Cofacteurs
Coenzymes de transfert
Acétyl-CoA : biosynthèse à partir du pyruvate
Complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) : régulation

La réaction irréversible suivante fait intervenir la pyruvate déshydrogénase (PDH).

$\ce{Pyruvate + CoA-SH + NAD+}$ $\longrightarrow$ $\ce{Acétyl-CoA + NADH + H+ + CO2}$

Importance de la pyruvate déshydrogénase (PDH)

Lorsque l'acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs, elle produit du NADH et du FADH₂ qui sont utilisés pour générer le gradient de protons nécessaire à la phosphorylation oxydative.

La finesse de la régulation de la PDH doit maintenir l'homéostasie énergétique cellulaire et fournir le carbone nécessaire aux voies de biosynthèse dépendantes du cycle de Krebs.

Cette régulation dépend de l'état énergétique de la cellule :

• L'ATP, le NADH et l'acétyl-CoA inhibent le complexe, i.e. indicateurs d’un état énergétique élevé de la cellule.
• L'ADP, le NAD+, la CoA et le pyruvate l'active, i.e. indicateurs d’un besoin énergétique ou de substrats disponibles.
• Les gènes du complexe PDH sont également régulés transcriptionnellement. Lors de périodes de stress énergétique comme le jeûne, on note une diminution des transcriptions des protéines du complexe PDH. Elles retournent aux niveaux de base lors de la réalimentation (Gene Expression Profile Change and Associated Physiological and Pathological Effects in Mouse Liver Induced by Fasting and Refeeding 2011).

Régulation rapide du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH)

Vue d'ensemble

La régulation rapide de l'activité PDH est obtenue par phosphorylation et déphosphorylation de trois résidus sérine, Ser-264 (site 1), Ser-271 (site 2), et Ser-203 (site 3), sur la sous-unité E1α.

1. Les sérines se trouvent dans des boucles qui, lors de la phosphorylation, perdent la capacité de se lier et de recruter les domaines lipoyl nécessaires pour l’acheminement du substrat vers le site actif de E1 (Conformational Changes in Protein Loops and Helices Induced by Post-Translational Phosphorylation 2006 et Structural Basis for Inactivation of the Human Pyruvate Dehydrogenase Complex by Phosphorylation: Role of Disordered Phosphorylation Loops 2010).

Même si le site 1 (Ser-264) est la cible la plus fréquente, la phosphorylation de n'importe quel site est suffisante pour inhiber l'activité enzymatique.

2. De plus, la PDK elle-même interagit avec le domaine L2, ce qui positionne ce dernier au carrefour entre la régulation, via la phosphorylation, et la catalyse, via le transfert du substrat.

La phosphorylation désorganise donc non seulement l’activité enzymatique d’E1, mais aussi les interfaces fonctionnelles entre E1, L2 et la PDK.

Pyruvate déshydrogénase kinase (PDK)

La pyruvate déshydrogénase kinase (PDK), EC 2.7.11.2, phosphoryle et inactive la sous-unité E1α de PDHE, et donc tout le complexe : le pyruvate mitochondrial est métabolisé vers d'autres voies que le cycle de Krebs, et en particulier vers la gluconéogenèse lors du jeûne pour maintenir la glycémie.

1. Quatre isoformes de PDK ont été trouvées (PDK1, PDK2, PDK3 et PDK4) qui varient en taille, dans leur localisation cellulaire, mais qui se chevauchent souvent.

On note des différences entre les isoformes dans les cinétiques de réaction, les sites de phosphorylation de E1, ses affinités de liaison pour les domaines lypoyles.

• En effet, l'interaction de la PDK requiert la présence du domaine lypoyle L2 sur E2 pour stabiliser l'interaction PDK–E1 et favoriser une conformation qui rend les sites de phosphorylation accessibles.
• Le domaine L1, plus distal, semble jouer un rôle secondaire dans cette interaction.

Isoforme	Tissus principaux d'expression	Caractéristiques fonctionnelles	Régulation / Particularités
PDK1	Présente dans plusieurs tissus, notamment cerveau, foie, reins, mais en quantités modérées	Inhibe PDH comme les autres isoformes	Fortement induite par l’hypoxie via HIF-1α Rôle important dans la reprogrammation métabolique (tumeurs)
PDK2	Cœur, muscle squelettique, foie (expression ubiquitaire et dominante)	Isoforme la plus constitutive (activité modérée)	Régulée par le statut énergétique (NADH, acétyl-CoA) Sensible à la rétro-inhibition par le dichloroacétate
PDK3	Spécifique du muscle cœur et muscle squelettique uniquement	Très active (forte capacité d’inhibition de PDH)	Moins régulée par les effecteurs classiques Expression plus stable, Peu induite par l’environnement
PDK4	Reins, cerveau, foie, présente aussi dans le muscle	Induite en condition de jeûne, diabète, exercice	Régulée par des facteurs hormonaux : glucocorticoïdes, insuline (répression), PPARs (activation) Favorise la gluconéogenèse et la conservation du glucose

2. La PDK active est un dimère, homo- ou hétérodimère, selon que le tissu examiné exprime une ou plusieurs isoformes (Formation of functional heterodimers by isozymes 1 and 2 of pyruvate dehydrogenase kinase 2003).

a. Chaque sous-unité de la PDK comprend deux domaines structuraux séparés par une fente.

• 

  Le domaine N-terminal régulateur, i.e. domaine R, est responsable de l'interaction avec le domaine lipoyle L2 du complexe PDH,
• Le domaine C-terminal catalytique, i.e. domaine K, est impliqué à la fois dans l’activité kinase et dans la dimérisation de l'enzyme.
• La fente située entre ces deux domaines forme le site actif, dans lequel s’insèrent l’ATP et le segment de la sous-unité E1 contenant la sérine cible.

b. La structure dimérique serait asymétrique (Crystal Structure of an Asymmetric Complex of Pyruvate Dehydrogenase Kinase 3 with Lipoyl Domain 2 and its Biological Implications 2007).

• Un monomère lie le domaine L2 et correspond à la conformation L2B (B pour bound).
• L’autre monomère reste libre, sans L2, et correspond à L2F (f pour free).

2. Cette asymétrie pourrait expliquer le mécanisme de la PDK, car malgré la présence d'environ 60 domaines lipoyles (30 E2 × 2 domaines) dans le complexe PDH chez les mammifères, on observe typiquement l’association d'une à deux molécules de PDK par complexe (et Interaction of E1 and E3 components with the core proteins of the human pyruvate dehydrogenase complex 2009).

a. PDK doit donc se déplacer sur toute la surface de PDH pour l'inactiver complètement.

• Lorsque l'une des sous-unités PDK est liée à L2 (interne), l'auttre sous-unité serait libre de se mouvoir.
• Cette organisation asymétrique permettrait à la PDK d'osciller ou de pivoter sur le complexe PDH, en utilisant les différents domaines L2 comme points d’ancrage successifs.

b. PDK se déplace dans la PDH sans se dissocier du complexe, i.e. minimisant le besoin de dissociation ou de recaptage de la PDK (Structural and Functional Insights into the Molecular Mechanisms Responsible for the Regulation of Pyruvate Dehydrogenase Kinase 2 2008).

3. Les régulations de la LDH sont dues aux régulations de la PDK : comme la PDK inhibe la PDH, elles sont strictement inverses (cf. plus haut).

Pyruvate déshydrogénase phosphatase (PDP)

La pyruvate déshydrogénase phosphatase (EC 3.1.3.43) catalyse la réaction inverse de celle de la PDK en éliminant la phosphorylation des sérines de la sous-unité E1 du complexe PDH, ce qui entraîne la réactivation du complexe.

Elle augmente le flux d'acétyl-CoA dans le cycle de Krebs pour favoriser la phosphorylation oxydative et la biosynthèse.

Structure

1. Deux isoformes de PDP ont été trouvés chez l'homme.

• PDP1 est fortement exprimée dans le cerveau, le cœur, le muscle squelettique et les testicules, régulant le métabolisme énergétique dans les tissus à forte demande d’énergie.
• PDP2 est fortement exprimée dans le foie et le tissu adipeux, contrôlant le métabolisme énergétique dans les tissus de stockage et de détoxification.

2. Structurellement, PDP1 est un hétérodimère composé de deux sous-unités (Crystal structure of pyruvate dehydrogenase phosphatase 1 and its functional implications 2007).

a. La sous-unité catalytique (PDP1c) appartient à la famille des phosphatases sérine/thréonine PP2C (phosphatase 2C).

• Une poche hydrophobe spécifique à la sous-unité catalytique de PDP1, i.e. résidus 98-51, est probablement importante pour la liaison d’un ligand, d’un domaine lipoylé ou d’un autre facteur.
• Le " flap segment ", segment en forme de languette, est une partie flexible de la protéine qui peut se déplacer pour ouvrir ou fermer cette poche, ou pour permettre l’interaction avec des substrats ou des partenaires.

b. Deux cofacteurs d'ions magnésium sont nécessaires pour la déphosphorylation des résidus sérine (Crystal structure of pyruvate dehydrogenase phosphatase 1 and its functional implications 2007).

Régulation

PDP1 et PDP2 sont finement régulées afin d’ajuster l’activité du complexe PDH aux besoins métaboliques de la cellule.

1. La régulation transcriptionnelle, niveaux d’ARNm et de PDP, est essentielle.

a. Pendant le jeûne, la régulation transcriptionnelle diminue, contribuant à une réduction de l’activité du complexe PDH.

Cela permet de rediriger le pyruvate vers la gluconéogenèse, plutôt que vers l’oxydation mitochondriale.

b. En revanche, leur expression est stimulée par l’insuline, le phosphoénolpyruvate (PEP), et l’AMP, i.e. des signaux associés à un état métabolique actif ou à une demande accrue en énergie ( charge énergétique de la cellule).

3. L'AMP est un régulateur métabolique en :

• L’activité de PDP1 est stimulée en réponse à une élévation du calcium dans les cellules musculaires, mécanisme essentiel lors de la contraction musculaire.
• Le PDH ainsi activé renforce la production de NADH et d’ATP mitochondriale en réponse directe à la demande énergétique accrue du muscle en contraction.

Remarque : L'activité PDP2, non activée par le calcium, est augmentée en présence de spermine, sans que l'on comprenne sa signification.

2. La régulation post-traductionnelle impliquerait aussi une phosphorylation par la protéine kinase C delta (PKCδ), ce qui entraîne une augmentation de leur activité phosphatase, i.e. renforcement de l’activité du complexe PDH.

Déficience en pyruvate déshydrogénase

La déficience en pyruvate déshydrogénase (Pyruvate dehydrogenase deficiency) est un trouble métabolique caractérisé par une diminution de l'activité du complexe PDH dans les cellules, ce qui perturbe la conversion du pyruvate en acétyl-CoA.

1. Cette altération entraîne une accumulation de pyruvate, qui est alors redirigé vers la voie anaérobie, menant à une accumulation de lactate, ce qui provoque :

• une acidose, due à l'accumulation du lactate (Classic ketogenic diet-induced ketoacidosis in the treatment of pyruvate dehydrogenase deficiency: a case report and literature review 2024),
• une ataxie, troubles de la coordination motrice,
• un retard de développement psychomoteur,
• une diminution de la capacité cognitive.

Le système nerveux central (SNC) est particulièrement touché, car il dépend fortement du métabolisme oxydatif du glucose pour la production d’énergie.

Une réduction de l’activité PDH perturbe donc gravement l’approvisionnement énergétique du cerveau, surtout durant le développement.

2. La majorité des cas de déficience en PDH sont dus à des mutations du gène PDHA1, codant pour la sous-unité E1α.

Cependant, des mutations sur d'autres sous-unités (E1β, E2, E3) ou enzymes régulatrices (PDK, PDP) peuvent également être impliquées (A missense mutation in PDHB gene: identification of the patient with pyruvate dehydrogenase deficiency and demonstration of pathogenicity in vitro 2025).

Synthèses de l'acétyl-CoA à partir d'autres molécules