1. 概要: ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体とは
2. PDH の構造
3. PDH の活性制御
   • PDH kinase によるリン酸化制御
   • PDH phosphatase による脱リン酸化制御
   • 代謝産物によるアロステリック制御
   • 脚気、水銀、亜ヒ酸の影響
4. PDH flux の測定

概要: ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体とは

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 (PDH; pyruvate dehydrogenase complex) は、解糖 glycolysis の最終産物であるピルビン酸 pyruvate から、アセチル CoA を合成する酵素の複合体である。ミトコンドリア マトリックス内に局在する (3I)。

触媒する反応は以下の通り。このサイトでは、TCA 回路 の 0 段階目の反応としても説明している。

PDH およびその周辺の反応で、生化学的に重要な点は以下の通り。

• この反応は好気的条件下で起こり、嫌気的条件下ではピルビン酸は LDH によって乳酸 lactate になる。
• アセチル CoA はその後 TCA 回路で酸化されるほか、脂肪酸合成などにも使われる。
• ピルビン酸は、ピルビン酸カルボキシラーゼ PC によってオキサロ酢酸としても TCA 回路に入る。これを補充反応という。

> 通常の酸素濃度では、ATP の 95% 以上が好気呼吸で産生される (4D)。

• グルコースの大部分が水と二酸化炭素になり、乳酸になるのは 4% 程度。

PDH の構造

ピルビン酸からアセチル CoA への反応は、3 つの酵素と 5 つの補酵素 coenzyme が必要な複雑な反応である (5)。PDH とは、この 3 つの酵素の複合体である。5 つの補酵素とは thiamine pyrophosphate, lipoic acid, FAD, CoA, NAD+ である。

PDH の活性制御

ピルビン酸からの acetyl-CoA 合成反応は 不可逆 であり、代謝の非常に重要な分岐点である (5)。この判断がどう重要かというと、

• 脂肪酸合成の経路は acetyl CoA から分岐する。グリコーゲンは解糖系の中間代謝産物 G6P から作られる。
• いったんこの反応が起こったら、グルコースは TCA 回路で酸化されるか、脂質になるかという運命しかない。
• 細胞が低酸素状態にない、と言い切るのと同じである。

この重要な判断を下すために、PDH の活性は多くの経路によって厳密に制御されている。

PDH kinase によるリン酸化制御

ミトコンドリア中のアセチル CoA/CoA 比、NADH/NAD⁺ 比が上がると、PDHキナーゼ (PDK) が活性化される (1I, 3I) 。PDK は PDH complex をリン酸化して不活性化する (1I) 。

• End product であるアセチル CoA によって PDH が不活性化される negative feedback である。
• アセチル CoA が増えることで TCA 回路が回ると、のちに酸化的リン酸化に使われる NADH が生み出される。PDH は NADH によっても不活性化されるため、ここにも negative feedback が効いていると考えてよい。

PDH phosphatase による脱リン酸化制御

インスリンは PDH phosphatase を活性化する。PDP は PDH を脱リン酸化し活性化する (3I)。

Ca²⁺ は PDP を活性化し、PDH を活性化させる (5) 。肝臓ではエピネフリンシグナルが Ca²⁺ シグナルを活性化させる。

代謝産物によるアロステリック制御

Acetyl CoA 自身が PDH (E2 component) を阻害する (5)。細胞で脂肪酸の分解が起こっているというシグナルである。

NADH が PDH (E3 component) を阻害する (5)。TCA 回路がよく回っており、エネルギーが十分というシグナル。

ADP とピルビン酸は、PDH kinase を不活性化することで PDH を活性化する (5)。これはエネルギー不足のシグナル。

脚気、水銀、亜ヒ酸の影響

補酵素 thiamine diphosphate は thiamine (ビタミン B1) から合成される。ビタミン B1 不足による脚気 beriberi では、PDH の活性が低下している (5)。同様に、水銀 mercury や亜ヒ酸 arsenite も PDH を阻害する。

これらの毒物の作用は、グルコースを主要なエネルギー源とする神経系にまず現れる。水俣病のネコなど。他の組織では、グルコース以外の物質、とくに脂質をエネルギー産生に利用できるため、神経系よりも悪影響が遅く出る (5)。

PDH flux の測定

MRS により、ピルビン酸が代謝される様子を in vivo で測定することが可能である。13C で標識したピルビン酸をラットに注射し、心臓における代謝を調べた論文がある (3R)。

13C を含む代謝産物は、下図Aのように異なる周波数のピークとして観察される。そのタイムコースをとると可視化、定量するとそれぞれ B, C のようになる。最初の大きなピルビン酸のピークが注射を示し、他の物質に代謝されていく様子をみることができる。

最終的にはTCA回路で二酸化炭素になり、炭化水素イオン bicarbonate として検出されるようになる。この論文では、絶食 fasting または streptzotocin 誘導した糖尿病のラットでは、ピルビン酸由来の HCO3- が減少することなどが明らかにされている。

つまり、飢餓または糖尿病の状態では、心臓はピルビン酸でなく他の栄養素 (脂肪酸、ケトン体) を主要なエネルギー源にしていることが示唆される。糖尿病モデルでは、血糖値 blood glucose level が高いほど、ピルビン酸の代謝が低いという負の相関が示されている。

References

1. Jucker et al. 1997a. 13C and 31P NME studies on the effect of increased plasma free fatty acids on intramusclular glucose metabolism in the awake rat. J Biol Chem 272, 10464-10473.
2. Jiang et al. 2009a. Recurrent antecedent hypoglycemia alters neuronal oxidative metabolism in vivo. Diabetes 58, 1266-1274.
3. Schroeder et al. 2008a. In vivo assessment of pyruvate dehydrogenase flux in the heart using hyperpolarized carbon-13 magnetic resonance. PNAS 105, 12051-12056.
4. Lardon et al. 2005a. 1H-NMR study of the metabolome of an exceptionally anoxia tolerant vertebrate, the crucian carp (Carassius carassius). Metabolomics 9, 311-323.
5. Amazon link: ストライヤー生化学: 使っているのは英語の 6 版ですが、日本語の 7 版を紹介しています。参考書のページ にレビューがあります。

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