Pyruvatdehydrogenase-Kinase ist eine Kinase, die die Phosphopyruvatdehydrogenase durch Verwendung von ATP inaktiviert. Ein anderer Name für Pyruvatdehydrogenase ist das Pyruvatdehydrogenasesystem, das ein Multi-Enzym-Komplex ist, der die Pyruvat-Decarboxylierungsreaktion katalysiert. Dihydroliponsäuredehydrogenase und sechs Cofaktoren, unter dem synergistischen Effekt von ihnen, wandeln Pyruvat in Acetyl und Kohlendioxid um.

Mechanismus

Pyruvatdehydrogenase wird nach der Phosphorylierung durch PDK inaktiviert. Im Allgemeinen befindet sich die aktive Stelle der Pyruvatdehydrogenase in einer stabilen und geordneten Konformation, die durch ein Wasserstoffbrückennetzwerk unterstützt wird. Aufgrund der Zunahme der Größe und der negativen Ladung, die mit dem phosphorylierten Rest verbunden ist, verursachte die Phosphorylierung von PDK an Position 1 einen räumlichen Konflikt mit einem anderen nahegelegenen Serinrest. Dies stört das Wasserstoffbrückennetzwerk und beeinträchtigt die Konformation der beiden phosphorylierten Ringe. Diese Schleifen verhindern den reduktiven Acetylierungsschritt und stoppen somit die Gesamtaktivität des Enzyms. Der Mechanismus der konformationellen Veränderungen und der Phosphorylierungsinaktivierung an den Stellen 2 und 3 ist unklar.

Produktion

Das durch die Decarboxylierung von Pyruvat produzierte Hydroxyethylthiamindiphosphat reagiert mit Liponsäure, um Acetyldihydroliponsäure zu bilden, die Acetylgruppe wird übertragen, die Dihydroliponsäure wird oxidiert, und das Wasserstoff wird schließlich an das Enzym abgegeben. In diesem Reaktionszyklus sind außer Acetyl und NAD alle fest an Enzyme gebunden. Der Enzymkomplex kann aus tierischen Geweben und Bakterien extrahiert werden, aber es wurde mehr Forschung zur Reinigung aus E. coli durchgeführt. Der Komplex hat die Form eines Polygons mit einem Durchmesser von etwa 30 Nanometern, und es scheint, dass jedes der drei Enzyme 24 Moleküle enthält. Physiologisch ist es äußerst wichtig als eine Phase der Bildung von Acetyl aus Pyruvat, wenn der sauerstoffverbrauchende Zucker abgebaut wird. Eine Substanz, die diesem Enzymkomplex sehr ähnlich ist, ist der Komplex der α-Ketoglutaratdehydrogenase.

Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC)

Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDHC) ist ein Multi-Enzym-Komplex, der sich in der mitochondrialen Matrix befindet. PDHC ist eine Gruppe von geschwindigkeitsbestimmenden Enzymen, die die irreversible oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA katalysieren und die aerobe Oxidation von Zucker mit dem Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung verbinden. 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. Abgesehen von Exon 2 wurden Mutationen gefunden, einschließlich der Exons 3, 7, 8 und 11, die am häufigsten sind. Während Nonsense- oder Missense-Mutationen häufiger in den Exons 3, 7 und 8 vorkommen, sind Deletions- und Insertionsmutationen hauptsächlich in den Exons 10 und 11 zu finden. 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 ansprachen, die folgenden Loci umfassen: H44R, R88S, G89S, R263G, V389fs, V71A und C101F, wobei H44R, V71A, R88S und G89S auf Exon 3 lokalisiert sind, was darauf hindeutet, dass PDHA1-Patienten mit Exon 3-Mutationen besser auf die Liponsäurebehandlung ansprachen. Die R263G-Mutation im Exon 8 des PDHA1-Gens war die häufigste Mutation bei 11 Patienten.

Klinische Manifestation

Die PDHC-Defizienz ist eine der häufigsten Ursachen für mitochondriale Energiestoffwechselstörungen. Sie ist auch die häufigste Ursache für kindliche Laktatazidose und früh einsetzende degenerative neurodegenerative Erkrankungen. Fast ganz Acetyl-CoA im Gehirn stammt aus Pyruvat, sodass der Mangel an PDHC oft eine Vielzahl neurologischer Schäden verursacht. 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 Laktatazidose, die PDHC-Aktivität ist extrem niedrig, und männliche Kinder entwickeln mehr Symptome als im embryonalen Stadium, was zu Fehlgeburten, Totgeburten, kongenitaler Striatumshypoplasie und hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie führt, die oft früh im Neugeborenenalter an Laktatazidose sterben. Stufe II: Die Laktatazidose ist milder als in Stufe I, bei der Geburt normal, verzögerte geistige Bewegung und körperliche Entwicklung, mehr Kinder sterben als Säuglinge, und einige überleben bis ins Teenageralter. Stufe III: Patienten haben eine milde Laktatazidose, und das verbleibende Überleben von PDHC beträgt mehr als 20 %. Die häufigsten Manifestationen neuropathologischer Untersuchungen bei Patienten mit E3BP-Defizienz sind das Leigh-Syndrom, ein verdünntes oder fehlendes Corpus callosum und symmetrische nekrotische Läsionen der Basalganglien; während Patienten mit E3BP-Defizienz eine relativ hohe Restüberlebensrate des PDHC-Enzyms aufweisen.

Behandlung und Prognose

Es gibt keine zufriedenstellende Methode zur Behandlung mitochondrialer Erkrankungen. Bei Patienten mit PDHC-Defizienz haben eine ketogene Diät, Liponsäure, Dichloressigsäure, L-Carnitin und Coenzym Q10 eine gewisse Wirkung. Brown et al. glauben, dass die ketogene Diät die beste Behandlung für Patienten mit PDHC-Defizienz bei Männern mit milder Laktatazidose und normaler Entwicklung ist. Wenn Patienten auf Liponsäure ansprechen, kann die TPP-Therapie mit der ketogenen Diättherapie ergänzt werden, was möglicherweise bessere Behandlungsergebnisse liefert. Dichloressigsäure wird als das Medikament mit dem größten Potenzial zur Senkung der Laktatwerte angesehen und kann den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der aeroben Oxidation von Zucker stimulieren. Einige Wissenschaftler glauben jedoch, dass, obwohl Dichloressigsäure das von mutierten Zellen freigesetzte Laktat durch die Aktivierung normaler Zellenzyme reduzieren kann, es wenig Bedeutung für die Verbesserung der Pyruvatoxidation in mutierten Zellen hat. Unter Patienten mit PDHA1-Untereinheit-Gen-Defizienz haben Patienten, die auf Liponsäure ansprechen, eine bessere Prognose. Studien haben gezeigt, dass die Konzentration von Liponsäure 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 einer klaren genetischen Diagnose wird eine vielversprechende Methode sein.

Referenzen:

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