El complejo de piruvato deshidrogenasa ( PDC ) es un complejo de tres enzimas que convierte el piruvato en acetil-CoA mediante un proceso llamado descarboxilación del piruvato . [1] El acetil-CoA puede entonces usarse en el ciclo del ácido cítrico para llevar a cabo la respiración celular , y este complejo vincula la vía metabólica de la glucólisis con el ciclo del ácido cítrico . La descarboxilación del piruvato también se conoce como la "reacción de la piruvato deshidrogenasa" porque también implica la oxidación del piruvato. [2]
Este complejo multienzimático está relacionado estructural y funcionalmente con los complejos multienzimáticos oxoglutarato deshidrogenasa y oxoácido deshidrogenasa de cadena ramificada .
La reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa es:
La subunidad E1, llamada subunidad de la piruvato deshidrogenasa , es un homodímero (que comprende dos cadenas “α”, por ejemplo, en Escherichia coli ) o un heterotetrámero de dos cadenas diferentes (dos cadenas “α” y dos “β”). 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 difosfato de tiamina (TPP) directamente involucrado en la descarboxilación del piruvato . [3] [4]
La subunidad E2, o dihidrolipoil acetiltransferasa, tanto para procariotas como para eucariotas, generalmente se compone de tres dominios. El dominio N-terminal (el dominio lipoilo), consta de 1-3 grupos lipoilo de aproximadamente 80 aminoácidos cada uno. El dominio de unión de la subunidad periférica (PSBD), sirve como un sitio de unión selectivo 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] En Gammaproteobacteria, 24 copias de E2 forman el núcleo cúbico del complejo de piruvato deshidrogenasa, en el que 8 homotrímeros de E2 se encuentran ubicados en los vértices de la partícula del núcleo cúbico.
La subunidad E3, llamada enzima dihidrolipoil deshidrogenasa , se caracteriza por ser una proteína homodímera en la que dos residuos de cisteína , que participan en la unión disulfuro , y el cofactor FAD en el sitio activo facilitan su principal propósito como catalizador oxidante. Un ejemplo de la estructura de E3, que se encuentra en Pseudomonas putida , se forma de tal manera que cada subunidad homodímera 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]
Una proteína auxiliar exclusiva de la mayoría de los eucariotas es la proteína de unión a E3 (E3BP), que sirve para unir la subunidad E3 al complejo PDC. En el caso de la E3BP humana, los residuos hidrófobos de prolina y leucina en la BP interactúan con el sitio de reconocimiento de superficie formado por la unión de dos monómeros E3 idénticos. [8]
Inicialmente, el piruvato y el pirofosfato de tiamina (TPP o vitamina B 1 ) están unidos por subunidades de la piruvato deshidrogenasa . [1] El anillo de tiazolio del TPP está en forma zwitteriónica , y el carbono C2 aniónico realiza un ataque nucleofílico sobre el carbonilo C2 (cetona) del piruvato. El intermedio resultante sufre una descarboxilación para producir un anión acilo equivalente (véase química de umpolung de cianhidrina o aldehído-ditiano , así como condensación de benzoína ). Este anión ataca a S1 de una especie de lipoato oxidado que está unido a un residuo de lisina . En un mecanismo de apertura de anillo similar a SN 2 , S2 se desplaza como una fracción de sulfuro o sulfhidrilo. El colapso posterior del intermedio tetraédrico expulsa tiazol, liberando el cofactor TPP y generando un tioacetato en S1 de lipoato. El proceso catalizado por E1 es el paso limitante de la velocidad de todo el complejo de piruvato deshidrogenasa.
En este punto, la funcionalidad lipoato-tioéster se transloca al sitio activo de la 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 ingresa al ciclo del ácido cítrico . La E2 también se puede conocer como lipoamida reductasa-transacetilasa.
El dihidrolipoato , unido covalentemente a un residuo de lisina del complejo, se transfiere luego al sitio activo de la dihidrolipoil deshidrogenasa (E3), [1] donde sufre una oxidación mediada por flavina , similar en química a, por ejemplo, la tiorredoxina reductasa. Primero, FAD oxida el dihidrolipoato de nuevo a su estado de reposo de lipoato (disulfuro), produciendo FADH 2 . Luego, el sustrato NAD + oxida FADH 2 de nuevo a su estado de reposo FAD, produciendo NADH y H + .
En todos los organismos, el PDC es un gran complejo compuesto por múltiples copias de las tres subunidades catalíticas E1, E2 y E3. Otra característica común de todos los PDC es el hecho de que la subunidad E2 forma el núcleo del complejo al que se unen las subunidades periféricas E1 y E3. Los PDC eucariotas contienen una subunidad adicional, no catalítica, en el núcleo denominada proteína de unión a E3 (E3BP) (a veces también "proteína X"). En los PDC con un núcleo heterooligomérico con múltiples copias de E2 y E3BP, E1 se asocia exclusivamente con E2, y E3 solo se une a E3BP. Por el contrario, E1 y E3 compiten por la unión a E2 en los PDC bacterianos con un núcleo homooligomérico E2. Mientras que la enzima periférica E3 es un homodímero en todos los organismos, la enzima periférica E1 es una heterotetramerina alfa 2 beta 2 eucariotas.
En bacterias Gram-negativas , p. ej. Escherichia coli , el PDC consta de un núcleo cúbico central formado por 24 moléculas de dihidrolipoil transacetilasa (E2). Hasta 16 homodímeros de piruvato deshidrogenasa (E1) y 8 homodímeros de dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) se unen a los 24 dominios de unión de subunidades periféricas (PSBD) del E2 24-mer. En Gammaproteobacteria , la especificidad del PSBD para unirse a E1 o E3 está determinada por el estado oligomérico del PSBD. En cada homotrímero de E2, dos de los tres PSBD se dimerizan. Mientras que dos homodímeros de E1 se unen cooperativamente al PSBD dimérico, el PSBD restante, no apareado, interactúa específicamente con un homodímero de E3. La dimerización de PSBD determina así la composición de subunidades del complejo de piruvato deshidrogenasa cuando está completamente saturado con las subunidades periféricas E1 y E3, que tiene una estequiometría de E1:E2:E3 (monómeros) = 32:24:16 [9].
En cambio, en las bacterias grampositivas (p. ej., Bacillus stearothermophilus ) y en los eucariotas, el núcleo central del PDC contiene 60 moléculas de E2 dispuestas en un icosaedro. Este “núcleo” de subunidades de 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 a E3 (E3BP), que une las subunidades E3 al núcleo E2. [10] La ubicación exacta de la E3BP no está completamente clara. La criomicroscopía electrónica ha establecido que la E3BP se une a cada una de las caras icosaédricas de la levadura. [11] Sin embargo, se ha sugerido que reemplaza una cantidad equivalente de moléculas E2 en el núcleo del PDC bovino.
Hasta 60 moléculas de E1 o E3 pueden asociarse con el núcleo de E2 de las bacterias Gram-positivas; la unión es mutuamente excluyente. En los 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 in vivo y, a menudo, refleja los requisitos metabólicos del tejido en cuestión.
La piruvato deshidrogenasa se inhibe cuando se incrementa una o más de las tres relaciones siguientes: ATP / ADP , NADH /NAD + y acetil-CoA / CoA . [ cita requerida ]
En los eucariotas, la PDC está estrechamente regulada por su propia piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK) y piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP) específicas, desactivándola y activándola respectivamente. [12]
Los productos de la reacción actúan como inhibidores alostéricos del PDC, ya que activan la PDK. Los sustratos, a su vez, inhiben la PDK, reactivando el PDC.
Durante la inanición , la cantidad de PDK aumenta en la mayoría de los tejidos, incluido el músculo esquelético , a través del aumento de la transcripción genética . En las mismas condiciones, la cantidad de PDP disminuye. La inhibición resultante de PDC impide que el músculo y otros tejidos catabolicen la glucosa y los precursores de la gluconeogénesis . El metabolismo se desplaza hacia la utilización de la grasa , mientras que la degradación de las proteínas musculares para suministrar precursores de la gluconeogénesis se minimiza y la glucosa disponible se reserva para su uso por el cerebro . [ cita requerida ]
Los iones de calcio tienen un papel en la regulación de la PDC en el tejido muscular, ya que activan la PDP, estimulando la glucólisis al liberarla al citosol, durante la contracción muscular . Algunos productos de estas transcripciones liberan H2 en los músculos. Esto puede provocar que los iones de calcio se descompongan con el tiempo. [ cita requerida ]
En las células eucariotas, la descarboxilación del piruvato ocurre dentro de la matriz mitocondrial, después del transporte del sustrato, piruvato, desde el citosol . El transporte de piruvato a las mitocondrias se realiza a través de la proteína transportadora piruvato translocasa. La piruvato translocasa transporta el piruvato en un modo de simporte con un protón (a través de la membrana mitocondrial interna), lo que puede considerarse una forma de transporte activo secundario, pero puede ser necesaria una mayor confirmación/apoyo para el uso del descriptor "transporte activo secundario" aquí (Nota: el método de transporte de piruvato a través de la piruvato translocasa parece estar acoplado a un gradiente de protones según S. Papa et al., 1971, aparentemente coincidiendo con el transporte activo secundario en la definición). [13]
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 aniónicos dependientes de voltaje , que permiten la difusión pasiva" y el transporte a través de la membrana mitocondrial interna está mediado por el transportador de piruvato mitocondrial 1 (MPC1) y el transportador de piruvato mitocondrial 2 (MPC2). [14]
Al entrar en la matriz mitocondrial, el piruvato se descarboxila, produciendo acetil-CoA (y dióxido de carbono y NADH). Esta reacción irreversible atrapa el acetil-CoA dentro de las mitocondrias (el acetil-CoA solo puede ser transportado fuera de la matriz mitocondrial en condiciones de alto contenido de oxaloacetato a través de la lanzadera de citrato, un intermediario de TCA que normalmente es escaso). El dióxido de carbono producido por esta reacción es apolar y pequeño, y puede difundirse fuera de las mitocondrias y fuera de la célula. [ cita requerida ]
En los procariotas , que no tienen mitocondrias, esta reacción se lleva a cabo en el citosol o no se lleva a cabo en absoluto. [ cita requerida ]
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 bacterias grampositivas apuntan a una historia evolutiva compartida que es distintiva 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 las bacterias grampositivas. [15]
Los complejos de piruvato deshidrogenasa comparten muchas similitudes con la piruvato deshidrogenasa de cadena ramificada 2-oxoácido (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 entornos ricos en aminoácidos. La subunidad E2 de la piruvato deshidrogenasa evolucionó a partir del gen E2 encontrado 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 la piruvato deshidrogenasa y BCOADH varían pero comparten similitudes genéticas. Las bacterias grampositivas y las cianobacterias que luego darían lugar a las mitocondrias y cloroplastos que se encuentran en las células eucariotas conservaron las subunidades E1 que están genéticamente relacionadas con las que se encuentran en las enzimas BCOADH. [16] [17]
La deficiencia de piruvato deshidrogenasa (PDCD) puede ser resultado de mutaciones en cualquiera de las enzimas o cofactores utilizados para construir el complejo. Su principal hallazgo clínico es la acidosis láctica . [18] Estas mutaciones de PDCD, que conducen a deficiencias posteriores en la producción de NAD y FAD, obstaculizan los procesos de fosforilación oxidativa que son claves en la respiración aeróbica. Por lo tanto, el 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. [19]
Aunque la deficiencia de piruvato deshidrogenasa es poco frecuente, existen diversos genes que, cuando están mutados o no son funcionales, pueden inducir esta deficiencia. En primer lugar, la subunidad E1 de la piruvato deshidrogenasa contiene cuatro subunidades diferentes: dos subunidades alfa denominadas E1-alfa y dos subunidades beta denominadas E1-beta. El gen PDHA1 que se encuentra en las subunidades E1-alfa, cuando está mutado, causa el 80 % de los casos de deficiencia de piruvato deshidrogenasa porque esta mutación acorta la proteína E1-alfa. La disminución de la E1 alfa funcional impide que la piruvato deshidrogenasa se una lo suficiente al piruvato, lo que reduce la actividad del complejo en general. [20] Cuando el gen PDHB que se encuentra en la subunidad E1 beta del complejo está mutado, esto también conduce a la deficiencia de piruvato deshidrogenasa. [21] Asimismo, las mutaciones encontradas en otras subunidades del complejo, como el gen DLAT encontrado en la subunidad E2, el gen PDHX encontrado en la subunidad E3, así como una mutación en un gen de la fosfatasa de piruvato deshidrogenasa, conocido como PDP1, se han relacionado con la deficiencia de piruvato deshidrogenasa, mientras que su contribución específica al estado de la enfermedad es desconocida. [22] [23] [24]
