Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi

Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi on entsyymisarja, joka katalysoi pyruvaatin hapettumista asetyylikoentsyymi-A:ksi (pyruvaatin dekarboksylaatio/oksidatiivinen dekarboksylaatio). Asetyyli-KoA on sitruunahappokierron pääsubstraatti. Pyruvaatti on kolmehiilinen molekyyli, josta reaktiossa lohkaistaan irti yksi hiiliatomi ja jäljelle jääneeseen kaksihiiliseen molekyyliin liitetään koentsyymi-A, jolloin muodostuu asetyyli-KoA. Asetyyli-KoA on yhteinen välivaihe glukoosin ja rasvahappojen hapetuksessa ja sen jatkokäsittely tapahtuu sitruunahappokierrossa.

Reaktiota, jossa pyruvaatti muuttuu asetyyli-KoA:ksi katalysoi iso kompleksi entsyymejä ja kofaktoreita. Tätä kompleksia kutsutaan pyruvaattidehydrogenaasikompleksiksi. Eukaryoottisoluissa pyruvaattidehydrogenaasikompleksi on suurin tunnettu multientsyymikompleksi ja kooltaan useita kertoja ribosomia suurempi. Kompleksi sisältää kolmea eri entsyymiä: E1, E2 ja E3.  Pyruvaatin dekarboksylaatio tapahtuu mitokondrion matriisissa. Matriisi sisältää myös tarvittavat entsyymit.

Kompleksin entsyymit ja niiden tehtävät 

Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi sisältää useita kopioita kolmesta erillisestä entsyymistä. Kompleksin entsyymit ovat E1 eli pyruvaattidehydrogenaasi, E2 eli dihydrolipoamidi-asetyylitransferaasi ja E3 eli dihydrolipoamidi-dehydrogenaasi. Pyruvaattidehydrogenaasi-entsyymin prosteettinen ryhmä on tiamiinipyrofosfaatti eli TPP. Dihydrolipoamidi-asetyylitransferaasin prosteettinen ryhmä on lipoamidi ja dihydrolipoamidi-dehydrogenaasin prosteettinen ryhmä on FAD.

Kokonaisreaktion kulku

Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio voidaan jaotella viiteen vaiheeseen. Ensimmäisessä vaiheessa pyruvaatti liittyy E1:n prosteettiseen ryhmään, TPP:iin, jolloin hiilidioksidi lohkeaa pois ja muodostuu hydroksietyyli-tiamiinipyrofosfaatti. 

Pyruvaatti + E1 + TPP + H+ → Hydroksietyylitiamiinipyrofosfaatti + E1 + CO2

Toisessa vaiheessa tämä kaksihiilinen hydroksietyyli-TPP-ryhmä siirretään E2-entsyymin lipoamidiryhmälle ja liitetään tämän koentsyymin toiseen rikkihydryyliryhmään. Muodostuu asetyylidihydrolipoamidi ja TPP irtoaa. 

Hydroksietyylitiamiinipyrofosfaatti + E2 + lipoamidi → Asetyylidihydrolipoamidi + TPP + E2

Kolmannessa vaiheessa, jota E2-entsyymi katalysoi, asetyyliryhmä siirretään koentsyymi-A:lle (HS-KoA) ja muodostetaan asetyyli-koentsyymiA. Lipoamidi jää tässä vaiheessa vielä pelkistyneeseen ditioli (dihydrolipoamidi) muotoon. 

Hydroksietyylitiamiinipyrofosfaatti + E2 + HS-KoA → Dihydrolipoamidi + E2 + Asetyyli-KoA

Neljännessä vaiheessa E2-entsyymin pelkistynyt lipoamidi täytyy regeneroida eli hapettaa uusia reaktioita varten. Tämä saadaan aikaan siirtämällä kaksi protonia ja kaksi elektronia lipoamidin ditioli-muodolta E3-entsyymin prosteettiselle ryhmälle eli FAD:lle, jolloin se pelkistyy FADH 2:ksi ja näin dihydrolipoamidista saadaan taas lipoamidi. 

Dihydrolipoamidi + E3 + FAD → Lipoamidi + E3-FADH2

Viidennessä vaiheessa E3 - FADH 2 pelkistetään. Tämä tapahtuu NAD+:n avulla. 

E3-FADH2 + NAD+ → E3-FAD + NADH + H+

Tämä reaktio päättää katalyyttisen syklin ja regeneroi pyruvaattidehydrogensaasikompleksin.

Kompleksin säätely 

Jotta elimistö saisi pyruvaatista energiaa sitruunahappokierron kautta, täytyy pyruvaatti muuttaa kompleksin avulla asetyyli-koentsyymiA:ksi. Luonnollista on, että tilassa, jossa energiaa on paljon, kompleksin aktiivisuutta inhiboidaan. Niukassa energiatilanteessa kompleksin aktivointi taas on ensisijaista. 

Pyruvaattidehydrogenaasikompleksia inhiboivat allosteerisesti lopputuotteet NADH ja asetyyli-KoA. NADH inhiboi E3 - entsyymiä ja asetyyli-KoA E2-entsyymiä.  E3-entsyymiä aktivoi puolestaan NAD+ ja E2-entsyymiä HS-KoA. 

Nisäkkäillä allosteerisen säätelyn lisäksi esiintyy kovalenttisen modifikaation avulla tapahtuva säätely. Pyruvaattidehydrogenaasikinaasi (PDK) katalysoi E1-entsyymin fosforylointia ja siten inaktivoi sen toimintaa. PDK:n toimintaa aktivoivat NADH ja asetyyli-KoA. Tätä kinaasia puolestaan inaktivoivat HS-KoA, ADP, pyruvaatti ja NAD+. 

Pyruvaattidehydrogenaasifosfataasi (PDP) katalysoi E1-entsyymin defosforylointia eli aktivoi entsyymin toimintaa. Ca2+-konsentraation kohoaminen aktivoi PDP:tä.

Lähteet

Aiheesta muualla
Pyruvate Dehydrogenase Complex

Oksidoreduktaasit