丙酮酸脫氫酶複合體

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丙酮酸脫氫酶複合體英语Pyruvate dehydrogenase complex;PDH complex;PDC;也称为丙酮酸去氫酶複合物)是生物體內催化丙酮酸轉變成乙醘輔酶A之反應的三種及五種輔酶的組合。

此複合物所參與的反應名稱是丙酮酸脫羧,是連結糖解作用(最終產物為丙酮酸)與檸檬酸循環(起始反應物為乙醘輔酶A)的一連串化學反應,所有反應都是在丙酮酸去氫酶複合物的表面以內進行。

除此之外,此複合物也是生物體內另外兩種酶複合物的原型,分別是參與檸檬酸循環α-酮基戊二酸複合物(α-ketoglutarate dehydrogenase complex),以及參與一些氨基酸氧化路徑的支鏈 α-酮酸去氫酶複合物(Branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex)。而且因為這些複合物都包含一些屬於維生素B群的化學物質,因此缺乏維生素B會造成眾多疾病,例如腳氣病

反应[编辑]

丙酮酸 丙酮酸脱氢酶复合体 乙酰辅酶A
Pyruvate2 wpmp.png   Acetyl co-A wpmp.png
CoA + NAD+ CO2 + NADH,H+
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 

組成[编辑]

真核生物來說,組成丙酮酸去氫酶複合物的三種酶及五種輔酶皆位在粒線體中;對原核生物來說,則是位在細胞質裡。這些酶除了組合在一起之外,還能夠重複地組成更大的蛋白質群。

組成丙酮酸去氫酶複合物的三種酶分別是:

中文名稱 英文名稱 常用縮寫 基因位置
丙酮酸脫氫酶 Pyruvate dehydrogenase A或E1 X染色體 p22.1
二氫硫辛醯基乙醯基轉基酶 Dihydrolipoyl transacetylase B或E2 11號染色體 q23.1
二氫硫辛醯基去氫酶 Dihydrolipoyl dehydrogenase C或E3 7號染色體 q31-q32

五種輔酶則是:

中文名稱 英文名稱 常用縮寫 作用位置
硫胺素焦磷酸 Thiamine pyrophosphate TPP E1的輔成基(主要作用的所在位置)
輔酶A Coenzyme A CoA 在E2中作用。
硫辛酸 Lipoic acid或Lipoate 與E2上的離胺酸結合成硫辛醯胺輔成基。
黃素腺嘌呤雙核苷酸 Flavin adenine dinucleotide FAD E3的輔成基。
菸鹼胺腺呤雙核苷酸 Nicotinamide adenine dinucleotide NAD 在E3中作用。

硫胺素焦磷酸(TPP)位在在E1的活化位置上,其主要構造是噻唑環(thiazole ring),組成TPP的必要物質是硫胺素(也就是維生素B1)。

E2含有三種功能不同的區域,第一個區域稱為硫辛醯區(Lipoyl domain),位在E2蛋白質的氨基端(N-terminal)上。硫辛酸形成的硫辛醯基(Lipoyl group)與離胺酸形成的離胺酸殘基(residue)會組成硫辛醯基離胺酸,是E2的輔成基。這個區的數目在依照物種的不同而有變異。第二個區域是負責E2與E3、以及E2與E1之間連結的區域,稱為連接區(Binding domain)。第三個區域最靠近複合物內部,稱為乙醯基轉移酶區(acyltransferase domain),能使乙醯基轉移。不同區域之間會相隔20到30個不等的氨基酸

E3上則有黃素腺嘌呤雙核苷酸(FAD),而組成FAD的主要物質,是核黃素(維生素B2)。另外NAD中含有菸鹼酸(維生素B3),CoA的組成物之一則是泛酸(Pantothenate;維生素B5)。

整體結構[编辑]

哺乳類動物體內的丙酮酸脫氫酶複合物直徑大小,大約是50奈米,約是核糖體的5倍大,可以在電子顯微鏡下直接觀察其外觀。分析電子顯微鏡照片與晶體繞射的結果,可以得出一個模型,模型顯示在複合體的外圍是E1,內部則是E2與E3。E2的形狀為五角十二面體,直徑大約25奈米。在牛科動物細胞裡是以60個單位來組成一個核心;在大腸桿菌中則是以24個E2單位組成。另外大大腸桿菌桿菌的丙酮酸脫氫酶複合物重量大約是4600kdal。

反應過程[编辑]

丙酮酸脫氫酶複合體的反应综述图解(R=H时为丙酮酸)。

在複合物內進行的脫羧作用主要可分為5個步驟,丙酮酸與乙醘輔酶A的中間物在複合物裡的移動過程,大致依照E1、E2的順序,E3則沒有直接與中間物接觸。其中丙酮酸是在第一個步驟(E1中)加入反應,乙醘輔酶A是在第三個步驟(E2中)中生成。

A.在第一個步驟中,丙酮酸上的羧基會形成二氧化碳然後釋出;中间的碳原子則會與E1中的TPP結合形成羥乙基TPP(Hydroxyethyl TPP),對丙酮酸來說是個氧化反應。這個步驟是所有步驟中最慢的一個,因此決定了整個反應的速率。

B.接下來TPP會將羥乙基帶入第二個步驟,TPP本身則留在E1中繼續作用。羥乙基氧化之後變成乙酰基,並進入E2,與硫辛醯基上的其中一個原子結合,已經氧化過的硫辛醯基離胺酸與乙酰基結合,成為醯基硫辛醯基離胺酸(Acyl lipoyllysine)。

C.第三個步驟在E2進行,醯基硫辛醯基離胺酸會與輔酶A進行反應,此反應會使硫辛醯基離胺酸還原,並釋出乙醯輔酶A。硫辛醯基離胺酸則經過下一步驟的氧化之後回到第二步驟作反應。

D.第四個步驟中,E3的輔成基FAD會使上一步驟中還原的硫辛醯基離胺酸再度氧化,以回到第二步驟;而FAD經過反應之後,會變成FADH2

E.最後FADH2與NAD+反應而氧化成FAD,回到第四步驟。NAD+則還原成NADH,並且放出一個氫離子。

調控[编辑]

丙酮酸脫氫酶複合體會受到三種方式調控,第一種稱為產物抑制,也就是複合物所催化生成的產物乙醯輔酶A與NADH,能夠抑制複合物的作用能力。其中乙醯輔酶A抑制的對象是E2,NADH則是抑制E3。除此之外,這兩種抑制物氧化之後生成的輔酶A與NAD+,則能夠促進複合物的作用。第二種調控方式是由核苷酸來執行,例如GTP有抑制作用,AMP則有促進作用。

第三種稱為共價修飾作用,當E1中的絲氨酸殘基被ATP磷酸酯化之後,複合物會失去活性;反之如果磷酸酯化產生的磷酸酯基被水解掉,則複合物會再度活化。另外磷酸酯化作用本身又受到丙酮酸的抑制;並且當ATP/ADP、乙醯輔酶A/輔酶A,以及NADH/NAD+的比值高時,將有促進磷酸酯化的效果。

參見[编辑]

參考文獻[编辑]

  • (英文)David L. Nelson & Michael M. cox. Lehinger. Principles of Biochemistry. 4th edition. Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
  • (中文)Lubert Stryer原著;曾國輝編譯。《大學生物化學》。藝軒圖書出版。ISBN 957-616-120-7

外部連結[编辑]