У цій статті ми постараємося доступно пояснити, що являє собою пируватдегидрогеназний комплекс і біохімію процесу, розкрити складу ферментів і коферментів, визначити роль і значення даного комплексу у природі та житті людини. Крім того, будуть розглянуті можливі наслідки порушення функціонального призначення комплексу і час їх прояву.

Ознайомлення з поняттям

Пируватдегидрогеназний комплекс (PDH) – це комплекс білкового типу, роль якого полягає у здійсненні окислення пірувату внаслідок декарбоксилювання. Даний комплекс містить у собі 3 ферменту, а також два білка, необхідних для здійснення допоміжних функцій. Щоб пируватдегидрогеназний комплекс міг функціонувати, необхідно наявність визначених кофакторів. Їх п'ять: СоА, никотинамидадениндинуклеотид, флавинадениндинуклеотид, тиаминпирофосфат і липоат.


Локалізація PDH у бактеріальних організмів зосереджена в цитоплазмі, эукариотические клітини зберігають його в матриксі на мітохондріях.

Зв'язок з декарбоксилированием пірувату

Значення пируватдегидрогеназного комплексу полягає в реакції окиснення пірувату. Розглянемо суть цього процесу. Механізм окислення пірувату під впливом декарбоксилювання являє собою процес біохімічної природи, в якому відбувається відщеплення молекули CO 2 в однині, а далі слід приєднання цієї молекули до пирувату, подвергнутому декарбоксилюванню і належить коферменту А (КоА). Так створюється ацетил-KoA. Це явище займає проміжне місце між процесами гліколізу і циклу кислот трикарбонового типу. Процес дикарбоксилирования пірувату здійснюється з участю складного ГДК, який містить в собі, як було раніше сказано, три ферменту і два білка допоміжного типу.

Роль коферментів

Для пируватдегидрогеназного комплексу ферменти відіграють найважливішу роль. Однак вони можуть розпочати свою роботу лише у присутності п'яти коферментів або груп простетического типу, які були перераховані вище. Сам процес призведе в кінцевому підсумку до того, що ацильная група буде входити в СоА-ацетил. Говорячи про коферментах, необхідно знати, що чотири з них належать до похідних вітамінів: тіамін, рибофлавін, нікотинова і пантотенова кислота. Флавинадениндинуклеотид і никотинамидадениндинуклеотид займаються перенесенням електронів, а тиаминпирофосфат, відомий багатьом як пируватдекарбоксильний кофермент, вступає в реакції бродіння.

Активація тіольної групи

Кофермент ацетилювання (А) – містить у собі групу тиольного типу (-SH), яка дуже активна, вона критично важлива і необхідна, для того щоб СоА функціонувала в ролі речовини, яка зможе переносити ацильную групу в тиольную і утворювати тиоэфир. Складні ефіри тіолів (тиоэфири) – мають досить високий показник гідролізної енергії вільного характеру, тому їм притаманний високий потенціал перенесення ацильной групи до різноманітних акцепторним молекулам. Саме тому ацетил СоА періодично називають активованої СН 3 СООН.

Перенесення електронів

Крім чотирьох кофакторів, що мають природу похідних вітамінів, існує 5-й кофактор пируватдегидрогеназного комплексу, іменований липоатом. Йому притаманні 2 групи тиольного типу, здатні піддаватися впливу оборотного окислення, в результаті якого утворюється зв'язок дисульфидного характеру (-S-S-), що схоже з тим, як цей процес протікає між аминокислотицистеинними залишками в білках. Вміння окислюватися і відновлюватися дає липоату можливість бути переносником не тільки ацильной групи, але і електронів.

Ферментативний набір

З ферментів пируватдегидрогеназний комплекс включає в себе три основних компоненти. Першим ферментом є пируватдегидрозеназа (Е 1 ). Другий фермент – це дигидролипоилдегидрогеназа (Е 3 ). Третій – дигидролипоилтрансацетилаза (Е 2 ). Пируватдегидрогеназний комплекс включає в себе дані ферменти, зберігаючи їх у великій кількості копій. Кількість копій кожного ферменту може бути різним, а тому і розміри комплексу можуть сильно варіюватися. PDH комплекс у ссавців досягає близько 50 нанометрів в діаметрі. Це більше діаметра рибосоми в 5-6 разів. Такі комплекси дуже великі, тому їх можна розрізнити в електронному мікроскопі. Грампозитивна бактерія bacillus stearothermophilus у своєму PDH має шістдесят однакових копій дигидролипоилтрансацетилази, які, в свою чергу, створюють додекаедр пентагонального типу, діаметром, приблизно рівним 25 нанометрам. Грампозитивна бактерія Escherichia coli містить в собі двадцять чотири копії Е 2 , кіт. приєднує до себе простетическую групу липоата, а вона встановлює зв'язок амідного типу з аміногрупою залишку лізину, що входить в Е 2 . Дигидролипоилтрансацетилаза будується при взаємодії 3 доменів, які мають функціональні відмінності. Це: аминотерминальний липоильний домен, що містить в собі залишок лізину і пов'язаний з липоатом; зв'язувальний домен (центральний Е 1 - і Е 3 - ); внутрішній ацилтрасферазний домен, що включає в себе ацилтрансферазние центри активного типу.
Пируватдегидрогеназний комплекс дріжджів має в собі тільки один домен липоильного типу, ссавці таких доменів мають два, а бактерія кишкової палички – три. Линкерная послідовність амінокислот, які складаються з двадцяти-тридцяти амінокислотних залишків, поділяє Е 2 при цьому залишки аланинов і пролинов перемежовуються з залишками амінокислот, які заряджені. Ці линкери найчастіше мають протяжні форми. Така особливість впливає на те, що вони розділяють 3 домену.

Взаємозв'язок походження

Е 1 своїм активним центром встановлює зв'язок з ТТР, а активний центр E 3 – з FAD. Людський організм фермент Е 1 містить у формі тетрамера, який складається з чотирьох субодиниць: двох E 1 альфа і двох E 1 бета. Регуляторні білки представлені у вигляді протеїнкінази і фосфопротеинфосфатази. Цей тип структури (Е 1 - Е 2 - Е 3 залишається елементом консерватизму в еволюційному вченні. Комплекси з подібним будовою і пристроєм можуть брати участь в різноманітних реакція, відмінних від стандартних, наприклад, при подвергании окислення ?-кетоглутарату на протязі дії циклу Кребса, також окислюється і ?-кетокислота, що утворилася за катаболічних утилизаций амінокислот розгалуженого типу: валіну, лейцину та ізолейцину. Пируватдегидрогеназний комплекс має фермент E 3 , зустрічається і в інших комплексах. Схожість білкової структури, кофакторів і також реакційних механізмів вказує на спільне походження. Липоат прикріплюється до лизину E 2 і створюється враження «руки», що здатна пересуватися від активного центру Е 1 до активних центрів Е 2 і Е 3 , що становить приблизно 5 нм. Еукаріоти в пируватдегидрогеназном комплексі містять по дванадцять субодиниць Е3ВР (Е 3 – зв'язуючого білка некаталітичній природи). Місце розташування цього білка точно не відомо. Є гіпотеза про те, що цей протеїн замінює деяка підмножина субъед. E 2 у коров'ячому PDH.

Зв'язок з мікроорганізмами

Розглянутий комплекс властивий деяким видам бактерій анаеробного типу. Однак кількість бактеріальних організмів, що мають у своїй будові PDH, невелика. Функції, що виконуються комплексом у бактерій, як правило, зводяться до загальних процесів. Наприклад, роль пируватдегидрогеназного комплексу у бактерії Zymonomonas mobilis полягає в бродінні спиртового характеру. Піруват бактерії в розмірі до 98% витратиться саме на такі цілі. Решта кілька відсотків зазнають окислення до вуглекислого газу, нікотинамідаденіндинуклеотиду, ацетил-СоА і т. д. Цікаво будова пируватдегидрогеназного комплексу у Зимомонас мобіліс. У даного мікроорганізму в нього входить чотири ферменту: E 1 альфа, Е 1 бета, Е 2 і Е 3 . У PDH цієї бактерії знаходиться липоильний домен всередині Е 1 бета, що робить її унікальною. Кор комплексу представляється Е 2 , а організація самого комплексу приймає вигляд додекаедр пентагонального типу. Зимомонас мобіліс не має цілі ряди ферментів циклу трикарбонових кислот, а тому її PDH займається тільки анаболічними функціями.

PDH в людині

Людина, як і інші живі організми, має гени, що займаються кодуванням PDH. В Х-хромосомі ген локалізується E 1 альфа – PDHA 1. Механізм дії пируватдегидрогеназного комплексу надзвичайно важливий, що випливає з того, що існує більше тридцяти алелей мутантного типу у вищевказаного гена, і кожна з мутацій призводить до PDH-недостатності. Симптоматика захворювання може сильно варіюватися від лактатацидозових проблем слабовираженного характеру до летальних вад у розвитку організму. Чоловіків, у яких Х-хромосома містить подібну алель, чекає швидка загибель у зовсім юному віці. Жіночі особини теж піддаються цьому захворюванню, але в меншій мірі, а сама проблема полягає в інактивації який-небудь Х-хромосоми.

Проблематика мутацій

Е 1 бета – PDHB – розташовується на третій хромосомі. Відомі лише дві алелі мутантного типу у даного гена, які, перебуваючи у гомозиготному стані, призводять до летального результату протягом року, що пов'язано з вадами розвитку. Ймовірно, є й інші подібні алелі, які можуть викликати смерть до повноцінного розвитку організму. Е 2 – DLAT – зосереджений на одинадцятій хромосомі. Людству відомо про два алелі даного гена, які створять проблеми в майбутньому, однак правильна дієта може це компенсувати. Існує велика ймовірність того, що плід загине всередині утроби з-за інших мутацій цього гена. E 3 – dld – розташовується на сьомій хромосомі і включає в себе велику кількість алелів. Досить великий їх відсоток призводить до виникнення хвороб генетичного характеру, які будуть пов'язані з порушенням амінокислотного обміну.

Висновок

Ми розглянули, наскільки важливий для живих організмів пируватдегидрогеназний комплекс. Реакції, в ньому відбуваються, спрямовані, в першу чергу, на декарбоксилювання пірувату шляхом окислення, а сам PDH вузько, але в різних умовах, при наявності певних причин може виконувати і функції іншого характеру, наприклад, брати участь у бродінні. Також ми з'ясували, що комплекси білкового типу, які займаються пируватним окисленням, складаються з п'яти ферментів, які зберігають працездатність лише при наявності п'яти кофакторів. Будь-які зміни в алгоритмі складного механізму декарбоксилювання можуть викликати серйозні патології і навіть призвести до смерті індивіда.