V tomto článku sa pokúsime prístupným spôsobom vysvetliť, čo je komplex pyruvátdehydrogenázy a biochémiu procesu, odhaliť zloženie enzýmov a koenzýmov, poukázať na úlohu a význam tohto komplexu v prírode a ľudský život. Okrem toho budú zvážené možné následky porušenia funkčného účelu komplexu a čas ich prejavu.
Úvod do konceptu
Komplex pyruvátdehydrogenázy (PDH) je komplex proteínového typu, ktorého úlohou je vykonávať oxidáciu pyruvátu v dôsledku dekarboxylácie. Tento komplex obsahuje 3 enzýmy, ako aj dva proteíny potrebné na realizáciu pomocných funkcií. Aby komplex pyruvátdehydrogenázy fungoval, musia byť prítomné určité kofaktory. Je ich päť: CoA, nikotínamid adenín dinukleotid, flavín adenín dinukleotid, tiamín pyrofosfát a lipoát.
Lokalizácia PDH v bakteriálnych organizmoch je sústredená v cytoplazme, eukaryotické bunky ju ukladajúv matrici na mitochondriách.
Spojené s dekarboxyláciou pyruvátu
Význam pyruvátdehydrogenázového komplexu spočíva v oxidačnej reakcii pyruvátu. Zvážte podstatu tohto procesu.
Mechanizmus oxidácie pyruvátu vplyvom dekarboxylácie je proces biochemickej povahy, pri ktorom dochádza k štiepeniu molekuly CO2 v jednotnom čísle a následne toto Molekula sa pridá k pyruvátu, podrobí sa dekarboxylácii a patrí ku koenzýmu A (CoA). Takto vzniká acetyl-KoA. Tento jav zaujíma prechodné miesto medzi procesmi glykolýzy a cyklom trikarboxylových kyselín. Proces dikarboxylácie pyruvátu sa uskutočňuje za účasti komplexného MPC, ktorý, ako už bolo spomenuté, zahŕňa tri enzýmy a dva pomocné proteíny.
Úloha koenzýmov
Pre komplex pyruvátdehydrogenázy zohrávajú kľúčovú úlohu enzýmy. Svoju prácu však môžu začať iba v prítomnosti piatich koenzýmov alebo skupín protetického typu, ktoré boli uvedené vyššie. Samotný proces nakoniec povedie k tomu, že acylová skupina bude zahrnutá do CoA-acetylu. Keď už hovoríme o koenzýmoch, musíte vedieť, že štyri z nich patria medzi vitamínové deriváty: tiamín, riboflavín, niacín a kyselina pantoténová.
Flavina adeníndinukleotid a nikotínamidadeníndinukleotid sa podieľajú na prenose elektrónov a tiamínpyrofosfát, známy mnohým akopyruvát dekarboxylový koenzým, vstupuje do fermentačných reakcií.
Aktivácia tiolovej skupiny
Acetylačný koenzým (A) – obsahuje skupinu tiolového typu (-SH), ktorá je veľmi aktívna, je kritická a potrebná, aby CoA fungoval ako látka, ktorá dokáže preniesť acylovú skupinu na tiol a vytvoriť tioéter. Estery tiolov (tioétery) majú pomerne vysokú rýchlosť hydrolytickej energie voľnej povahy, preto majú vysoký potenciál na prenos acylovej skupiny na rôzne akceptorové molekuly. Preto sa acetyl CoA periodicky nazýva aktivovaný CH3COOH.
Elektrónový prenos
Okrem štyroch kofaktorov, ktoré sú derivátmi vitamínov, existuje 5. kofaktor komplexu pyruvátdehydrogenázy, nazývaný lipoát. Má 2 skupiny tiolového typu, ktoré môžu podliehať reverzibilnej oxidácii, čo vedie k vytvoreniu disulfidovej väzby (-S-S-), čo je podobné tomu, ako tento proces prebieha medzi aminokyselinami a cysteínovými zvyškami v proteínoch. Schopnosť oxidovať a regenerovať dáva lipoátu schopnosť byť nosičom nielen acylovej skupiny, ale aj elektrónov.
Enzymatická súprava
Z enzýmov obsahuje komplex pyruvátdehydrogenázy tri hlavné zložky. Prvým enzýmom je pyruvátdehydrosenáza (E1). Druhým enzýmom jedihydrolipoyldehydrogenáza (E3). Treťou je dihydrolipoyltransacetyláza (E2). Komplex pyruvátdehydrogenázy zahŕňa tieto enzýmy a ukladá ich vo veľkom počte kópií. Počet kópií každého enzýmu môže byť rôzny, a preto sa veľkosť komplexu môže značne líšiť. PDH komplex u cicavcov má priemer asi 50 nanometrov. To je 5-6 krát väčší ako priemer ribozómu. Takéto komplexy sú veľmi veľké, takže ich možno rozlíšiť v elektrónovom mikroskope.
Grampozitívna baktéria bacillus stearothermophilus má vo svojom PDH šesťdesiat identických kópií dihydrolipoyltransacetylázy, ktoré zase vytvárajú päťuholníkový dodekaedrón s priemerom približne 25 nanometrov. Gram-pozitívna baktéria Escherichia coli obsahuje dvadsaťštyri kópií E2, kat. pripája k sebe prostetickú skupinu lipoátu a vytvára väzbu amidového typu s aminoskupinou lyzínového zvyšku zahrnutého v E2.
Dihydrolipoyltransacetyláza je vytvorená interakciou 3 domén, ktoré majú funkčné rozdiely. Sú to: aminoterminálna lipoylová doména obsahujúca lyzínový zvyšok a spojená s lipoátom; väzbová doména (centrálna E1- a E3-); interná acyltransferázová doména, ktorá zahŕňa acyltransferázové centrá aktívneho typu.
Kvasinkový pyruvátdehydrogenázový komplex má iba jednu doménu lipoylového typu, cicavce majú dve takéto domény a baktéria Escherichia coli tri. Linkerová sekvencia aminokyselín, ktoré súz dvadsiatich až tridsiatich aminokyselinových zvyškov zdieľa E2, zatiaľ čo alanínové a prolínové zvyšky sú rozptýlené s aminokyselinovými zvyškami, ktoré sú nabité. Tieto linkery majú najčastejšie rozšírené tvary. Táto funkcia ovplyvňuje skutočnosť, že zdieľajú 3 domény.
Vzťah pôvodu
E1 vytvorí spojenie s TTP s jeho aktívnym centrom a aktívne centrum E3 vytvorí spojenie s FAD. Ľudské telo obsahuje enzým E1 vo forme tetraméru, ktorý pozostáva zo štyroch podjednotiek: dvoch E1alfa a dvoch E 1 beta. Regulačné proteíny sú prezentované vo forme proteínkinázy a fosfoproteínfosfatázy. Tento typ štruktúry (E1- E2- E 3) zostáva prvkom konzervativizmu v evolučnom učení. Komplexy s podobnou štruktúrou a štruktúrou sa môžu zúčastniť rôznych reakcií, ktoré sa líšia od štandardných, napríklad pri oxidácii α-ketoglutarátu počas Krebsovho cyklu dochádza k oxidácii aj kyseliny α-keto, ktorá vznikla katabolickým využitím rozvetvených aminokyselín: valín, leucín a izoleucín.
Komplex pyruvátdehydrogenázy má enzým E3, ktorý sa nachádza aj v iných komplexoch. Podobnosť proteínovej štruktúry, kofaktorov a tiež reakčných mechanizmov poukazuje na spoločný pôvod. Lipoát sa naviaže na lyzín E2 a vytvorí sa akási „ruka“, ktorá sa dokáže presunúť z aktívneho centra E1 do aktívne strediská E 2 aE3, čo je približne 5 nm.
Eukaryoty v komplexe pyruvátdehydrogenázy obsahujú dvanásť podjednotiek E3BP (E3 – väzbový proteín nekatalytickej povahy). Presné umiestnenie tohto proteínu nie je známe. Existuje hypotéza, že tento proteín nahrádza určitú podskupinu subed. E2 v kravskom PDH.
Komunikácia s mikroorganizmami
Uvažovaný komplex je vlastný niektorým typom anaeróbnych baktérií. Počet bakteriálnych organizmov, ktoré majú vo svojej štruktúre PDH, je však malý. Funkcie vykonávané komplexom v baktériách sa spravidla redukujú na všeobecné procesy. Napríklad úlohou komplexu pyruvátdehydrogenázy v baktérii Zymonomonas mobilis je alkoholová fermentácia. Na takéto účely sa využijú pyruvátové baktérie v množstve až 98 %. Zvyšných pár percent sa oxiduje na oxid uhličitý, nikotínamid adenín dinukleotid, acetyl-CoA atď. Zaujímavá je štruktúra komplexu pyruvátdehydrogenázy v Zymomonas mobilis. Tento mikroorganizmus má štyri enzýmy: E1alfa, E1beta, E2 a E 3. PDH tejto baktérie obsahuje lipoylovú doménu v E1beta, vďaka čomu je jedinečná. Jadrom komplexu je E2 a samotná organizácia komplexu má podobu päťuholníkového dvanástnika. Zymomonas mobilis nemá celý rad enzýmov cyklu trikarboxylových kyselín, a preto sa jeho PDH podieľa iba na anabolických funkciách.
PDH u muža
Človek, rovnako ako iné živé organizmy,má gény kódujúce PDH. Gén E1alfa – PDHA 1 je lokalizovaný na chromozóme X. kvôli nedostatku PDH. Príznaky ochorenia sa môžu značne líšiť od miernych problémov s laktátovou acidózou až po smrteľné malformácie vo vývoji tela. Muži, ktorých chromozóm X obsahuje podobnú alelu, čoskoro zomrú vo veľmi mladom veku. Toto ochorenie postihuje aj ženy, ale v menšej miere, pričom samotným problémom je inaktivácia ktoréhokoľvek chromozómu X.
Problémy s mutáciami
E1beta - PDHB - sa nachádza na treťom chromozóme. Pre tento gén sú známe iba dve alely mutantného typu, ktoré, keďže sú v homozygotnej polohe, vedú k letálnemu výsledku počas celého roka, čo je spojené s malformáciami.
Pravdepodobne existujú ďalšie podobné alely, ktoré môžu spôsobiť smrť ešte pred úplným vývojom organizmu. E2 - DLAT - sústredené na jedenásty chromozóm. Ľudstvo vie o dvoch alelách tohto génu, ktoré v budúcnosti spôsobia problémy, ale správna strava to môže kompenzovať. Existuje vysoká šanca, že plod zomrie v maternici v dôsledku iných mutácií v tomto géne. E3 - dld - sa nachádza na siedmom chromozóme a obsahuje veľké množstvo alel. Dosťveľké percento z nich vedie k výskytu chorôb genetickej povahy, ktoré budú spojené s porušením metabolizmu aminokyselín.
Záver
Uvažovali sme o tom, aký dôležitý je komplex pyruvátdehydrogenázy pre živé organizmy. Reakcie, ktoré sa v ňom vyskytujú, sú primárne zamerané na dekarboxyláciu pyruvátu oxidáciou a samotná PDH je vysoko špecializovaná, ale za iných podmienok môže z určitých dôvodov vykonávať aj funkcie inej povahy, napríklad sa podieľať na fermentácii. Zistili sme tiež, že komplexy proteínového typu, ktoré sa podieľajú na oxidácii pyruvátu, pozostávajú z piatich enzýmov, ktoré zostávajú funkčné iba v prítomnosti piatich kofaktorov. Akékoľvek zmeny v algoritme komplexného mechanizmu dekarboxylácie môžu spôsobiť vážne patológie a dokonca viesť k smrti jedinca.
