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7.3A: Desglose del piruvato - Biología

7.3A: Desglose del piruvato - Biología


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Después de la glucólisis, el piruvato se convierte en acetil CoA para entrar en el ciclo del ácido cítrico.

Objetivos de aprendizaje

  • Explica por qué las células descomponen el piruvato.

Puntos clave

  • En la conversión de piruvato en acetil CoA, cada molécula de piruvato pierde un átomo de carbono con la liberación de dióxido de carbono.
  • Durante la descomposición del piruvato, los electrones se transfieren a NAD + para producir NADH, que será utilizado por la célula para producir ATP.
  • En el paso final de la descomposición del piruvato, se transfiere un grupo acetilo a la coenzima A para producir acetil CoA.

Términos clave

  • acetil CoA: una molécula que transporta los átomos de carbono de la glucólisis (piruvato) al ciclo del ácido cítrico para oxidarlos y producir energía

Desglose del piruvato

Para que el piruvato, el producto de la glucólisis, entre en la siguiente vía, debe sufrir varios cambios para convertirse en acetil coenzima A (acetil CoA). El acetil CoA es una molécula que se convierte en oxaloacetato, que entra en el ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs). La conversión de piruvato en acetil CoA es un proceso de tres pasos.

Paso 1. Se elimina un grupo carboxilo del piruvato, liberando una molécula de dióxido de carbono en el medio circundante. (Nota: el dióxido de carbono es un carbono unido a dos átomos de oxígeno y es uno de los principales productos finales de la respiración celular). El resultado de este paso es un grupo hidroxietilo de dos carbonos unido a la enzima piruvato deshidrogenasa; el dióxido de carbono perdido es el primero de los seis carbonos de la molécula de glucosa original que se elimina. Este paso se realiza dos veces por cada molécula de glucosa metabolizada (recuerde: hay dos moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis); por lo tanto, dos de los seis carbonos se habrán eliminado al final de estos dos pasos.

Paso 2. El grupo hidroxietilo se oxida a un grupo acetilo y los electrones son recogidos por NAD.+, formando NADH (la forma reducida de NAD +). Los electrones de alta energía de NADH serán utilizados más tarde por la célula para generar ATP para energía.

Paso 3. El grupo acetilo unido a la enzima se transfiere a CoA, produciendo una molécula de acetil CoA. Esta molécula de acetil CoA se convierte luego para usarse en la siguiente vía de metabolismo, el ciclo del ácido cítrico.


Piruvato

El piruvato es una molécula importante que está presente en la intersección de múltiples vías bioquímicas. Se encuentra comúnmente como uno de los productos finales de la glucólisis, que luego se transporta a las mitocondrias para participar en el ciclo del ácido cítrico. En ausencia de oxígeno, o cuando la demanda de oxígeno supera la oferta, el piruvato puede someterse a fermentación para producir lactato. Tanto el piruvato como el lactato también se pueden usar para regenerar glucosa. El piruvato también puede participar en la síntesis anabólica de ácidos grasos y aminoácidos. También existe una creciente evidencia de que puede influir directamente en la actividad nuclear y las modificaciones epigenéticas, formando la interfaz entre el genoma y el estado metabólico de la célula.


7.3A: Desglose del piruvato - Biología

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

A) El dióxido de carbono se difunde de los pulmones a la sangre y el oxígeno se difunde de la sangre a los pulmones. B) El monóxido de carbono se difunde de los pulmones a la sangre y el oxígeno se difunde de la sangre a los pulmones.
C) El oxígeno se difunde de los pulmones a la sangre y el dióxido de carbono se difunde de la sangre a los pulmones. D) El oxígeno se difunde de los pulmones a la sangre y el monóxido de carbono se difunde de la sangre a los pulmones.
A) El dióxido de carbono se difunde de los pulmones a la sangre y el oxígeno se difunde de la sangre a los pulmones.
B) El monóxido de carbono se difunde de los pulmones a la sangre y el oxígeno se difunde de la sangre a los pulmones.
C) El oxígeno se difunde de los pulmones a la sangre y el dióxido de carbono se difunde de la sangre a los pulmones.
D) El oxígeno se difunde de los pulmones a la sangre y el monóxido de carbono se difunde de la sangre a los pulmones.

Respuesta y explicación Respuesta: C) El oxígeno se difunde de los pulmones a la sangre y el dióxido de carbono se difunde de la sangre a los pulmones.


Síntomas Síntomas

Los signos y síntomas de la deficiencia del complejo piruvato deshidrogenasa (PDC) pueden comenzar en cualquier momento entre el nacimiento y la niñez tardía, pero generalmente comienzan en la infancia. Los signos que pueden ser evidentes durante el embarazo incluyen un escaso aumento de peso fetal y niveles bajos de estriol en la orina de la madre. [4] Algunos bebés con la enfermedad pueden tener anomalías cerebrales que se observan en la ecografía. [1] Los bebés con deficiencia de PDC pueden tener puntuaciones bajas al medir la salud de un bebé después del nacimiento (puntuaciones de Apgar). El bajo peso al nacer es común. Algunas características que pueden ser características de la deficiencia de PDC incluyen cabeza estrecha, frente prominente (protuberancia frontal), puente nasal ancho, surco nasolabial largo y fosas nasales ensanchadas. Sin embargo, estas características no están presentes en todos los bebés con deficiencia de PDC. [2]

Con mayor frecuencia, los bebés con deficiencia de PDC desarrollan síntomas poco después del nacimiento. Los bebés pueden tener niveles elevados de lactato en el torrente sanguíneo (acidosis láctica). Algunos bebés con acidosis láctica grave pueden tener niveles altos de amoníaco en la sangre (hiperamonemia). Otros síntomas de la deficiencia de PDC pueden incluir tono muscular bajo (hipotonía), mala alimentación, cansancio extremo (letargo), respiración rápida (taquipnea), movimientos oculares anormales y convulsiones. Los síntomas que se desarrollan más tarde pueden incluir tener una cabeza pequeña (microcefalia), discapacidad intelectual, ceguera y músculos tensos (espasticidad). [1] [4]

Existe una amplia gama de síntomas de gravedad asociados con la deficiencia de PDC. En algunos casos, la enfermedad es menos grave y los episodios de acidosis láctica solo ocurren cuando una persona está enferma, bajo estrés o ingiere una gran cantidad de carbohidratos. En estas situaciones, los signos de acidosis láctica pueden incluir movimientos musculares anormales (ataxia). En algunos casos, las personas con deficiencia de PDC que comienza en la niñez pueden tener un desarrollo normal del cerebro. [2]

La deficiencia de PDC afecta tanto a hombres como a mujeres. Sin embargo, los hombres tienen más probabilidades de tener formas graves de la enfermedad que las mujeres. [2]

Esta tabla enumera los síntomas que pueden tener las personas con esta enfermedad. Para la mayoría de las enfermedades, los síntomas varían de una persona a otra. Es posible que las personas con la misma enfermedad no presenten todos los síntomas enumerados. Esta información proviene de una base de datos llamada Ontología de fenotipo humano (HPO). La HPO recopila información sobre los síntomas que se han descrito en los recursos médicos. La HPO se actualiza periódicamente. Utilice el ID de HPO para acceder a información más detallada sobre un síntoma.


Vías metabólicas para descomponer la glucosa en piruvato

Los siguientes puntos destacan las tres vías metabólicas principales para romper la glucosa en piruvato. Las vías son: 1. Glucólisis 2. Vía de las pentosas fosfato o vía hexosa monofosfato 3. Camino Entner-Doudoroff.

Vía metabólica n. ° 1. Glucólisis:

La glucólisis (Gk. Glykys = dulce, lisis = desdoblamiento), también llamada vía glucolítica o vía Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), es la secuencia de reacciones que metaboliza una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato con la producción neta concomitante de dos moléculas de ATP.

La glucólisis es casi una vía central universal del catabolismo de la glucosa, y la vía completa de la glucólisis fue aclarada en 1940, en gran parte a través de las contribuciones pioneras de G. Embden, O. Meyerhof, J. Parnas, C. Neuberg, O. Warburg, G. Cori y C. Cori. Sin embargo, la glucólisis ocurre en todos los grupos principales de microorganismos y funciona en presencia o ausencia de oxígeno. Se encuentra en la matriz citoplasmática de las células de un organismo.

Todo el proceso de glucólisis (es decir, la descomposición de la molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas del piruvato de 3 carbonos) se produce en diez pasos (figura 24.1). Los primeros cinco pasos constituyen la fase preparatoria, mientras que el resto de pasos activos representan la fase de pago (fase de oxidación).

En la fase preparatoria se produce la fosforilación de la glucosa y su conversión en gliceraldehído 3-fosfato a expensas de dos moléculas de ATP. La conversión oxidativa de gliceraldehído 3-fosfato en piruvato y la formación acoplada de ATP y NADH es la característica de la fase de pago.

El relato conciso paso a paso de la glucólisis es el siguiente:

1. La glucosa (azúcar hexosa) se activa para reacciones posteriores mediante su fosforilación para producir glucosa 6-fosfato, con ATP como donante de fosforilo. Esta reacción, que es irreversible en condiciones intracelulares, es catalizada por la enzima hexoquinasa, que requiere Mg 2+ para su actividad.

2. La enzima fosfohexosa isomerasa (fosfoglucosa isomerasa) cataliza la isomerización reversible de glucosa 6-fosfato (una aldosa) a fructosa 6-fosfato (una cetosa). La fosfohexosa isomerasa requiere Mg 2+ y es específica para la glucosa 6-fosfato y la fructosa 6-fosfato.

3. La enzima fosfofructoquinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo del ATP a la fructosa 6-fosfato para producir fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción es esencialmente irreversible en condiciones celulares. La fosfofructoquinasa también requiere Mg 2+ para su actividad.

4. La enzima fructosa 1,6-bisfosfato aldolasa, a menudo llamada simplemente aldolasa, cataliza la escisión de la fructosa 1,6-bisfosfato para producir dos azúcares fosfatos diferentes, gliceraldehído 3-fosfato (una aldosa) y dihidroxiacetona fosfato (una cetosa).

5. El gliceraldehído 3-fosfato y el fosfato de dihidroxiacetona son interconvertibles. Sólo el gliceraldehído 3-fosfato se degrada directamente en las etapas posteriores y, por lo tanto, el fosfato de dihidroxiacetona se convierte rápida y reversiblemente en gliceraldehído 3-fosfato por la enzima triosa fosfato isomerasa. Esta reacción completa la fase preparatoria de la glucólisis.

6. Este paso es el primer paso de la fase de pago de la glucólisis, el gliceraldehído 3-fosfato se oxida a 1,3-bisfosfoglicerato con la participación de la enzima gliceraldehído 3- fosfato deshidrogenasa. Durante esta reacción, el NAD + se reduce produciendo NADH (fosforilación oxidativa).

7. El 1,3-bisfosfoglicerato se convierte en 3-fosfoglicerato. En esta reacción, la enzima fosfoglicerocinasa transfiere el grupo fosforilo de alta energía del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP produciendo ATP y 3-fosfoglicerato. La formación de ATP por transferencia de grupos fosforilo desde un sustrato (1,3-bisfosfoglicerato) se denomina fosforilación a nivel de sustrato.

8. El 3-fosfoglicerato ahora se convierte en 2-fosfoglicerato. En esta reacción, la enzima fosfoglicerato mutasa cataliza un cambio reversible del grupo fosforilo entre C-2 y C-3 del glicerato Mg 2+ que es esencial para esta reacción.

9. En este paso, la enzima enalasa promueve la eliminación reversible de una molécula de agua del 2-fosfoglicerato para producir fosfoenolpiruvato.

10. Este es el último paso de la glucólisis. El grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato se transfiere al ADP por la enzima piruvato quinasa para producir ATP y piruvato a través de la fosforilación a nivel de sustrato. La enzima piruvato quinasa requiere K y c Mg 2+ o Mn 2+ para su actividad.

Toda la glucólisis se puede representar mediante la siguiente ecuación simple:

Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD + = 2 piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H +

Camino metabólico # 2. Vía de las pentosas fosfato o vía de hexosa monofosfato (vía HMP):

La vía de las pentosas fosfato o la vía de la hexosa monofosfato (vía HMP) es la otra vía común para descomponer la glucosa en piruvato y opera tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas.

Esta vía produce NADPH, que transporta energía química en forma de poder reductor y se utiliza casi universalmente como reductor en vías anabólicas (utilización de energía) (p. Ej., Biosíntesis de ácidos grasos, biosíntesis de colesterol, biosíntesis de nucleótidos) y vías de desintoxicación (p. Ej., Reducción de glutatión oxidado, citocromo P450 monooxigenasas).

Además, la vía de las pentosas fosfato genera el azúcar pentosa ribosa y sus derivados, que son necesarios para la biosíntesis de ácidos nucleicos (ADN y ARN), así como ATP, NADH, FAD y coenzima A. De esta manera, a través de la vía de las pentosas fosfato puede ser una fuente de energía en muchos microorganismos, más a menudo es de mayor importancia en diversas vías biosintéticas.

La vía de las pentosas fosfato (fig. 24.2.) Consta de dos fases: la fase oxidativa y la fase no oxidativa. En la fase oxidativa, se genera NADPH cuando la glucosa 6-fosfato se oxida a ribosa 5-fosfato.

En la fase no oxidativa, la vía cataliza la interconversión de azúcares de tres, cuatro, cinco, seis y siete carbonos en una serie de reacciones no oxidativas que pueden resultar en la síntesis de azúcares de cinco carbonos para biosíntesis de nucleótidos o la conversión de azúcares de cinco carbonos excesivos en intermedios de la glucólisis. Todas las reacciones de fase no oxidativa tienen lugar en el citoplasma de la célula.

La fase oxidativa de la vía de la pentosa fosfato se inicia con la conversión de glucosa 6-fosfato en 6-fosfogluconato. NADP + es el aceptor de electrones que produce NADPH durante esta reacción. El 6-fosfogluconato, un azúcar de seis carbonos, luego se descarboxila oxidativamente para producir ribulosa 5-fosfato, un azúcar de cinco carbonos. NADP + es nuevamente el aceptor de electrones que produce NADPH.

En el paso final de la fase oxidativa, hay isomerización de ribulosa 5-fosfato a ribosa 5-fosfato por la fosfopentosa isomerasa y la conversión de ribulosa 5-fosfato en su epímero xilulosa 5-fosfato por fosfopentosa epimerasa para la reacción de transcetolasa en forma no oxidativa. fase.

En la fase no oxidativa, la enzima transcetolasa cataliza la transferencia de un fragmento de dos carbonos de xilulosa 5-fosfato a ribosa 5-fosfato formando la sedoheptulosa 7-fosfato de siete carbonos y el gliceraldehído 3-fosfato de tres carbonos.

La enzima transaldolasa luego cataliza la transferencia de un fragmento de tres carbonos de sedoheptulosa 7-fosfato a gliceraldehído 3-fosfato dando como resultado fructosa 6-fosfato de seis carbonos y eritrosa 4-fosfato de cuatro carbonos.

Ahora la transcetolasa actúa de nuevo, formando fructosa 6-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato a partir de eritrosa 4-fosfato y xilulosa 5-fosfato. Dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato formadas por dos interacciones de estas reacciones pueden convertirse en una molécula de fructosa 1, 6-bisfosfato.

El resultado general de la vía de la pentosa fosfato es que 3 glucosa 6-fosfatos se convierten en dos fructosa 6-fosfatos, gliceraldehído 3-fosfato y tres CO2 moléculas, como se muestra en la siguiente ecuación:

3 glucosa 6-fosfato + 6 NADP + + 3H2O → 2 fructosa 6-fosfato + gliceraldehído 3-fosfato + 3CO2 + 6 NADPH + 6H +

Los intermedios de fructosa 6-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato se utilizan de dos formas. La fructosa 6-fosfato se puede convertir de nuevo en glucosa 6-fosfato, mientras que el gliceraldehído 3-fosfato se convierte en piruvato por las enzimas de glucólisis.

El gliceraldehído 3-fosfato también puede regresar a la ruta de la pentosa fosfato a través de la formación de glucosa 6-fosfato. Esto da como resultado la degradación completa de glucosa 6-fosfato a CO2 y la producción de una gran cantidad de NADPH.

Camino metabólico # 3. Vía Entner-Doudoroff (vía ED):

La vía Entner-Doudoroff (vía ED) es otra vía utilizada por las bacterias para convertir la glucosa en piruvato. Aunque la mayoría de las bacterias tienen la vía glucolítica (glucólisis) y la vía de la pentosa fosfato (vía de la hexosa monofosfato), algunas sustituyen la vía ED por la vía glucolítica. Las bacterias que utilizan esta vía son en su mayoría gramnegativas y rara vez grampositivas.

Dos enzimas clave de la vía de la disfunción eréctil son la 6-fosfogluconato deshidrasa y la 2-ceto-3-desoxiglucosafosfato aldolasa (KGDP-aldolasa).

Un estudio de la presencia de estas enzimas en una variedad de bacterias ha revelado que generalmente están presentes en bacterias de los géneros Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium, Zymomonas y varias otras bacterias gram negativas, pero están ausentes de las bacterias gram positivas (excepto para algunos aislados de Nocardia y Enterococcus faecalis).

La vía de Entner-Doudoroff (figura 24.3.) Comienza con las mismas reacciones que la vía de las pentosas fosfato. La glucosa se fosforila, como la ruta de las pentosas fosfato, a glucosas-fosfato que luego se oxida a 6-fosfogluconato. Este último, en lugar de oxidarse más, se deshidrata para formar 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato, el compuesto intermedio clave en esta vía.

A continuación, el 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) se escinde en piruvato y gliceraldehído 3-fosfato mediante la enzima KDPG-aldolosa. El gliceraldehído-3-fosfato entra en la vía glucolítica y se convierte, finalmente, en piruvato. Esta vía produce un ATP, un NADH y un NADPH por glucosa metabolizada.


Contenido

La reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa es:

piruvato complejo de piruvato deshidrogenasa acetil CoA
CoA-SH + NAD + CO2 + NADH + H +

Piruvato deshidrogenasa (E1) Editar

La subunidad E1, llamada subunidad piruvato deshidrogenasa, tiene una estructura que consta de dos cadenas (una cadena “ɑ” y una “ꞵ”). Un ion magnesio forma un complejo de 4 coordenadas con tres residuos de aminoácidos polares (Asp, Asn y Tyr) ubicados en la cadena alfa, y el cofactor de difosfato de tiamina (TPP) directamente involucrado en la descarboxilación del piruvato. [3] [4]

Dihidrolipoil transacetilasa (E2) Editar

La subunidad E2, o dihidrolipoil acetiltransferasa, tanto para procariotas como para eucariotas, se compone generalmente de tres dominios. El dominio N-terminal (el dominio lipoílo), consta de 1-3 grupos lipoílo de aproximadamente 80 aminoácidos cada uno. El dominio de unión de la subunidad periférica (PBSD) sirve como sitio de unión selectiva para otros dominios de las subunidades E1 y E3. Finalmente, el dominio C-terminal (catalítico) cataliza la transferencia de grupos acetilo y la síntesis de acetil-CoA. [5]

Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) Editar

La subunidad E3, llamada enzima dihidrolipoil deshidrogenasa, se caracteriza como una proteína homodímera en la que dos residuos de cisteína, que participan en el enlace disulfuro, y el cofactor FAD en el sitio activo facilitan su propósito principal como catalizador oxidante. Un ejemplo de estructura E3, que se encuentra en Pseudomonas putida, se forma de tal manera que cada subunidad de homodímero individual contiene dos dominios de unión responsables de la unión de FAD y la unión de NAD, así como un dominio central y un dominio de interfaz. [6] [7]

Proteína de unión a dihidrolipoil deshidrogenasa (E3BP) Editar

Una proteína auxiliar exclusiva de la mayoría de los eucariotas es la proteína de unión E3 (E3BP), que sirve para unir la subunidad E3 al complejo PDC. En el caso de la E3BP humana, los residuos de prolina y leucina hidrófobos en el BP interactúan con el sitio de reconocimiento de la superficie formado por la unión de dos monómeros E3 idénticos. [8]

Piruvato deshidrogenasa (E1) Editar

Inicialmente, piruvato y pirofosfato de tiamina (TPP o vitamina B1) están unidos por subunidades de piruvato deshidrogenasa. [1] El anillo de tiazolio de TPP está en forma de ion híbrido, y el carbono C2 aniónico realiza un ataque nucleofílico en el carbonilo C2 (cetona) del piruvato. El hemitioacetal resultante sufre descarboxilación para producir un equivalente de anión acilo (ver química de cianohidrina o aldehído-ditiano umpolung, así como condensación de benzoína). Este anión ataca al S1 de una especie de lipoato oxidada que está adherida a un residuo de lisina. En una apertura de anillo SnorteMecanismo similar a 2, S2 se desplaza como un resto sulfuro o sulfhidrilo. El colapso posterior del hemitioacetal tetraédrico expulsa el tiazol, liberando el cofactor TPP y generando un tioacetato en S1 del lipoato. El proceso catalizado por E1 es el paso que limita la velocidad de todo el complejo de piruvato deshidrogenasa.

Dihidrolipoil transacetilasa (E2) Editar

En este punto, la funcionalidad lipoato-tioéster se transloca al sitio activo de dihidrolipoil transacetilasa (E2), [1] donde una reacción de transacilación transfiere el acetilo del "brazo oscilante" del lipoilo al tiol de la coenzima A. Esto produce acetil- CoA, que se libera del complejo enzimático y posteriormente entra en el ciclo del ácido cítrico. E2 también se puede conocer como lipoamida reductasa-transacetilasa.

Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) Editar

El dihidrolipoato, todavía unido a un residuo de lisina del complejo, luego migra al sitio activo de dihidrolipoil deshidrogenasa (E3), [1] donde sufre una oxidación mediada por flavina, idéntica en química a la disulfuro isomerasa. Primero, FAD oxida el dihidrolipoato de nuevo a su estado de reposo de lipoato, produciendo FADH2. Luego, un cofactor NAD + oxida FADH2 vuelve a su estado de reposo FAD, produciendo NADH.

PDC es un gran complejo compuesto por múltiples copias de 3 o 4 subunidades según la especie.

Bacterias Gram-negativas Editar

En bacterias Gram-negativas, p. Ej. Escherichia coli, PDC consta de un núcleo cúbico central formado por 24 moléculas de dihidrolipoil transacetilasa (E2). Hasta 24 copias de piruvato deshidrogenasa (E1) y 12 moléculas de dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) se unen al exterior del núcleo E2. [9]

Bacterias grampositivas y eucariotas Editar

Por el contrario, en bacterias Gram-positivas (p. Ej. Bacillus stearothermophilus) y eucariotas, el núcleo central de PDC contiene 60 moléculas E2 dispuestas en un icosaedro. Este "núcleo" de la subunidad E2 se coordina con 30 subunidades de E1 y 12 copias de E3.

Los eucariotas también contienen 12 copias de una proteína central adicional, la proteína de unión E3 (E3BP) que une las subunidades E3 al núcleo E2. [10] La ubicación exacta de E3BP no está completamente clara. La microscopía crioelectrónica ha establecido que E3BP se une a cada una de las caras icosaédricas de la levadura. [11] Sin embargo, se ha sugerido que reemplaza un número equivalente de moléculas E2 en el núcleo de PDC bovino.

Se pueden asociar hasta 60 moléculas E1 o E3 con el núcleo E2 de bacterias Gram-positivas; la unión es mutuamente excluyente. En eucariotas, E1 se une específicamente a E2, mientras que E3 se asocia con E3BP. Se cree que están presentes hasta 30 enzimas E1 y 6 E3, aunque el número exacto de moléculas puede variar en vivo ya menudo refleja los requisitos metabólicos del tejido en cuestión.

La piruvato deshidrogenasa se inhibe cuando se incrementa una o más de las tres siguientes proporciones: ATP / ADP, NADH / NAD + y acetil-CoA / CoA.

En eucariotas, la PDC está estrechamente regulada por su propia piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK) y piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP) específicas, desactivándolas y activándolas respectivamente. [12]

  • PDK fosforila tres residuos de serina específicos en E1 con diferentes afinidades. La fosforilación de cualquiera de ellos (usando ATP) deja a E1 (y en consecuencia a todo el complejo) inactivo. [12] de E1 por PDP restablece la actividad compleja. [12]

Los productos de la reacción actúan como inhibidores alostéricos de la PDC, porque activan la PDK. Los sustratos a su vez inhiben la PDK, reactivando la PDC.

Durante la inanición, la PDK aumenta en cantidad en la mayoría de los tejidos, incluido el músculo esquelético, a través del aumento de la transcripción de genes. En las mismas condiciones, la cantidad de PDP disminuye. La inhibición resultante de la PDC evita que los músculos y otros tejidos catabolicen los precursores de glucosa y gluconeogénesis. El metabolismo se desplaza hacia la utilización de grasas, mientras que se minimiza la degradación de las proteínas musculares para suministrar precursores de la gluconeogénesis, y se ahorra la glucosa disponible para que la utilice el cerebro.

Los iones de calcio tienen un papel en la regulación de la PDC en el tejido muscular, porque activa la PDP, estimulando la glucólisis en su liberación al citosol, durante la contracción muscular. Algunos productos de estas transcripciones liberan H2 en los músculos. Esto puede hacer que los iones de calcio se descompongan con el tiempo.

En las células eucariotas, la descarboxilación del piruvato se produce dentro de la matriz mitocondrial, después del transporte del sustrato, piruvato, desde el citosol. El transporte de piruvato a la mitocondria se realiza a través de la proteína de transporte piruvato translocasa. La translocasa de piruvato transporta el piruvato de manera simportante con un protón y, por lo tanto, es activo y consume energía. [ cita necesaria ]. Fuentes alternativas dicen que "el transporte de piruvato a través de la membrana mitocondrial externa parece lograrse fácilmente a través de grandes canales no selectivos, como los canales de aniones dependientes del voltaje, que permiten la difusión pasiva" y el transporte a través de la membrana mitocondrial interna está mediado por el portador de piruvato mitocondrial 1 ( MPC1) y portador 2 de piruvato mitocondrial (MPC2). [13]

Al entrar en las mitocondrias, el piruvato se descarboxila y produce acetil-CoA. Esta reacción irreversible atrapa el acetil-CoA dentro de las mitocondrias (el acetil-CoA solo puede transportarse fuera de la matriz mitocondrial en condiciones de oxaloacetato alto a través de la lanzadera de citrato, un intermedio de TCA que normalmente es escaso). El dióxido de carbono producido por esta reacción es apolar y pequeño, y puede difundirse fuera de la mitocondria y fuera de la célula.

En los procariotas, que no tienen mitocondrias, esta reacción se lleva a cabo en el citosol o no se lleva a cabo.

Se encontró que la enzima piruvato deshidrogenasa que se encuentra en las mitocondrias de las células eucariotas se parece mucho a una enzima de Geobacillus stearothermophilus, que es una especie de bacteria grampositiva. A pesar de las similitudes del complejo piruvato deshidrogenasa con las bacterias grampositivas, hay poca semejanza con las de las bacterias gramnegativas. Las similitudes de las estructuras cuaternarias entre la piruvato deshidrogenasa y las enzimas en las bacterias grampositivas apuntan a una historia evolutiva compartida que se distingue de la historia evolutiva de las enzimas correspondientes que se encuentran en las bacterias gramnegativas. A través de un evento endosimbiótico, la piruvato deshidrogenasa que se encuentra en las mitocondrias eucariotas apunta a vínculos ancestrales que se remontan a bacterias grampositivas. [14] Los complejos de piruvato deshidrogenasa comparten muchas similitudes con la 2-oxoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCOADH), particularmente en su especificidad de sustrato para los alfa-cetoácidos. Específicamente, BCOADH cataliza la degradación de aminoácidos y estas enzimas habrían prevalecido durante los períodos en la tierra prehistórica dominados por ambientes ricos en aminoácidos. La subunidad E2 de la piruvato deshidrogenasa evolucionó a partir del gen E2 que se encuentra en BCOADH, mientras que ambas enzimas contienen subunidades E3 idénticas debido a la presencia de un solo gen E3. Dado que las subunidades E1 tienen una especificidad distintiva para sustratos particulares, las subunidades E1 de piruvato deshidrogenasa y BCOADH varían pero comparten similitudes genéticas. Las bacterias grampositivas y las cianobacterias que luego darían lugar a las mitocondrias y al cloroplasto que se encuentran en las células eucariotas retuvieron las subunidades E1 que están genéticamente relacionadas con las que se encuentran en las enzimas BCOADH. [15] [16]

La deficiencia de piruvato deshidrogenasa (PCDC) puede resultar de mutaciones en cualquiera de las enzimas o cofactores. Su principal hallazgo clínico es la acidosis láctica. [17] Tales mutaciones de PCDC, que conducen a deficiencias posteriores en la producción de NAD y FAD, dificultan los procesos de fosforilación oxidativa que son clave en la respiración aeróbica. Por lo tanto, la acetil-CoA se reduce a través de mecanismos anaeróbicos en otras moléculas como el lactato, lo que conduce a un exceso de lactato corporal y patologías neurológicas asociadas. [18]

Si bien la deficiencia de piruvato deshidrogenasa es rara, hay una variedad de genes diferentes, cuando están mutados o no son funcionales, que pueden inducir esta deficiencia. Primero, la subunidad E1 de la piruvato deshidrogenasa contiene cuatro subunidades diferentes: dos subunidades alfa designadas como E1-alfa y dos subunidades beta designadas como E1-beta. El gen PDHA1 que se encuentra en las subunidades E1-alfa, cuando muta, causa el 80% de los casos de deficiencia de piruvato deshidrogenasa porque esta mutación limita la proteína E1-alfa. La disminución funcional de E1 alfa evita que la piruvato deshidrogenasa se una suficientemente al piruvato, reduciendo así la actividad del complejo en general. [19] Cuando se muta el gen PDHB que se encuentra en la subunidad beta E1 del complejo, esto también conduce a una deficiencia de piruvato deshidrogenasa. [20] Del mismo modo, las mutaciones encontradas en otras subunidades del complejo, como el gen DLAT que se encuentra en la subunidad E2, el gen PDHX que se encuentra en la subunidad E3, así como una mutación en un gen de la piruvato deshidrogenasa fosfatasa, conocido como PDP1, han todos se remontan a la deficiencia de piruvato deshidrogenasa, mientras que se desconoce su contribución específica al estado de la enfermedad. [21] [22] [23]


8.1.5 Explique la fosforilación oxidativa en términos de quimiosmosis.

Cuando los electrones pasan a través de la cadena de transporte de electrones, liberan energía. Esta energía luego se usa para bombear protones (H +) desde la matriz a través de la membrana mitocondrial interna y hacia el espacio entre las membranas mitocondriales interna y externa. El espacio entre las membranas interna y externa tiene un volumen pequeño y, por lo tanto, a medida que los protones se mueven, crean un gradiente de concentración muy rápidamente. Este proceso se llama quimiosmosis. Ahora hay una alta concentración de protones en el espacio entre las membranas interna y externa y una baja concentración de protones en la matriz.

La figura 8.1.6 muestra el movimiento de protones desde la matriz hacia el espacio entre las membranas interna y externa. Esto crea un gradiente de concentración. La energía utilizada para bombear estos protones a través de la membrana interna proviene de la energía liberada por los electrones que pasan a través de la cadena de transporte de electrones.

Los protones luego se mueven hacia abajo en el gradiente de concentración desde el espacio entre las membranas interna y externa de regreso a la matriz. Sin embargo, solo pueden retroceder a través de una enzima incrustada en la membrana interna. Esta enzima se llama ATP sintasa. Los protones se transportan de regreso a la matriz a través de los canales de la ATP sintasa y, al hacerlo, liberan energía. Esta energía luego es utilizada por la ATP sintasa para convertir ADP en ATP. Dado que los electrones provienen de reacciones de oxidación previas de la respiración celular y la ATP sintasa cataliza la fosforilación de ADP en ATP, este proceso se denomina fosforilación oxidativa. La quimiosmosis es necesaria para que funcione la fosforilación oxidativa.

Figura 8.1.7 - Fosforilación oxidativa

La figura 8.1.7 muestra el movimiento de los protones por su gradiente de concentración. Solo pueden viajar a través de la membrana interna a través de la ATP sintasa y, al hacerlo, liberan energía. Esta energía es utilizada por la ATP sintasa para convertir ADP en ATP.


Resumen de vías bioquímicas

Si bien la oxidación o descarboxilación del piruvato en acetil CoA es importante, no es la única vía bioquímica disponible:

  • En los animales, la lactato deshidrogenasa puede reducir el piruvato a lactato. Este proceso es anaeróbico, lo que significa que no se requiere oxígeno.
  • En plantas, bacterias y algunos animales, el piruvato se descompone para producir etanol. Este también es un proceso anaeróbico.
  • La gluconeogénesis convierte el ácido pirúvico en carbohidratos.
  • Puede usarse acetil Co-A de la glucólisis para producir energía o ácidos grasos.
  • La carboxilación del piruvato por la piruvato carboxilasa produce oxaloacetato.
  • La transaminación del piruvato por la alanina transaminasa produce el aminoácido alanina.

Enzimas y mecanismos enzimáticos (intermedios polares)

Frank Jordan,. Jieyu Zhou, en Productos naturales integrales III, 2020

4.05.3.2.1.3 Intermedios covalentes unidos a ThDP en ecE1p durante el ciclo catalítico completo de ecPDHc

El ecPDHc se ensambló en presencia de piruvato y todos los cofactores para determinar: (a) el destino de los intermedios covalentes durante el ciclo catalítico y (b) si el ensamblaje de ecPDHc tiene algún efecto sobre la catálisis en los sitios activos de ecE1p. La ecPDHc reconstituida con [C2, C6′– 13 C2]ThDP was mixed with pyruvate, CoA, and NAD + , and the reaction was stopped at 0.005–30 s ( Fig. 7 ). As with E1p alone, only HEThDP could be detected at all times that is, LThDP and AcThDP do not accumulate to detectable levels. Two studies on the transient nature of the AcThDP during ecPDHc catalysis showed that (i) it was chemically competent and could be transferred to the dihydrolipoate when generated on the enzyme using 3-fluoropyruvate, and (ii) using [C3 13 C]pyruvate, 0.5% of PDHc active sites were found to contain AcThDP during the overall PDHc reaction, while up to 12% of active-sites were found to contain AcThDP in an artificial enamine oxidation reaction using ferricyanide. 85,86 These results are similar to the current findings using the NMR spectroscopic method. While AcThDP could be detected during the artificial oxidation reaction, it presumably does not accumulate to detectable levels according to the 1 H spectra during the overall PDHc reaction. This is consistent with the following scenarios: (i) the rate of acetyl transfer from ecE1p to dihydrolipoyl-ecE2p is faster than the rate of oxidation of the enamine to AcThDP in a stepwise mechanism, or (ii) a concerted reductive acetylation mechanism proceeding by a tetrahedral intermediate transiently cross-linking the E1p and lipoylE2p, without accumulation of AcThDP. 75

Fig. 7 . Distribution of ThDP-bound covalent intermediates during the ecPDHc reaction. (Cima) gCHSQC NMR spectra of the C6′–H resonances of ThDP-bound intermediates (6.5–9.0 ppm). Reaction of ecE1p (0.1 mM) with pyruvate (10 mM), NAD + (2.5 mM), and CoA (1 mM) was quenched in acid at the indicated times. (1) Control sample: ecPDHc and cofactors without pyruvate, (2) 0.02 s, (3) 0.05 s, (4) 0.1 s, (5) 0.5 s, (6) 5 s, (7) 30 s. ThDP (C6′–H), δ 8.01 ppm HEThDP (C6′–H), δ 7.34 ppm. Other peaks due to NAD + , CoA substrates, and NADH and acetyl-CoA products. (Fondo) Fraction HEThDP (circles) calculated using ratio of C6′–H signal of HEThDP to total C6′–H signals from HEThDP and ThDP determined at various times (0, 0.005, 0.02, 0.05, 0.1, 0.5, 5, 30 s) during the ecPDHc overall reaction. The trace is the regression fit line to single exponential equation.

Reproduced from Balakrishnan, A. Nemeria, N. S. Chakraborty, S. Kakalis, L. Jordan, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18644–18655.

The resonances for HEThDP and ThDP display a time-dependent increase and decrease, respectively, indicating a conversion of ThDP to HEThDP. Analysis yields a fraction of relative abundance of HEThDP leading to an apparent first-order rate constant of 117 ± 25 s − 1 for the formation of HEThDP ( Fig. 7 fondo see also Tables 4 and 5 ), as compared to the overall kgato of 95 ± 12 s − 1 determined from Vmax (57 ± 7 activity units per E1 active center) for NADH production for 1-lip PDHc.

Table 5 . Net forward rate constants for individual steps in oxidative decarboxylation reactions of ecE1p. 35

Reacciónk1′, s –1 a , Bk2′, s –1 k3′, s –1 Ck4′, s –1 k5′, s –1
ecPDHc&gt 600 a117 ± 25Rápido93.6
E1p DCPIP&gt 600 a117 ± 25Rápido111.20.23 ± 0.05
E401K E1p DCPIP&gt 600 a0.13 ± 0.02Rápido0.050.23 ± 0.05 D
H407A E1p DCPIP&gt 600 a1.16 ± 0.05Rápido0.130.23 ± 0.05 D
H407A E1p PDHc&gt 600 a2.5 ± 0.2Rápido0.02
Chemical models3 × 10 –3 N / A506.6 × 104 (M –1 s –1) 0.23

Resumen de la sección

Glycolysis is the first pathway used in the breakdown of glucose to extract energy. It was probably one of the earliest metabolic pathways to evolve and is used by nearly all of the organisms on earth. Glycolysis consists of two parts: The first part prepares the six-carbon ring of glucose for cleavage into two three-carbon sugars. ATP is invested in the process during this half to energize the separation. The second half of glycolysis extracts ATP and high-energy electrons from hydrogen atoms and attaches them to NAD + . Two ATP molecules are invested in the first half and four ATP molecules are formed by substrate phosphorylation during the second half. This produces a net gain of two ATP and two NADH molecules for the cell.

What was produced (per molecule of glucose)?