Complexul de piruvat dehidrogenază , PDH ( PDC ) este un complex proteic care efectuează decarboxilarea oxidativă a piruvatului . Include trei enzime și două proteine accesorii și necesită cinci cofactori (CoA, NAD + , tiamină pirofosfat (TPP), FAD și acid lipoic (lipoat)) pentru a funcționa. PDH este localizat în citosol la bacterii și în matricea mitocondrială la eucariote .. Ecuația generală a reacției catalizate este [1] :
Mecanismul acestui proces, precum și reglarea acestuia, sunt discutate în detaliu în articolul Oxidative decarboxylation of pyruvate . Caracteristicile complexului enzimatic în sine sunt luate în considerare mai jos.
Dehidrogenarea și decarboxilarea combinate a piruvatului în gruparea acil , care va intra ulterior în acetil-CoA, este efectuată de trei enzime diferite, a căror funcționare necesită cinci coenzime sau grupări protetice diferite : tiamină pirofosfat (TPP), FAD, coenzima A (CoA), NAD și lipoat. Patru dintre ele sunt derivați de vitamine : tiamină sau vitamina B 1 (TPP), riboflavină sau vitamina B 2 (FAD), niacină sau vitamina PP (NAD) și acid pantotenic sau vitamina B 5 (CoA) [2] ] .
FAD și NAD sunt purtători de electroni, iar TPP este cunoscut și ca coenzima piruvat decarboxilazei implicată în fermentație [2] .
Coenzima A are o grupare tiol activă (-SH) care este critică pentru funcționarea CoA ca purtător de grupare acil într-un număr de reacții metabolice . Grupările acil se leagă apoi covalent de gruparea tiol, formând tioeteri . Datorită energiei lor libere standard relativ ridicate de hidroliză , tioeterii au un potențial ridicat de transfer al grupărilor acil la diferite molecule acceptoare. Prin urmare, acetil-CoA este uneori denumit și „ acid acetic activat ” [2] [3] .
Al cincilea cofactor al complexului de piruvat dehidrogenază, lipoatul, are două grupări tiol care pot suferi oxidare reversibilă pentru a forma o legătură disulfurică (—S—S—), similar cu modul în care apare între două resturi de aminoacizi de cisteină dintr-o proteină. Datorită capacității sale de a suferi oxidare și reducere, lipoatul poate servi atât ca purtător de electroni (sau H + ), cât și ca grupări acil [2] .
| Enzimă | Reducere | cofactor | # procariote | # eucariote |
|---|---|---|---|---|
| piruvat dehidrogenază Cod CE 1.2.4.1 |
E1 | Tiamină pirofosfat | 24 | treizeci |
| dihidrolipoiltransacetilază codul CE 2.3.1.12 |
E2 | coenzima A acidului lipoic |
24 | 60 |
| dihidrolipoil dehidrogenază cod EC 1.8.1.4 |
E3 | FAD OVER + |
12 | 12 |
Complexul de piruvat dehidrogenază (PDH) include 3 enzime: piruvat dehidrogenază (E 1 ), dihidrolipoiltransacetilază (E 2 ) și dihidrolipoil dehidrogenază (E 3 ). Fiecare dintre aceste enzime este prezentă în complex în mai multe copii. Numărul de copii ale fiecărei enzime și, prin urmare, dimensiunea complexului, variază între diferitele specii. Complexul PDH al mamiferelor atinge aproximativ 50 nm în diametru, de peste 5 ori diametrul unui ribozom întreg ; aceste complexe sunt suficient de mari pentru a fi vizibile la microscop electronic . PDH bovină și bacteria Gram-pozitivă Bacillus stearothermophilus [4] conțin 60 de copii identice ale E 2 care formează un dodecaedru pentagonal ( partea centrală a complexului ) cu un diametru de aproximativ 25 nm . Miezul cubic [5] al PDH din bacteria gram-negativă Escherichia coli include 24 de copii de E 2 . Gruparea protetică lipoat este atașată la E2 , care este legat printr - o legătură amidă de gruparea ε - amino a restului de lizină care face parte din E2 . E2 constă din trei domenii diferite din punct de vedere funcțional: domeniu lipoil amino - terminal care conține un rest de lizină care se leagă la un lipoat; domeniul central de legare a E1 şi E3 ; un domeniu intern de aciltransferază de miez care conține situsurile active ale aciltransferazei . Drojdia are un singur domeniu lipoil în PDH, mamiferele au două, iar E. coli are trei. Domeniile E2 sunt separate prin secvențe de aminoacizi linker constând din 20-30 de resturi de aminoacizi, în care resturi de alanină și prolină sunt intercalate cu resturi de aminoacizi încărcate. Astfel de linkeri iau de obicei o formă extinsă, separând astfel trei domenii unul de celălalt [6] .
TPP se leagă de situsul activ E1 , iar FAD se leagă de situsul activ E3 . La om, enzima E 1 este un tetramer format din 4 subunități: două E 1 α și două E 1 β [7] . De asemenea, complexul PDH include două proteine reglatoare - protein kinază și fosfoprotein fosfatază . Această structură de bază a E1-E2- E3 a rămas conservată în timpul evoluției . Complexele unui astfel de dispozitiv sunt, de asemenea, implicate în alte reacții, de exemplu, oxidarea α-cetoglutaratului în timpul ciclului Krebs și oxidarea α - cetoacizilor formați în timpul utilizării catabolice a aminoacizilor ramificati: valină , izoleucină , leucină . La speciile studiate, E 3 PDH este identic cu E 3 din cele două complexe mai sus menționate. Asemănarea remarcabilă a structurilor proteinelor, a cofactorilor și a mecanismelor de reacție efectuate de aceste complexe demonstrează comunitatea originii lor [1] . Când lipoatul este atașat de lizina E2 , se formează un „braț” lung și flexibil, care se poate deplasa de la centrul activ al lui E1 la centrii activi ale lui E2 și E3 , adică la distanțe de probabil 5 nm . sau mai multe [8] .
S-a stabilit că la eucariote, complexul de piruvat dehidrogenază include, de asemenea, 12 subunități ale proteinei necatalitice de legare E3 [ (E3BP). Locația sa exactă este necunoscută, dar microscopia crioelectronică a arătat că se leagă de fiecare dintre fețele nucleului PDH de drojdie. S-a sugerat că această proteină a înlocuit mai multe subunități E2 în PDH bovină [9] .
Complexul de piruvat dehidrogenază este prezent și în unele bacterii anaerobe, de exemplu, Zymonomonas mobilis . În această bacterie, până la 98% din piruvat este implicat în fermentația alcoolică și doar o mică parte din acesta este oxidată la acetil-CoA, CO 2 și NADH. Z. mobilis PDH constă din 4 enzime: E1α cu o masă de 38,6 kDa, E1β cu o masă de 49,8 kDa, E2 cu o masă de 48 kDa și E3 cu o masă de 50 kDa. O caracteristică unică a PDH a acestei bacterii este prezența unui domeniu lipoil în subunitatea E1β. La fel ca la vaca, nucleul complexului este reprezentat de subunitatea E2, iar complexul în sine este organizat ca un dodecaedru pentagonal. Genele care codifică subunitățile PDH ale acestei bacterii sunt asamblate în două grupuri diferite. Deoarece Z. mobilis îi lipsesc un număr de enzime ale ciclului acidului tricarboxilic, PDH în această bacterie îndeplinește exclusiv funcții anabolice [10] .
La om , genele care codifică enzimele PDH sunt aranjate după cum urmează. Gena E 1 α - PDHA1 - este localizată pe cromozomul X . Sunt cunoscute peste 30 de alele mutante ale acestei gene, ceea ce duce la dezvoltarea deficitului de piruvat dehidrogenază , o boală ale cărei simptome pot varia de la acidoză lactică ușoară până la malformații severe [11] . Acumularea de lactat în acest caz se datorează faptului că PDH nu poate converti piruvatul în acetil-CoA, iar din cauza acumulării de piruvat, lactatul nu poate fi convertit în acesta. Bărbații al căror cromozom X poartă alela mutantă mor de obicei la o vârstă fragedă, dar femeile sunt, de asemenea, oarecum susceptibile la această boală din cauza inactivării unuia dintre cromozomii X. Celulele testiculelor au o copie specială a E 1 α - PDHA2 , această genă fiind localizată pe cromozomul 4 [12] .
Gena E1 β - PDHB - este localizată pe cromozomul 3 . Sunt cunoscute doar 2 alele mutante ale acestei gene, în stare homozigotă ducând la deces în primul an de viață din cauza malformațiilor. Poate că există și alte alele mutante care duc la moarte înainte de naștere. Gena E2 - DLAT ( din engleza dihidrolipoamidă s-acetiltransferaza ) - este localizată pe cromozomul al 11-lea . Se știe că două alele ale acestei gene cauzează probleme la homozigot, care sunt compensate printr-o dietă adecvată; este probabil ca alte alele mutante să ducă la moarte in utero. Gena E 3 - DLD - este localizată pe cromozomul 7 . Această genă are multe alele, dintre care multe duc la apariția unor boli genetice, totuși asociate nu cu PDH, ci cu complexul α-cetoglutarat dehidrogenază și care se manifestă printr-o încălcare a metabolismului aminoacizilor [7] [12] .