ในบทความนี้ เราจะพยายามอธิบายให้เข้าใจได้ว่า pyruvate dehydrogenase complex คืออะไร และชีวเคมีของกระบวนการนี้คืออะไร เพื่อแสดงองค์ประกอบของเอ็นไซม์และโคเอ็นไซม์ เพื่อระบุบทบาทและความสำคัญของความซับซ้อนนี้ในธรรมชาติ และชีวิตมนุษย์ นอกจากนี้จะพิจารณาถึงผลที่เป็นไปได้ของการละเมิดวัตถุประสงค์การใช้งานของคอมเพล็กซ์และเวลาที่ปรากฎ
แนะนำแนวคิด
Pyruvate dehydrogenase complex (PDH) เป็นคอมเพล็กซ์ประเภทโปรตีนที่มีหน้าที่ดำเนินการออกซิเดชันของไพรูเวตอันเป็นผลมาจากการดีคาร์บอกซิเลชัน คอมเพล็กซ์นี้มี 3 เอ็นไซม์และโปรตีนสองชนิดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานฟังก์ชั่นเสริม เพื่อให้สารเชิงซ้อนไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสทำงาน ต้องมีโคแฟกเตอร์บางอย่างอยู่ มีทั้งหมด 5 ชนิด ได้แก่ CoA, nicotinamide adenine dinucleotide, flavin adenine dinucleotide, thiamine pyrophosphate และ lipoate
การแปล PDH ในสิ่งมีชีวิตแบคทีเรียมีความเข้มข้นในไซโตพลาสซึม เซลล์ยูคาริโอตเก็บไว้ในเมทริกซ์บนไมโตคอนเดรีย
เกี่ยวข้องกับไพรูเวตดีคาร์บอกซิเลชั่น
ความสำคัญของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์อยู่ในปฏิกิริยาออกซิเดชันของไพรูเวต พิจารณาสาระสำคัญของกระบวนการนี้
กลไกการเกิดออกซิเดชันของไพรูเวตภายใต้อิทธิพลของดีคาร์บอกซิเลชันเป็นกระบวนการที่มีลักษณะทางชีวเคมี ซึ่งความแตกแยกของ CO2 โมเลกุลในเอกพจน์เกิดขึ้น แล้วสิ่งนี้ โมเลกุลถูกเติมเข้าไปในไพรูเวต ภายใต้การดีคาร์บอกซิเลชันและเป็นของโคเอ็นไซม์ A (CoA) นี่คือวิธีสร้าง acetyl-KoA ปรากฏการณ์นี้อยู่ตรงกลางระหว่างกระบวนการไกลโคไลซิสและวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก กระบวนการของไพรูเวตไดคาร์บอกซิเลชันดำเนินการโดยการมีส่วนร่วมของ MPC ที่ซับซ้อน ซึ่งตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ประกอบด้วยเอนไซม์สามตัวและโปรตีนเสริมสองตัว
บทบาทของโคเอ็นไซม์
สำหรับไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส คอมเพล็กซ์ เอนไซม์มีบทบาทสำคัญ อย่างไรก็ตาม พวกเขาสามารถเริ่มทำงานได้เมื่อมีโคเอ็นไซม์ห้าตัวหรือกลุ่มของประเภทเทียมที่ระบุไว้ข้างต้นเท่านั้น กระบวนการนี้จะนำไปสู่ความจริงที่ว่ากลุ่ม acyl จะรวมอยู่ใน CoA-acetyl เมื่อพูดถึงโคเอ็นไซม์ คุณต้องรู้ว่า 4 ในนั้นอยู่ในอนุพันธ์ของวิตามิน ได้แก่ ไทอามีน ไรโบฟลาวิน ไนอาซิน และกรดแพนโทธีนิก
ฟลาวินา อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ และ นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน และไทอามีน ไพโรฟอสเฟต ที่รู้จักกันในหลายๆไพรูเวต ดีคาร์บอกซิลิก โคเอ็นไซม์ เข้าสู่ปฏิกิริยาการหมัก
การเปิดใช้งานกลุ่ม thiol
Acetylation coenzyme (A) - มีกลุ่ม thiol-type (-SH) ซึ่งมีความว่องไวมาก มันเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นสำหรับ CoA ที่จะทำหน้าที่เป็นสารที่สามารถถ่ายโอนหมู่ acyl ไปยัง thiol และรูปแบบ ธีโออีเธอร์ เอสเทอร์ของไทออล (ไธโออีเทอร์) มีอัตราพลังงานไฮโดรไลซิสที่ค่อนข้างสูงในธรรมชาติอิสระ ดังนั้นจึงมีศักยภาพสูงในการถ่ายโอนหมู่อะซิลไปยังโมเลกุลของตัวรับที่หลากหลาย นั่นคือเหตุผลที่ acetyl CoA ถูกเรียกเป็นระยะ CH3COOH.
การถ่ายโอนอิเล็กตรอน
นอกจากโคแฟคเตอร์สี่ตัวที่เป็นอนุพันธ์ของวิตามินแล้ว ยังมีโคแฟกเตอร์ที่ 5 ของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์ที่เรียกว่าไลโปเอต มีกลุ่มไทออล 2 กลุ่มที่สามารถเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบย้อนกลับได้ ซึ่งส่งผลให้เกิดพันธะไดซัลไฟด์ (-S-S-) ซึ่งคล้ายกับกระบวนการนี้ดำเนินการระหว่างกรดอะมิโนและซิสเทอีนตกค้างในโปรตีน ความสามารถในการออกซิไดซ์และการกู้คืนทำให้ lipoate สามารถเป็นพาหะไม่เฉพาะของกลุ่ม acyl เท่านั้น แต่ยังรวมถึงอิเล็กตรอนด้วย
ชุดเอนไซม์
ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์ประกอบด้วยสามองค์ประกอบหลักในเอ็นไซม์ เอนไซม์แรกคือ ไพรูเวต ดีไฮโดรซีเนส (E1) เอนไซม์ที่สองคือไดไฮโดรไลโปอิล ดีไฮโดรจีเนส (E3). ที่สามคือ dihydrolipoyltransacetylase (E2) ไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส คอมเพล็กซ์ประกอบด้วยเอ็นไซม์เหล่านี้ โดยจัดเก็บไว้เป็นสำเนาจำนวนมาก จำนวนสำเนาของเอนไซม์แต่ละตัวอาจแตกต่างกัน ดังนั้นขนาดของสารเชิงซ้อนจึงแตกต่างกันอย่างมาก PDH complex ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 50 นาโนเมตร ซึ่งใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของไรโบโซม 5-6 เท่า คอมเพล็กซ์ดังกล่าวมีขนาดใหญ่มาก จึงสามารถแยกความแตกต่างได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
แบคทีเรียบาซิลลัส สเตียโรเทอร์โมฟิลัส แกรมบวกมีไดไฮโดรไลโปอิล ทรานสอะเซทิเลสที่เหมือนกันหกสิบชุดใน PDH ซึ่งจะสร้างรูปห้าเหลี่ยมประเภทห้าเหลี่ยมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 นาโนเมตร แบคทีเรียแกรมบวก Escherichia coli มี E2 แมว ติดกลุ่มเทียมของไลโปเอตไว้กับตัวมันเอง และสร้างพันธะประเภทเอไมด์กับกลุ่มอะมิโนของไลซีนที่ตกค้างอยู่ใน E2.
Dihydrolipoyltransacetylase สร้างขึ้นโดยการทำงานร่วมกันของ 3 โดเมนที่มีความแตกต่างในการทำงาน เหล่านี้คือ: โดเมนอะมิโนเทอร์มินัลไลโปอิลที่มีไลซีนเรซิดิวและเกี่ยวข้องกับไลโปเอต โดเมนที่มีผลผูกพัน (E1- และ E3-); โดเมน acyltransferase ภายใน ซึ่งรวมถึงศูนย์ acyltransferase ชนิดที่ใช้งาน
ยีสต์ pyruvate dehydrogenase complex มีโดเมนประเภท lipoyl เพียงโดเมนเดียว สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีโดเมนดังกล่าว 2 โดเมน และแบคทีเรีย Escherichia coli มีสามโดเมน ลำดับตัวเชื่อมโยงของกรดอะมิโนที่เป็นจากส่วนที่เหลือของกรดอะมิโนยี่สิบถึงสามสิบตัว แบ่ง E2 ในขณะที่อะลานีนและโพรลีนเรซิดิวจะกระจายไปด้วยเรซิดิวกรดอะมิโนที่ถูกประจุ ตัวเชื่อมโยงเหล่านี้มักมีรูปร่างแบบขยาย คุณลักษณะนี้ส่งผลต่อข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขาแชร์ 3 โดเมน
ความสัมพันธ์ของแหล่งกำเนิด
E1 สร้างการเชื่อมต่อกับ TTP ด้วยศูนย์ที่ทำงานอยู่ และศูนย์ที่ทำงานอยู่ E3 สร้างการเชื่อมต่อกับ FAD ร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยเอ็นไซม์ E1 ในรูปของเตตระเมอร์ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยย่อยสี่: E1อัลฟาและสอง E 1 เบต้า โปรตีนควบคุมถูกนำเสนอในรูปแบบของโปรตีนไคเนสและฟอสโฟโปรตีนฟอสฟาเตส โครงสร้างแบบนี้ (E1- E2- E 3) ยังคงเป็นองค์ประกอบของการอนุรักษ์ในการสอนแบบวิวัฒนาการ คอมเพล็กซ์ที่มีโครงสร้างและโครงสร้างคล้ายคลึงกันสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่หลากหลายซึ่งแตกต่างจากปฏิกิริยามาตรฐาน ตัวอย่างเช่น เมื่อ α-ketoglutarate ถูกออกซิไดซ์ระหว่างวงจร Krebs กรด α-keto ก็จะถูกออกซิไดซ์เช่นกัน ซึ่งเกิดขึ้นจากการใช้ catabolic ของกรดอะมิโนชนิดกิ่ง: วาลีน ลิวซีน และไอโซลิวซีน
ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์มีเอ็นไซม์ E3 ซึ่งพบได้ในสารเชิงซ้อนอื่นๆ ความคล้ายคลึงกันของโครงสร้างโปรตีน โคแฟกเตอร์ และกลไกปฏิกิริยายังชี้ไปที่แหล่งกำเนิดทั่วไป lipoate ติดอยู่กับไลซีน E2 และ "มือ" ชนิดหนึ่งถูกสร้างขึ้นซึ่งสามารถย้ายจากศูนย์กลางที่ทำงานอยู่ E1 ไปยัง ศูนย์ที่ใช้งาน E 2 และE3 ซึ่งมีความยาวประมาณ 5 นาโนเมตร
ยูคาริโอตในไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์มีสิบสองหน่วยย่อยของ E3BP (E3 – โปรตีนจับของธรรมชาติที่ไม่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) ไม่ทราบตำแหน่งที่แน่นอนของโปรตีนนี้ มีสมมติฐานว่าโปรตีนนี้แทนที่ชุดย่อยของ subed บางตัว E2 ในวัว PDH.
การสื่อสารกับจุลินทรีย์
คอมเพล็กซ์ที่ถือว่ามีอยู่ในแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนบางชนิด อย่างไรก็ตาม จำนวนของแบคทีเรียที่มี PDH ในโครงสร้างของพวกมันมีน้อย ฟังก์ชั่นที่ดำเนินการโดยคอมเพล็กซ์ในแบคทีเรียตามกฎจะลดลงเป็นกระบวนการทั่วไป ตัวอย่างเช่น บทบาทของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสเชิงซ้อนในแบคทีเรีย Zymonomonas mobilis คือการหมักด้วยแอลกอฮอล์ แบคทีเรียไพรูเวทในปริมาณมากถึง 98% จะถูกใช้จนหมดเพื่อวัตถุประสงค์ดังกล่าว อีกไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่เหลือจะถูกออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ อะเซทิล-โคเอ ฯลฯ โครงสร้างของไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนสเชิงซ้อนในไซโมโมนาส โมบิลิสนั้นน่าสนใจ จุลินทรีย์นี้มีสี่เอ็นไซม์: E1alpha, E1beta, E2 และ E 3. PDH ของแบคทีเรียนี้มีโดเมน lipoyl ภายใน E1beta ซึ่งทำให้เป็นเอกลักษณ์ แก่นของคอมเพล็กซ์คือ E2 และการจัดระเบียบของคอมเพล็กซ์นั้นมีรูปห้าเหลี่ยมห้าเหลี่ยม Zymomonas mobilis ไม่มีเอ็นไซม์ครบชุดของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ดังนั้น PDH ของมันจึงทำงานเฉพาะในหน้าที่ของอะนาโบลิกเท่านั้น
PDH ในผู้ชาย
มนุษย์ก็เหมือนสิ่งมีชีวิตอื่นๆมียีนที่เข้ารหัส PDH ยีน E1alpha – PDHA 1 ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นบนโครโมโซม X ถึงความบกพร่องของ PDH อาการของโรคอาจแตกต่างกันอย่างมากจากปัญหากรดแลคติกที่ไม่รุนแรงไปจนถึงความผิดปกติร้ายแรงในการพัฒนาร่างกาย ผู้ชายที่มีโครโมโซม X มีอัลลีลที่คล้ายกันจะตายในวัยหนุ่มสาวในไม่ช้า ผู้หญิงก็ได้รับผลกระทบจากโรคนี้เช่นกัน แต่ในระดับที่น้อยกว่า และปัญหาก็คือการหยุดทำงานของโครโมโซม X ใดๆ
ปัญหาของการกลายพันธุ์
E1beta - PDHB - ตั้งอยู่บนโครโมโซมที่สาม ยีนนี้รู้จักอัลลีลประเภทมิวแทนท์เพียง 2 อัลลีล ซึ่งอยู่ในตำแหน่งที่เป็นโฮโมไซกัส นำไปสู่ผลร้ายแรงตลอดทั้งปี ซึ่งสัมพันธ์กับความผิดปกติ
อาจมีอัลลีลที่คล้ายกันอื่นๆ ที่อาจทำให้เสียชีวิตได้ก่อนที่ร่างกายจะพัฒนาเต็มที่ E2 - DLAT - เน้นที่โครโมโซมที่สิบเอ็ด มนุษยชาติรู้เกี่ยวกับอัลลีลสองอัลลีลของยีนนี้ที่จะสร้างปัญหาในอนาคต แต่อาหารที่เหมาะสมสามารถชดเชยสิ่งนี้ได้ มีโอกาสสูงที่ทารกในครรภ์จะตายภายในมดลูกเนื่องจากการกลายพันธุ์อื่นๆ ในยีนนี้ E3 - dld - ตั้งอยู่บนโครโมโซมที่เจ็ดและมีอัลลีลจำนวนมาก พอส่วนใหญ่นำไปสู่โรคที่มีลักษณะทางพันธุกรรมซึ่งจะเกี่ยวข้องกับการละเมิดการเผาผลาญกรดอะมิโน
สรุป
เราได้พิจารณาถึงความสำคัญของไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส คอมเพล็กซ์สำหรับสิ่งมีชีวิตแล้ว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในนั้นมุ่งเป้าไปที่การดีคาร์บอกซิเลชันของไพรูเวตโดยออกซิเดชันเป็นหลัก และ PDH เองก็มีความเชี่ยวชาญอย่างมาก แต่ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันด้วยเหตุผลบางประการ มันสามารถทำหน้าที่ในลักษณะที่แตกต่างกันได้ เช่น มีส่วนร่วมในการหมัก นอกจากนี้เรายังพบว่าสารเชิงซ้อนประเภทโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันของไพรูเวตประกอบด้วยเอ็นไซม์ห้าตัวที่ยังคงทำงานได้เฉพาะเมื่อมีโคแฟกเตอร์ห้าตัวเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงอัลกอริธึมของกลไกที่ซับซ้อนของดีคาร์บอกซิเลชันอาจทำให้เกิดโรคร้ายแรงและอาจทำให้เสียชีวิตได้