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.Horton ym. Principles of Biochemistry. Upper Saddle River. NJ: Prentice Hall. 2005.

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 

 Entsyymi		                     Lyhenne          Prosteettinen ryhmä       Katalysoitu reaktioStryer ym. Biochemistry. New York: W. H. Freeman. 1999. pyruvaattidehydrogenaasi (pyruvaatti-lipoamidi-2-oksidoreduktaasi) E1  TPP  pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio	 dihydrolipoyylitransasetylaasi (asetyyli-koentsyymiA-dihydrolipoamidi-S-asetyylitransferaasi) E2  Lipoamidi  asetyyliryhmän siirtäminen Ko-A:lle	 dihydrolipoyylidehydrogenaasi  (dihydrolipoamidi-NAD+-oksidoreduktaasi) E3 FAD  lipoamidin regeneraatio

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 

Luokka:Oksidoreduktaasit