Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio on biokemiallinen prosessi, joka koostuu yhden hiilidioksidimolekyylin ( CO 2 ) poistamisesta pyruvaatimolekyylistä ja koentsyymi A:n (CoA) lisäämisestä dekarboksyloituun pyruvaattiin asetyyli-CoA :n muodostamiseksi ; on välivaihe glykolyysin ja trikarboksyylihapposyklin välillä . Pyruvaatin dekarboksyloinnin suorittaa monimutkainen pyruvaattidehydrogenaasikompleksi (PDC), joka sisältää 3 entsyymiä ja 2 apuproteiinia , ja sen toimintaan tarvitaan 5 kofaktoria (CoA, NAD + , tiamiinipyrofosfaatti (TPF), FAD ja lipoiinihappo ( lipoaatti)). Pyruvaatin oksidatiivisen dekarboksylaation kokonaisyhtälö on seuraava [1] :
Eukaryooteissa pyruvaattidehydrogenaasikompleksi sijaitsee mitokondrioissa , kun taas bakteereissa se sijaitsee sytosolissa . Tuloksena oleva asetyyli-CoA on edelleen mukana Krebsin syklissä [1] .
Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio on peruuttamaton prosessi . Tämän prosessin aikana muodostunut NADH luovuttaa myöhemmin hydridi -ionin (H- ) hengitysketjuun , jossa happi on viimeinen elektronien vastaanottaja aerobisen hengityksen aikana , ja muita hapettuneita yhdisteitä (esim. sulfaattia , nitraattia ) anaerobisen hengityksen aikana. Elektronien siirto NADH:sta happeen tuottaa 2,5 ATP -molekyyliä elektroniparia kohti. Pyruvaattidehydrogenaasikompleksin suorittaman reaktion peruuttamattomuus osoitettiin tutkimuksissa, joissa käytettiin radioaktiivisia isotooppeja : kompleksi ei pysty kiinnittämään leimattua CO 2 :ta asetyyli-CoA:han muodostaen pyruvaattia [2] .
Oksidatiivisen lisäksi tapahtuu pyruvaatin ei-oksidatiivista dekarboksylaatiota asetaldehydiksi (ja edelleen etanoliksi ) ja CO 2 :ksi . Tämän prosessin suorittaa pyruvaattidekarboksylaasientsyymi , monet kasvit , hiivat ja jotkut bakteerit pystyvät siihen [3] .
Pyruvaatin yhdistetty dehydraus ja dekarboksylaatio asyyliryhmäksi , joka myöhemmin siirtyy asetyyli-CoA:han, suoritetaan kolmella eri entsyymillä, joiden toiminta vaatii 5 erilaista koentsyymiä tai proteettista ryhmää : tiamiinipyrofosfaatti (TPP), FAD , koentsyymi A (CoA), NAD ja lipoaatti. Neljä niistä on vitamiinijohdannaisia : tiamiini eli B1 - vitamiini (TPF), riboflaviini tai B2-vitamiini ( FAD), niasiini tai PP-vitamiini (NAD) ja pantoteenihappo tai B5-vitamiini (CoA) [ 4 ] .
FAD ja NAD ovat elektronien kantajia, ja TPP tunnetaan myös fermentaatioon osallistuvan pyruvaattidekarboksylaasin koentsyyminä [4] .
Koentsyymi A:ssa on aktiivinen tioliryhmä (-SH), joka on kriittinen CoA:n toiminnalle asyyliryhmän kantajana useissa metabolisissa reaktioissa. Asyyliryhmät sitoutuvat sitten kovalenttisesti tioliryhmään muodostaen tioeettereitä . Tioeettereillä on suhteellisen korkean standardin mukaisen vapaan hydrolyysienergiansa vuoksi korkea kyky siirtää asyyliryhmiä erilaisiin vastaanottajamolekyyleihin. Siksi asetyyli-CoA:ta kutsutaan joskus myös "aktivoiduksi etikkahapoksi " [4] [5] .
Pyruvaattidehydrogenaasikompleksin viidennessä kofaktorissa, lipoiinihappojäännöslipoaatissa , on kaksi tioliryhmää, jotka voivat käydä läpi palautuvan hapettumisen muodostaen disulfidisidoksen (-S-S-), samalla tavalla kuin se tapahtuu kahden kysteiiniaminohappotähteen välillä proteiinia. Koska lipoaatti kykenee hapettumaan ja pelkistymään, se voi toimia sekä elektronien (tai H + ) että asyyliryhmien kantajana [4] .
Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi (PDC) sisältää 3 entsyymiä: pyruvaattidehydrogenaasi (E 1 ), dihydrolipoyylitransasetylaasi (E 2 ) ja dihydrolipoyylidehydrogenaasi (E 3 ). Jokainen näistä entsyymeistä on läsnä kompleksissa useina kopioina. Kunkin entsyymin kopioiden lukumäärä ja siten kompleksin koko vaihtelee eri lajien välillä.
Nisäkkään MPC-kompleksi saavuttaa halkaisijaltaan noin 50 nm, yli 5 kertaa koko ribosomin halkaisijan ; nämä kompleksit ovat riittävän suuria näkyäkseen elektronimikroskoopilla . Lehmän MPC sisältää 60 identtistä kopiota E2 : sta , jotka muodostavat viisikulmaisen dodekaedrin ( kompleksin ydinosa ), jonka halkaisija on noin 25 nm .
Escherichia coli sisältää 24 kopiota E2 : ta PDC- ytimessä . Prosteettinen lipoaattiryhmä ( alfa-lipoiinihappotähde ) aminohapon lysiinin kanssa on kiinnittynyt E2 : een , joka sitoutuu amidisidoksella lysiinitähteen e - aminoryhmään , joka on osa E2: ta . E2 koostuu kolmesta toiminnallisesti erilaisesta domeenista : aminoterminaalinen lipoyylidomeeni , joka sisältää lysiinitähteen, joka sitoutuu lipoaattiin; keskus E1- ja E3 - sitoutumisdomeeni ; sisäinen ydinasyylitransferaasidomeeni, joka sisältää asyylitransferaasin aktiiviset kohdat . Hiivalla on yksi lipoyylidomeeni MPC:ssä, nisäkkäillä kaksi ja E. colilla kolme. E2 - domeenit on liitetty linkkerisekvensseillä, jotka koostuvat 20–30 aminohappotähteestä, ja alaniini- ja proliinitähteet ovat välissä varautuneiden aminohappotähteiden kanssa [6] .
TPP sitoutuu aktiiviseen keskukseen E1 ja FAD sitoutuu aktiiviseen keskukseen E3 . PDC-kompleksi sisältää myös kaksi säätelyproteiinia - proteiinikinaasin ja fosfoproteiinifosfataasin . Tämä E1 - E2 - E3 : n perusrakenne säilyi evoluution aikana . Tällaisen laitteen kompleksit osallistuvat myös muihin reaktioihin, esimerkiksi α-ketoglutaraatin hapettumiseen Krebsin syklin aikana ja α - ketohappojen hapettumiseen, jotka muodostuvat haarautuneiden aminohappojen katabolisen käytön aikana: valiini , isoleusiini , leusiini . Tutkituissa lajeissa E 3 MPC on identtinen kahden edellä mainitun kompleksin E 3: n kanssa. Näiden kompleksien proteiinirakenteiden, kofaktorien ja reaktiomekanismien huomattava samankaltaisuus todistaa niiden alkuperän yhteisyydestä [1] . Kun lipoaatti kiinnittyy lysiiniin E 2 , muodostuu pitkä, joustava ”käsivarsi”, joka voi siirtyä aktiivisesta keskustasta E1 aktiivisiin keskuksiin E 2 ja E 3 eli oletettavasti 5 nm tai enemmän etäisyyksille . 7] .
Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio sisältää useita vaiheita:
PDC-kompleksin suorittamassa reaktiossa keskeinen rooli on lipoyllisiinin "käsivarsilla" E 2 , jotka pystyvät "heilauttamaan" ja ottamaan kaksi elektronia E 1 :stä sekä pyruvaatista muodostuvan asetyyliryhmän ja vapauttamaan elektronit E3: ksi . Kaikki nämä entsyymit ja koentsyymit kootaan kompleksiksi, jonka ansiosta välituoteyhdisteet pääsevät tarvittaviin reaktioihin nopeasti ja diffundoitumatta entsyymikompleksin pinnalta. Tästä johtuen välituoteyhdisteet eivät poistu kompleksista ja substraatin E2 paikallinen pitoisuus säilyy erittäin korkeana . Se myös estää aktivoitua asetyyliryhmää ottamasta vastaan muita entsyymejä, jotka käyttävät sitä substraattina [8] .
Arseenia sisältävät orgaaniset yhdisteet ovat PDC-estäjiä, koska ne ovat vuorovaikutuksessa pyruvaatin oksidatiivisen dekarboksylaation aikana pelkistettyjen E2-lipoyyliryhmän tioliryhmien kanssa ja estävät niiden normaalin toiminnan [9] .
Nisäkkäillä ATP sekä reaktiotuotteet: asetyyli-CoA ja NADH estävät MPC:tä voimakkaasti. Pyruvaatin hapettumisen allosteerinen esto tehostuu huomattavasti pitkäketjuisten rasvahappojen läsnä ollessa . AMP, CoA ja NAD + kerääntyvät, kun liian vähän asetaattia tulee Krebsin kiertoon, aktivoivat allosteerisesti MPC-kompleksin. Siten entsyymikompleksi estyy, kun asetyyli-CoA:ta tai raaka-aineita (rasvahappoja) on riittävästi vaihtoehtoisten reittien suorittamiseksi asetyyli-CoA:n muodostumiselle ja suhteet [ATP]/[ADP] ja [NADH]/ [NAD + ] ovat riittävän suuria. Päinvastoin, suuren energiantarpeen ja lisää asetyyli-CoA:n tarve Krebsin syklin toimintaan, MPC aktivoituu [10] .
Nisäkkäillä näihin allosteerisiin mekanismeihin lisätään toinen säätelytaso: proteiinin kovalenttinen modifikaatio . PDC-kompleksia inhiboi palautuva fosforylaatio spesifisissä seriinitähteissä toisessa kahdesta E1 - alayksiköstä . Aikaisemmin todettiin, että nisäkkäiden E1- , E2- ja E3 - alayksiköiden lisäksi PDC-kompleksi sisältää kaksi säätelyproteiinia, joiden ainoana tarkoituksena on säädellä kompleksin aktiivisuutta. Spesifinen proteiinikinaasi fosforyloi ja siten inaktivoi El : n , kun taas spesifinen fosfoproteiinifosfataasi poistaa fosfaattiryhmiä hydrolyysillä ja aktivoi siten E1 : n . ATP aktivoi kinaasin allosteerisesti: kun ATP:n pitoisuus on korkea (osoittaa riittävästi energiaa solussa), PDC-kompleksi inaktivoituu E1- fosforylaatiolla . Kun [ATP] vähenee, kinaasiaktiivisuus vähenee ja fosfataasi poistaa fosfaattiryhmiä E1:stä aktivoiden kompleksin [11] .
Kasvin MPC-kompleksi , joka sijaitsee mitokondriomatriisissa ja plastideissa , tukahdutetaan sen aktiivisuustuotteilla - NADH:lla ja asetyyli-CoA:lla. Kasvin mitokondrioentsyymiä säätelee myös palautuva fosforylaatio: pyruvaatti estää kinaasia aktivoiden PDC:tä, kun taas NH4 + stimuloi kinaasia ja inaktivoi kompleksin. E. colissa MPC :tä säätelee allosteerisesti samanlainen mekanismi kuin nisäkkäissä, mutta se ei näytä säätelevän fosforylaatiota [11] .
Ihmisen ruokavaliossa on oltava neljä vitamiinia (tiamiini, riboflaviini, niasiini, pantoteenihappo), joista muodostuu MPC-koentsyymejä [4] . Lisäksi MPC:n alayksiköitä koodaavien geenien mutaatioilla sekä tiamiinin puutteella ruokavaliossa voi olla erittäin vakavia seurauksia. Eläimet, joista puuttuu tiamiini, eivät pysty hapettamaan pyruvaattia normaalisti. Tämä on erityisen tärkeää aivoille , jotka tavallisesti saavat energiaa glukoosin aerobisesta hapettumisesta , prosessista, johon välttämättä liittyy pyruvaatin hapettumista.
Beriberi - sairaus , joka kehittyy tiamiinin puutteen yhteydessä , on ominaista hermoston toiminnan häiriöille . Tämä tauti esiintyy yleensä ihmispopulaatioissa , joiden ruokavalio koostuu pääasiassa valkoisesta (kuoritusta) riisistä , josta on poistettu kuori ja joka sisältää suurimman osan riisin sisältämästä tiamiinista. Tiamiinin puutos voi kehittyä myös ihmisillä, jotka käyttävät alkoholia säännöllisesti, koska suurin osa heidän saamastaan energiasta tulee "tyhjistä kaloreista " puhdistettua alkoholia, joka ei sisällä vitamiineja. Veren kohonneet pyruvaattipitoisuudet ovat usein merkki pyruvaatin hapettumishäiriöistä, jotka johtuvat jostakin edellä mainituista syistä [12] .
Joissakin mikro -organismeissa pyruvaatin muuntaminen asetyyli-CoA:ksi (tai muiksi tuotteiksi) voidaan suorittaa muilla tavoilla kuin edellä on kuvattu ( aerobit käyttävät PDC-kompleksia ). Nämä muunnokset voivat olla: