酸化的脱炭酸

酸化的脱炭酸反応は、酸化によって引き起こされる脱炭酸反応である。ほとんどはα-ケトグルタル酸を伴い、α-カルボニルカルボキシルリンゴ酸、イソクエン酸などのヒドロキシカルボン酸の 脱水素によって起こる脱炭酸である^[1]。

ピルビン酸脱水素酵素系によって触媒されるピルビン酸触媒反応は、一般的な脱炭酸反応、つまり通常の脱炭酸とは異なる、特殊な脱炭酸方法、つまり酸化脱炭酸です。

酸化的脱炭酸反応は、ピルビン酸脱水素酵素系によって触媒され、この系には3つの異なる酵素（ピルビン酸脱水素酵素（E1）、ジヒドロリポアミドアセチルトランスフェラーゼ（E2）、ジヒドロリポアミド脱水素酵素（E3）、6つの補因子（チアミンピロリン酸（TPP）、リポアミド、コエンザイムA（CoA）、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）、マグネシウムイオン）と1つの補基質（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD +））が含まれます。^[2]

反応中、E1はピルビン酸の脱炭酸に関与し、反応後にTPPがアセチル基を結合する。アセチル基のカルボニル基はTPPのチアゾール環上の炭素陰イオンのカルボニル基と反応してヒドロキシエチルを形成する。次に、E2の触媒作用により、TPPはヒドロキシエチルをリポアミドに送り、リポアミドはアセチルに再酸化されてチオエステル結合を生成する。このとき、化合物はアセチルジヒドロリポアミドであり、次にE2によって触媒され、アセチルが転移してアセチルCoAを形成する。上記の反応はすべて脱炭酸反応のみを伴い、Hの移動を伴わないが、ピルビン酸脱水素酵素システムの実際の脱水素効果は、次の反応ステップに反映される。アセチル基のないアセチルジヒドロリポアミドは失われ、つまり、ジヒドロリポアミドはリポアミドに再酸化されて初めて再び反応に関与する。このとき、E3 は触媒反応に参加する必要があり、ジヒドロリポアミドから除去された水素は FAD に転移して FADH2 になり、FADH2 はNAD+ と反応してNADHと H+ を生成します。

まとめると、酸化脱炭酸反応では、酸化反応と脱炭酸反応の両方が起こります。

単純な脱炭酸反応の場合、この反応に関与する酵素はピルビン酸脱炭酸酵素であり、酸化的脱炭酸とは異なります。反応中、ピルビン酸はTPPのチアゾール環に直接結合し、結合後にピルビン酸のカルボキシル基が除去されて二酸化炭素が発生します。その後、TPPからヒドロキシエチルが分離され、アセトアルデヒドが生成されます。^[2]

好気的条件下での解糖の産物であるピルビン酸は、代謝の分岐点です。解糖からクエン酸回路までの好気的代謝の中心経路をたどる準備として、ピルビン酸のさまざまな運命を検討することで、ピルビン酸を総合的に評価します。また、生化学における一般的なカルボキシル化および脱カルボキシル化反応のより広い文脈についても検討します。

少なくとも現時点での目的において、ピルビン酸の最も重要な運命は、アセチル CoA への酸化脱炭酸反応です。この反応は、ピルビン酸脱水素酵素複合体(PDH 複合体、または単に「PDH」と呼ばれることが多い) と呼ばれる酵素サブユニットの非常に大きな集合体によって触媒されます。この大きな超分子集合体には、3 つの異なるタイプのサブユニットの複数のコピーが含まれています。これらのサブユニットは、全体的な反応のさまざまな段階を触媒します。PDH 複合体の動作の中心となるのは、重要な触媒補因子であるチアミンピロリン酸(TPP) です。この並外れて重要な補因子の化学を詳しく調べます。^[3]

_{カルボキシル化反応を基質分子への CO 2}ユニットの付加、脱炭酸反応を CO ₂の喪失と定義しましょう。脱炭酸反応は、1 つの分子を 2 つに分解し、そのうちの 1 つがガスとなるエントロピー寄与により、通常、熱力学的に非常に有利です。逆に、カルボキシル化反応はエネルギーを必要とすることが予想され、ATP 加水分解がカルボキシル化と連動していることは驚くべきことではありません。生化学における最も顕著なカルボキシル化反応は、ビオチン依存性カルボキシラーゼと RuBisCO によって触媒されます。^[4]

代謝における脱炭酸は、非酸化的または酸化的のいずれかになります。β-ケト酸の脱炭酸は比較的容易ですが、α-ケト酸の脱炭酸はメカニズム的に困難です。チアミンピロリン酸(TPP) は、生化学的および酵素学的な答えを提供します。

TPP は、α-ケト酸の非酸化的および酸化的脱炭酸を触媒する酵素が使用する重要な触媒補因子です。たとえば、ピルビン酸は両方のタイプの脱炭酸を受けますが、どちらも TPP が関与しています。発酵生物では、ピルビン酸は TPP 依存性酵素ピルビン酸脱炭酸酵素によって非酸化的に脱炭酸されます。PDH 複合体の一部として、TPP はピルビン酸の酸化的脱炭酸を補助します。TPP は真の触媒補因子です。そのすべての反応に共通する機構的特徴として、TPP は活性化アルデヒド部分のキャリアです。TPP のチアゾール環の C2 炭素に結合した水素は、異常に低い pKa を示します。脚気疾患の根底にはチアミン欠乏があります。

酸化代謝はピルビン酸のさらなる異化を伴います。ピルビン酸脱水素酵素（PDH複合体）は、ピルビン酸からアセチルCoAを生成する酸化的脱炭酸反応を実行します。PDH複合体は解糖系とクエン酸回路をつなぐ役割を果たし、酸化代謝に必要です。PDHの活性には、3つの異なる酵素、4つの活性、および5つの異なる補因子が関与しています。^{[5] [6] [7]}

PDH 複合体のステップ:

（１）脱炭酸（E1、ヒドロキシエチルTPPの形成）

（２）酸化（アセチル基のリポアミドへの転移）

（３）アセチルリポアミドからCoAへの アセチル基の転移）

（４）ジヒドロリポアミドのリポアミドへの酸化（E3、FAD、NAD+）

アセチル CoA はクエン酸回路に供給されます。この変換は、ピルビン酸の酸化的脱炭酸によってチオエステル生成物が生成され、ピルビン酸脱水素酵素複合体 (PDC と略されることもあります) として知られる複雑で魅力的な多酵素複合体によって実行されます。

3 つの異なる酵素の複数のコピーが超分子構造を構成し、α-ケト酸ピルビン酸を酢酸のチオエステル（補酵素 A を含む）に変換する 4 段階のプロセスと、NADH を生成する電子移動（酸化還元）反応を調整します。 5 つの補因子が複合体の反応に関与しています。 E1 はピルビン酸脱水素酵素で、チアミンピロリン酸（TPP）を補因子として使用してピルビン酸を脱炭酸し、残りのヒドロキシエチル断片を E2 に結合したリポアミド補因子に転移します。 これにより、アセチルリポアミドが形成されます。これは、リポアミドの還元（およびヒドロキシエチル断片の酸化）に相当し、その後、アセチル残基が補酵素 A に転移すると明らかになります。これはアセチル基転移酵素である E2 によって触媒され、ジヒドロリポアミドからリポアミドを再生するジヒドロリポイル脱水素酵素である E3 によって触媒されます。

左側から始めると、チアゾール環の異常に酸性の C2 から H+ が失われることで生じるカルバニオンである TPP補因子のチアゾリウム型がピルビン酸のカルボニル炭素を攻撃し、図の上部に示す付加化合物を形成する。この付加化合物は容易に脱炭酸 (二酸化炭素の損失) を受けることができ、生成物のヒドロキシエチル TPP は共鳴によって安定化される。次のステップは、TPP から酸化された形のリポアミド補因子へのヒドロキシエチル部分の転移である。ヒドロキシエチル基は電子が豊富であり、リポアミドとの反応で、事実上カルボキシルレベルの酸化まで酸化され、リポアミドは還元される。この反応は 2 つのステップに分けることができ、最初のステップでは、TPP に結合したヒドロキシエチル基の電子が豊富な炭素原子が、強力な求核剤として、酸化されたリポアミドの分子内ジスルフィドの比較的電子が不足している硫黄原子の 1 つを攻撃する。この結果、図の左下に示されているヘミチオケタールの形態の中間体が生成されます。次のステップでは、TPP が脱離基として離脱し、ヒドロキシエチル基への結合から電子を奪うと、ヒドロキシエチルは、都合よく配置された酵素由来の塩基の助けを借りて、結果として生じる水素イオンを受け入れる OH 結合から電子をリクルートします。この 2 つのステップの結果、チオエステル アセチル リポアミドが生成され、TPP 補因子が再生されます。これらの反応はすべて、PDH 複合体の E1、つまりピルビン酸デヒドロゲナーゼ成分によって触媒されます。

PDH 複合体の残りの化学反応は、図の下部に示されています。アセチル基は、複合体の成分である E2、つまりジヒドロリポイルトランスアセチラーゼの活性によって、還元型リポアミドから補酵素 A (CoA) に転移されます。これは、1 つのチオエステルから別のチオエステルへの等エネルギー変換です。遊離ジヒドロリポアミド (リポアミドの還元型) は再酸化される必要があり、これは PDH 複合体の成分である E3、つまりジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼの活性によって達成されます。E3 の補因子は、強固に結合したフラビンアデニンジヌクレオチド(FAD) 分子であることに注意してください。ジヒドロリポアミドからの電子は、FAD を介して NAD+ に転移され、NADH を形成します。通常の還元電位の順序では、NADH による FAD の還元はエネルギー的に好ましいプロセスであるため、これは注目に値します。どうやら、特定のタンパク質環境は、イオン化可能な基の pKa を乱すことができるのと同様に、酸化還元基の還元電位を乱すことができるようです。

非常によく似た一連の反応は、クエン酸回路の一部として、α-ケトグルタル酸脱水素酵素多酵素複合体によって実行されます。この複合体も組成と構造において PDH 複合体と密接に関連しており、同じ E3 成分と、ピルビン酸の代わりに基質として α-ケトグルタル酸に作用する E1 を使用します。この場合、E2 はスクシニルトランスフェラーゼであり、スクシニル CoA が生成物のチオエステルです。