Oxidativ dekarboxylering av pyruvat är en biokemisk process som består i eliminering av en molekyl koldioxid (CO 2 ) från en molekyl av pyruvat och tillsats av koenzym A (CoA) till dekarboxylerat pyruvat för att bilda acetyl-CoA ; är ett mellansteg mellan glykolys och trikarboxylsyracykeln . Dekarboxylering av pyruvat utförs av ett komplext pyruvatdehydrogenaskomplex (PDC), som inkluderar 3 enzymer och 2 hjälpproteiner , och 5 kofaktorer krävs för dess funktion (CoA, NAD + , tiaminpyrofosfat (TPF), FAD och liponsyra ( lipoat)). Den övergripande ekvationen för den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat är följande [1] :
Hos eukaryoter är pyruvatdehydrogenaskomplexet lokaliserat i mitokondrierna , medan det i bakterier finns i cytosolen . Den resulterande acetyl-CoA är vidare involverad i Krebs-cykeln [1] .
Oxidativ dekarboxylering av pyruvat är en irreversibel process . NADH som bildas under denna process avger därefter en hydridjon (H- ) till andningskedjan , där syre är den slutliga elektronacceptorn under aerob andning , och andra oxiderade föreningar (till exempel sulfat , nitrat ) under anaerob andning. Överföringen av elektroner från NADH till syre ger 2,5 ATP- molekyler per elektronpar. Den irreversibilitet av reaktionen som utförs av pyruvatdehydrogenaskomplexet visades i studier med radioaktiva isotoper : komplexet kan inte tillbaka fästa märkt CO 2 till acetyl-CoA för att bilda pyruvat [2] .
Förutom oxidativ finns det icke-oxidativ dekarboxylering av pyruvat till acetaldehyd (och vidare till etanol ) och CO 2 . Denna process utförs av enzymet pyruvatdekarboxylas , många växter , jästsvampar och vissa bakterier är kapabla till det [3] .
Den kombinerade dehydreringen och dekarboxyleringen av pyruvat till acylgruppen , som senare kommer in i acetyl-CoA, utförs av tre olika enzymer, vars funktion kräver 5 olika koenzymer eller protesgrupper : tiaminpyrofosfat (TPP), FAD koenzym A (CoA), NAD och lipoat. Fyra av dem är derivat av vitaminer : tiamin eller vitamin B 1 (TPF), riboflavin eller vitamin B 2 (FAD), niacin eller vitamin PP (NAD) och pantotensyra eller vitamin B 5 (CoA) [4] .
FAD och NAD är elektronbärare, och TPP är också känt som koenzym av pyruvatdekarboxylas involverat i fermentering [4] .
Koenzym A har en aktiv tiolgrupp (-SH) som är avgörande för funktionen av CoA som en acylgruppsbärare i ett antal metaboliska reaktioner. Acylgrupperna binder sedan kovalent till tiolgruppen och bildar tioetrar . På grund av sin relativt höga standard fria hydrolysenergi har tioetrar en hög förmåga att överföra acylgrupper till olika acceptormolekyler. Därför kallas acetyl-CoA ibland också för "aktiverad ättiksyra " [4] [5] .
Den femte kofaktorn i pyruvatdehydrogenaskomplexet, lipoinsyraresten lipoat , har två tiolgrupper som kan genomgå reversibel oxidation för att bilda en disulfidbindning (-S-S-), liknande hur det uppstår mellan två cysteinaminosyrarester i en protein. På grund av sin förmåga att genomgå oxidation och reduktion kan lipoat fungera som en bärare av både elektroner (eller H + ) och acylgrupper [4] .
Pyruvatdehydrogenaskomplexet (PDC) inkluderar 3 enzymer: pyruvatdehydrogenas (E 1 ), dihydrolipoyltransacetylas (E 2 ) och dihydrolipoyldehydrogenas (E 3 ). Vart och ett av dessa enzymer finns i komplexet i flera kopior. Antalet kopior av varje enzym, och därmed storleken på komplexet, varierar mellan olika arter.
Däggdjurs-MPC-komplexet når cirka 50 nm i diameter, mer än 5 gånger diametern för en hel ribosom ; dessa komplex är tillräckligt stora för att vara synliga under ett elektronmikroskop . Kons MPC inkluderar 60 identiska kopior av E 2 , som bildar en femkantig dodekaeder ( kärndelen av komplexet) med en diameter på cirka 25 nm .
Escherichia coli innehåller 24 kopior av E 2 i PDC- kärnan . Protesgruppens lipoat ( alfa-liponsyrarest ) med aminosyran lysin är fäst vid E 2 , som binder med en amidbindning till ε- aminogruppen i lysinresten som är en del av E 2 . E2 består av tre funktionellt olika domäner : aminoterminal lipoyldomän innehållande en lysinrest som binder till ett lipoat; central E 1 - och E 3 - bindande domän ; en intern kärnacyltransferasdomän som innehåller de aktiva ställena för acyltransferaset . Jäst har en enda lipoyldomän i sin MPC, däggdjur har två och E. coli har tre. E 2 -domäner är länkade av länksekvenser bestående av 20–30 aminosyrarester, med alanin- och prolinrester varvat med laddade aminosyrarester [6] .
TPP binder till det aktiva centret E1 och FAD binder till det aktiva centret E3 . Dessutom inkluderar PDC-komplexet två regulatoriska proteiner - proteinkinas och fosfoproteinfosfatas . Denna grundläggande struktur av E1 -E2 - E3 förblev bevarad under evolutionen . Komplex av en sådan anordning är också involverade i andra reaktioner, till exempel oxidationen av α-ketoglutarat under Krebs-cykeln och oxidationen av α- ketosyror som bildas under det kataboliska utnyttjandet av grenade aminosyror: valin , isoleucin , leucin . I de studerade arterna är E 3 MPC identisk med E 3 av de två ovan nämnda komplexen. Den anmärkningsvärda likheten mellan proteinstrukturer, kofaktorer och reaktionsmekanismer som utförs av dessa komplex vittnar om gemensamheten av deras ursprung [1] . När lipoatet är fäst vid lysin E 2 bildas en lång, flexibel "arm", som kan röra sig från det aktiva centret E 1 till de aktiva centran E 2 och E 3 , det vill säga på avstånd antagligen 5 nm eller mer [ 7] .
Den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat inkluderar flera steg:
Den centrala rollen i reaktionen som utförs av PDC-komplexet spelas av lipoyllisin-"armarna" E 2 , som kan "svinga" och ta två elektroner från E 1 , såväl som acetylgruppen som bildas av pyruvat, och levererar elektroner till E 3 . Alla dessa enzymer och koenzymer sätts samman till ett komplex, på grund av vilket de mellanliggande föreningarna snabbt kan ingå i de nödvändiga reaktionerna och utan att diffundera från enzymkomplexets yta. På grund av detta lämnar inte intermediärföreningarna komplexet och en mycket hög lokal koncentration av substratet E2 upprätthålls . Det förhindrar också att den aktiverade acetylgruppen tas upp av andra enzymer som använder den som substrat [8] .
Organiska föreningar som innehåller arsenik är PDC-hämmare, eftersom de interagerar med tiolgrupperna i E 2 lipoylgruppen reducerad under den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat och blockerar deras normala funktion [9] .
Hos däggdjur undertrycks MPC starkt av ATP, såväl som av reaktionsprodukterna: acetyl-CoA och NADH. Allosterisk hämning av pyruvatoxidation förstärks avsevärt i närvaro av långkedjiga fettsyror . AMP, CoA och NAD + ackumuleras när för lite acetat kommer in i Krebs-cykeln, aktiverar allosteriskt MPC-komplexet. Således hämmas enzymkomplexet när det finns tillräckligt med acetyl-CoA eller råmaterial (fettsyror) för att utföra alternativa vägar för bildning av acetyl-CoA, och förhållandena mellan [ATP]/[ADP] och [NADH]/ [NAD + ] är tillräckligt stora. Tvärtom, med ett stort energibehov och behovet av mer acetyl-CoA för Krebs-cykelns funktion, aktiveras MPC [10] .
Hos däggdjur läggs en andra nivå av reglering till dessa allosteriska mekanismer: den kovalenta modifieringen av proteinet. PDC-komplexet hämmas av reversibel fosforylering vid specifika serinrester på en av de två E 1 -subenheterna . Det har tidigare noterats att, förutom El- , E2- och E3 - subenheterna i däggdjur, inkluderar PDC-komplexet två regulatoriska proteiner vars enda syfte är att reglera aktiviteten hos komplexet. Ett specifikt proteinkinas fosforylerar och inaktiverar därigenom E 1 , medan ett specifikt fosfoproteinfosfatas tar bort fosfatgrupper genom hydrolys och aktiverar därigenom E 1 . Kinaset aktiveras allosteriskt av ATP: när koncentrationen av ATP är hög (vilket indikerar tillräcklig energi i cellen), inaktiveras PDC-komplexet av E 1 -fosforylering . När [ATP] reduceras minskar kinasaktiviteten och fosfatas tar bort fosfatgrupper från E 1 , vilket aktiverar komplexet [11] .
Växt - MPC-komplexet , beläget i mitokondriella matrisen och plastider , undertrycks av dess aktivitetsprodukter - NADH och acetyl-CoA. Växtens mitokondriella enzym regleras också av reversibel fosforylering: pyruvat hämmar kinaset, aktiverar PDC, medan NH4 + stimulerar kinaset och inaktiverar komplexet. I E. coli regleras MPC allosteriskt av en mekanism som liknar den hos däggdjur, men verkar inte regleras av fosforylering [11] .
Fyra vitaminer (tiamin, riboflavin, niacin, pantotensyra), från vilka MPC-koenzymer bildas, måste finnas i människans kost [4] . Dessutom kan mutationer i generna som kodar för subenheterna av MPC, liksom brist på tiamin i kosten, få mycket allvarliga konsekvenser. Djur som saknar tiamin kan inte oxidera pyruvat normalt. Detta är särskilt viktigt för hjärnan , som normalt får energi från den aeroba oxidationen av glukos , en process som nödvändigtvis involverar oxidation av pyruvat.
Beriberi - en sjukdom som utvecklas med brist på tiamin - kännetecknas av störningar i nervsystemets funktioner . Denna sjukdom förekommer vanligen i mänskliga populationer vars diet huvudsakligen består av vitt (skal) ris , avskalat från skalet, som innehåller det mesta av tiaminen i ris. Tiaminbrist kan också utvecklas hos personer som konsumerar alkohol regelbundet, eftersom det mesta av energin de får kommer från "tomma kalorier " av renad alkohol, utan vitaminer. Förhöjda nivåer av pyruvat i blodet är ofta en indikator på störningar i pyruvatoxidation på grund av en av ovanstående orsaker [12] .
I vissa mikroorganismer kan omvandlingen av pyruvat till acetyl-CoA (eller andra produkter) utföras på andra sätt än vad som beskrivits ovan (PDC-komplexet används av aerober ). Dessa transformationer kan vara: