במאמר זה ננסה להסביר בצורה נגישה מהו קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז והביוכימיה של התהליך, לחשוף את הרכב האנזימים והקו-אנזימים, להצביע על תפקידו ומשמעותו של קומפלקס זה בטבע וחיי אדם. כמו כן, ישקלו השלכות אפשריות של פגיעה בתכלית התפקודית של המתחם ומועד הופעתם.
מבוא למושג
Pyruvate dehydrogenase complex (PDH) הוא קומפלקס מסוג חלבון שתפקידו לבצע את החמצון של פירובט כתוצאה מדקרבוקסילציה. קומפלקס זה מכיל 3 אנזימים, כמו גם שני חלבונים הדרושים ליישום פונקציות עזר. כדי שקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז יתפקד, חייבים להיות נוכחים קו-פקטורים מסוימים. ישנם חמישה מהם: CoA, nicotinamide adenine dinucleotide, flavin adenine dinucleotide, thiamine pyrophosphate וליפואט.
לוקליזציה של PDH באורגניזמים חיידקיים מרוכזת בציטופלזמה, תאים איקריוטיים מאחסנים אותהבמטריקס על המיטוכונדריה.
משויך ל-pyruvate decarboxylation
המשמעות של קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז טמונה בתגובת החמצון של פירובט. שקול את המהות של תהליך זה.
המנגנון של חמצון פירובאט בהשפעת דקרבוקסילציה הוא תהליך בעל אופי ביוכימי, שבו מתרחש ביקוע של מולקולת CO2 ביחיד, ואז זה מולקולה מתווספת לפירובט, נתונה לדה-קרבוקסילציה ושייכת לקואנזים A (CoA). כך נוצר אצטיל-KoA. תופעה זו תופסת מקום ביניים בין תהליכי הגליקוליזה לבין מחזור החומצה הטריקרבוקסילית. תהליך דיקרבוקסילציה של פירובאט מתבצע בהשתתפות MPC מורכב, הכולל, כאמור, שלושה אנזימים ושני חלבוני עזר.
תפקיד הקו-אנזימים
לקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז, אנזימים ממלאים תפקיד מכריע. עם זאת, הם יכולים להתחיל את עבודתם רק בנוכחות חמישה קו-אנזימים או קבוצות מהסוג התותב המפורטים לעיל. התהליך עצמו יוביל בסופו של דבר לכך שקבוצת האציל תיכלל ב-CoA-acetyl. אם כבר מדברים על קו-אנזימים, אתה צריך לדעת שארבעה מהם שייכים לנגזרות של ויטמין: תיאמין, ריבופלבין, ניאצין וחומצה פנטותנית.
Flavina adenine dinucleotide ו-Nicotinamide adenine dinucleotide מעורבים בהעברת אלקטרונים, ותיאמין pyrophosphate, הידוע לרבים בתורקואנזים פירובט דקרבוקסילי, נכנס לתגובות תסיסה.
הפעלת קבוצת התיול
אצטילציה קואנזים (A) - מכיל קבוצה מסוג תיול (-SH), שהיא מאוד פעילה, זה קריטי והכרחי ל-CoA לתפקד כחומר שיכול להעביר את קבוצת האציל לתיול וליצור thioether. לאסטרים של תיולים (תיאו-אתרים) יש קצב גבוה למדי של אנרגיית הידרוליזה בעלת אופי חופשי, ולכן יש להם פוטנציאל גבוה להעברת קבוצת אציל למגוון מולקולות מקבלות. לכן אצטיל CoA נקרא מעת לעת CH3COOH.
העברת אלקטרונים
בנוסף לארבעת הקופקטורים שהם נגזרות של ויטמינים, קיים קו-פקטור 5 של קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז, הנקרא ליפואט. יש לו 2 קבוצות מסוג תיול שיכולות לעבור חמצון הפיך, מה שגורם ליצירת קשר דיסולפידי (-S-S-), הדומה לאופן שבו תהליך זה מתקדם בין חומצות אמינו ושאריות ציסטאין בחלבונים. היכולת להתחמצן ולהתאושש מעניקה לליפואט את היכולת להיות נשא לא רק של קבוצת האציל, אלא גם של אלקטרונים.
ערכה אנזימטית
מבין האנזימים, קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז כולל שלושה מרכיבים עיקריים. האנזים הראשון הוא pyruvate dehydrosenase (E1). האנזים השני הואdihydrolipoyl dehydrogenase (E3). השלישי הוא dihydrolipoyltransacetylase (E2). קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז כולל את האנזימים הללו, ומאחסן אותם במספר רב של עותקים. מספר העותקים של כל אנזים יכול להיות שונה, ולכן גודל הקומפלקס יכול להשתנות מאוד. קוטרו של קומפלקס PDH ביונקים הוא כ-50 ננומטר. זה גדול פי 5-6 מקוטר הריבוזום. קומפלקסים כאלה גדולים מאוד, כך שניתן להבחין ביניהם במיקרוסקופ אלקטרוני.
לחיידק הבאצילוס stearothermophilus חיובי לגרם יש שישים עותקים זהים של דיהידרוליפוייל טרנסאצטילאז ב-PDH שלו, אשר בתורו יוצר דודקהדרון מסוג מחומש בקוטר של כ-25 ננומטר. החיידק הגראם חיובי Escherichia coli מכיל עשרים וארבעה עותקים של E2, cat. מצמיד את קבוצת התותבת של הליפואט לעצמה, והוא יוצר קשר מסוג אמיד עם קבוצת האמינו של שארית הליזין הכלולה ב-E2.
Dihydrolipoyltransacetylase נבנה על ידי אינטראקציה של 3 תחומים שיש להם הבדלים תפקודיים. אלו הם: תחום ליפואיל אמינו-טרמינלי המכיל שארית ליזין וקשור לליפואט; תחום מחייב (מרכזי E1- ו-E3-); דומיין פנימי של acyltransferase, הכולל מרכזי acyltransferase מסוג אקטיבי.
לקומפלקס שמרים פירובט דהידרוגנאז יש רק תחום אחד מסוג ליפוייל, ליונקים יש שני תחומים כאלה, ולחיידק Escherichia coli יש שלושה. רצף המקשר של חומצות אמינו שהםשל עשרים עד שלושים שיירי חומצות אמינו, חולק E2, בעוד שאריות אלנין ופרולין משובצות בשאריות חומצות אמינו טעונות. למקשרים אלה יש לרוב צורות מורחבות. תכונה זו משפיעה על העובדה שהם חולקים 3 דומיינים.
Relationship of Origin
E1 יוצר קשר עם ה-TTP עם המרכז הפעיל שלו, והמרכז הפעיל E3 יוצר קשר עם FAD. גוף האדם מכיל את האנזים E1 בצורה של טטרמר, המורכב מארבע יחידות משנה: שתיים E1alpha ושתיים E 1 ביטא. חלבונים רגולטוריים מוצגים בצורה של חלבון קינאז ופוספופרוטאין פוספטאז. סוג זה של מבנה (E1- E2- E 3) נותר מרכיב של שמרנות בהוראה אבולוציונית. קומפלקסים בעלי מבנה ומבנה דומים יכולים להשתתף במגוון תגובות השונות מהסטנדרטיות, למשל כאשר α-ketoglutarate מתחמצן במהלך מחזור קרבס, מתחמצנת גם חומצת α-keto, אשר נוצרה עקב ניצול קטבולי. של חומצות אמינו מסועפות: ולין, לאוצין ואיסולאוצין.
לקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז יש את האנזים E3, שנמצא גם בקומפלקסים אחרים. הדמיון של מבנה החלבון, קו-פקטורים וגם מנגנוני תגובה מצביע על מקור משותף. הליפואט מחובר לליזין E2, ונוצר מעין "יד" המסוגלת לעבור מהמרכז הפעיל E1 ל- מרכזים פעילים E 2 וE3, שזה בערך 5 ננומטר.
אאוקריוטים בקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז מכילים שתים עשרה יחידות משנה של E3BP (E3 - חלבון מקשר בעל אופי לא קטליטי). המיקום המדויק של חלבון זה אינו ידוע. יש השערה שחלבון זה מחליף תת-קבוצה כלשהי של subed. E2 בפרה PDH.
תקשורת עם מיקרואורגניזמים
התסביך הנחשב טבוע בכמה סוגים של חיידקים אנאירוביים. עם זאת, מספר האורגניזמים החיידקיים שיש להם PDH במבנה שלהם קטן. הפונקציות שמבצע הקומפלקס בחיידקים, ככלל, מופחתות לתהליכים כלליים. לדוגמה, תפקידו של קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז בחיידק Zymonomonas mobilis הוא תסיסה אלכוהולית. חיידקי פירובט בכמות של עד 98% ישמשו למטרות כאלה. האחוזים הספורים הנותרים מחומצנים לפחמן דו חמצני, ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד, אצטיל-CoA וכו'. המבנה של קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז ב-Zymomonas mobilis מעניין. למיקרואורגניזם הזה יש ארבעה אנזימים: E1alpha, E1beta, E2 ו-E 3. ה-PDH של חיידק זה מכיל תחום ליפוי בתוך E1beta, מה שהופך אותו לייחודי. ליבת המתחם היא E2, וארגון המתחם עצמו לובש צורה של דודקהדרון מחומש. ל-Zymomonas mobilis אין סדרה שלמה של אנזימים ממחזור החומצות הטריקרבוקסיליות, ולכן ה-PDH שלו עוסק רק בתפקודים אנבוליים.
PDH באדם
האדם, כמו אורגניזמים חיים אחרים,יש גנים המקודדים ל-PDH. הגן E1alpha – PDHA 1 ממוקם על כרומוזום X. למחסור ב-PDH. תסמיני המחלה יכולים להשתנות מאוד מבעיות חמצת לקטית קלות ועד למומים קטלניים בהתפתחות הגוף. גברים שכרומוזום X שלהם כולל אלל דומה ימותו בקרוב בגיל צעיר מאוד. גם נקבות נפגעות ממחלה זו, אך במידה פחותה, והבעיה עצמה היא אי הפעלה של כל כרומוזום X.
בעיות של מוטציות
E1beta - PDHB - ממוקם על הכרומוזום השלישי. ידועים רק שני אללים מסוג מוטציה בגן זה, אשר בהיותו במצב הומוזיגוטי מוביל לתוצאה קטלנית לאורך כל השנה, הקשורה למומים.
כנראה שיש אללים דומים אחרים שיכולים לגרום למוות לפני התפתחותו המלאה של האורגניזם. E2 - DLAT - מרוכז בכרומוזום האחד-עשר. האנושות יודעת על שני אללים של הגן הזה שייצרו בעיות בעתיד, אבל התזונה הנכונה יכולה לפצות על כך. קיים סיכוי גבוה שהעובר ימות בתוך הרחם עקב מוטציות אחרות בגן זה. E3 - dld - ממוקם על הכרומוזום השביעי וכולל מספר רב של אללים. מספיקאחוז גדול מהם מוביל להופעת מחלות בעלות אופי גנטי, אשר יהיו קשורות להפרה של חילוף החומרים של חומצות אמינו.
מסקנה
שקלנו כמה חשוב קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז עבור אורגניזמים חיים. התגובות המתרחשות בו מכוונות בעיקר ל-decarboxylation של פירובט על ידי חמצון, ו-PDH עצמו הוא מאוד מיוחד, אבל בתנאים שונים, עם סיבות מסוימות, הוא יכול גם לבצע פונקציות בעלות אופי שונה, למשל, להשתתף בתסיסה. מצאנו גם כי קומפלקסים מסוג חלבון המעורבים בחמצון פירובט מורכבים מחמישה אנזימים שנשארים פונקציונליים רק בנוכחות חמישה גורמים משותפים. כל שינוי באלגוריתם של המנגנון המורכב של דקרבוקסילציה עלול לגרום לפתולוגיות חמורות ואף להוביל למוות של הפרט.
