Selles artiklis püüame arusaadaval viisil selgitada, mis on püruvaatdehüdrogenaasi kompleks ja protsessi biokeemia, paljastada ensüümide ja koensüümide koostis, näidata selle kompleksi rolli ja tähtsust looduses. ja inimelu. Lisaks võetakse arvesse kompleksi funktsionaalse eesmärgi rikkumise võimalikke tagajärgi ja nende avaldumise aega.
Sissejuhatus kontseptsiooni
Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks (PDH) on valgu tüüpi kompleks, mille ülesanne on püruvaadi oksüdeerimine dekarboksüülimise tulemusena. See kompleks sisaldab 3 ensüümi, samuti kahte valku, mis on vajalikud abifunktsioonide täitmiseks. Püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi toimimiseks peavad olema teatud kofaktorid. Neid on viis: CoA, nikotiinamiidadeniindinukleotiid, flaviinadeniindinukleotiid, tiamiinpürofosfaat ja lipoaat.
PDH lokaliseerimine bakteriaalsetes organismides on koondunud tsütoplasmasse, eukarüootsed rakud talletavad sedamitokondrite maatriksis.
Seotud püruvaadi dekarboksüülimisega
Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksi tähtsus seisneb püruvaadi oksüdatsioonireaktsioonis. Mõelge selle protsessi olemusele.
Püruvaadi oksüdatsiooni mehhanism dekarboksüülimise mõjul on biokeemilise olemusega protsess, mille käigus toimub ainsuses oleva CO2 molekuli lõhustamine ja siis see molekul lisatakse püruvaadile, allutatakse dekarboksüülimisele ja kuulub koensüümi A (CoA). Nii tekib atsetüül-KoA. See nähtus on vahepealsel kohal glükolüüsi ja trikarboksüülhappe tsükli vahel. Püruvaadi dikarboksüülimise protsess viiakse läbi kompleksse MPC osalusel, mis, nagu eelnev alt mainitud, sisaldab kolme ensüümi ja kahte abivalku.
Koensüümide roll
Püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi jaoks mängivad ensüümid üliolulist rolli. Kuid nad saavad oma tööd alustada ainult viie koensüümi või proteesitüüpi rühma juuresolekul, mis on loetletud ülal. Protsess ise viib lõpuks selleni, et atsüülrühm kaasatakse CoA-atsetüülrühma. Koensüümidest rääkides peate teadma, et neli neist kuuluvad vitamiiniderivaatide hulka: tiamiin, riboflaviin, niatsiin ja pantoteenhape.
Flavina adeniindinukleotiid ja nikotiinamiidadeniindinukleotiid osalevad elektronide ülekandes ning tiamiinpürofosfaat, mida paljud teavad kuipüruvaadi dekarboksüülkoensüüm, osaleb fermentatsioonireaktsioonides.
Tioolrühma aktiveerimine
Atsetüülimiskoensüüm (A) – sisaldab tiool-tüüpi rühma (-SH), mis on väga aktiivne, see on kriitiline ja vajalik, et CoA toimiks ainena, mis suudab atsüülrühma üle kanda tioolile ja moodustada tioeeter. Tioolide estritel (tioeetritel) on suhteliselt kõrge vaba olemusega hüdrolüüsienergia kiirus, seetõttu on neil suur potentsiaal atsüülrühma ülekandmiseks mitmesugustele aktseptormolekulidele. Seetõttu nimetatakse atsetüül-CoA-d perioodiliselt aktiveeritud CH3COOH.
Elektroniülekanne
Lisaks neljale kofaktorile, mis on vitamiinide derivaadid, on püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis 5. kofaktor, mida nimetatakse lipoaadiks. Sellel on 2 tiool-tüüpi rühma, mis võivad läbida pöörduva oksüdatsiooni, mille tulemusena moodustub disulfiidside (-S-S-), mis on sarnane sellele, kuidas see protsess kulgeb aminohapete ja tsüsteiinijääkide vahel valkudes. Võime oksüdeeruda ja taastuda annab lipoaadile võime olla mitte ainult atsüülrühma, vaid ka elektronide kandja.
Ensümaatiline komplekt
Ensüümidest sisaldab püruvaatdehüdrogenaasi kompleks kolme põhikomponenti. Esimene ensüüm on püruvaatdehüdrosenaas (E1). Teine ensüüm ondihüdrolipoüüldehüdrogenaas (E3). Kolmas on dihüdrolipoüültransatsetülaas (E2). Püruvaatdehüdrogenaasi kompleks sisaldab neid ensüüme, säilitades neid suure hulga koopiatena. Iga ensüümi koopiate arv võib olla erinev ja seetõttu võib kompleksi suurus olla väga erinev. Imetajate PDH kompleksi läbimõõt on umbes 50 nanomeetrit. See on 5-6 korda suurem kui ribosoomi läbimõõt. Sellised kompleksid on väga suured, nii et neid saab elektronmikroskoobis eristada.
Gram-positiivse bacillus stearothermophilus bakteri PDH-s on kuuskümmend identset dihüdrolipoüültransatsetülaasi koopiat, mis omakorda loovad umbes 25 nanomeetrise läbimõõduga viisnurkse tüüpi dodekaeedri. Gram-positiivne bakter Escherichia coli sisaldab kakskümmend neli koopiat E2, kat. seob lipoaadi proteesrühma enda külge ja loob amiid-tüüpi sideme lüsiinijäägi aminorühmaga, mis sisaldub E2.
Dihüdrolipoüültransatsetülaas on ehitatud 3 domeeni interaktsiooni teel, millel on funktsionaalsed erinevused. Need on: aminoterminaalne lipoüüldomeen, mis sisaldab lüsiinijääki ja on seotud lipoaadiga; siduv domeen (keskne E1- ja E3-); sisemine atsüültransferaasi domeen, mis sisaldab aktiivset tüüpi atsüültransferaasi keskusi.
Pärmi püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksil on ainult üks lipoüül-tüüpi domeen, imetajatel on kaks sellist domeeni ja bakteril Escherichia coli on kolm. Aminohapete linkerjärjestus, mis on20 kuni 30 aminohappejääki jagab E2, samas kui alaniini ja proliini jäägid on vaheldumisi laetud aminohappejääkidega. Nendel linkeritel on enamasti laiendatud kuju. See funktsioon mõjutab asjaolu, et nad jagavad 3 domeeni.
Päritolusuhe
E1 loob ühenduse oma aktiivse keskusega TTP-ga ja aktiivne keskus E3 loob ühenduse FAD-iga. Inimkeha sisaldab tetrameeri kujul ensüümi E1, mis koosneb neljast alaühikust: kaks E1alfa ja kaks E. 1 beeta. Reguleerivad valgud on esitatud proteiinkinaasi ja fosfoproteiinfosfataasi kujul. Seda tüüpi struktuur (E1- E2- E 3) jääb evolutsiooniõpetuses konservatiivsuse elemendiks. Sarnase struktuuri ja struktuuriga kompleksid võivad osaleda erinevates reaktsioonides, mis erinevad standardsetest reaktsioonidest, näiteks α-ketoglutaraadi oksüdeerumisel Krebsi tsükli käigus oksüdeerub ka α-ketohape, mis tekkis tänu kataboolsele ärakasutamisele. hargnenud tüüpi aminohapped: valiin, leutsiin ja isoleutsiin.
Püruvaatdehüdrogenaasi kompleksis on ensüüm E3, mida leidub ka teistes kompleksides. Valgu struktuuri, kofaktorite ja ka reaktsioonimehhanismide sarnasus viitab ühisele päritolule. Lipoaat kinnitub lüsiiniga E2 ja tekib omamoodi “käsi”, mis on võimeline liikuma aktiivsest keskpunktist E1 aktiivsed keskused E 2 jaE3, mis on ligikaudu 5 nm.
Eukarüootid püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis sisaldavad kahtteist E3BP subühikut (E3 – mittekatalüütilise iseloomuga siduv valk). Selle valgu täpne asukoht pole teada. On olemas hüpotees, et see valk asendab mõnda alamrühma alamhulka. E2 lehma PDH.
Suhtlemine mikroorganismidega
Vaatatav kompleks on omane teatud tüüpi anaeroobsetele bakteritele. Kuid bakteriaalsete organismide arv, mille struktuuris on PDH, on väike. Kompleksi poolt bakterites täidetavad funktsioonid taandatakse reeglina üldistele protsessidele. Näiteks püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi roll bakteris Zymonomonas mobilis on alkohoolne kääritamine. Sellistel eesmärkidel kasutatakse ära kuni 98% püruvaadi baktereid. Ülejäänud paar protsenti oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks, nikotiinamiidadeniindinukleotiidiks, atsetüül-CoA-ks jne. Huvitav on Zymomonas mobilis'e püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi struktuur. Sellel mikroorganismil on neli ensüümi: E1alfa, E1beta, E2 ja E 3. Selle bakteri PDH sisaldab lipoüüldomeeni E1beta-s, mis muudab selle ainulaadseks. Kompleksi tuumaks on E2 ja kompleksi enda korraldus võtab viisnurkse dodekaeedri kuju. Zymomonas mobilis ei sisalda tervet rida trikarboksüülhappe tsükli ensüüme ja seetõttu täidab selle PDH ainult anaboolseid funktsioone.
PDH inimeses
Inimene, nagu ka teised elusorganismid,omab PDH-d kodeerivaid geene. Geen E1alpha – PDHA 1 lokaliseerub X-kromosoomil PDH puudulikkuse tekkeks. Haiguse sümptomid võivad olla väga erinevad, alates kergetest laktatsidoosi probleemidest kuni surmavate väärarenguteni organismi arengus. Mehed, kelle X-kromosoom sisaldab sarnast alleeli, surevad peagi väga noorelt. See haigus mõjutab ka naissoost isikuid, kuid vähemal määral ja probleem ise on mis tahes X-kromosoomi inaktiveerimine.
Mutatsioonide probleemid
E1beta – PDHB – asub kolmandas kromosoomis. Selle geeni kohta on teada ainult kaks mutantset tüüpi alleeli, mis homosügootses asendis viivad aastaringselt surmava tulemuseni, mida seostatakse väärarengutega.
Tõenäoliselt on teisi sarnaseid alleele, mis võivad põhjustada surma enne organismi täielikku arengut. E2 – DLAT – koondunud üheteistkümnendale kromosoomile. Inimkond teab selle geeni kaht alleeli, mis tekitavad tulevikus probleeme, kuid õige toitumine võib selle kompenseerida. Selle geeni muude mutatsioonide tõttu on suur tõenäosus, et loode sureb emakas. E3 – dld – asub seitsmendal kromosoomis ja sisaldab suurt hulka alleele. Piisavsuur osa neist põhjustab geneetilist laadi haigusi, mida seostatakse aminohapete metabolismi rikkumisega.
Järeldus
Oleme mõelnud, kui oluline on püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks elusorganismide jaoks. Selles toimuvad reaktsioonid on suunatud eelkõige püruvaadi dekarboksüülimisele oksüdatsiooni teel ja PDH ise on kõrgelt spetsialiseerunud, kuid võib erinevatel tingimustel teatud põhjustel täita ka erineva iseloomuga funktsioone, näiteks osaleda fermentatsioonis. Samuti leidsime, et püruvaadi oksüdatsioonis osalevad valgu tüüpi kompleksid koosnevad viiest ensüümist, mis jäävad funktsionaalseteks ainult viie kofaktori juuresolekul. Kõik muudatused dekarboksüülimise keeruka mehhanismi algoritmis võivad põhjustada tõsiseid patoloogiaid ja isegi põhjustada inimese surma.
