U ovom članku pokušaćemo na pristupačan način objasniti šta je kompleks piruvat dehidrogenaze i biohemiju 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 njihovog pojavljivanja.
Uvod u koncept
Piruvat dehidrogenazni kompleks (PDH) je kompleks proteinskog tipa čija je uloga da izvrši oksidaciju piruvata kao rezultat dekarboksilacije. Ovaj kompleks sadrži 3 enzima, kao i dva proteina neophodna za realizaciju 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 ćelije ga pohranjujuu matriksu na mitohondrijama.
Povezano sa dekarboksilacijom piruvata
Značaj kompleksa piruvat dehidrogenaze leži u reakciji oksidacije piruvata. Razmotrite suštinu ovog procesa.
Mehanizam oksidacije piruvata pod uticajem dekarboksilacije je proces biohemijske prirode, u kojem dolazi do cijepanja CO2 molekula u jednini, a zatim molekul se dodaje piruvatu, podvrgava se 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 odvija se uz učešće kompleksnog 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 u prisustvu pet koenzima ili grupa protetskog tipa koje su gore navedene. Sam proces će na kraju dovesti do činjenice da će acilna grupa biti uključena u CoA-acetil. Kada govorimo o koenzimima, morate znati da četiri od njih pripadaju vitaminskim derivatima: tiamin, riboflavin, niacin i pantotenska kiselina.
Flavina adenin dinukleotid i nikotinamid adenin dinukleotid su uključeni u prijenos elektrona, a tiamin pirofosfat, mnogima poznat kaopiruvat dekarboksilni koenzim, ulazi u reakcije fermentacije.
Aktivacija tiol grupe
Acetilacijski koenzim (A) - sadrži grupu tiolnog tipa (-SH), koja je vrlo aktivna, kritična je i neophodna da CoA funkcionira kao supstanca koja može prenijeti acilnu grupu na tiol i formirati tioeter. Esteri tiola (tioeteri) imaju prilično visoku brzinu hidrolizne energije slobodne prirode, stoga imaju visok potencijal za prijenos acil grupe na različite akceptorske molekule. Zbog toga se acetil CoA periodično naziva aktivirani CH3COOH.
Electron transfer
Pored četiri kofaktora koji su derivati vitamina, postoji i 5. kofaktor kompleksa piruvat dehidrogenaze, koji se zove lipoat. Ima 2 grupe 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 ostataka cisteina u proteinima. Sposobnost oksidacije i oporavka daje lipoatu sposobnost da bude nosilac ne samo acilne grupe, 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 značajno varirati. PDH kompleks kod sisara je oko 50 nanometara u prečniku. Ovo je 5-6 puta veće od prečnika ribozoma. Takvi kompleksi su veoma veliki, pa se mogu razlikovati u elektronskom mikroskopu.
Gram-pozitivna bakterija bacillus stearothermophilus ima šezdeset identičnih kopija dihidrolipoil transacetilaze u svom PDH, koje zauzvrat stvaraju dodekaedar pentagonalnog tipa prečnika približno 25 nanometara. Gram-pozitivna bakterija Escherichia coli sadrži dvadeset i četiri kopije E2, kat. pričvršćuje protetsku grupu lipoata na sebe i uspostavlja vezu amidnog tipa sa amino grupom lizinskog ostatka uključenom u E2.
Dihidrolipoiltransacetilaza je izgrađena interakcijom 3 domena koji imaju funkcionalne razlike. To su: aminoterminalni lipoil domen koji sadrži lizinski ostatak i povezan je sa lipoatom; vezujući domen (centralni E1- i E3-); interna domena aciltransferaze, koja uključuje centre aciltransferaze aktivnog tipa.
Kompleks piruvat dehidrogenaze kvasca ima samo jednu domenu lipoilnog tipa, sisari imaju dva takva domena, a bakterija Escherichia coli tri. Linker sekvenca aminokiselina koje suod dvadeset do trideset aminokiselinskih ostataka, dijeli E2, dok su ostaci alanina i prolina isprepleteni aminokiselinskim ostacima koji su nabijeni. Ovi linkeri najčešće imaju proširene oblike. Ova karakteristika utiče na činjenicu da dijele 3 domene.
Odnos porijekla
E1 uspostavlja vezu sa TTP-om sa svojim aktivnim centrom, a aktivni centar E3 uspostavlja vezu sa FAD-om. Ljudsko tijelo sadrži enzim E1 u obliku tetramera, koji se sastoji od četiri podjedinice: dvije E1alfa 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 evolucionom učenju. Kompleksi slične strukture i strukture mogu sudjelovati u raznim reakcijama koje se razlikuju od standardnih, na primjer, kada se α-ketoglutarat oksidira tokom 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 takođe nalazi u drugim kompleksima. Sličnost strukture proteina, kofaktora i mehanizama reakcija ukazuje na zajedničko porijeklo. Lipoat se vezuje za lizin E2 i stvara se neka vrsta “ruke” koja može da se kreće 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 – vezujući protein nekatalitičke prirode). Tačna lokacija ovog proteina nije poznata. Postoji hipoteza da ovaj protein zamjenjuje neki podskup podskupina. E2 u kravlji PDH.
Komunikacija s mikroorganizmima
Razmatrani kompleks je svojstven 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 se oksidira 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 lipoil domen unutar E1beta, što je čini jedinstvenom. Jezgro kompleksa je E2, a sama organizacija kompleksa ima oblik pentagonalnog dodekaedra. Zymomonas mobilis nema čitav 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 je lokalizovan na X hromozomu zbog nedostatka PDH. Simptomi bolesti mogu uvelike varirati od blagih problema laktacidoze do smrtonosnih malformacija u razvoju tijela. Muškarci čiji X hromozom uključuje sličan alel uskoro će umrijeti u vrlo mladoj dobi. Žene su takođe pogođene ovom bolešću, ali u manjoj meri, a sam problem je inaktivacija bilo kog X hromozoma.
Problemi mutacija
E1beta - PDHB - nalazi se na trećem hromozomu. Za ovaj gen su poznata samo dva alela mutantnog tipa, koji, budući da su u homozigotnoj poziciji, dovode do smrtnog ishoda tokom cijele godine, što je povezano sa malformacijama.
Vjerovatno postoje i drugi slični aleli koji mogu uzrokovati smrt prije potpunog razvoja organizma. E2 - DLAT - koncentrisan na jedanaestom hromozomu. Čovječanstvo zna za dva alela ovog gena koji će stvarati probleme u budućnosti, ali pravilna ishrana to može nadoknaditi. Postoji velika šansa da će fetus umrijeti u maternici zbog drugih mutacija u ovom genu. E3 - dld - nalazi se na sedmom hromozomu i uključuje veliki broj alela. Dostaveliki postotak njih dovodi do pojave bolesti genetske prirode, koje će biti povezane sa 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 visokospecijaliziran, 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 su uključeni u oksidaciju piruvata sastoje od pet enzima koji ostaju funkcionalni samo u prisustvu pet kofaktora. Svaka promjena u algoritmu složenog mehanizma dekarboksilacije može uzrokovati ozbiljne patologije, pa čak i dovesti do smrti pojedinca.
