehydrogenase complex

Пируватдегидрогеназный комплекс

Пируватдегидрогеназный комплекс (PDC) представляет собой комплекс трех ферменты что обращает пируват в ацетил-КоА процессом, называемым декарбоксилирование пирувата.^[1] Затем ацетил-КоА можно использовать в цикл лимонной кислоты выполнять клеточное дыхание, и этот комплекс связывает гликолиз метаболический путь к цикл лимонной кислоты. Декарбоксилирование пирувата также известно как «реакция пируватдегидрогеназы», ​​поскольку оно также включает окисление пирувата.^[2]

Этот мультиферментный комплекс структурно и функционально связан с оксоглутаратдегидрогеназа и мультифермент оксокислотной дегидрогеназы с разветвленной цепью комплексы.

Реакция

Реакция, катализируемая комплексом пируватдегидрогеназы:

пируват	пируватдегидрогеназный комплекс		ацетил-КоА
	CoA-SH + НАД^+	CO2 + НАДН + ЧАС^+

Структура

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 НАД^+	12	12

Механизм PDC с пируватом (R = H)

Пируватдегидрогеназа (E1)

Основная статья: Пируватдегидрогеназа

Первоначально, пируват и пирофосфат тиамина (ТЭС или витамин B₁ ) связаны пируватдегидрогеназа субъединицы.^[1] В тиазолий кольцо ТЭС находится в цвиттерионный форма, и анионный Углерод C2 осуществляет нуклеофильную атаку на карбонил C2 (кетон) пирувата. Образующийся гемитиоацеталь подвергается декарбоксилирование для получения эквивалента ацильного аниона (см. циангидрин или альдегид-дитиан умполунг химия, а также бензоиновая конденсация ). Этот анион атакует S1 окисленных липоатов, которые присоединены к лизин остаток. В открытии кольца S_N2-подобный механизм, 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.

Дигидролипоил трансацетилаза (E2)

На этом этапе липоаттиоэфирная функциональность перемещается в дигидролипоил трансацетилаза (E2) активный сайт,^[1] где реакция трансацилирования переносит ацетил из "качающейся руки" липоила в тиол кофермент А. Это производит ацетил-КоА, который высвобождается из ферментного комплекса и впоследствии попадает в цикл лимонной кислоты. E2 также может быть известен как липоамидредуктаза-трансацетилаза.

Дигидролипоилдегидрогеназа (E3)

В дигидролипоат, все еще связанный с остатком лизина в комплексе, затем мигрирует в дигидролипоилдегидрогеназа (E3) активный сайт,^[1] где он подвергается флавин -опосредованное окисление, идентичное по химии дисульфид изомераза. Первый, FAD окисляет дигидролипоат обратно до состояния покоя липоата, производя FADH₂. Затем НАД⁺ кофактор окисляет FADH₂ обратно в состояние покоя FAD, производя NADH.

Структурные различия между видами

PDC - это большой комплекс, состоящий из нескольких копий 3 или 4 субъединиц в зависимости от вида.

Грамотрицательные бактерии

В Грамотрицательный бактерии, например кишечная палочка, PDC состоит из центрального кубического ядра, состоящего из 24 молекул дигидролипоил трансацетилаза (E2). До 24 копий пируватдегидрогеназа (E1) и 12 молекул дигидролипоилдегидрогеназа (E3) привязаны к внешней стороне ядра E2.^[3]

Грамположительные бактерии и эукариоты

Напротив, в Грамположительный бактерии (например, Bacillus stearothermophilus ) и эукариот центральное ядро ​​PDC содержит 60 молекул E2, расположенных в виде икосаэдра.

Эукариоты также содержат 12 копий дополнительного корового белка, E3-связывающий белок (E3BP). Точное местонахождение E3BP не совсем понятно. Крио-электронная микроскопия установила, что E3BP связывается с каждой из граней икосаэдра у дрожжей.^[4] 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, в то время 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.

Регулирование

Пируватдегидрогеназа ингибируется при увеличении одного или нескольких из трех следующих соотношений: АТФ /ADP, НАДН / НАД⁺ и ацетил-КоА /CoA.

У эукариот PDC строго регулируется собственными специфическими киназа пируватдегидрогеназы (PDK) и пируватдегидрогеназа фосфатаза (PDP), деактивируя и активируя его соответственно.^[5]

• PDK фосфорилаты три конкретных серин остатки на E1 с разным сродством. Фосфорилирование любого из них (с использованием АТФ ) делает E1 (и, как следствие, весь комплекс) неактивным.^[5]
• Дефосфорилирование E1 PDP восстанавливает комплексную активность.^[5]

Продукты реакции действуют как аллостерические ингибиторы PDC, потому что они активируют PDK. Субстраты, в свою очередь, ингибируют PDK, реактивируя PDC.

В течение голодание, PDK увеличивается в количестве в большинстве тканей, включая скелетные мышцы, через увеличенный транскрипция гена. В тех же условиях количество PDP уменьшается. Результирующее ингибирование PDC предотвращает катаболизм глюкозы и других тканей в мышцах и других тканях. глюконеогенез прекурсоры. Обмен веществ сдвигается в сторону утилизация жира, в то время как распад мышечного белка для обеспечения предшественников глюконеогенеза сводится к минимуму, а доступная глюкоза сохраняется для использования мозг.

Кальций ионы играют роль в регуляции PDC в мышечной ткани, потому что они активируют PDP, стимулируя гликолиз при попадании в цитозоль - во время сокращение мышц. Некоторые продукты этой транскрипции высвобождают H2 в мышцы. Это может со временем привести к распаду ионов кальция.

Локализация декарбоксилирования пирувата

В эукариотический клетки декарбоксилирование пирувата происходит внутри митохондриального матрикса после транспорта субстрата, пирувата, из цитозоль. Транспорт пирувата в митохондрии осуществляется через транспортный белок пируваттранслоказа. Пируваттранслоказа транспортирует пируват симпортом с протоном и, следовательно, является активный, потребляя энергия.^{[нужна цитата ]}. Альтернативные источники говорят, что «транспорт пирувата через внешнюю митохондриальную мембрану, по-видимому, легко осуществляется через большие неселективные каналы, такие как зависимые от напряжения анионные каналы, которые обеспечивают пассивную диффузию »и перенос через внутреннюю митохондриальную мембрану опосредуется митохондриальным переносчиком пирувата 1 (MPC1) и митохондриальный переносчик пирувата 2 (MPC2) ^[6].

При попадании в митохондрии пируват декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА. Эта необратимая реакция задерживает ацетил-КоА в митохондриях (ацетил-КоА может транспортироваться из митохондриального матрикса только в условиях высокого содержания оксалоацетата через цитратный челнок, промежуточное звено TCA, которое обычно мало). Диоксид углерода, образующийся в результате этой реакции, неполярный и маленькие, и могут диффундировать из митохондрий и из клетки.

В прокариоты, у которых нет митохондрий, эта реакция либо осуществляется в цитозоле, либо не происходит вовсе.

Клиническая значимость

Дефицит пируватдегидрогеназы может быть результатом мутации любого из ферментов или кофакторов. Его первичный клинический результат: лактоацидоз.^[7]

Смотрите также

• Дефицит пируватдегидрогеназы

Рекомендации

1. DeBrosse, Suzanne D .; Керр, Дуглас С. (01.01.2016), Сането, Рассел П.; Парих, Сумит; Коэн, Брюс Х. (ред.), «Глава 12 - Дефицит пируватдегидрогеназного комплекса», Примеры использования митохондрий, Бостон: Academic Press, стр. 93–101, Дои:10.1016 / b978-0-12-800877-5.00012-7, ISBN  978-0-12-800877-5, получено 2020-11-16
2. Дж. М. Берг; Ю. Л. Тимочко, Л. Страйер (2007). Биохимия (6 изд.). Фримен. ISBN  978-0-7167-8724-2.
3. Изард Т., Эйварссон А., Аллен М.Д., Вестфаль А.Х., Перхам Р.Н., де Кок А., Хол В.Г. (1999). «Принципы квазиэквивалентности и евклидовой геометрии управляют сборкой кубических и додекаэдрических ядер комплексов пируватдегидрогеназы». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 96 (4): 1240–1245. Bibcode:1999PNAS ... 96.1240I. Дои:10.1073 / pnas.96.4.1240. ЧВК  15447. PMID  9990008. [1]
4. Stoops, JK, Cheng, RH, Yazdi, MA, Maeng, CY, Schroeter, JP, Klueppelberg, U., Kolodziej, SJ, Baker, TS, Reed, LJ (1997) Об уникальной структурной организации пируватдегидрогеназы Saccharomyces cerevisiae сложный. J. Biol. Chem. 272, 5757-5764.
5. Пелли, Джон У. (01.01.2012), Пелли, Джон У. (ред.), «6 - Гликолиз и окисление пирувата», Комплексный обзор биохимии Эльзевьера (второе издание), Филадельфия: W.B. Сондерс, стр. 49–55, Дои:10.1016 / b978-0-323-07446-9.00006-4, ISBN  978-0-323-07446-9, получено 2020-11-16
6. Раттер, Джаред (23 января 2013 г.). «Долгий и извилистый путь к митохондриальному переносчику пирувата». Рак и метаболизм. Дои:10.1186/2049-3002-1-6. PMID  24280073.
7. «Дефицит пируватдегидрогеназы». Домашний справочник по генетике. Получено 17 марта, 2013.

внешняя ссылка

• https://web.archive.org/web/20070405211049/http://www.dentistry.leeds.ac.uk/biochem/MBWeb/mb1/part2/krebs.htm#animat1 - анимация общего механизма PDC (ссылка вверху справа) на Университет Лидса
• Пируват + дегидрогеназа + комплекс в Национальной медицинской библиотеке США Рубрики медицинской тематики (MeSH)

3D конструкции

• Чжоу, H .; Маккарти, Б .; О'Коннор, М .; Reed, J .; Ступс, К. (декабрь 2001 г.). «Замечательная структурная и функциональная организация пируватдегидрогеназных комплексов эукариот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (26): 14802–14807. Bibcode:2001PNAS ... 9814802Z. Дои:10.1073 / pnas.011597698. ISSN  0027-8424. ЧВК  64939. PMID  11752427., бык почка пируватдегидрогеназный комплекс
• Yu, X .; Hiromasa, Y .; Tsen, H .; Ступс, К .; Roche, E .; Чжоу, Х. (январь 2008 г.). «Структуры ядер комплекса пируватдегидрогеназы человека: высококонсервативный каталитический центр с гибкими N-концевыми доменами». Структура. 16 (1): 104–114. Дои:10.1016 / j.str.2007.10.024. ISSN  0969-2126. ЧВК  4807695. PMID  18184588., человеческие полноразмерные и усеченные ядра E2 (tE2) PDC, выраженные в Кишечная палочка