La piruvato descarboxilasa es una enzima ( EC 4.1.1.1) que cataliza la descarboxilación del ácido pirúvico a acetaldehído . También se le llama 2-oxo-ácido carboxilasa, alfa-cetoácido carboxilasa y pirúvico descarboxilasa. [1] En condiciones anaeróbicas, esta enzima participa en el proceso de fermentación que ocurre en la levadura, especialmente del género Saccharomyces , para producir etanol por fermentación. También está presente en algunas especies de peces (incluidos los peces de colores y las carpas ) donde permite que los peces realicen la fermentación del etanol (junto con la fermentación del ácido láctico) cuando el oxígeno es escaso. [2] La piruvato descarboxilasa inicia este proceso convirtiendo el piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono. [3] La piruvato descarboxilasa depende de los cofactores pirofosfato de tiamina (TPP) y magnesio. Esta enzima no debe confundirse con la enzima no relacionada piruvato deshidrogenasa , una oxidorreductasa ( EC 1.2.4.1), que cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil-CoA .
La piruvato descarboxilasa se presenta como un dímero de dímeros con dos sitios activos compartidos entre los monómeros de cada dímero. La enzima contiene una estructura beta-alfa-beta, lo que produce láminas beta paralelas. Contiene 563 subunidades residuales en cada dímero; la enzima tiene fuertes atracciones intermonómeras, pero los dímeros interactúan de forma laxa para formar un tetrámero laxo. [4]
Cada sitio activo tiene 20 residuos de aminoácidos, incluyendo el ácido Glu-477, que interactúa con el anillo TPP, y el Glu-51, que participa en la unión del cofactor. Estos glutamatos también estabilizan el ilido de TPP, actuando como donantes de protones. El entorno no polar alrededor de este Glu 477 es no polar, lo que contribuye a un pKa más alto de lo normal ( los pKa normales de Glu y Asp son alrededor de 4,6 en proteínas pequeñas). [5]
Los residuos lipofílicos Ile-476, Ile-480 y Pro-26 contribuyen a la no polaridad del área alrededor de Glu-477. El único otro residuo con carga negativa aparte de la coenzima TPP es el Asp-28, que también ayuda a aumentar el pKa de Glu-477. Por lo tanto, el entorno de la enzima debe permitir que la protonación del grupo gamma-carboxilo de Glu-477 se encuentre alrededor de un pH de 6. [5]
El anillo de aminopirimidina en TPP actúa como una base, una vez en su forma imina, para extraer el protón C2 de TPP para formar el iluro nucleófilo . [4] Esto debe ocurrir porque la enzima no tiene cadenas laterales básicas presentes para desprotonar el C2 de TPP. Una mutación en el sitio activo que involucra a estos Glu puede resultar en la ineficiencia o inactividad de la enzima. Esta inactividad se ha demostrado en experimentos en los que faltan los grupos amino N1' y/o 4'. En el análisis de RMN, se ha determinado que cuando TPP se une a la enzima junto con el sustrato análogo piruvamida, la tasa de formación de iluro es mayor que la tasa normal de la enzima. Además, la tasa de mutación de Glu 51 a Gln reduce esta tasa significativamente. [4]
Los residuos Asp-444 y Asp-28 se unen a Mg 2+ . Dos Cys-221 (a más de 20 Ångstroms de distancia de cada sitio) y His-92 desencadenan un cambio conformacional , que inhibe o activa la enzima dependiendo de la disponibilidad del sustrato. Si el sustrato unido en el sitio activo es piruvato, la enzima se activa por un cambio conformacional en este sitio regulador . [6] El cambio conformacional implica una adición nucleofílica 1,2. Esta reacción, la formación de un tiocetal, transforma la enzima de su estado inactivo a activo.
La inhibición del sitio se lleva a cabo mediante una clase de inhibidores/análogos de sustrato XC 6 H 4 CH=CHCOCOOH, así como mediante el producto de la descarboxilación de compuestos como los cinamaldehídos. Otros sitios nucleofílicos potenciales para el inhibidor incluyen Cys-152, Asp-28, His-114, His-115 y Gln-477. [6]
La velocidad catalítica normal de la piruvato descarboxilasa es k cat = 10 s −1 . Sin embargo, la velocidad de la enzima con una mutación Glu-51 a Gln es 1,7 s −1 . [4]
El cofactor TPP es el grupo prostético de la enzima. El centro CH ubicado entre los átomos de azufre y nitrógeno en el anillo de tiazol es ácido. Tras la desprotonación, genera un iluro y se carga negativamente como un carbanión . Este puede reaccionar como un nucleófilo en el carbono cetónico del ácido pirúvico. [3] Durante la descarboxilación del piruvato, el TPP estabiliza los intermediarios del carbanión como un electrófilo mediante enlaces no covalentes. [4] Específicamente, el nitrógeno piridilico N1' y el grupo 4'-amino del TPP son esenciales para la función catalítica del complejo enzima-TPP. [5]
La enzima divide el piruvato en dióxido de carbono y acetaldehído. La reacción se lleva a cabo mediante el ataque del carbono nucleofílico del tiazol al grupo ceto. El intermedio pierde dióxido de carbono, dando lugar a un enol , en un paso irreversible. Posteriormente, se libera acetaldehído libre y se regenera el TPP. [7]
En la levadura , la piruvato descarboxilasa actúa de forma independiente durante la fermentación anaeróbica y libera el fragmento de 2 carbonos como acetaldehído más dióxido de carbono. La piruvato descarboxilasa crea el medio de eliminación de CO2 , que la célula disipa. La enzima también es un medio para crear etanol, que se utiliza como antibiótico para eliminar organismos competidores. [4] La enzima es necesaria para ayudar a la descarboxilación de alfa-cetoácidos porque hay una acumulación de carga negativa que ocurre en el átomo de carbono carbonílico en el estado de transición; por lo tanto, la enzima proporciona el entorno adecuado para que el TPP y el alfa-cetoácido (piruvato) se encuentren. [4]
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