W tym artykule postaramy się w przystępny sposób wyjaśnić czym jest kompleks dehydrogenazy pirogronianowej i biochemią procesu, ujawnić skład enzymów i koenzymów, wskazać rolę i znaczenie tego kompleksu w przyrodzie i ludzkie życie. Ponadto rozważone zostaną ewentualne konsekwencje naruszenia funkcjonalnego celu kompleksu oraz czas ich wystąpienia.
Wprowadzenie do koncepcji
Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDH) to kompleks typu białkowego, którego rolą jest przeprowadzenie utleniania pirogronianu w wyniku dekarboksylacji. Kompleks ten zawiera 3 enzymy, a także dwa białka niezbędne do realizacji funkcji pomocniczych. Aby kompleks dehydrogenazy pirogronianowej działał, muszą być obecne pewne kofaktory. Jest ich pięć: CoA, dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, dinukleotyd flawinoadeninowy, pirofosforan tiaminy i liponian.
Lokalizacja PDH w organizmach bakteryjnych jest skoncentrowana w cytoplazmie, a komórki eukariotyczne ją przechowująw macierzy na mitochondriach.
Związany z dekarboksylacją pirogronianu
Znaczenie kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej polega na reakcji utleniania pirogronianu. Rozważ istotę tego procesu.
Mechanizm utleniania pirogronianu pod wpływem dekarboksylacji jest procesem o charakterze biochemicznym, w którym następuje rozszczepienie cząsteczki CO2 w liczbie pojedynczej, a następnie cząsteczka jest dodawana do pirogronianu, poddawana dekarboksylacji i należąca do koenzymu A (CoA). Tak powstaje acetylo-KoA. Zjawisko to zajmuje miejsce pośrednie między procesami glikolizy a cyklem kwasów trójkarboksylowych. Proces dikarboksylacji pirogronianu odbywa się przy udziale złożonego MPC, w skład którego jak wspomniano wcześniej wchodzą trzy enzymy i dwa białka pomocnicze.
Rola koenzymów
W przypadku kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej enzymy odgrywają kluczową rolę. Jednak mogą rozpocząć swoją pracę tylko w obecności pięciu koenzymów lub grup typu protetycznego, które zostały wymienione powyżej. Sam proces ostatecznie doprowadzi do tego, że grupa acylowa zostanie włączona do CoA-acetylu. Mówiąc o koenzymach, trzeba wiedzieć, że cztery z nich należą do pochodnych witamin: tiamina, ryboflawina, niacyna i kwas pantotenowy.
Dinukleotyd flawinadeninowy i dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy biorą udział w przenoszeniu elektronów, a pirofosforan tiaminy, znany wielu jakokoenzym dekarboksylowy pirogronianu, wchodzi w reakcje fermentacyjne.
Aktywacja grupy tiolowej
Koenzym acetylacji (A) - zawiera grupę typu tiolowego (-SH), która jest bardzo aktywna, aby CoA funkcjonował jako substancja, która może przenosić grupę acylową do tiolu i tworzyć tioeter. Estry tioli (tioetery) mają dość wysoki współczynnik energii hydrolizy o charakterze swobodnym, dlatego mają duży potencjał przenoszenia grupy acylowej na różne cząsteczki akceptorowe. Dlatego acetylo-CoA jest okresowo nazywany aktywowanym CH3COOH.
Transfer elektronów
Oprócz czterech kofaktorów, które są pochodnymi witamin, istnieje piąty kofaktor kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, zwany liponianem. Posiada 2 grupy typu tiolowego, które mogą ulegać odwracalnemu utlenianiu, co skutkuje powstaniem wiązania dwusiarczkowego (-S-S-), które jest podobne do tego, jak ten proces przebiega między aminokwasami a resztami cysteiny w białkach. Zdolność do utleniania i regeneracji nadaje lipoinianowi zdolność bycia nośnikiem nie tylko grupy acylowej, ale także elektronów.
Zestaw enzymatyczny
Spośród enzymów kompleks dehydrogenazy pirogronianowej obejmuje trzy główne składniki. Pierwszym enzymem jest dehydrosenaza pirogronianowa (E1). Drugi enzym todehydrogenaza dihydrolipoilowa (E3). Trzecia to dihydrolipoilotransacetylaza (E2). Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej zawiera te enzymy, przechowując je w dużej liczbie kopii. Liczba kopii każdego enzymu może być różna, a zatem wielkość kompleksu może się znacznie różnić. Kompleks PDH u ssaków ma średnicę około 50 nanometrów. Jest to 5-6 razy większa niż średnica rybosomu. Takie kompleksy są bardzo duże, więc można je rozróżnić pod mikroskopem elektronowym.
Gram-dodatnia bakteria Bacillus stearothermophilus ma sześćdziesiąt identycznych kopii transacetylazy dihydrolipoilowej w swoim PDH, co z kolei tworzy dwunastościan typu pięciokątnego o średnicy około 25 nanometrów. Gram-dodatnia bakteria Escherichia coli zawiera dwadzieścia cztery kopie E2, cat. przyłącza do siebie grupę protetyczną lipoinianu i tworzy wiązanie typu amidowego z grupą aminową reszty lizyny zawartej w E2.
Dihydrolipoilotransacetylaza jest zbudowana przez interakcję 3 domen, które mają różnice funkcjonalne. Są to: aminokońcowa domena lipoilowa zawierająca resztę lizyny i powiązana z lipoinianem; domena wiążąca (centralna E1- i E3-); wewnętrzna domena acylotransferazy, która obejmuje centra acylotransferazy typu aktywnego.
Kompleks drożdżowej dehydrogenazy pirogronianowej ma tylko jedną domenę typu lipoilowego, ssaki mają dwie takie domeny, a bakteria Escherichia coli trzy. Sekwencja łącznika aminokwasów, które sąz dwudziestu do trzydziestu reszt aminokwasowych, dzieli E2, podczas gdy reszty alaniny i proliny są przeplatane resztami aminokwasów, które są naładowane. Te łączniki najczęściej mają rozszerzone kształty. Ta funkcja wpływa na to, że dzielą one 3 domeny.
Związek pochodzenia
E1 ustanawia połączenie z TTP z jego aktywnym centrum, a aktywne centrum E3 ustanawia połączenie z FAD. Organizm ludzki zawiera enzym E1 w postaci tetrameru, który składa się z czterech podjednostek: dwóch E1alfa i dwóch E 1 beta. Białka regulatorowe prezentowane są w postaci kinazy białkowej i fosfatazy fosfoproteinowej. Ten typ struktury (E1- E2- E 3) pozostaje elementem konserwatyzmu w nauczaniu ewolucyjnym. Kompleksy o podobnej budowie i budowie mogą brać udział w różnych reakcjach, różniących się od standardowych, np. gdy α-ketoglutaran utlenia się podczas cyklu Krebsa, utlenia się również α-ketokwas, który powstał w wyniku katabolicznego wykorzystania aminokwasów rozgałęzionych: waliny, leucyny i izoleucyny.
Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej zawiera enzym E3, który występuje również w innych kompleksach. Podobieństwo budowy białek, kofaktorów, a także mechanizmów reakcji wskazuje na wspólne pochodzenie. Lipoinian zostaje przyłączony do lizyny E2 i powstaje rodzaj „ręki”, która jest w stanie poruszać się z aktywnego centrum E1 do aktywne centra E 2 iE3, czyli około 5 nm.
Eukariota w kompleksie dehydrogenazy pirogronianowej zawierają dwanaście podjednostek E3BP (E3 – białko wiążące o charakterze niekatalitycznym). Dokładna lokalizacja tego białka nie jest znana. Istnieje hipoteza, że to białko zastępuje pewien podzbiór subed. E2 u krowy PDH.
Komunikacja z mikroorganizmami
Rozważany kompleks jest nieodłącznym elementem niektórych rodzajów bakterii beztlenowych. Jednak liczba organizmów bakteryjnych, które mają w swojej strukturze PDH, jest niewielka. Funkcje pełnione przez kompleks w bakteriach z reguły sprowadzają się do ogólnych procesów. Na przykład rolą kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej w bakterii Zymonomonas mobilis jest fermentacja alkoholowa. Do takich celów zostaną wykorzystane bakterie pirogronianowe w ilości do 98%. Pozostałe kilka procent ulega utlenieniu do dwutlenku węgla, dinukleotydu nikotynamidoadeninowego, acetylo-CoA itp. Interesująca jest struktura kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej w Zymomonas mobilis. Ten mikroorganizm ma cztery enzymy: E1alfa, E1beta, E2 i E 3. PDH tej bakterii zawiera domenę lipoilową w obrębie E1beta, co czyni ją wyjątkową. Rdzeniem kompleksu jest E2, a sama organizacja kompleksu ma formę pięciokątnego dwunastościanu. Zymomonas mobilis nie posiada całej serii enzymów cyklu kwasów trikarboksylowych, dlatego jego PDH jest zaangażowane jedynie w funkcje anaboliczne.
PDH w człowieku
Człowiek, podobnie jak inne żywe organizmy,posiada geny kodujące PDH. Gen E1alpha – PDHA 1 jest zlokalizowany na chromosomie X. z powodu niedoboru PDH. Objawy choroby mogą się znacznie różnić, od łagodnej kwasicy mleczanowej po śmiertelne wady rozwojowe organizmu. Mężczyźni, których chromosom X zawiera podobny allel, wkrótce umrą w bardzo młodym wieku. Choroba ta dotyczy również kobiet, ale w mniejszym stopniu, a problemem jest inaktywacja dowolnego chromosomu X.
Problemy mutacji
E1beta – PDHB – znajduje się na trzecim chromosomie. Tylko dwa allele typu zmutowanego są znane dla tego genu, który będąc w pozycji homozygotycznej, prowadzi do śmierci przez cały rok, co jest związane z wadami rozwojowymi.
Prawdopodobnie istnieją inne podobne allele, które mogą spowodować śmierć przed pełnym rozwojem organizmu. E2 - DLAT - skoncentrowany na jedenastym chromosomie. Ludzkość wie o dwóch allelach tego genu, które będą stwarzać problemy w przyszłości, ale odpowiednia dieta może to zrekompensować. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że płód umrze w macicy z powodu innych mutacji w tym genie. E3 - dld - znajduje się na siódmym chromosomie i zawiera dużą liczbę alleli. Dośćduży odsetek z nich prowadzi do wystąpienia chorób o charakterze genetycznym, co będzie wiązało się z naruszeniem metabolizmu aminokwasów.
Wniosek
Zastanawialiśmy się, jak ważny jest kompleks dehydrogenazy pirogronianowej dla żywych organizmów. Zachodzące w nim reakcje mają na celu przede wszystkim dekarboksylację pirogronianu przez utlenianie, a sam PDH jest wysoce wyspecjalizowany, ale w innych warunkach, z pewnych względów może też pełnić funkcje o innym charakterze, np. uczestniczyć w fermentacji. Odkryliśmy również, że kompleksy typu białkowego zaangażowane w utlenianie pirogronianu składają się z pięciu enzymów, które pozostają funkcjonalne tylko w obecności pięciu kofaktorów. Wszelkie zmiany w algorytmie złożonego mechanizmu dekarboksylacji mogą powodować poważne patologie, a nawet prowadzić do śmierci jednostki.
