El camino general del catabolismo es un conjunto de procesos bioquímicos, que incluye:
Es en la vía general del catabolismo donde se forma la mayor parte de los sustratos para las reacciones de deshidrogenación. Junto con la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa, la vía del catabolismo general es la principal fuente de energía en forma de ATP [1] .
La oxidación del piruvato a acetil-CoA ocurre con la participación de una serie de enzimas y coenzimas, unidas estructuralmente en un sistema multienzimático, denominado "complejo de piruvato deshidrogenasa" [2] .
En la etapa I de este proceso, el piruvato pierde su grupo carboxilo como resultado de la interacción con el pirofosfato de tiamina (TPP) como parte del centro activo de la enzima piruvato deshidrogenasa (E 1 ). En la etapa II, el grupo hidroxietilo del complejo E 1 -TPF-CHOH-CH 3 se oxida para formar un grupo acetilo, que se transfiere simultáneamente a la amida del ácido lipoico (coenzima) asociada a la enzima por la dihidrolipoilacetiltransferasa (E 2 ). Esta enzima cataliza la etapa III: la transferencia de un grupo acetilo a la coenzima CoA (HS-KoA) con la formación del producto final acetil-CoA , que es un compuesto de alta energía (alta energía ) [2] .
En la etapa IV, la forma oxidada de la lipoamida se regenera a partir del complejo dihidrolipoamida-E2 reducido . Con la participación de la enzima dihidrolipoil deshidrogenasa (E 3 ), se transfieren átomos de hidrógeno de los grupos sulfhidrilo reducidos de la dihidrolipoamida al FAD, que actúa como grupo prostético de esta enzima y está fuertemente asociado a ella. En la etapa V, la dihidrolipoil deshidrogenasa FADH 2 reducida transfiere hidrógeno a la coenzima NAD con la formación de NADH + H + [2] .
El proceso de descarboxilación oxidativa del piruvato ocurre en la matriz mitocondrial . Involucra (como parte de un complejo multienzimático ) 3 enzimas (piruvato deshidrogenasa, dihidrolipoilacetiltransferasa, dihidrolipoil deshidrogenasa) y 5 coenzimas (TPF, amida de ácido lipoico, coenzima A , FAD y NAD), de las cuales tres están relativamente fuertemente asociadas con enzimas (TPF-E 1 , lipoamida-E 2 y FAD-E 3 ), y dos se disocian fácilmente (HS-KoA y NAD) [2] .
Todas estas enzimas, que tienen una estructura de subunidades, y las coenzimas están organizadas en un solo complejo. Por lo tanto, los productos intermedios pueden interactuar rápidamente entre sí. Se ha demostrado que las cadenas polipeptídicas de las subunidades de dihidrolipoil acetiltransferasa que forman el complejo forman, por así decirlo, el núcleo del complejo, alrededor del cual se ubican la piruvato deshidrogenasa y la dihidrolipoil deshidrogenasa. Generalmente se acepta que el complejo enzimático nativo se forma por autoensamblaje.
La reacción global catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa se puede representar de la siguiente manera:
Piruvato + NAD + + HS-KoA \ u003d Acetil-CoA + NADH + H + + CO 2 .
La reacción va acompañada de una importante disminución de la energía libre estándar y es prácticamente irreversible.
Formado en el proceso de descarboxilación oxidativa , el acetil-CoA sufre una oxidación adicional con la formación de CO 2 y H 2 O. La oxidación completa del acetil-CoA ocurre en el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs ). Este proceso, así como la descarboxilación oxidativa del piruvato, ocurre en las mitocondrias de las células [2] .
El arseniato, así como los iones de mercurio, forman complejos con los grupos -SH del ácido lipoico e inhiben la piruvato deshidrogenasa; con un contenido insuficiente de tiamina en la dieta, la actividad de la piruvato deshidrogenasa disminuye y el piruvato puede acumularse. La deficiencia de tiamina ocurre en alcohólicos con una dieta alterada; cuando se les administra glucosa, puede ocurrir una rápida acumulación de piruvato y lactato, lo que lleva a una acidosis láctica , a menudo fatal. Los pacientes con deficiencia hereditaria de piruvato deshidrogenasa también pueden desarrollar acidosis láctica, especialmente después de una carga de glucosa . Se han registrado mutaciones de casi todas las enzimas del metabolismo de los carbohidratos, y en cada caso su consecuencia es una enfermedad humana [3] .
El ciclo del ácido tricarboxílico ( ciclo de Krebs , ciclo del citrato , ciclo del ácido cítrico ) es la parte central de la vía general del catabolismo , un proceso aeróbico bioquímico cíclico durante el cual se convierten compuestos de dos y tres carbonos, que se forman como productos intermedios en organismos vivos durante la descomposición de carbohidratos, grasas y proteínas, hasta CO 2 . En este caso, el hidrógeno liberado se envía a la cadena de respiración del tejido, donde se oxida aún más a agua, participando directamente en la síntesis de una fuente de energía universal: ATP .
El ciclo de Krebs es un paso clave en la respiración de todas las células que usan oxígeno, la encrucijada de muchas vías metabólicas en el cuerpo. Además de un papel energético significativo, al ciclo también se le asigna una función plástica significativa, es decir, es una fuente importante de moléculas precursoras, de las cuales, en el curso de otras transformaciones bioquímicas, compuestos tan importantes para la vida celular como los aminoácidos. , se sintetizan carbohidratos, ácidos grasos, etc.
El ciclo de transformación del ácido cítrico en las células vivas fue descubierto y estudiado por el bioquímico alemán Hans Krebs , por este trabajo él (junto con F. Lipman ) fue galardonado con el Premio Nobel ( 1953 ).
En eucariotas, todas las reacciones del ciclo de Krebs ocurren dentro de las mitocondrias , y las enzimas que las catalizan , excepto una, se encuentran en estado libre en la matriz mitocondrial, a excepción de la succinato deshidrogenasa , que se localiza en la membrana mitocondrial interna, integrándose en la bicapa lipídica. En procariotas , las reacciones del ciclo tienen lugar en el citoplasma.
La reacción inicial, la condensación de acetil-CoA y oxaloacetato, que conduce a la formación de citrato, es catalizada por la enzima de condensación, citrato sintasa, y se forma un enlace carbono-carbono entre el carbono metílico de acetil-CoA y el carbono carbonílico. de oxalacetato. La reacción de condensación que da lugar a la formación de citril-CoA va seguida de la hidrólisis del enlace tioéter, acompañada de la pérdida de una gran cantidad de energía libre en forma de calor; esto determina el flujo de la reacción de izquierda a derecha hasta que se completa:
Acetil-CoA + Oxaloacetato + H 2 O → Citrato + KoASH
La conversión de citrato a isocitrato es catalizada por la aconitasa (acónito hidratasa), que contiene hierro en estado Fe 2+ . Esta reacción se lleva a cabo en dos etapas: primero, se produce la deshidratación con la formación de trans -aconitato (parte de este permanece en complejo con la enzima), y luego la hidratación y la formación de isocitrato :
Citrato ↔ Cis- Aconitato ↔ Isocitrato
La reacción es inhibida por fluoroacetato , que primero se convierte en fluoroacetil-CoA; este último se condensa con oxaloacetato para formar fluorocitrato. El inhibidor directo de la aconitasa es el fluorocitrato; la inhibición acumula citrato. Los experimentos que utilizan intermediarios marcados con el isótopo 14C muestran que la aconitasa interactúa con el citrato de manera asimétrica: siempre actúa en la parte de la molécula de citrato que se formó a partir del oxaloacetato. Esto fue difícil de explicar al principio, ya que el ácido cítrico es un compuesto externamente simétrico. Sin embargo, la posición en el espacio de dos grupos - CH 2 COOH del ácido cítrico en relación con los grupos - OH y - COOH no es idéntica. La acción asimétrica de la aconitasa se evidencia por el "destino" de la acetil-CoA marcada (es decir, la posición de los átomos de 14 C ) en los intermedios del ciclo del ácido cítrico. Es posible que el cis -aconitato no sea un intermediario obligatorio entre el citrato y el isocitrato y se forme en la rama lateral de la vía principal. Además, la isocitrato deshidrogenasa cataliza la deshidrogenación con la formación de oxalosuccinato. Se han descrito tres formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa. Uno de ellos, NAD + -dependiente, se encuentra únicamente en las mitocondrias. Las otras dos formas de la enzima son dependientes de NADP + , una de las cuales también se encuentra en la mitocondria y la otra en el citosol. La oxidación del isocitrato , asociada al funcionamiento de la cadena respiratoria, se lleva a cabo casi exclusivamente por una enzima dependiente de NAD + :
Isocitrato + NAD + ↔ Oxalosuccinato (en complejo con la enzima) ↔ α-cetoglutarato + CO 2 + NADH + H +
A esto le sigue la descarboxilación con la formación de α-cetoglutarato, que también es catalizada por la isocitrato deshidrogenasa. Un componente importante de la reacción de descarboxilación son los iones Mn 2+ (o Mg 2+ ). A juzgar por los datos disponibles, el oxalosuccinato formado en la etapa intermedia de la reacción permanece en un complejo con la enzima. El α-cetoglutarato, a su vez, sufre una descarboxilación oxidativa similar a la descarboxilación oxidativa del piruvato: en ambos casos, el sustrato es el α-cetoácido. La reacción es catalizada por el complejo o -cetoglutarato deshidrogenasa y requiere la participación del mismo conjunto de cofactores: difosfato de tiamina, lipoato, NAD + , FAD y CoA; como resultado, se forma succinil-CoA, un tioéter que contiene un enlace de alta energía.
α-cetoglutarato + NAD + + KoASH → Succinil-CoA + CO 2 + NADH + H + .
El equilibrio de la reacción está tan fuertemente desplazado hacia la formación de succinil-CoA que puede considerarse fisiológicamente unidireccional. Al igual que con la oxidación del piruvato, la reacción es inhibida por el arseniato, lo que conduce a la acumulación del sustrato (α-cetoglutarato). El ciclo continúa con la conversión de succinil-CoA a succinato, catalizada por la succinato tioquinasa (succinil-CoA sintetasa):
Succinil-CoA + P i + GDP ↔ Succinato + GTP + CoASH
Uno de los sustratos de reacción es el GDP (o IDP), a partir del cual se forma GTP (ITP) en presencia de fosfato inorgánico. Este es el único paso en el ciclo del ácido cítrico que genera un enlace de fosfato de alta energía a nivel de sustrato; en la descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato, la cantidad potencial de energía libre es suficiente para formar NADH y un enlace fosfato de alta energía. En una reacción catalizada por fosfocinasa, se puede formar ATP tanto a partir de GTP como de ITP. Por ejemplo:
GTP + ADP ↔ PIB + ATP.
En una reacción alternativa que ocurre en tejidos extrahepáticos y catalizada por succinil-CoA-acetoacetato-CoA-transferasa (tioforasa), la succinil-CoA se convierte en succinato junto con la conversión de acetoacetato en acetoacetil-CoA. El hígado tiene actividad desacilasa, lo que proporciona la hidrólisis de una parte de succinil-CoA con la formación de succinato y CoA. A continuación , el succinato se deshidrogena, luego se agrega una molécula de agua y sigue otro paso de deshidrogenación que conduce a la regeneración del oxaloacetato :
Succinato + FAD ↔ Fumarato + FADH.
La primera deshidrogenación es catalizada por la succinato deshidrogenasa unida a la superficie interna de la membrana mitocondrial interna. Esta es la única reacción de deshidrogenasa del ciclo del ácido cítrico, durante la cual se produce la transferencia directa de hidrógeno desde el sustrato a la flavoproteína sin la participación de NAD + . La enzima contiene proteína FAD y hierro-azufre (Fe:S). Como resultado de la deshidrogenación, se forma fumarato. Los experimentos con isótopos han demostrado que la enzima es estereoespecífica para los átomos trans de hidrógeno de los grupos metileno del succinato. La adición de malonato u oxaloacetato inhibe la succinato deshidrogenasa, lo que da como resultado la acumulación de succinato . La fumarasa (fumarato hidratasa) cataliza la adición de agua al fumarato para formar malato:
Fumarato + H 2 O ↔ L-Malato.
La fumarasa es específica del isómero L del malato; cataliza la adición de componentes de la molécula de agua al doble enlace del fumarato en la configuración trans. La malato deshidrogenasa cataliza la conversión de malato a oxalacetato, la reacción procede con la participación de NAD + :
L-malato + NAD + ↔ Oxaloacetato + NADH + H + .
Aunque el equilibrio de esta reacción está fuertemente desplazado en la dirección del malato, en realidad procede en la dirección del oxaloacetato . porque, junto con el NADH, se consume constantemente en otras reacciones. Las enzimas del ciclo del ácido cítrico, a excepción del α-cetoglutarato y la succinato deshidrogenasa, también se encuentran fuera de las mitocondrias . Sin embargo, algunas de estas enzimas (p. ej., malato deshidrogenasa) difieren de las enzimas mitocondriales correspondientes.
Algunas rutas metabólicas terminan con metabolitos que forman parte del ciclo; otros, por el contrario, se originan a partir de sus metabolitos. Estamos hablando de los procesos de gluconeogénesis, transaminación, desaminación y síntesis de ácidos grasos [3] .
Gluconeogénesis , transaminación y desaminación
Todos los principales compuestos involucrados en el ciclo, desde el citrato hasta el oxaloacetato , son potencialmente glucogénicos. Tanto en el hígado como en los riñones se puede formar glucosa a partir de ellos , ya que estos órganos cuentan con un conjunto completo de enzimas necesarias para la gluconeogénesis . La enzima clave en el proceso de gluconeogénesis es la fosfoenolpiruvato carboxicinasa, que cataliza la descarboxilación del oxaloacetato (con la participación de GTP como fuente de fosfato de alta energía) para formar fosfoenolpiruvato:
Oxaloacetato + GTP \u003d Fosfoenolpiruvato + CO 2 + GDP. [3]
Los compuestos entran en el ciclo como resultado de varias reacciones diferentes. Uno de los más significativos es la formación de oxaloacetato por carboxilación de piruvato catalizada por piruvato carboxilasa:
ATP + CO 2 + H 2 O + piruvato ↔ oxaloacetato + ADP + P i .
Esta reacción proporciona concentraciones adecuadas de oxaloacetato cuando se condensa con acetil-CoA . Si se aumenta la concentración de acetil-CoA, actúa como activador alostérico de la piruvato carboxilasa, acelerando la formación de oxaloacetato. El lactato , que es un sustrato importante para la gluconeogénesis, entra en el ciclo después de convertirse primero en piruvato y luego en oxaloacetato. En reacciones catalizadas por transaminasas , se forma piruvato a partir de alanina, oxaloacetato a partir de aspartato y α-cetoglutarato a partir de glutamato . Debido a la reversibilidad de estas reacciones, el ciclo puede servir como fuente de esqueletos de carbono en la síntesis de aminoácidos no esenciales [3] . Por ejemplo:
Aspartato + Piruvato ↔ Oxalacetato + Alanina
Glutamato + Piruvato ↔ α-Cetoglutarato + Alanina
Otros aminoácidos también contribuyen en cierta medida a la gluconeogénesis, ya que tras la desaminación o transaminación, su esqueleto carbonado se incluye total o parcialmente en el ciclo. Los ejemplos son alanina , cisteína , glicina , hidroxiprolina , serina , treonina y triptófano , a partir de los cuales se forma el piruvato; arginina, histidina, glutamina y prolina, a partir de las cuales se forman glutamato y luego α-cetoglutarato; isoleucina , metionina y valina , a partir de las cuales se forma succinil-CoA ; fumarato se forma a partir de tirosina y fenilalanina . Las sustancias que forman piruvato se oxidan por completo a CO 2 a través de la vía de la piruvato deshidrogenasa que conduce a la formación de acetil-CoA, o siguen la vía de la gluconeogénesis con la formación de oxaloacetato como resultado de la carboxilación [3] .
El acetil-CoA , formado a partir del piruvato por la acción de la piruvato deshidrogenasa, es el componente principal en la síntesis de ácidos grasos de cadena larga en los mamíferos (los rumiantes son una excepción, en los que el acetil-CoA se forma directamente a partir del acetato). Dado que la piruvato deshidrogenasa es una enzima mitocondrial y las enzimas de síntesis de ácidos grasos se localizan fuera de las mitocondrias, las células deben transportar acetil-CoA a través de la membrana mitocondrial impermeable a ella. El "transporte" se lleva a cabo de la siguiente manera: la acetil-CoA ingresa al ciclo del ácido cítrico, donde participa en la formación de citrato; este último es transportado desde la mitocondria y nuevamente convertido en acetil-CoA en el citosol como resultado de una reacción catalizada por la enzima ATP-citrato liasa [3] .
Citrato + ATP + KoA → Acetil-KoA + Oxaloacetato + ADP + P i .
El factor principal que regula la tasa de respiración y la fosforilación es la necesidad de energía del cuerpo. La síntesis de ATP se lleva a cabo en el CPE, pero la mayor parte de los equivalentes reducidos para la cadena respiratoria proviene de vías de catabolismo comunes. Por tanto, la regulación de las vías comunes del catabolismo y la cadena respiratoria están íntimamente relacionadas.
Para evaluar el estado de energía de la celda, se usa el valor de la carga de energía, que refleja la relación entre la concentración de ATP y sus productos de descomposición: ADP y AMP. Con un aumento en la carga de energía en la célula (en reposo), la tasa de reacciones de las vías generales del catabolismo disminuye, y con una disminución en la carga de energía, aumenta. Esto se logra debido a que el ATP actúa como inhibidor alostérico, mientras que el ADP y el AMP actúan como activadores alostéricos de algunas enzimas DMO.
La regulación de la DMO se realiza a nivel de 4 reacciones catalizadas por:
La reacción catalizada por PDC es una reacción clave, ya que se encuentra en el centro de la intersección de las rutas metabólicas y proporciona la interconexión de procesos como la glucólisis , la gluconeogénesis , la síntesis de ácidos grasos y la oxidación . El PDC proporciona al ciclo del citrato un sustrato: acetil-CoA .
Bioquímica humana: en 2 volúmenes. Por. del inglés: - M .: Mir, 1993. - 384 p., ill. ISBN 5-03-001774-7