U ovom članku pokušat ćemo na pristupačan način objasniti što je kompleks piruvat dehidrogenaze i biokemiju procesa, otkriti sastav enzima i koenzima, ukazati na ulogu i značaj ovog kompleksa u prirodi i ljudski život. Osim toga, razmotrit će se moguće posljedice kršenja funkcionalne namjene kompleksa i vrijeme njihove manifestacije.
Uvod u koncept
Piruvat dehidrogenazni kompleks (PDH) je kompleks proteinskog tipa čija je uloga provesti oksidaciju piruvata kao rezultat dekarboksilacije. Ovaj kompleks sadrži 3 enzima, kao i dva proteina neophodna za provedbu pomoćnih funkcija. Da bi kompleks piruvat dehidrogenaze funkcionirao, moraju biti prisutni određeni kofaktori. Ima ih pet: CoA, nikotinamid adenin dinukleotid, flavin adenin dinukleotid, tiamin pirofosfat i lipoat.
Lokalizacija PDH u bakterijskim organizmima koncentrirana je u citoplazmi, eukariotske stanice ga pohranjujuu matriksu na mitohondrijima.
Povezano s dekarboksilacijom piruvata
Značaj kompleksa piruvat dehidrogenaze leži u reakciji oksidacije piruvata. Razmotrite bit ovog procesa.
Mehanizam oksidacije piruvata pod utjecajem dekarboksilacije je proces biokemijske prirode u kojem dolazi do cijepanja CO2 molekule u jednini, a zatim molekula je dodana piruvatu, podvrgnuta dekarboksilaciji i pripada koenzimu A (CoA). Tako nastaje acetil-KoA. Ovaj fenomen zauzima srednje mjesto između procesa glikolize i ciklusa trikarboksilne kiseline. Proces dikarboksilacije piruvata provodi se uz sudjelovanje složenog MPC-a, koji, kao što je već spomenuto, uključuje tri enzima i dva pomoćna proteina.
Uloga koenzima
Za kompleks piruvat dehidrogenaze, enzimi igraju ključnu ulogu. Međutim, oni mogu započeti svoj rad samo uz prisutnost pet gore navedenih koenzima ili skupina protetskog tipa. Sam proces će na kraju dovesti do činjenice da će acilna skupina biti uključena u CoA-acetil. Govoreći o koenzimima, morate znati da četiri od njih pripadaju vitaminskim derivatima: tiamin, riboflavin, niacin i pantotenska kiselina.
Flavina adenin dinukleotid i nikotinamid adenin dinukleotid sudjeluju u prijenosu elektrona, a tiamin pirofosfat, mnogima poznat kaopiruvat dekarboksilni koenzim, ulazi u reakcije fermentacije.
Aktivacija tiolne grupe
Acetilacijski koenzim (A) - sadrži skupinu tiolnog tipa (-SH), koja je vrlo aktivna, kritična je i neophodna da CoA funkcionira kao tvar koja može prenijeti acilnu skupinu na tiol i formirati tioeter. Esteri tiola (tioeteri) imaju prilično visoku brzinu hidrolizne energije slobodne prirode, stoga imaju visok potencijal za prijenos acilne skupine na razne akceptorske molekule. Zato se acetil CoA povremeno naziva aktivirani CH3COOH.
Prijenos elektrona
Pored četiri kofaktora koji su derivati vitamina, postoji i 5. kofaktor kompleksa piruvat dehidrogenaze, nazvan lipoat. Ima 2 skupine tiolnog tipa koje mogu biti podvrgnute reverzibilnoj oksidaciji, što rezultira stvaranjem disulfidne veze (-S-S-), što je slično načinu na koji se ovaj proces odvija između aminokiselina i cisteinskih ostataka u proteinima. Sposobnost oksidacije i oporavka daje lipoatu sposobnost da bude nosilac ne samo acilne skupine, već i elektrona.
enzimski komplet
Od enzima, kompleks piruvat dehidrogenaze uključuje tri glavne komponente. Prvi enzim je piruvat dehidrozenaza (E1). Drugi enzim jedihidrolipoil dehidrogenaza (E3). Treća je dihidrolipoiltransacetilaza (E2). Kompleks piruvat dehidrogenaze uključuje ove enzime, pohranjujući ih u velikom broju kopija. Broj kopija svakog enzima može biti različit, pa stoga veličina kompleksa može jako varirati. PDH kompleks u sisavaca je oko 50 nanometara u promjeru. To je 5-6 puta veće od promjera ribosoma. Takvi kompleksi su vrlo veliki, pa se mogu razlikovati u elektronskom mikroskopu.
Gram-pozitivna bakterija bacillus stearothermophilus ima šezdeset identičnih kopija dihidrolipoil transacetilaze u svom PDH, što zauzvrat stvara dodekaedar pentagonalnog tipa promjera približno 25 nanometara. Gram-pozitivna bakterija Escherichia coli sadrži dvadeset i četiri kopije E2, kat. veže prostetsku skupinu lipoata na sebe i uspostavlja vezu tipa amida s amino grupom lizinskog ostatka uključenom u E2.
Dihidrolipoiltransacetilaza je izgrađena interakcijom 3 domene koje imaju funkcionalne razlike. To su: aminoterminalna lipoilna domena koja sadrži lizinski ostatak i povezana je s lipoatom; obvezujuća domena (središnja E1- i E3-); interna domena aciltransferaze, koja uključuje centre aciltransferaze aktivnog tipa.
Kompleks piruvat dehidrogenaze kvasca ima samo jednu domenu lipoilnog tipa, sisavci imaju dvije takve domene, a bakterija Escherichia coli tri. Slijed povezivača aminokiselina koje suod dvadeset do trideset aminokiselinskih ostataka, dijeli E2, dok su alaninski i prolinski ostaci isprepleteni aminokiselinskim ostacima koji su nabijeni. Ovi poveznici najčešće imaju proširene oblike. Ova značajka utječe na činjenicu da dijele 3 domene.
Odnos porijekla
E1 uspostavlja vezu s TTP-om sa svojim aktivnim centrom, a aktivni centar E3 uspostavlja vezu s FAD-om. Ljudsko tijelo sadrži enzim E1 u obliku tetramera, koji se sastoji od četiri podjedinice: dvije E1alpha i dvije E 1 beta. Regulatorni proteini su predstavljeni u obliku protein kinaze i fosfoprotein fosfataze. Ova vrsta strukture (E1- E2- E 3) ostaje element konzervativizma u evolucijskom učenju. Kompleksi slične strukture i strukture mogu sudjelovati u raznim reakcijama koje se razlikuju od standardnih, na primjer, kada se α-ketoglutarat oksidira tijekom Krebsovog ciklusa, oksidira se i α-keto kiselina, koja je nastala kataboličkom iskorištavanjem aminokiselina razgranatog tipa: valin, leucin i izoleucin.
Kompleks piruvat dehidrogenaze ima enzim E3, koji se također nalazi u drugim kompleksima. Sličnost strukture proteina, kofaktora i mehanizama reakcija ukazuje na zajedničko podrijetlo. Lipoat je vezan za lizin E2 i stvara se svojevrsna "ruka" koja se može kretati od aktivnog centra E1 do aktivni centri E 2 iE3, što je približno 5 nm.
Eukarioti u kompleksu piruvat dehidrogenaze sadrže dvanaest podjedinica E3BP (E3 – vezni protein nekatalitičke prirode). Točno mjesto ovog proteina nije poznato. Postoji hipoteza da ovaj protein zamjenjuje neki podskup podskupina. E2 u kravlji PDH.
Komunikacija s mikroorganizmima
Razmatrani kompleks svojstven je nekim vrstama anaerobnih bakterija. Međutim, broj bakterijskih organizama koji imaju PDH u svojoj strukturi je mali. Funkcije koje obavlja kompleks u bakterijama, u pravilu se svode na opće procese. Na primjer, uloga kompleksa piruvat dehidrogenaze u bakteriji Zymonomonas mobilis je alkoholna fermentacija. Bakterije piruvata u količini do 98% će se potrošiti u te svrhe. Preostalih nekoliko postotaka oksidira se u ugljični dioksid, nikotinamid adenin dinukleotid, acetil-CoA itd. Zanimljiva je struktura kompleksa piruvat dehidrogenaze u Zymomonas mobilis. Ovaj mikroorganizam ima četiri enzima: E1alpha, E1beta, E2 i E 3. PDH ove bakterije sadrži lipoilnu domenu unutar E1beta, što je čini jedinstvenom. Jezgra kompleksa je E2, a sama organizacija kompleksa ima oblik peterokutnog dodekaedra. Zymomonas mobilis nema cijeli niz enzima ciklusa trikarboksilne kiseline, pa je stoga njegov PDH uključen samo u anaboličke funkcije.
PDH u čovjeku
Čovjek, kao i drugi živi organizmi,ima gene koji kodiraju PDH. Gen E1alpha – PDHA 1 lokaliziran je na kromosomu X. do nedostatka PDH. Simptomi bolesti mogu se jako razlikovati od blagih problema s laktacidozom do smrtonosnih malformacija u razvoju tijela. Muškarci čiji X kromosom uključuje sličan alel uskoro će umrijeti u vrlo mladoj dobi. Žene su također zahvaćene ovom bolešću, ali u manjoj mjeri, a sam problem je inaktivacija bilo kojeg X kromosoma.
Problemi mutacija
E1beta - PDHB - nalazi se na trećem kromosomu. Za ovaj gen poznata su samo dva alela mutantnog tipa, koji, budući da su u homozigotnom položaju, dovode do smrtnog ishoda tijekom cijele godine, što je povezano s malformacijama.
Vjerojatno postoje i drugi slični aleli koji mogu uzrokovati smrt prije punog razvoja organizma. E2 - DLAT - koncentriran na jedanaestom kromosomu. Čovječanstvo zna za dva alela ovog gena koji će stvarati probleme u budućnosti, ali pravilna prehrana to može nadoknaditi. Velika je vjerojatnost da će fetus umrijeti unutar maternice zbog drugih mutacija u ovom genu. E3 - dld - nalazi se na sedmom kromosomu i uključuje veliki broj alela. Dovoljnoveliki postotak njih dovodi do pojave bolesti genetske prirode, koje će biti povezane s kršenjem metabolizma aminokiselina.
Zaključak
Razmatrali smo koliko je kompleks piruvat dehidrogenaze važan za žive organizme. Reakcije koje se u njemu odvijaju prvenstveno su usmjerene na dekarboksilaciju piruvata oksidacijom, a sam PDH je visoko specijaliziran, ali pod različitim uvjetima, s određenim razlozima, može obavljati i funkcije drugačije prirode, na primjer, sudjelovati u fermentaciji. Također smo otkrili da se kompleksi proteinskog tipa koji sudjeluju u oksidaciji piruvata sastoje od pet enzima koji ostaju funkcionalni samo u prisutnosti pet kofaktora. Svaka promjena u algoritmu složenog mehanizma dekarboksilacije može uzrokovati ozbiljne patologije, pa čak i dovesti do smrti pojedinca.
