В тази статия ще се опитаме да обясним по достъпен начин какво представлява пируватдехидрогеназният комплекс и биохимията на процеса, да разкрием състава на ензимите и коензимите, да посочим ролята и значението на този комплекс в природата и човешки живот. Освен това ще бъдат взети предвид възможни последици от нарушаване на функционалното предназначение на комплекса и времето на тяхното проявление.
Въведение в концепцията
Pyruvate dehydrogenase complex (PDH) е комплекс от протеинов тип, чиято роля е да извършва окисляването на пирувата в резултат на декарбоксилиране. Този комплекс съдържа 3 ензима, както и два протеина, необходими за осъществяване на спомагателни функции. За да функционира пируватдехидрогеназният комплекс, трябва да присъстват определени кофактори. Има пет от тях: CoA, никотинамид аденин динуклеотид, флавин аденин динуклеотид, тиамин пирофосфат и липоат.
Локализацията на PDH в бактериалните организми е концентрирана в цитоплазмата, еукариотните клетки го съхраняватв матрицата на митохондриите.
Свързан с декарбоксилиране на пируват
Значението на комплекса пируват дехидрогеназа се крие в окислителната реакция на пирувата. Помислете за същността на този процес.
Механизмът на окисление на пируват под въздействието на декарбоксилирането е процес от биохимичен характер, при който настъпва разцепването на молекулата CO2 в единствено число и след това това молекула се добавя към пируват, подложен на декарбоксилиране и принадлежащ към коензим А (CoA). Така се създава ацетил-КоА. Това явление заема междинно място между процесите на гликолиза и цикъла на трикарбоксилната киселина. Процесът на пируват дикарбоксилиране се осъществява с участието на комплекс MPC, който, както беше споменато по-горе, включва три ензима и два спомагателни протеина.
Ролята на коензимите
За комплекса пируват дехидрогеназа ензимите играят решаваща роля. Въпреки това, те могат да започнат своята работа само в присъствието на пет коензима или групи от протетичен тип, които бяха изброени по-горе. Самият процес в крайна сметка ще доведе до факта, че ацилната група ще бъде включена в CoA-ацетил. Говорейки за коензимите, трябва да знаете, че четири от тях принадлежат към витаминни производни: тиамин, рибофлавин, ниацин и пантотенова киселина.
Флавина аденин динуклеотид и никотинамид аденин динуклеотид участват в преноса на електрони, а тиамин пирофосфатът, известен на мнозина катопируват декарбоксилов коензим, влиза в реакции на ферментация.
Активиране на тиоловата група
Ацетилиращ коензим (A) - съдържа група от тиолов тип (-SH), която е много активна, важно е и необходимо CoA да функционира като вещество, което може да прехвърли ацилната група към тиола и да образува тиоетер. Естерите на тиоли (тиоетери) имат доста висока скорост на хидролизна енергия със свободен характер, следователно те имат висок потенциал за прехвърляне на ацилова група към различни акцепторни молекули. Ето защо ацетил CoA периодично се нарича активиран CH3COOH.
Електронен трансфер
В допълнение към четирите кофактора, които са производни на витамини, има 5-ти кофактор на комплекса пируват дехидрогеназа, наречен липоат. Той има 2 групи от тиолов тип, които могат да бъдат подложени на обратимо окисление, което води до образуването на дисулфидна връзка (-S-S-), което е подобно на това как протича този процес между аминокиселини и цистеинови остатъци в протеините. Способността да се окислява и възстановява дава на липоата способността да бъде носител не само на ацилната група, но и на електрони.
Ензимен комплект
От ензимите, пируватдехидрогеназният комплекс включва три основни компонента. Първият ензим е пируват дехидрозеназа (E1). Вторият ензим едихидролипоил дехидрогеназа (E3). Третата е дихидролипоилтрансацетилаза (E2). Пируватдехидрогеназният комплекс включва тези ензими, съхранявайки ги в голям брой копия. Броят на копията на всеки ензим може да бъде различен и следователно размерът на комплекса може да варира значително. PDH комплексът при бозайници е около 50 нанометра в диаметър. Това е 5-6 пъти по-голямо от диаметъра на рибозомата. Такива комплекси са много големи, така че могат да бъдат разграничени в електронен микроскоп.
Грам-положителната бактерия bacillus stearothermophilus има шестдесет идентични копия на дихидролипоил трансацетилаза в своя PDH, които от своя страна създават додекаедър от петоъгълен тип с приблизително 25 нанометра в диаметър. Грам-положителната бактерия Escherichia coli съдържа двадесет и четири копия на E2, кат. свързва протетичната група на липоата към себе си и установява връзка от амиден тип с аминогрупата на лизиновия остатък, включен в E2.
Дихдролипоилтрансацетилазата е изградена от взаимодействието на 3 домена, които имат функционални разлики. Това са: аминотерминален липоилов домен, съдържащ лизинов остатък и свързан с липоат; обвързващ домейн (централен E1- и E3-); вътрешен ацилтрансферазен домейн, който включва активен тип ацилтрансферазни центрове.
Дрожевият пируват дехидрогеназен комплекс има само един домен от липоилов тип, бозайниците имат два такива домена, а бактерията Escherichia coli има три. Линкерната последователност от аминокиселини, които саот двадесет до тридесет аминокиселинни остатъци, споделя E2, докато остатъците от аланин и пролин са разпръснати с аминокиселинни остатъци, които са заредени. Тези свързващи елементи най-често имат удължени форми. Тази функция засяга факта, че те споделят 3 домейна.
Връзка на произход
E1 установява връзка с TTP с неговия активен център, а активният център E3 установява връзка с FAD. Човешкото тяло съдържа ензима E1 под формата на тетрамер, който се състои от четири субединици: две E1alpha и две E 1 бета. Регулаторните протеини са представени под формата на протеин киназа и фосфопротеин фосфатаза. Този тип структура (E1- E2- E 3) остава елемент на консерватизъм в еволюционното учение. Комплекси с подобна структура и структура могат да участват в различни реакции, които се различават от стандартните, например, когато α-кетоглутаратът се окислява по време на цикъла на Кребс, α-кето киселината също се окислява, която се образува поради катаболно използване от аминокиселини от разклонен тип: валин, левцин и изолевцин.
Пируватдехидрогеназният комплекс съдържа ензима E3, който се среща и в други комплекси. Сходството на структурата на протеина, кофакторите, както и механизмите на реакцията сочат към общ произход. Липоатът е прикрепен към лизина E2 и се създава един вид „ръка”, която може да се движи от активния център E1 към активни центрове E 2 иE3, което е приблизително 5 nm.
Еукариотите в комплекса пируват дехидрогеназа съдържат дванадесет субединици на E3BP (E3 – свързващ протеин от некаталитичен характер). Точното местоположение на този протеин не е известно. Има хипотеза, че този протеин замества някаква подгрупа от subbed. E2 в крава PDH.
Комуникация с микроорганизми
Разглежданият комплекс е присъщ на някои видове анаеробни бактерии. Въпреки това, броят на бактериалните организми, които имат PDH в структурата си, е малък. Функциите, изпълнявани от комплекса в бактериите, като правило, се свеждат до общи процеси. Например, ролята на комплекса пируват дехидрогеназа в бактерията Zymonomonas mobilis е алкохолната ферментация. За тези цели ще бъдат използвани пируватни бактерии в количество до 98%. Останалите няколко процента се окисляват до въглероден диоксид, никотинамид аденин динуклеотид, ацетил-КоА и др. Интересна е структурата на пируватдехидрогеназния комплекс в Zymomonas mobilis. Този микроорганизъм има четири ензима: E1alpha, E1beta, E2 и E 3. PDH на тази бактерия съдържа липоилов домен в E1beta, което я прави уникален. Ядрото на комплекса е E2, а самата организация на комплекса е под формата на петоъгълен додекаедър. Zymomonas mobilis няма цяла серия от ензими от цикъла на трикарбоксилната киселина и следователно неговият PDH участва само в анаболни функции.
PDH в човек
Човек, като другите живи организми,има гени, кодиращи PDH. Генът E1alpha – PDHA 1 е локализиран в X хромозомата до дефицит на PDH. Симптомите на заболяването могат да варират значително от леки проблеми с лактатна ацидоза до смъртоносни малформации в развитието на тялото. Мъжете, чиято Х хромозома включва подобен алел, скоро ще умрат в много млада възраст. Жените също са засегнати от това заболяване, но в по-малка степен, а самият проблем е инактивирането на всяка X хромозома.
Проблеми с мутации
E1beta - PDHB - се намира на третата хромозома. За този ген са известни само два алела от мутантния тип, които, като са в хомозиготна позиция, водят до летален изход през цялата година, който е свързан с малформации.
Вероятно има други подобни алели, които могат да причинят смърт преди пълното развитие на организма. E2 - DLAT - концентриран върху единадесетата хромозома. Човечеството знае за два алела на този ген, които ще създадат проблеми в бъдеще, но правилната диета може да компенсира това. Има голям шанс плодът да умре в утробата поради други мутации в този ген. E3 - dld - се намира на седмата хромозома и включва голям брой алели. Достатъчноголям процент от тях води до възникване на заболявания от генетично естество, които ще бъдат свързани с нарушение на метаболизма на аминокиселините.
Заключение
Обмислихме колко важен е комплексът пируват дехидрогеназа за живите организми. Реакциите, протичащи в него, са основно насочени към декарбоксилиране на пируват чрез окисление, а самият PDH е високоспециализиран, но при различни условия, с определени причини, той може да изпълнява и функции от различно естество, например да участва във ферментацията. Ние също така открихме, че комплексите от протеинов тип, които участват в окисляването на пируват, се състоят от пет ензима, които остават функционални само в присъствието на пет кофактора. Всякакви промени в алгоритъма на сложния механизъм на декарбоксилиране могат да причинят сериозни патологии и дори да доведат до смърт на индивида.
