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丙酮酸脱氢酶复合体

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丙酮酸脱氢酶复合体(英语:Pyruvate dehydrogenase complex;PDH complex;PDC;也称为丙酮酸脱氢酶复合物)是生物体内催化丙酮酸转变成乙醘辅酶A之反应的三种及五种辅酶的组合。

此复合物所参与的反应名称是丙酮酸脱羧,是连结糖酵解作用(最终产物为丙酮酸)与柠檬酸循环(起始反应物为乙醘辅酶A)的一连串化学反应,所有反应都是在丙酮酸脱氢酶复合物的表面以内进行。

除此之外,此复合物也是生物体内另外两种酶复合物的原型,分别是参与柠檬酸循环α-酮基戊二酸复合物(α-ketoglutarate dehydrogenase complex),以及参与一些氨基酸氧化路径的支链 α-酮酸脱氢酶复合物(Branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex)。而且因为这些复合物都包含一些属于维生素B群的化学物质,因此缺乏维生素B会造成众多疾病,例如脚气病

反应

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丙酮酸 丙酮酸脱氢酶复合体 乙酰辅酶A
 
CoA-SH + NAD+ CO2 + NADH + H+
 
 


组成

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真核生物来说,组成丙酮酸脱氢酶复合物的三种酶及五种辅酶皆位在线粒体中;对原核生物来说,则是位在细胞质里。这些酶除了组合在一起之外,还能够重复地组成更大的蛋白质群。

组成丙酮酸脱氢酶复合物的三种酶分别是:

中文名称 英文名称 常用缩写 基因位置
丙酮酸脱氢酶 Pyruvate dehydrogenase A或E1 X染色体 p22.1
二氢硫辛酰基乙酰基转基酶 Dihydrolipoyl transacetylase B或E2 11号染色体 q23.1
二氢硫辛酰胺脱氢酶 Dihydrolipoyl dehydrogenase C或E3 7号染色体 q31-q32

五种辅酶则是:

中文名称 英文名称 常用缩写 作用位置
硫胺素焦磷酸 Thiamine pyrophosphate TPP E1的辅成基(主要作用的所在位置)
辅酶A Coenzyme A CoA 在E2中作用。
硫辛酸 Lipoic acid或Lipoate 与E2上的赖氨酸结合成硫辛酰胺辅成基。
黄素腺嘌呤二核苷酸 Flavin adenine dinucleotide FAD E3的辅成基。
烟碱胺腺呤双核苷酸 Nicotinamide adenine dinucleotide NAD 在E3中作用。

硫胺素焦磷酸(TPP)位在在E1的激活位置上,其主要构造是噻唑环(thiazole ring),组成TPP的必要物质是硫胺素(也就是维生素B1)。

E2含有三种功能不同的区域,第一个区域称为硫辛酰区(Lipoyl domain),位在E2蛋白质的氨基端(N-terminal)上。硫辛酸形成的硫辛酰基(Lipoyl group)与赖氨酸形成的赖氨酸残基(residue)会组成硫辛酰基赖氨酸,是E2的辅成基。这个区的数目在依照物种的不同而有变异。第二个区域是负责E2与E3、以及E2与E1之间连结的区域,称为连接区(Binding domain)。第三个区域最靠近复合物内部,称为乙酰基转移酶区(acyltransferase domain),能使乙酰基转移。不同区域之间会相隔20到30个不等的氨基酸

E3上则有黄素腺嘌呤双核苷酸(FAD),而组成FAD的主要物质,是核黄素(维生素B2)。另外NAD中含有烟酸(维生素B3),CoA的组成物之一则是泛酸(Pantothenate;维生素B5)。

整体结构

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哺乳类动物体内的丙酮酸脱氢酶复合物直径大小,大约是50奈米,约是核糖体的5倍大,可以在电子显微镜下直接观察其外观。分析电子显微镜照片与晶体衍射的结果,可以得出一个模型,模型显示在复合体的外围是E1,内部则是E2与E3。E2的形状为五角十二面体,直径大约25奈米。在牛科动物细胞里是以60个单位来组成一个核心;在大肠杆菌中则是以24个E2单位组成。另外大大肠杆菌杆菌的丙酮酸脱氢酶复合物重量大约是4600kdal。

反应过程

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丙酮酸脱氢酶复合体的反应综述图解(R=H时为丙酮酸)。

在复合物内进行的脱羧作用主要可分为5个步骤,丙酮酸与乙醘辅酶A的中间物在复合物里的移动过程,大致依照E1、E2的顺序,E3则没有直接与中间物接触。其中丙酮酸是在第一个步骤(E1中)加入反应,乙醘辅酶A是在第三个步骤(E2中)中生成。

A.在第一个步骤中,丙酮酸上的羧基会形成二氧化碳然后释出;中间的碳原子则会与E1中的TPP结合形成羟乙基TPP(Hydroxyethyl TPP),对丙酮酸来说是个氧化反应。这个步骤是所有步骤中最慢的一个,因此决定了整个反应的速率。

B.接下来TPP会将羟乙基带入第二个步骤,TPP本身则留在E1中继续作用。羟乙基氧化之后变成乙酰基,并进入E2,与硫辛酰基上的其中一个原子结合,已经氧化过的硫辛酰基赖氨酸与乙酰基结合,成为酰基硫辛酰基赖氨酸(Acyl lipoyllysine)。

C.第三个步骤在E2进行,酰基硫辛酰基赖氨酸会与辅酶A进行反应,此反应会使硫辛酰基赖氨酸还原,并释出乙酰辅酶A。硫辛酰基赖氨酸则经过下一步骤的氧化之后回到第二步骤作反应。

D.第四个步骤中,E3的辅成基FAD会使上一步骤中还原的硫辛酰基赖氨酸再度氧化,以回到第二步骤;而FAD经过反应之后,会变成FADH2

E.最后FADH2与NAD+反应而氧化成FAD,回到第四步骤。NAD+则还原成NADH,并且放出一个氢离子。

调控

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丙酮酸脱氢酶复合体会受到三种方式调控,第一种称为产物抑制,也就是复合物所催化生成的产物乙酰辅酶A与NADH,能够抑制复合物的作用能力。其中乙酰辅酶A抑制的对象是E2,NADH则是抑制E3。除此之外,这两种抑制物氧化之后生成的辅酶A与NAD+,则能够促进复合物的作用。第二种调控方式是由核苷酸来执行,例如GTP有抑制作用,AMP则有促进作用。

第三种称为共价修饰作用,当E1中的丝氨酸残基被ATP磷酸酯化之后,复合物会失去活性;反之如果磷酸酯化产生的磷酸酯基被水解掉,则复合物会再度激活。另外磷酸酯化作用本身又受到丙酮酸的抑制;并且当ATP/ADP、乙酰辅酶A/辅酶A,以及NADH/NAD+的比值高时,将有促进磷酸酯化的效果。

参见

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参考文献

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  • (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;曾国辉编译。《大学生物化学》。艺轩图书出版。ISBN 957-616-120-7

外部链接

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