Pyruvatdehydrogenase-Kinase ist eine Kinase, die Phosphopyruvatdehydrogenase unter Verwendung von ATP inaktiviert. Ein anderer Name für Pyruvatdehydrogenase ist das Pyruvatdehydrogenase-System, ein Multi-Enzym-Komplex, der die Pyruvatdecarboxylierungsreaktion katalysiert. Dihydrolipoat-Dehydrogenase und sechs Kofaktoren wandeln unter ihrem synergistischen Effekt Pyruvat in Acetyl und Kohlendioxid um.

Mechanismus

Pyruvatdehydrogenase wird nach der Phosphorylierung durch PDK inaktiviert. Im Allgemeinen befindet sich das aktive Zentrum der Pyruvatdehydrogenase in einer stabilen und geordneten Konformation, die durch ein Wasserstoffbrückennetzwerk gestützt wird. Aufgrund der Größenzunahme und der negativen Ladung, die mit dem phosphorylierten Rest verbunden ist, verursacht jedoch die Phosphorylierung von PDK an Position 1 einen räumlichen Konflikt mit einem anderen nahegelegenen Serinrest. Dies stört das Wasserstoffbrückennetzwerk und die Konformation der beiden phosphorylierten Schleifen. Diese Schleifen verhindern den Schritt der reduktiven Acetylierung und stoppen so die Gesamtaktivität des Enzyms. Der Mechanismus der Konformationsänderungen und der Phosphorylierungsinaktivierung an den Stellen 2 und 3 ist unklar.

Produktion

Das durch die Decarboxylierung von Pyruvat gebildete Hydroxyethylthiamin-Diphosphat reagiert mit Liponsäure zu Acetyldihydroliponsäure, die Acetylgruppe wird übertragen, die Dihydroliponsäure wird oxidiert und der Wasserstoff schließlich auf das Enzym übertragen. In diesem Reaktionszyklus, mit Ausnahme von Acetyl und NAD, sind sie fest an Enzyme gebunden. Der Enzymkomplex kann aus tierischem Gewebe und Bakterien extrahiert werden, aber mehr Forschung wurde zur Reinigung aus E. coli durchgeführt. Der Komplex ist ein Polygon mit einem Durchmesser von etwa 30 Nanometern, und es scheint, dass jedes der drei Enzyme 24 Moleküle enthält. Physiologisch ist er als Stadium der Acetylbildung aus Pyruvat beim sauerstoffverbrauchenden Zuckerabbau von großer Bedeutung. Eine dem Enzymkomplex sehr ähnliche Substanz ist der Komplex der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase.

Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC)

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC) ist ein Multi-Enzym-Komplex, der sich in der mitochondrialen Matrix befindet. PDHC ist eine Gruppe geschwindigkeitsbestimmender Enzyme, die die irreversible oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA katalysieren, wodurch die aerobe Oxidation von Zucker mit dem Citratzyklus und der oxidativen Phosphorylierung verbunden wird, und seine Rolle im Energiestoffwechsel der mitochondrialen Atmungskette ist wichtig.

PDHC-Mutationen

Die Forschung zum PDHA1-Gen ist umfassend. Bis heute wurden 82 Mutationen gefunden, von denen die meisten Nonsense- oder Missense-Mutationen sind, mit 43 Mutationen. Mit Ausnahme von Exon 2 wurden Mutationen gefunden, darunter Exons 3, 7, 8 und 11, die am häufigsten sind. Während Nonsense- oder Missense-Mutationen häufiger in Exons 3, 7 und 8 auftreten, werden Deletions- und Insertionsmutationen hauptsächlich in Exons 10 und 11 gefunden. Die überwiegende Mehrheit der männlichen Patienten trägt Nonsense- oder Missense-Mutationen, während Frauen Deletions- oder Insertionsmutationen tragen. Naito et al. berichteten, dass die PDHA1-Genmutationen bei Patienten, die auf Liponsäure ansprechen, die folgenden Loci umfassen: H44R, R88S, G89S, R263G, V389fs, V71A und C101F, wobei H44R, V71A, R88S und G89S auf Exon 3 liegen, was darauf hindeutet, dass Patienten mit PDHA1-Exon-3-Mutationen besser auf eine Liponsäurebehandlung ansprechen. Die R263G-Mutation im Exon 8 des PDHA1-Gens war die häufigste Mutation bei 11 Patienten.

Klinische Manifestation

PDHC-Mangel ist eine der häufigsten Ursachen für Störungen des mitochondrialen Energiestoffwechsels. Es ist auch die häufigste Ursache für kindliche Laktatazidose und früh einsetzende degenerative neurodegenerative Erkrankungen. Fast alles Acetyl-CoA im Gehirn stammt aus Pyruvat, daher verursacht der Mangel an PDHC häufig verschiedene neurologische Schäden. Nach den von Robinson et al. vorgeschlagenen Standards können die klinischen Manifestationen der Patienten in drei Stufen unterteilt werden: Stufe Ⅰ: Patienten haben früh nach der Geburt eine schwere Laktatazidämie, die PDHC-Aktivität ist extrem niedrig, und männliche Kinder entwickeln mehr Symptome als Embryonalstadien, was zu Fehlgeburten, Totgeburten, kongenitaler Striatumhypoplasie und hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie führt, die oft früh im Neugeborenenalter an Laktatazidose sterben. Stufe Ⅱ: Die Laktatazidämie ist milder als bei Stufe Ⅰ, bei Geburt normal, verzögerte geistige und körperliche Entwicklung, mehr Kinder sterben als Säuglinge, und einige überleben bis ins Jugendalter. Stufe Ⅲ: Patienten haben eine milde Laktatazidämie, und das Restüberleben von PDHC beträgt mehr als 20 %. Die häufigsten Befunde neuropathologischer Untersuchungen bei Patienten mit E3BP-Mangel sind Leigh-Syndrom, verdünnter oder fehlender Balken und symmetrische nekrotische Läsionen der Basalganglien; gleichzeitig haben Patienten mit E3BP-Mangel eine relativ hohe Restaktivität des PDHC-Enzyms.

Behandlung und Prognose

Es gibt keine zufriedenstellende Methode zur Behandlung mitochondrialer Erkrankungen. Für Patienten mit PDHC-Mangel haben eine ketogene Diät, Liponsäure, Dichloracetat, L-Carnitin und Coenzym Q10 eine gewisse Wirkung. Brown et al. sind der Ansicht, dass die ketogene Diät die beste Behandlung für männliche Patienten mit PDHC-Mangel, milder Laktatazidose und normaler Entwicklung ist. Wenn Patienten auf Liponsäure ansprechen, kann die TPP-Therapie mit der ketogenen Diät ergänzt werden, was möglicherweise bessere Behandlungsergebnisse erzielt. Dichloracetat gilt als das Medikament mit dem größten Potenzial zur Senkung des Laktatspiegels und kann den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der aeroben Zuckeroxidation stimulieren. Einige Wissenschaftler sind jedoch der Meinung, dass Dichloracetat zwar das von mutierten Zellen freigesetzte Laktat durch Aktivierung normaler Zell-Enzyme reduzieren kann, dies jedoch wenig Bedeutung für die Verbesserung der Pyruvatoxidation in mutierten Zellen hat.  Unter Patienten mit PDHA1-Subunit-Genmangel haben Patienten, die auf Liponsäure ansprechen, eine bessere Prognose. Studien haben gezeigt, dass die Liponsäurekonzentration bei Patienten positiv mit der Verbesserung ihrer neurologischen Symptome korreliert, während Patienten, die nicht auf Liponsäure ansprechen, eine schlechte Prognose haben. Die Gentherapie für Patienten mit klarer genetischer Diagnose wird eine vielversprechende Methode sein.

Referenzen:

1. Yeaman SJ; et al. Phosphorylierungsstellen an Pyruvatdehydrogenase aus Rinderniere und -herz. Biochemistry. 1978, 17 (12): 2364–70.