Pyruvatdehydrogenase-Kinase ist eine Kinase, die die Phosphopyruvatdehydrogenase unter ATP-Verbrauch inaktiviert. Eine weitere Bezeichnung für die Pyruvatdehydrogenase ist das Pyruvatdehydrogenase-System, ein Multienzymkomplex, der die Pyruvat-Decarboxylierungsreaktion katalysiert. Dihydrolipoat-Dehydrogenase und sechs Kofaktoren wandeln Pyruvat unter ihrem synergistischen Zusammenwirken in Acetylgruppen und Kohlendioxid um.

Mechanismus

Pyruvatdehydrogenase wird nach Phosphorylierung durch PDK inaktiviert. Im Allgemeinen liegt das aktive Zentrum der Pyruvatdehydrogenase in einer stabilen, geordneten Konformation vor, die durch ein Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird. Aufgrund der Größenzunahme und der mit dem phosphorylierten Rest verbundenen negativen Ladung führt die Phosphorylierung an Position 1 zu einem sterischen Konflikt mit einem benachbarten Serinrest. Dadurch wird das Wasserstoffbrückennetzwerk gestört und die Konformation der beiden phosphorylierten Schleifen destabilisiert. Diese Schleifen verhindern den Schritt der reduktiven Acetylierung und unterbinden damit 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 Hydroxyethylthiamindiphosphat reagiert mit Liponsäure zu Acetyldihydroliponsäure; die Acetylgruppe wird übertragen, die Dihydroliponsäure wird oxidiert, und der Wasserstoff wird schließlich auf das Enzym übertragen. In diesem Reaktionszyklus sind – mit Ausnahme von Acetyl und NAD – die Komponenten fest an die Enzyme gebunden. Der Enzymkomplex kann aus tierischen Geweben und aus Bakterien isoliert werden; die meisten Untersuchungen zur Aufreinigung wurden jedoch an 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 von herausragender Bedeutung als Schritt der Acetylbildung aus Pyruvat beim aeroben Abbau von Kohlenhydraten. Ein dem Enzymkomplex sehr ähnlicher Komplex ist der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex.

Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC)

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC) ist ein Multienzymkomplex in der mitochondrialen Matrix. PDHC umfasst geschwindigkeitsbestimmende Enzyme, die die irreversible oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA katalysieren, wodurch die aerobe Oxidation von Kohlenhydraten mit dem Tricarbonsäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung verknüpft wird; seine Rolle im Energiestoffwechsel der mitochondrialen Atmungskette ist von wesentlicher Bedeutung.

PDHC-Mutationen

Die Forschung zum PDHA1-Gen ist umfassend. Bis heute wurden 82 Mutationen identifiziert, überwiegend Nonsense- oder Missense-Mutationen, insgesamt 43. Mit Ausnahme von Exon 2 wurden Mutationen in verschiedenen Exons nachgewiesen, am häufigsten in den Exons 3, 7, 8 und 11. Während Nonsense- oder Missense-Mutationen häufiger in den Exons 3, 7 und 8 auftreten, finden sich Deletions- und Insertionsmutationen überwiegend in den Exons 10 und 11. Die große Mehrheit der männlichen Patienten trägt Nonsense- oder Missense-Mutationen, während bei Frauen häufiger Deletions- oder Insertionsmutationen vorliegen. Naito et al. berichteten, dass PDHA1-Genmutationen bei Patienten, die auf Liponsäure ansprachen, folgende Loci umfassen: H44R, R88S, G89S, R263G, V389fs, V71A und C101F. Davon liegen H44R, V71A, R88S und G89S in Exon 3, was darauf hindeutet, dass PDHA1-Patienten mit Exon-3-Mutationen besser auf eine Liponsäurebehandlung ansprechen. Die R263G-Mutation in Exon 8 des PDHA1-Gens war die häufigste Mutation bei 11 Patienten.

Klinische Manifestation

Ein PDHC-Mangel ist eine der häufigsten Ursachen mitochondrialer Störungen des Energiestoffwechsels. Er ist zudem die häufigste Ursache einer Laktatazidose im Kindesalter sowie früh einsetzender degenerativer neurodegenerativer Erkrankungen. Da nahezu das gesamte Acetyl-CoA im Gehirn aus Pyruvat stammt, führt ein PDHC-Mangel häufig zu vielfältigen neurologischen Schädigungen. Nach den von Robinson et al. vorgeschlagenen Kriterien lassen sich die klinischen Manifestationen in drei Schweregrade einteilen. Grad I: Patienten entwickeln kurz nach der Geburt eine schwere Laktatazidämie, die PDHC-Aktivität ist extrem niedrig; männliche Feten zeigen häufig bereits im Embryonalstadium ausgeprägtere Symptome, was zu Abort, Totgeburt, kongenitaler Hypoplasie des Striatums und hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie führen kann; Neugeborene versterben häufig früh an Laktatazidose. Grad II: Die Laktatazidämie ist milder als bei Grad I, bei Geburt unauffällig, jedoch mit verzögerter psychomotorischer und körperlicher Entwicklung; mehr Kinder als Säuglinge versterben, wenige überleben bis ins Jugendalter. Grad III: Patienten weisen eine milde Laktatazidämie auf, und die Restaktivität des PDHC beträgt mehr als 20 %. Die häufigsten neuropathologischen Befunde bei Patienten mit E3BP-Mangel sind das Leigh-Syndrom, ein ausgedünntes oder fehlendes Corpus callosum sowie symmetrische nekrotische Läsionen der Basalganglien; gleichzeitig zeigen Patienten mit E3BP-Mangel eine relativ hohe Restaktivität des PDHC-Enzyms.

Behandlung und Prognose

Es gibt keine zufriedenstellende Therapie für mitochondriale Erkrankungen. Bei Patienten mit PDHC-Mangel können ketogene Diät, Liponsäure, Dichloracetat, L-Carnitin und Coenzym Q10 einen gewissen Effekt haben. Brown et al. sind der Auffassung, 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 eine TPP-Therapie durch eine ketogene Diät ergänzt werden, was möglicherweise bessere Behandlungsergebnisse erzielt. Dichloracetat gilt als Wirkstoff mit dem größten Potenzial zur Senkung der Laktatspiegel und kann den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der aeroben Kohlenhydratoxidation stimulieren. Einige Autoren sind jedoch der Ansicht, dass Dichloracetat zwar durch Aktivierung normaler Zellenzyme die von mutierten Zellen freigesetzte Laktatmenge reduzieren kann, jedoch nur eine geringe Bedeutung für die Verbesserung der Pyruvatoxidation in mutierten Zellen hat. Unter Patienten mit Defizienz des PDHA1-Untereinheit-Gens ist die Prognose bei Liponsäure-Respondern besser. Studien zeigen, dass die Liponsäurekonzentration bei Patienten positiv mit der Besserung neurologischer Symptome korreliert, während Patienten ohne Ansprechen auf Liponsäure eine ungünstige Prognose haben. Eine Gentherapie bei Patienten mit gesicherter genetischer Diagnose stellt eine vielversprechende Option dar.

Referenzen:

1. Yeaman SJ; et al. Sites of phosphorylation on pyruvate dehydrogenase from bovine kidney and heart. Biochemistry. 1978, 17 (12): 2364–70.