Пируватдегидрогеназный комплекс

–Пируватдегидрогена́зный ко́мплекс, ПДК (англ. Pyruvate dehydrogenase complex, PDH, PDC) — белковый комплекс, осуществляющий окислительное декарбоксилирование пирувата. Он включает в себя три фермента и два вспомогательных белка, а для его функционирования необходимы пять кофакторов (СоА, NAD⁺, тиаминпирофосфат (ТРР), FAD и липоевая кислота (липоат)). PDH локализован у бактерий в цитозоле, а у эукариот — в митохондриальном матриксе. Суммарное уравнение катализируемой реакции таково:

Детально механизм этого процесса, а также его регуляция обсуждаются в статье Окислительное декарбоксилирование пирувата. Ниже рассмотрены особенности собственно ферментного комплекса.

Коферменты

Некоторые коферменты PDH

Тиаминпирофосфат (ТРР)

Липоевая кислота (липоат)

Кофермент А

Комбинированное дегидрирование и декарбоксилирование пирувата до ацильной группы, которая в дальнейшем войдёт в ацетил-СоА, осуществляется тремя различными ферментами, для функционирования которых необходимы пять различных коферментов или простетических групп: тиаминпирофосфат (ТРР), FAD, кофермент А (СоА), NAD и липоат. Четыре из них являются производными витаминов: тиамина, или витамина В₁ (ТРР), рибофлавина, или витамина В₂ (FAD), ниацина, или витамина РР (NAD), и пантотеновой кислоты, или витамин В₅ (СоА).

FAD и NAD являются переносчиками электронов, а ТРР известен также как кофермент пируватдекарбоксилазы, участвующей в брожении.

Кофермент А имеет активную тиольную группу (—SH), которая имеет критическое значение для функционирования СоА в качестве переносчика ацильной группы в ряде метаболических реакций. Ацильные группы при этом ковалентно связываются с тиольной группой, образуя тиоэфиры. Из-за их относительно высокой стандартной свободной энергии гидролиза тиоэфиры обладают высоким потенциалом для переноса ацильных групп к различным молекулам-акцепторам. Поэтому ацетил-СоА иногда также называют «активированной уксусной кислотой».

Пятый кофактор пируватдегидрогеназного комплекса, липоат, имеет две тиольные группы, которые могут подвергаться обратимому окислению с образованием дисульфидной связи (—S—S—), подобно тому, как это происходит между двумя остатками аминокислоты цистеина в белке. Из-за своей способности подвергаться окислению и восстановлению липоат может служить как в качестве переносчика электронов (или H⁺), так и ацильных групп.

Ферменты

Пируватдегидрогеназный комплекс (PDH)

Трёхмерная модель PDH

Схематическое изображение PDH с указанием ферментов (Е₁, Е₂, Е₃). Зелёным цветом выделена коровая часть, синим — липоильный домен Е₂, который продолжается вперёд до соприкосновения с активными центрами молекул Е₁ (жёлтый цвет). С кором также связано несколько субъединиц Е₃ (красный), и, раскачиваясь, «рука» Е₂ может достать до их активных центров

Пируватдегидрогеназный комплекс (PDH) включает 3 фермента: пируватдегидрогеназу (Е₁), дигидролипоилтрансацетилазу (Е₂) и дигидролипоилдегидрогеназу (Е₃). Каждый из этих ферментов присутствует в комплексе во множестве копий. Количество копий каждого фермента, а следовательно, и размер комплекса варьирует среди различных видов. Комплекс PDH млекопитающих достигает около 50 нм в диаметре, что более чем в 5 раз превышает диаметр целой рибосомы; эти комплексы достаточно велики, чтобы быть различимыми в электронный микроскоп. В PDH коровы и грамположительной бактерии Bacillus stearothermophilus входят 60 идентичных копий Е₂, которые формируют пентагональный додекаэдр (коровая часть комплекса) диаметром около 25 нм. В кубический кор PDH у грамотрицательной бактерии Escherichia coli входит 24 копии Е₂. К Е₂ присоединяется простетическая группа липоат, которая связывается амидной связью к ε-аминогруппе остатка лизина, входящего в состав Е₂. Е₂ состоит из трёх функционально различных доменов: аминотерминального липоильного домена, содержащего остаток лизина, связывающийся с липоатом; центрального Е₁- и Е₃-связывающего домена; внутреннего корового ацилтрансферазного домена, содержащего активные центры ацилтрансферазы. У дрожжей в PDH имеется единственный липоильный домен, у млекопитающих — два, а у E. coli — три. Домены Е₂ разделяются линкерными последовательностями аминокислот, состоящими из 20—30 аминокислотных остатков, причём в них остатки аланина и пролина перемежаются с заряженными аминокислотыми остатками. Такие линкеры обычно принимают протяжённую форму, тем самым отделяя друг от друга три домена.

С активным центром Е₁ связывается ТРР, а с активным центром Е₃ — FAD. У человека фермент Е₁ представляет собой тетрамер, состоящий из 4 субъединиц: двух Е₁α и двух Е₁β. Также в состав комплекса PDH входят два регуляторных белка — протеинкиназа и фосфопротеинфосфатаза. Такая основная структура из Е₁–Е₂–Е₃ оставалась консервативной в ходе эволюции. Комплексы такого устройства принимают участие и в других реакциях, например, окислении α-кетоглутарата в ходе цикла Кребса и окислении α-кетокислот, образующихся при катаболической утилизации разветвлённых аминокислот: валина, изолейцина, лейцина. У изученных видов Е₃ PDH идентичен Е₃ двух вышеупомянутых комплексов. Примечательное сходство структур белков, кофакторов и механизмов реакций, осуществляемых этими комплексами, свидетельствует об общности их происхождения. При прикреплении липоата к лизину Е₂ образуется длинная гибкая «рука», которая может перемещаться с активного центра Е₁ в активные центры Е₂ и Е₃, то есть на расстояния предположительно 5 нм и более.

Установлено, что у эукариот в состав пируватдегидрогеназного комплекса также входит 12 субъединиц некаталитического E₃-связывающего белка (E3BP). Точное его расположение неизвестно, однако криоэлектронная микроскопия показала, что он связывается с каждой из граней кора PDH дрожжей. Было высказано предположение, что этот белок заменил собой несколько субъединиц E₂ в PDH коровы.

Пируватдегидрогеназный комплекс имеется и у некоторых анаэробных бактерий, например, Zymonomonas mobilis. У этой бактерии до 98 % пирувата участвует в спиртовом брожении, и лишь малая его часть окисляется до ацетил-СоА, СО₂ и NADH. PDH Z. mobilis состоит из 4 ферментов: E1α массой 38,6 кДа, Е1β массой 49,8 кДа, Е2 массой 48 кДа и Е3 массой 50 кДа. Уникальной особенностью PDH этой бактерии является наличие в субъединице Е1β липоильного домена. Так же, как и у коровы, кор комплекса представлен субъединицей Е2, а сам комплекс организован в виде пентагонального додекаэдра. Гены, кодирующие субъединицы PDH этой бактерии, собраны в два различных кластера. Поскольку у Z. mobilis отсутствует ряд ферментов цикла трикарбоновых кислот, то PDH у этой бактерии выполняет исключительно анаболические функции.

Гены

У человека гены, кодирующие ферменты PDH, расположены следующим образом. Ген E₁α — PDHA1 — локализован на X-хромосоме. Известно более 30 мутантных аллелей этого гена, приводящих к развитию пируватдегидрогеназной недостаточности — заболеванию, симптомы которого могут варьировать от слабовыраженного лактатацидоза до серьёзных пороков развития. Накопление лактата в этом случае происходит из-за того, что PDH не может превращать пируват в ацетил-СоА, и из-за накопления пирувата лактат не может в него превращаться. Мужчины, чья Х-хромосома несёт мутантную аллель, обычно погибают в раннем возрасте, однако женщины тоже в некоторой степени подвержены этому заболеванию из-за инактивации одной из Х-хромосом. В клетках семенников имеется особая копия E₁α — PDHA2, этот ген локализован на хромосоме 4.

Ген E₁β — PDHB — расположен на хромосоме 3. Известно только 2 мутантные аллели этого гена, в гомозиготном состоянии приводящие к смерти в течение первого года жизни из-за пороков развития. Возможно, существуют и другие мутантные аллели, приводящие к смерти ещё до рождения. Ген E₂ — DLAT (от англ. dihydrolipoamide s-acetyltransferase) — локализован на 11-й хромосоме. Известны две аллели этого гена, в гомозиготе приводящие к проблемам, компенсируемым правильной диетой; вполне вероятно, что другие мутантные аллели приводят к смерти на внутриутробном этапе. Ген E₃ — DLD — расположен на хромосоме 7. Этот ген имеет множество аллелей, многие из которых приводят к появлению генетических болезней, однако, связанных не с PDH, а с α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом и проявляющихся в нарушении обмена аминокислот.

Литература

• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
• Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.