PREPARACIÓN DEL CICLO
PREPARACIÓN DEL CICLO
• El piruvato producido por la glucólisis puede tener muchos destinos. En ausencia de oxígeno (condiciones anaeróbicas), el piruvato se convierte en ácido láctico o en etanol, según el tipo de organismo.
• En presencia de oxígeno (condiciones aeróbicas), se convierte en una molécula denominada acetil coenzima A (acetil-CokA), que es capaz de incorporarse al ciclo del ácido cítrico.
• La ruta que tome el piruvato depende de las necesidades energéticas de la célula y de la disponibilidad de oxígeno.
• En la mayoría de los tejidos, el piruvato se procesa de forma aerobia porque hay una buena disponibilidad de oxígeno. Por ejemplo, en el músculo humano en reposo, la mayoría del piruvato se procesa de forma aeróbica, convirtiéndolo primero en acetil-CoA.
PREPARACIÓN DEL CICLO
• Sin embargo, en el músculo muy activo gran parte del piruvato se procesa a lactato porque el suministro de oxígeno no puede satisfacer la demanda de oxígeno.
• El ciclo del ácido cítrico acepta dos unidades acetilo de dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA. Estas unidades acetilo de dos carbonos se incorporan al ciclo uniéndose a una molécula aceptora de cuatro átomos de carbono.
• Las unidades de dos átomos de carbono se oxidan a CO2, dando como resultado la extracción de electrones con un elevado potencial de transferencia. La molécula aceptora se regenera para que pueda procesar otra unidad de dos carbonos. La naturaleza cíclica de estas reacciones incrementa su eficacia.
La piruvato deshidrogenasa forma acetil-coenzima A a partir de piruvato
• La glucólisis tiene lugar en el citoplasma de la célula, pero el ciclo del ácido cítrico se produce en las mitocondrias.
• Por lo tanto, el piruvato tiene que ser transportado a las mitocondrias para ser metabolizado de forma aeróbica.
• En la matriz mitocondrial, el complejo piruvato deshidrogenasa descarboxila oxidativamente el piruvato para formar acetil-CoA.
La piruvato deshidrogenasa forma acetil-CoAa partir del piruvato.
La piruvato deshidrogenasa forma
acetil-coenzima A a partir de piruvato
• La glucólisis genera dos moléculas de piruvato por cada molécula de glucosa que se metaboliza.
• La conversión irreversible de piruvato en acetil-CoA es la conexión entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.
• En el metabolismo, esta reacción es decisiva, ya que determina si los átomos de carbono de los carbohidratos van a ser oxidados por el ciclo del ácido cítrico o van a ser destinados a la síntesis de lípidos
• Hay que señalar que el complejo piruvato deshidrogenasa produce CO2 y extrae electrones con un elevado potencial de transferencia en forma de NADH, augurando así las características clave de las reacciones del ciclo del ácido cítrico.
La piruvato deshidrogenasa forma acetil-coenzima A a partir de piruvato
• El complejo piruvato deshidrogenasa es un complejo de gran tamaño formado por tres enzimas distintas muy interrelacionadas entre sí , cada una con su propio centro activo.
• Es miembro de una familia de complejos similares, extraordinariamente grandes, con unas masas moleculares comprendidas entre 4 y 10 millones de daltons.
• Sus complicadas estructuras permiten a los sustratos desplazarse eficazmente de un centro activo a otro sin dejar de estar unidos físicamente al núcleo interno del complejo.
La síntesis de acetil-coenzima A a partir de piruvato requiere tres enzimas y cinco coenzimas
• El mecanismo de la reacción de la piruvato deshidrogenasa es maravillosamente complejo, mucho más de lo que sugiere su sencilla estequiometría. La reacción requiere la participación de las tres enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa y la de cinco coenzimas.
• Las coenzimas tiamina pirofosfato (TPP), ácido lipoico y el dinucleótido de flavina y adenina (FAD) funcionan como coenzimas catalíticas, mientras que la CoA y el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) son coenzimas estequiométricas.
• Las coenzimas catalíticas, al igual que las enzimas, no se alteran de forma permanente al participar en la reacción. Las coenzimas estequiométricas funcionan como sustratos.
La síntesis de acetil-coenzima A a partir de piruvato requiere tres enzimas y cinco coenzimas
• La conversión de piruvato en acetil-CoAconsta de tres pasos: descarboxilación, oxidación y transferencia del grupo acetilo resultante a la CoA.
Estas etapas tienen que estar acopladas para conservar la energía libre procedente del paso de descarboxilación para que impulse la formación de NADH y de acetil-CoA.
l. Descarboxilación. El piruvato se combina con la forma ionizada ( carbanión) del tiamina pirofosfato TPP y, a continuación, se descarboxila para formar hidroxietil-TPP.
Esta reacción está catalizada por el componente piruvato deshidrogenasa (E1) del complejo multienzimático. La coenzima del componente piruvato deshidrogenasa es el TPP.
E1
La síntesis de acetil-coenzima A a partir de piruvato requiere tres enzimas y cinco coenzimas
2. Oxidación.
El grupo hidroxietilo unido al TPP se oxida para formar un grupo acetilo a la vez que se transfiere a la lipoamida, un derivado del ácido lipoico. Hay que señalar que esta transferencia da lugar a la formación de un enlace tioéster rico en energía.
En esta reacción, el grupo disulfuro de la lipoamida se reduce a su forma disulfhidrilo.
La reacción, que también está catalizada por el componente piruvato deshidrogenasa (E1), genera acetillipoamida.
E1 grupo hidroxietilo enlace tioéster
La síntesis de acetil-coenzima A a partir de piruvato requiere tres enzimas y cinco coenzimas
3. Formación de acetil-CoA.
El grupo acetilo se transfiere desde la acetil-lipoamida a la CoA para formar acetil-CoA. Esta reacción está catalizada por la dihidrolipoilo transacetilasa (E2). El enlace tioéster rico en energía se conserva durante la transferencia del grupo acetilo a la CoA. En este paso se ha generado acetil-CoA, el combustible para el ciclo del ácido cítrico, a partir del piruvato.
Combustible para el ciclo del ácido cítrico
El complejo piruvato deshidrogenasa tiene que "reiniciar" la lipoamida para que el complejo pueda catalizar otro conjunto de reacciones. El complejo no puede completar otro ciclo catalítico hasta que la dihidrolipoamida se oxide a lipoamida.
E2
La síntesis de acetil-coenzima A a partir de piruvato requiere tres enzimas y cinco coenzimas
En un cuarto paso, se regenera la forma oxidada de la lipoamida gracias a la dihidrolipoilo deshidrogenasa (E3). Se transfieren dos electrones a un grupo prostético FAD de la enzima y, posteriormente, al NAD +.
• Esta transferencia de electrones desde el FAD al NAD+ es atípica, ya que el papel habitual del FAD consiste en recibir electrones del NADH. Al asociarse a la enzima, el potencial de transferencia de electrones del FAD aumenta, lo que le permite transferir electrones al NAD+.
• Las proteínas estrechamente asociadas al FAD se denominan flavoproteínas.
E3
Conectores flexibles permiten que la lipoamida se mueva entre centros activos distintos
• Se conocen las estructuras de todas las enzimas que componen el complejo piruvato deshidrogenasa, aunque se trata de estructuras de distintos complejos y de distintas especies. Por tanto, hoy en día es posible construir un modelo atómico del complejo que nos permita comprender su actividad.
• El núcleo interno del complejo está formado por el componente transacetilasa E2
• La transacetilasa consta de ocho trímeros catalíticos ensamblados en forma de un cubo hueco. Cada una de las tres subunidades que componen el trímero posee tres dominios principales.
• En el extremo amino hay un pequeño dominio que contiene un cofactor lipoamida flexible unido covalentemente a la cadena lateral de una lisina. Después del dominio lipoamida hay un pequeño dominio que interacciona con E3 dentro del complejo.
• Cada subunidad E2 se completa con un dominio transacetilasa, más grande.
• Los ocho trímeros E2 constituyen el núcleo interno del complejo y están rodeados por 24 copias de E1 ( un tetrámero α2β2) y 12 copias de E3 (un dímero αβ).
Dihidrolipoilo
Deshidrogenasa
Componente Piruvato Deshidrogenasa
Componente Piruvato Deshidrogenasa E1
Dihidrolipoilo Transacetilasa
Dihidrolipoilo Transacetilasa E2
Núcleo interno
Dihidrolipoilo Deshidrogenasa E3
Tres subunidades Cada subunidad Tres dominios
El complejo piruvato deshidrogenasa se regula por medio de dos mecanismos
• El complejo piruvato deshidrogenasa está estrictamente controlado por medio de múltiples interacciones alostéricas y modificaciones covalentes. Se puede formar glucosa a partir de piruvato a través de la ruta gluconeogénica.
• Sin embargo, en animales, la formación de acetil-CoA a partir de piruvato es un paso irreversible y, por tanto, son incapaces de volver a convertir la acetil-CoA en glucosa. La descarboxilación oxidativa del piruvato en acetil-CoA obliga a los átomos de carbono de la glucosa a escoger uno de sus dos principales destinos:
(
1) su oxidación a CO2 por medio del ciclo del ácido cítrico con la correspondiente generación de energía o
(2) su incorporación a lípidos, ya que la acetil-CoA es un precursor clave de la síntesis de lípidos.
El complejo piruvato deshidrogenasa se regula por medio de dos mecanismos
Quinasa
• En eucariotas, el principal método de regulación del complejo es la modificación covalente, en este caso, la fosforilación.
• La fosforilación del componente piruvato deshidrogenasa (E1) por una piruvato deshidrogenasa (PDH) quinasa desconecta la actividad del complejo. La desactivación se revierte por la acción de una PDH fosfatasa.
• Tanto la quinasa como la fosfatasa se encuentran físicamente asociadas al componente transacetilasa (E2), resaltando una vez más la importancia de este componente, tanto para la estructura como para el mecanismo. Además, tanto la quinasa como la fosfatasa están, a su vez, reguladas
Fosfatasa
Dihidrolipoilo Transacetilasa
El complejo piruvato deshidrogenasa se regula por medio de dos mecanismos
• Para ver cómo funciona esta regulación en condiciones biológicas, consideremos un músculo que está volviendo a la actividad tras un periodo de reposo .
• En reposo, el músculo no tendrá una demanda de energía significativa.
• En consecuencia, las proporciones NADH/NAD+, acetilCoA/CoA y ATP/ADP serán altas. Estas proporciones elevadas estimulan la PDH quinasa, promoviendo la fosforilación y, por tanto, la desactivación del complejo piruvato deshidrogenasa.
• En otras palabras, concentraciones elevadas de los productos inmediatos (acetil-CoA y NADH) y finales (ATP) del complejo piruvato deshidrogenasa inhiben su actividad.
• Por tanto, la piruvato deshidrogenasa se desconecta cuando la carga energética es elevada.
El complejo piruvato deshidrogenasa se regula por medio de dos mecanismos
• Al comenzar el ejercicio, las concentraciones de ADP y piruvato aumentarán a medida que la contracción muscular consume ATP y la glucosa se convierte en piruvato para satisfacer la demanda energética.
• Tanto el ADP como el piruvato activan la deshidrogenasa inhibiendo la PDH quinasa. Además, se estimula la fosfatasa por medio de Ca2+ una señal que también da inicio a la contracción muscular.
• Un aumento de los niveles de Ca2+ citoplasmático para estimular la contracción muscular eleva el nivel de Ca2+mitocondrial. El aumento del Ca2+ mitocondrial activa la fosfatasa, intensificando así la actividad piruvato deshidrogenasa.
Músculo en Actividad
Concentraciones altas de ADP y piruvato
Músculo en Reposo
Concentraciones elevadas de NADH, acetil-CoAyATP
Activan Piruvato Deshidrogenasa inhiben la PDH quinasa
activa la PDH fosfatasa por medio de Ca2 inicia la contracción muscular.
Activan PDH quinasa Desactivan Piruvato Deshidrogenasa