La descarboxilación oxidativa del piruvato es un proceso bioquímico que consiste en la eliminación de una molécula de dióxido de carbono (CO 2 ) de una molécula de piruvato y la adición de coenzima A (CoA) al piruvato descarboxilado para formar acetil-CoA ; es un paso intermedio entre la glucólisis y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos . La descarboxilación del piruvato se lleva a cabo por un complejo piruvato deshidrogenasa (PDC), que incluye 3 enzimas y 2 proteínas auxiliares , y para su funcionamiento se requieren 5 cofactores (CoA, NAD + , tiamina pirofosfato (TPF), FAD y ácido lipoico ( lipoato)). La ecuación general para la descarboxilación oxidativa del piruvato es la siguiente [1] :
En eucariotas, el complejo piruvato deshidrogenasa se encuentra en la mitocondria , mientras que en bacterias se encuentra en el citosol . La acetil-CoA resultante está más involucrada en el ciclo de Krebs [1] .
La descarboxilación oxidativa del piruvato es un proceso irreversible . El NADH formado durante este proceso posteriormente emite un ion hidruro (H- ) a la cadena respiratoria , en la que el oxígeno es el aceptor final de electrones durante la respiración aeróbica , y otros compuestos oxidados (por ejemplo, sulfato , nitrato ) durante la respiración anaeróbica . La transferencia de electrones del NADH al oxígeno produce 2,5 moléculas de ATP por par de electrones. La irreversibilidad de la reacción llevada a cabo por el complejo piruvato deshidrogenasa se demostró en estudios que utilizaron isótopos radiactivos : el complejo no puede volver a unir el CO 2 marcado a la acetil-CoA para formar piruvato [2] .
Además de oxidativa, hay descarboxilación no oxidativa de piruvato a acetaldehído (y luego a etanol ) y CO 2 . Este proceso lo lleva a cabo la enzima piruvato descarboxilasa , muchas plantas , levaduras y algunas bacterias son capaces de hacerlo [3] .
La deshidrogenación y descarboxilación combinadas del piruvato al grupo acilo , que luego entrará en acetil-CoA, se lleva a cabo por tres enzimas diferentes, cuyo funcionamiento requiere 5 coenzimas o grupos prostéticos diferentes : pirofosfato de tiamina (TPP), FAD , coenzima A (CoA), NAD y lipoato. Cuatro de ellos son derivados de las vitaminas : tiamina o vitamina B 1 (TPF), riboflavina o vitamina B 2 (FAD), niacina o vitamina PP (NAD) y ácido pantoténico o vitamina B 5 (CoA) [4] .
FAD y NAD son transportadores de electrones, y TPP también se conoce como la coenzima de la piruvato descarboxilasa involucrada en la fermentación [4] .
La coenzima A tiene un grupo tiol activo (-SH) que es fundamental para el funcionamiento de CoA como transportador de grupos acilo en varias reacciones metabólicas . Los grupos acilo luego se unen covalentemente al grupo tiol, formando tioéteres . Debido a su energía libre de hidrólisis estándar relativamente alta , los tioéteres tienen una gran capacidad para transferir grupos acilo a diversas moléculas aceptoras. Por lo tanto, el acetil-CoA a veces también se denomina " ácido acético activado " [4] [5] .
El quinto cofactor del complejo piruvato deshidrogenasa, el residuo de ácido lipoico lipoato , tiene dos grupos tiol que pueden sufrir una oxidación reversible para formar un enlace disulfuro (-S-S-), similar a como ocurre entre dos residuos de aminoácidos de cisteína en un proteína. Debido a su capacidad para sufrir oxidación y reducción, el lipoato puede servir como transportador de electrones (o H + ) y grupos acilo [4] .
El complejo piruvato deshidrogenasa (PDC) incluye 3 enzimas: piruvato deshidrogenasa (E 1 ), dihidrolipoiltransacetilasa (E 2 ) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E 3 ). Cada una de estas enzimas está presente en el complejo en múltiples copias. El número de copias de cada enzima y, por tanto, el tamaño del complejo, varía entre las diferentes especies.
El complejo MPC de los mamíferos alcanza unos 50 nm de diámetro, más de 5 veces el diámetro de un ribosoma completo ; estos complejos son lo suficientemente grandes para ser visibles bajo un microscopio electrónico . El MPC de la vaca incluye 60 copias idénticas de E 2 , que forman un dodecaedro pentagonal ( parte central del complejo) con un diámetro de unos 25 nm .
Escherichia coli contiene 24 copias de E 2 en el núcleo de PDC . El grupo prostético lipoato ( residuo de ácido alfa-lipoico ) con el aminoácido lisina se une a E2 , que se une con un enlace amida al grupo ε - amino del residuo de lisina que forma parte de E2 . E 2 consta de tres dominios funcionalmente diferentes: dominio lipoílo amino terminal que contiene un residuo de lisina que se une a un lipoato; dominio central de unión a E1 y E3 ; un dominio de aciltransferasa de núcleo interno que contiene los sitios activos de la aciltransferasa . La levadura tiene un solo dominio lipoilo en su MPC, los mamíferos tienen dos y E. coli tiene tres. Los dominios E 2 están unidos por secuencias conectoras que constan de 20 a 30 residuos de aminoácidos, con residuos de alanina y prolina intercalados con residuos de aminoácidos cargados [6] .
TPP se une al centro activo E 1 y FAD se une al centro activo E 3 . Además, el complejo PDC incluye dos proteínas reguladoras: la proteína quinasa y la fosfoproteína fosfatasa . Esta estructura básica de E 1 -E 2 -E 3 permaneció conservada durante la evolución . Los complejos de dicho dispositivo también están involucrados en otras reacciones, por ejemplo, la oxidación de α-cetoglutarato durante el ciclo de Krebs y la oxidación de α - cetoácidos formados durante la utilización catabólica de aminoácidos ramificados: valina , isoleucina , leucina . En las especies estudiadas, E 3 MPC es idéntico al E 3 de los dos complejos mencionados anteriormente. La notable similitud de las estructuras proteicas, los cofactores y los mecanismos de reacción llevados a cabo por estos complejos atestigua la similitud de su origen [1] . Cuando el lipoato se une a la lisina E 2 , se forma un "brazo" largo y flexible que puede moverse desde el centro activo E 1 hasta los centros activos E 2 y E 3 , es decir, a distancias presumiblemente de 5 nm o más [ 7] .
La descarboxilación oxidativa del piruvato incluye varios pasos:
El papel central en la reacción llevada a cabo por el complejo PDC lo desempeñan los "brazos" de lipoillisina E 2 , que pueden "oscilar" y tomar dos electrones de E 1 , así como el grupo acetilo formado a partir del piruvato, y entregar electrones a E 3 . Todas estas enzimas y coenzimas se ensamblan en un complejo, por lo que los compuestos intermedios pueden entrar en las reacciones necesarias rápidamente y sin difundirse desde la superficie del complejo enzimático. Debido a esto, los compuestos intermedios no abandonan el complejo y se mantiene una concentración local muy alta del sustrato E 2 . También evita que el grupo acetilo activado sea absorbido por otras enzimas que lo utilizan como sustrato [8] .
Los compuestos orgánicos que contienen arsénico son inhibidores de la PDC, ya que interactúan con los grupos tiol del grupo lipoilo E 2 reducidos durante la descarboxilación oxidativa del piruvato y bloquean su funcionamiento normal [9] .
En los mamíferos, la MPC es fuertemente suprimida por ATP, así como por los productos de reacción: acetil-CoA y NADH. La inhibición alostérica de la oxidación del piruvato aumenta mucho en presencia de ácidos grasos de cadena larga . AMP, CoA y NAD + se acumulan cuando entra muy poco acetato en el ciclo de Krebs, activando alostéricamente el complejo MPC. Así, el complejo enzimático se inhibe cuando hay suficiente acetil-CoA o materias primas (ácidos grasos) para llevar a cabo vías alternativas de formación de acetil-CoA, y las relaciones [ATP]/[ADP] y [NADH]/ [NAD + ] son lo suficientemente grandes. Por el contrario, con un gran requerimiento de energía y la necesidad de más acetil-CoA para el funcionamiento del ciclo de Krebs, el MPC se activa [10] .
En los mamíferos, a estos mecanismos alostéricos se suma un segundo nivel de regulación: la modificación covalente de la proteína. El complejo PDC es inhibido por fosforilación reversible en residuos de serina específicos en una de las dos subunidades E1 . Anteriormente se señaló que, además de las subunidades E 1 , E 2 y E 3 en mamíferos, el complejo PDC incluye dos proteínas reguladoras cuyo único propósito es regular la actividad del complejo. Una proteína quinasa específica fosforila y, por lo tanto, inactiva E1 , mientras que una fosfoproteína fosfatasa específica elimina los grupos fosfato por hidrólisis y, por lo tanto , activa E1 . La quinasa es activada alostéricamente por el ATP: cuando la concentración de ATP es alta (lo que indica suficiente energía en la célula), el complejo PDC es inactivado por la fosforilación de E 1 . Cuando se reduce [ATP], la actividad de la quinasa disminuye y la fosfatasa elimina los grupos fosfato de E 1 , activando el complejo [11] .
El complejo MPC de la planta , ubicado en la matriz mitocondrial y los plástidos , es suprimido por sus productos de actividad: NADH y acetil-CoA. La enzima mitocondrial vegetal también está regulada por fosforilación reversible: el piruvato inhibe la quinasa, activando la PDC, mientras que el NH4 + estimula la quinasa e inactiva el complejo. En E. coli , la MPC está regulada alostéricamente por un mecanismo similar al de los mamíferos, pero no parece estar regulada por la fosforilación [11] .
Cuatro vitaminas (tiamina, riboflavina, niacina, ácido pantoténico), a partir de las cuales se forman las coenzimas MPC, deben estar presentes en la dieta humana [4] . Además, las mutaciones en los genes que codifican las subunidades de MPC, así como la falta de tiamina en la dieta, pueden tener consecuencias muy graves. Los animales que carecen de tiamina no pueden oxidar el piruvato normalmente. Esto es especialmente importante para el cerebro , que normalmente obtiene energía de la oxidación aeróbica de la glucosa , proceso que implica necesariamente la oxidación del piruvato.
El beriberi , una enfermedad que se desarrolla con falta de tiamina, se caracteriza por un trastorno de las funciones del sistema nervioso . Esta enfermedad ocurre comúnmente en poblaciones humanas cuya dieta consiste principalmente en arroz blanco (descascarillado) , despojado de la cáscara, que contiene la mayor parte de la tiamina del arroz. La deficiencia de tiamina también puede desarrollarse en personas que consumen alcohol de forma regular, ya que la mayor parte de la energía que obtienen proviene de " calorías vacías " de alcohol purificado, desprovistas de vitaminas. Los niveles elevados de piruvato en la sangre son a menudo un indicador de trastornos en la oxidación del piruvato debido a una de las razones anteriores [12] .
En algunos microorganismos , la conversión de piruvato en acetil-CoA (u otros productos) puede llevarse a cabo de formas distintas a las descritas anteriormente (los aerobios utilizan el complejo PDC ). Estas transformaciones pueden ser: