ピルビン酸脱水素酵素複合体

ピルビン酸脱水素酵素複合体（PDC）は、ピルビン酸脱炭酸と呼ばれるプロセスによってピルビン酸をアセチルCoAに変換する3つの酵素の複合体です。^{[1]アセチルCoAはその後、}クエン酸回路で細胞呼吸を行うために使用され、この複合体は解糖代謝経路をクエン酸回路に結び付けます。ピルビン酸脱炭酸は、ピルビン酸の酸化も伴うため、「ピルビン酸脱水素酵素反応」としても知られています。^[2]

この多酵素複合体は、オキソグルタル酸脱水素酵素および分岐鎖オキソ酸脱水素酵素の多酵素複合体と構造的および機能的に関連しています。

ピルビン酸脱水素酵素複合体によって触媒される反応は次のとおりです。

E1サブユニットはピルビン酸脱水素酵素サブユニットと呼ばれ、ホモ二量体（大腸菌などでは2つの「α」鎖で構成）または2つの異なる鎖のヘテロ四量体（2つの「α」鎖と2つの「β」鎖）のいずれかです。マグネシウムイオンは、α鎖に位置する3つの極性アミノ酸残基（Asp、Asn、およびTyr）と、ピルビン酸の脱炭酸に直接関与するチアミン二リン酸（TPP）補因子と4配位複合体を形成します。^{[3] [4]}

原核生物と真核生物の両方におけるE2サブユニット、またはジヒドロリポイルアセチルトランスフェラーゼは、通常3つのドメインで構成されています。N末端ドメイン（リポイルドメイン）は、それぞれ約80アミノ酸の1～3個のリポイル基で構成されています。末梢サブユニット結合ドメイン（PSBD）は、E1およびE3サブユニットの他のドメインの選択的結合部位として機能します。最後に、C末端（触媒）ドメインは、アセチル基の転移とアセチルCoA合成を触媒します。^[5]ガンマプロテオバクテリアでは、24個のE2コピーがピルビン酸脱水素酵素複合体の立方コアを形成し、立方コア粒子の頂点に8つのE2ホモ三量体があります。

E3サブユニットはジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ酵素と呼ばれ、ジスルフィド結合に関与する2つのシステイン残基と活性部位のFAD補因子が酸化触媒としての主な役割を果たすホモ二量体タンパク質として特徴付けられます。Pseudomonas putidaで発見されたE3構造の一例は、個々のホモ二量体サブユニットがFAD結合とNAD結合を担う2つの結合ドメインと、中心ドメインとインターフェースドメインを含むように形成されています。^{[6] [7]}

ほとんどの真核生物に特有の補助タンパク質はE3結合タンパク質（E3BP）であり、E3サブユニットをPDC複合体に結合させる役割を果たします。ヒトE3BPの場合、BP中の疎水性プロリンおよびロイシン残基は、2つの同一のE3モノマーの結合によって形成された表面認識部位と相互作用します。^[8]

最初に、ピルビン酸とチアミンピロリン酸（TPPまたはビタミンB ₁）は、ピルビン酸脱水素酵素サブユニットによって結合されます。^{[1] TPPの}チアゾリウム環は両性イオン型であり、アニオン性のC2炭素はピルビン酸のC2（ケトン）カルボニルに求核攻撃を行います。結果として生じた中間体は脱炭酸されてアシルアニオン当量を生成します（シアノヒドリンまたはアルデヒド-ジチアン極性転換化学、およびベンゾイン縮合を参照）。このアニオンは、リジン残基に結合した酸化リポ酸種のS1を攻撃します。開環S _N 2のようなメカニズムで、S2は硫化物またはスルフヒドリル部分として置き換えられます。その後、四面体中間体が崩壊してチアゾールが放出され、TPP補因子が放出され、リポ酸のS1にチオ酢酸が生成されます。 E1 触媒プロセスは、ピルビン酸脱水素酵素複合体全体の速度制限ステップです。

この時点で、リポ酸チオエステル官能基はジヒドロリポイルトランスアセチラーゼ（E2）活性部位に転座し、 ^{[1]ここでアシル基転移反応により、アセチルがリポイルの「スイングアーム」から}コエンザイムAのチオールに転移します。これによりアセチルCoAが生成され、酵素複合体から放出されてクエン酸回路に入ります。E2はリポアミド還元酵素トランスアセチラーゼとしても知られています。

複合体のリジン残基に共有結合したジヒドロリポ酸は、次にジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ（E3）活性部位に移動され、[ 1 ^]そこでフラビン媒介酸化を受けます。これは、例えばチオレドキシン還元酵素と化学的に類似しています。まず、FADがジヒドロリポ酸をリポ酸（ジスルフィド）休止状態に酸化して、FADH _2を生成します。次に、基質NAD ^+がFADH _2をFAD休止状態に酸化して、NADHとH ^+を生成します。

すべての生物において、PDC は 3 つの触媒サブユニット E1、E2、および E3 の複数のコピーから構成される大きな複合体です。すべての PDC に共通するもう 1 つの特徴は、サブユニット E2 が複合体のコアを形成し、これに周辺サブユニット E1 および E3 が結合するという事実です。真核生物の PDC には、コアに E3 結合タンパク質 (E3BP) (「タンパク質 X」と呼ばれることもあります) と呼ばれる追加の非触媒サブユニットが含まれています。E2 および E3BP の複数のコピーを含むヘテロオリゴマーコアを持つ PDC では、E1 は E2 と排他的に結合し、E3 は E3BP にのみ結合します。対照的に、ホモオリゴマー E2 コアを持つ細菌 PDC では、E1 と E3 は E2 への結合をめぐって競合します。周辺酵素 E3 はすべての生物でホモダイマーですが、周辺酵素 E1 は真核生物のアルファ₂ベータ₂ヘテロテトラメリンです。

大腸菌などのグラム陰性細菌では、PDC は 24 分子のジヒドロリポイルトランスアセチラーゼ(E2)でできた中心の立方体コアで構成されています。最大 16 個のピルビン酸デヒドロゲナーゼ(E1) のホモ二量体と 8 個のジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ(E3) のホモ二量体が、E2 24 量体の 24 個の周辺サブユニット結合ドメイン (PSBD) に結合します。ガンマプロテオバクテリアでは、E1 または E3 のいずれかに結合する PSBD の特異性は、PSBD のオリゴマー状態によって決まります。各 E2 ホモ三量体では、3 つの PSBD のうち 2 つが二量体化します。2 つの E1 ホモ二量体が協力して二量体 PSBD に結合しますが、残りの対になっていない PSBD は 1 つの E3 ホモ二量体と特異的に相互作用します。 PSBD二量体化は、ピルビン酸脱水素酵素複合体のサブユニット構成を決定し、末梢サブユニットE1とE3で完全に飽和し、E1:E2:E3（モノマー）= 32:24:16の化学量論を有する ^[9]

対照的に、グラム陽性細菌（例：バチルス・ステアロサーモフィルス）および真核生物では、中心の PDC コアに 60 個の E2 分子が二十面体に配置されています。この E2 サブユニット「コア」は、30 個の E1 サブユニットと 12 個の E3 コピーと連携しています。

真核生物には、 E3サブユニットをE2コアに結合する追加のコアタンパク質であるE3結合タンパク質（E3BP）のコピーが12個含まれています。 ^[10] E3BPの正確な位置は完全には明らかではありません。クライオ電子顕微鏡法では、E3BPが酵母の二十面体の面のそれぞれに結合することが確認されています。^[11]しかし、ウシのPDCコアでは、同数のE2分子がE3BPに置き換わっていることが示唆されています。

グラム陽性細菌の E2 コアには、最大 60 個の E1 または E3 分子が結合できます。結合は相互に排他的です。真核生物では、E1 は E2 に特異的に結合し、E3 は E3BP に結合します。最大 30 個の E1 酵素と 6 個の E3 酵素が存在すると考えられていますが、分子の正確な数は生体内で変化する可能性があり、多くの場合、問題の組織の代謝要件を反映しています。

ピルビン酸脱水素酵素は、 ATP / ADP、NADH /NAD ⁺、アセチルCoA / CoAの3つの比率のうち1つ以上が増加すると阻害されます。^[要出典]

真核生物では、PDCはそれ自身の特異的なピルビン酸脱水素酵素キナーゼ（PDK）とピルビン酸脱水素酵素ホスファターゼ（PDP）によって厳密に制御されており、それぞれ不活性化と活性化を行っています。^[12]

• PDKはE1上の3つの特定のセリン残基を異なる親和性でリン酸化します。そのうちの1つがリン酸化されると（ATPを使用）、E1（および結果として複合体全体）が不活性になります。^[12]
• PDPによるE1の脱リン酸化は複合体の活性を回復させる。 ^[12]

反応生成物はPDK を活性化するため、PDC のアロステリック阻害剤として機能します。次に基質が PDK を阻害し、PDC を再活性化します。

飢餓時には、遺伝子転写の増加により、骨格筋を含むほとんどの組織でPDKの量が増加する。同じ条件下で、PDPの量は減少する。その結果、PDCが阻害され、筋肉やその他の組織がグルコースや糖新生前駆物質を異化できなくなります。代謝は脂肪利用へと移行し、糖新生前駆物質を供給するための筋肉タンパク質の分解は最小限に抑えられ、利用可能なグルコースは脳での使用のために確保されます。^[要出典]

カルシウムイオンは、筋肉組織における PDC の調節に役割を果たします。これは、筋肉の収縮中に PDP を活性化し、細胞質に放出された解糖を刺激するためです。これらの転写産物の一部は、筋肉に H2 を放出します。これにより、時間の経過とともにカルシウムイオンが崩壊する可能性があります。^{[引用が必要]}

真核細胞では、基質であるピルビン酸が細胞質から輸送された後、ミトコンドリアマトリックス内でピルビン酸の脱炭酸反応が起こる。ピルビン酸のミトコンドリアへの輸送は、輸送タンパク質ピルビン酸トランスロカーゼを介して行われる。ピルビン酸トランスロカーゼは、ピルビン酸をプロトンと共輸送する（ミトコンドリア内膜を横切る）ため、二次能動輸送の一種と考えられるが、ここで「二次能動輸送」という記述子を使用するには、さらなる確認/裏付けが必要になるかもしれない（注：S. Papa et al., 1971 によると、ピルビン酸トランスロカーゼを介したピルビン酸輸送法はプロトン勾配と連動しているようで、定義上は二次能動輸送と一致しているように見える）。^[13]

別の情報源によると、「ミトコンドリア外膜を介したピルビン酸の輸送は、受動拡散を可能にする電圧依存性アニオンチャネルなどの大きな非選択性チャネルを介して容易に達成されるようである」とされており、ミトコンドリア内膜を介した輸送は、ミトコンドリアピルビン酸キャリア1（MPC1）とミトコンドリアピルビン酸キャリア2 （MPC2）によって媒介されている。^[14]

ミトコンドリアマトリックスに入ると、ピルビン酸は脱炭酸され、アセチルCoA（および二酸化炭素とNADH）が生成される。この不可逆反応により、アセチルCoAはミトコンドリア内に閉じ込められる（アセチルCoAは、通常はまばらなTCA中間体であるクエン酸シャトルを介して、オキサロ酢酸濃度が高い条件下でのみミトコンドリアマトリックスから輸送される）。この反応で生成される二酸化炭素は非極性で小さく、ミトコンドリアから細胞外に拡散することができる。^[要出典]

ミトコンドリアを持たない原核生物では、この反応は細胞質で行われるか、まったく行われないかのどちらかである。 ^{[出典が必要]}

真核細胞のミトコンドリアに存在するピルビン酸脱水素酵素は、グラム陽性細菌の一種であるジオバチルス・ステアロサーモフィラスの酵素と非常によく似ていることがわかった。ピルビン酸脱水素酵素複合体はグラム陽性細菌と類似しているが、グラム陰性細菌とはほとんど類似していない。グラム陽性細菌のピルビン酸脱水素酵素と酵素の四次構造の類似性は、グラム陰性細菌に見られる対応する酵素の進化の歴史とは異なる共通の進化の歴史を示している。真核生物のミトコンドリアに存在するピルビン酸脱水素酵素は、共生関係を通じて、グラム陽性細菌にまで遡る祖先のつながりを示している。^[15]

ピルビン酸脱水素酵素複合体は、分岐鎖 2-オキソ酸脱水素酵素 (BCOADH) と多くの類似点があり、特にアルファケト酸に対する基質特異性において類似点が多い。具体的には、BCOADH はアミノ酸の分解を触媒し、これらの酵素は、アミノ酸に富む環境が支配的であった先史時代の地球で広く使用されていたと考えられる。ピルビン酸脱水素酵素の E2 サブユニットは、BCOADH に見られる E2 遺伝子から進化したが、両方の酵素には E3 遺伝子が 1 つしか存在しないため、同一の E3 サブユニットが含まれている。E1 サブユニットは特定の基質に対して明確な特異性を持つため、ピルビン酸脱水素酵素と BCOADH の E1 サブユニットは異なるが、遺伝的類似性は共有している。後に真核細胞に見られるミトコンドリアと葉緑体を生み出すグラム陽性細菌とシアノバクテリアは、BCOADH 酵素に見られるものと遺伝的に関連する E1 サブユニットを保持していた。^{[16] [17]}

ピルビン酸脱水素酵素欠損症（PDCD）は、複合体の構築に使用される酵素または補因子のいずれかの変異によって発生する可能性があります。主な臨床所見は乳酸アシドーシスです。^[18]このようなPDCD変異は、その後のNADおよびFAD産生の欠乏につながり、好気呼吸の鍵となる酸化リン酸化プロセスを妨げます。そのため、アセチルCoAは嫌気性メカニズムによって乳酸などの他の分子に還元され、体内の乳酸過剰とそれに関連する神経病理を引き起こします。^[19]

ピルビン酸脱水素酵素欠損症はまれですが、変異したり機能しなくなったりすると、この欠損症を引き起こす可能性のあるさまざまな遺伝子があります。まず、ピルビン酸脱水素酵素のE1サブユニットには、E1-αと呼ばれる2つのαサブユニットと、E1-βと呼ばれる2つのβサブユニットの4つの異なるサブユニットが含まれています。E1-αサブユニットにあるPDHA1遺伝子が変異すると、E1-αタンパク質が短縮されるため、ピルビン酸脱水素酵素欠損症の80%の原因となります。E1αの機能が低下すると、ピルビン酸脱水素酵素がピルビン酸に十分に結合できなくなり、複合体全体の活性が低下します。^[20]複合体のE1βサブユニットにあるPDHB遺伝子が変異すると、これもピルビン酸脱水素酵素欠損症につながります。^[21]同様に、複合体の他のサブユニットで見つかった変異、例えばE2サブユニットで見つかったDLAT遺伝子、E3サブユニットで見つかったPDHX遺伝子、およびPDP1として知られるピルビン酸脱水素酵素ホスファターゼ遺伝子の変異はすべてピルビン酸脱水素酵素欠損症に起因することがわかっていますが、これらが病状にどのように寄与しているかは不明です。^{[22] [23] [24]}

• ピルビン酸脱水素酵素欠損症

ウィキメディア・コモンズには、ピルビン酸脱水素酵素複合体に関連するメディアがあります。

• https://web.archive.org/web/20070405211049/http://www.dentistry.leeds.ac.uk/biochem/MBWeb/mb1/part2/krebs.htm#animat1 -リーズ大学の PDC の一般的なメカニズムのアニメーション (右上のリンク)
• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)におけるピルビン酸 + 脱水素酵素 + 複合体

• Zhou H, McCarthy B, O'Connor M, Reed J, Stoops K (2001 年 12 月). 「真核生物ピルビン酸脱水素酵素複合体の注目すべき構造と機能構成」.米国科学アカデミー紀要. 98 (26): 14802–14807. Bibcode :2001PNAS...9814802Z. doi : 10.1073/pnas.011597698 . ISSN  0027-8424. PMC 64939.  PMID 11752427  .、ウシ 腎臓ピルビン酸脱水素酵素複合体
• Yu X、Hiromasa Y、Tsen H、Stoops K、Roche E、Zhou H (2008 年 1 月)。「ヒトピルビン酸脱水素酵素複合体コアの構造: 柔軟な N 末端ドメインを持つ高度に保存された触媒中心」。構造 。16 ( 1 ): 104–114。doi : 10.1016 / j.str.2007.10.024。ISSN 0969-2126。PMC  4807695。PMID 18184588。 、大腸菌で発現したヒトPDCの全長および短縮E2（tE2）コア