피루브산 탈수소효소 복합체

3. 구조

피루브산 탈수소효소 복합체는 여러 개의 효소 소단위체로 구성된 거대한 복합체이다. 생물종에 따라 구성에 약간의 차이가 있을 수 있다.

3. 1. 피루브산 탈수소효소 (E₁)

3. 2. 다이하이드로리포일 아세틸기전이효소 (E₂)

• '''N-말단 도메인(리포일 도메인):''' 약 80개의 아미노산으로 구성되며, 1~3개의 리포일기를 포함한다.^[29]
• '''말초 소단위체 결합 도메인(PSBD):''' E₁ 및 E₃ 소단위체와의 결합 부위 역할을 한다.^[29]
• '''C-말단 도메인(촉매 도메인):''' 아세틸기 전달 및 아세틸-CoA 합성 반응을 촉매한다.^[29]

3. 3. 다이하이드로리포일 탈수소효소 (E₃)

3. 4. 다이하이드로리포일 탈수소효소 결합 단백질 (E₃BP)

4. 생물종 간의 구조적 차이

피루브산 탈수소효소 복합체(PDC)는 생물종에 따라 구성에 차이가 있다. 모든 생물에서 PDC는 E1, E2, E3 세 가지 촉매 서브유닛의 여러 복사본으로 구성된 큰 복합체이다. 모든 PDC의 공통적인 특징은 E2 서브유닛이 복합체의 핵심을 형성하고, 주변 서브유닛 E1과 E3가 이에 결합한다는 것이다. 진핵생물의 PDC는 E3 결합 단백질(E3BP, "단백질 X"라고도 함)이라는 추가적인 비촉매 서브유닛을 핵심에 포함한다. 이종 올리고머 코어를 가진 진핵생물 PDC에서 E1은 E2에만 결합하고, E3는 E3BP에만 결합한다. 반면에, 동종 올리고머 E2 코어를 가진 박테리아 PDC에서는 E1과 E3가 E2에 결합하기 위해 경쟁한다.

주변 효소 E3는 모든 유기체에서 이량체이지만, 주변 효소 E1은 진핵생물에서 alpha₂beta₂ 이종사량체이다. 피루브산 탈수소효소 복합체는 미토콘드리아 기질에 위치하며, 총 60개의 서브 유닛을 포함하고 3개의 기능성 단백질로 구성된다.

4. 1. 그람음성세균

4. 2. 그람양성세균 및 진핵생물

5. 메커니즘

피루브산 탈수소효소 소단위체(E₁)에 의한 첫 번째 단계는 피루브산과 티아민 피로인산(TPP)의 결합이다.^[25] TPP의 티아졸륨 고리는 양쪽성 이온 형태이며, 음이온성 C2 탄소가 피루브산의 C2 카보닐기(케톤)를 친핵성 공격한다. 생성된 헤미티오아세탈은 탈카복실화를 거쳐 아실 음이온 등가물을 생성한다. 이 음이온은 리신 잔기에 부착된 산화된 리포산의 S1을 공격한다. 개환 S_N2 유사 메커니즘에서 S2는 황화물 또는 설프하이드릴 부분으로 대체된다. 이후 사면체 헤미티오아세탈이 붕괴되면 티아졸이 방출되고 TPP 보조 인자가 방출되며 리포산의 S1에 티오아세트산이 생성된다. E₁ 촉매 과정은 전체 피루브산 탈수소효소 복합체의 속도 제한 단계이다.

다음으로, 다이하이드로리포일 아세틸기전이효소(E₂)는 리포산-싸이오에스터 기능기를 활성 부위로 전위시킨다.^[25] 여기서 트랜스 아실화 반응은 리포일의 "스윙잉 암(swinging arm)"으로부터 조효소 A(CoA)의 싸이올로 아세틸기를 전달한다. 이는 아세틸-CoA를 생성하고, 아세틸-CoA는 피루브산 탈수소효소 복합체로부터 방출되며 이어서 시트르산 회로로 들어간다. E₂는 리포아마이드 환원효소-아세틸기전이효소로도 알려져 있다.

마지막으로, 다이하이드로리포산은 다이하이드로리포일 탈수소효소(E₃)의 활성 부위로 이동하여^[25] 플라빈 매개 산화를 겪는다. 먼저, FAD는 다이하이드로리포산을 리포산으로 다시 산화시켜 FADH₂를 생성한다. 그런 다음, NAD⁺ 보조 인자는 FADH₂를 FAD로 다시 산화시켜 NADH와 H⁺를 생성한다.

6. 조절

ATP/ADP, NADH/NAD⁺ 및 아세틸-CoA/CoA 비율 중 하나 이상이 증가하면 피루브산 탈수소효소는 억제된다.

진핵생물에서 피루브산 탈수소효소 복합체(PDC)는 고유의 특정 피루브산 탈수소효소 키네이스(PDK)와 피루브산 탈수소효소 인산가수분해효소(PDP)에 의해 각각 엄격히 조절되어 비활성화되거나 활성화된다.^[36]

• 피루브산 탈수소효소 키네이스(PDK)는 E₁의 세 가지 특정 세린 잔기를 서로 다른 친화도로 인산화한다. 이들 중 어느 하나의 인산화(ATP 사용)는 E₁(결과적으로 전체 복합체)을 비활성화시킨다.^[36]
• 피루브산 탈수소효소 인산가수분해효소(PDP)에 의한 E₁의 탈인산화는 피루브산 탈수소효소 복합체의 활성을 회복시킨다.^[36]

7. 임상적 관련성

피루브산 탈수소효소 결핍증(PDCD)은 피루브산 탈수소효소 복합체를 구성하는 효소나 보조 인자의 돌연변이로 인해 발생할 수 있다. 피루브산 탈수소효소 결핍증의 주요 임상적 소견은 젖산산증이다.^[42] 이러한 피루브산 탈수소효소 결핍증 돌연변이는 산화적 인산화 과정에 필요한 NAD+ 및 FAD 생성을 저해한다. 그 결과 아세틸-CoA는 혐기성 대사 과정을 통해 젖산으로 전환되어 체내에 젖산이 과도하게 축적되고 관련 신경학적 병증을 유발한다.^[43]

피루브산 탈수소효소 결핍증은 드물지만, 돌연변이가 발생하거나 기능하지 않는 경우 이러한 결핍을 유발할 수 있는 다양한 유전자가 있다. 피루브산 탈수소효소의 E₁ 소단위체는 4개의 소단위체(E₁-α로 지정된 2개의 α 소단위체와 E₁-β로 지정된 2개의 β 소단위체)로 구성된다. 피루브산 탈수소효소 결핍증의 약 80%는 E₁-α 소단위체에 있는 PDHA1 유전자의 돌연변이 때문에 발생한다. 이 돌연변이는 E₁-α 단백질을 짧게 만들어, 기능하는 E₁-α를 감소시키고 피루브산 탈수소효소가 피루브산과 충분히 결합하는 것을 방해하여 전체 복합체의 활성을 감소시킨다.^[44] 피루브산 탈수소효소 복합체의 E₁-β 소단위체에 있는 PDHB 유전자의 돌연변이도 피루브산 탈수소효소 결핍증을 일으킨다.^[45] E₂ 소단위체의 DLAT 유전자, E₃ 소단위체의 PDHX 유전자, 피루브산 탈수소효소 인산가수분해효소 유전자인 PDP1의 돌연변이도 피루브산 탈수소효소 결핍증과 관련이 있지만, 질병에 대한 정확한 기여 정도는 알려져 있지 않다.^[46][47][48]

8. 진화

진핵생물의 미토콘드리아에서 발견되는 피루브산 탈수소효소는 그람양성세균인 게오바실루스 스테아로테르모필루스(''Geobacillus stearothermophilus'')의 효소와 매우 유사하다.^[39] 그람음성세균과는 유사성이 거의 없다. 피루브산 탈수소효소와 그람양성세균 효소의 4차 구조 유사성은 이들이 진화적으로 연관되어 있음을 보여준다. 세포 내 공생을 통해 진핵생물의 미토콘드리아에 있는 피루브산 탈수소효소는 그람양성세균에서 기원한 것으로 보인다.^[39]

피루브산 탈수소효소 복합체는 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체와 많은 유사점을 공유하는데, 특히 α-케토산에 대한 기질 특이성이 비슷하다.^[40] 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체는 아미노산 분해를 촉진하며, 원시 지구 환경에서 널리 퍼져 있었을 것으로 추정된다. 피루브산 탈수소효소 복합체의 E₂ 소단위체는 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체의 E₂ 유전자에서 진화했고, 두 효소 복합체는 동일한 E₃ 소단위체를 가진다. E₁ 소단위체는 기질 특이성이 다르지만, 피루브산 탈수소효소 복합체와 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체의 E₁ 소단위체는 유전적 유사성을 공유한다. 그람양성세균과 남세균은 가지사슬 α-케토산 탈수소효소 복합체와 유전적으로 관련된 E₁ 소단위체를 가지는데, 이들은 진핵세포의 미토콘드리아와 엽록체의 조상으로 추정된다.^[40][41]

참조

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