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Piruvato deshidrogenasa quinasa

La piruvato deshidrogenasa quinasa (también piruvato deshidrogenasa quinasa compleja , PDC quinasa o PDK ; EC 2.7.11.2) es una enzima quinasa que actúa para inactivar la enzima piruvato deshidrogenasa fosforilándola usando ATP .

La PDK participa así en la regulación del complejo piruvato deshidrogenasa, del que la piruvato deshidrogenasa es el primer componente. Tanto la PDK como el complejo piruvato deshidrogenasa se encuentran en la matriz mitocondrial de los eucariotas . El complejo actúa para convertir el piruvato (un producto de la glucólisis en el citosol ) en acetil-coA , que luego se oxida en las mitocondrias para producir energía, en el ciclo del ácido cítrico . Al regular negativamente la actividad de este complejo, la PDK disminuirá la oxidación del piruvato en las mitocondrias y aumentará la conversión de piruvato en lactato en el citosol.

La acción opuesta de la PDK, es decir, la desfosforilación y activación de la piruvato deshidrogenasa, es catalizada por una fosfoproteína fosfatasa llamada piruvato deshidrogenasa fosfatasa .

(La piruvato deshidrogenasa quinasa no debe confundirse con la quinasa dependiente de fosfoinosítido-1 , que a veces también se conoce como "PDK1").

Sitios de fosforilación

La PDK puede fosforilar un residuo de serina en la piruvato deshidrogenasa en tres sitios posibles. Algunas evidencias han demostrado que la fosforilación en el sitio 1 desactivará casi por completo la enzima, mientras que la fosforilación en los sitios 2 y 3 solo tuvo una pequeña contribución a la inactivación del complejo. [1] Por lo tanto, es la fosforilación en el sitio 1 la responsable de la desactivación de la piruvato deshidrogenasa.

Isoenzimas

Hay cuatro isoenzimas conocidas de PDK en humanos:

La secuencia primaria entre las cuatro isoenzimas se conserva con un 70% de identidad. Las mayores diferencias se producen cerca del extremo N. [2]

La PDK1 es la más grande de las cuatro, con 436 residuos , mientras que la PDK2, la PDK3 y la PDK4 tienen 407, 406 y 411 residuos respectivamente. Las isoenzimas tienen diferentes tasas de actividad y fosforilación en cada sitio. En el sitio 1, en orden de más rápido a más lento, PDK2 > PDK4 ≈ PDK1 > PDK3. Para el sitio 2, PDK3 > PDK4 > PDK2 > PDK1. Solo la PDK1 puede fosforilar el sitio 3. Sin embargo, se ha demostrado que estas actividades son sensibles a ligeros cambios en el pH, por lo que el microambiente de las isoenzimas PDK puede cambiar las tasas de reacción. [3] [4]

También se ha demostrado que la abundancia de isoenzimas es específica de cada tejido . La PDK1 es abundante en las células cardíacas . La PDK3 es más abundante en los testículos . La PDK2 está presente en la mayoría de los tejidos, pero es baja en las células del bazo y los pulmones . La PDK4 se encuentra predominantemente en los tejidos del músculo esquelético y del corazón . [5]

Mecanismo

La piruvato deshidrogenasa se desactiva cuando es fosforilada por PDK. Normalmente, el sitio activo de la piruvato deshidrogenasa se encuentra en una conformación estabilizada y ordenada sostenida por una red de enlaces de hidrógeno . Sin embargo, la fosforilación por PDK en el sitio 1 causa choques estéricos con otro residuo de serina cercano debido tanto al mayor tamaño como a las cargas negativas asociadas con el residuo fosforilado. [6] Esto altera la red de enlaces de hidrógeno y desordena la conformación de dos bucles de fosforilación. Estos bucles impiden el paso de acetilación reductora , deteniendo así la actividad general de la enzima. [7] Los cambios conformacionales y el mecanismo de desactivación para la fosforilación en los sitios 2 y 3 no se conocen en este momento.

Regulación

Isozima 4 de PDK con ADP unido al sitio activo. Se ha demostrado que el ADP es un inhibidor competitivo. [8]

La piruvato deshidrogenasa quinasa es activada por ATP , NADH y acetil-CoA . Es inhibida por ADP , NAD+ , CoA-SH y piruvato . [9]

Cada isoenzima responde a cada uno de estos factores de forma ligeramente diferente. El NADH estimula la actividad de PDK1 en un 20% y la de PDK2 en un 30%. El NADH con acetil-CoA aumenta la actividad de estas enzimas en un 200% y un 300% respectivamente. En condiciones similares, la PDK3 no responde al NADH y es inhibida por el NADH con acetil-CoA. La actividad de la PDK4 aumenta un 200% con el NADH, pero la adición de acetil-CoA no aumenta más la actividad. [5]

Relevancia de la enfermedad

Las isoformas de PDK están elevadas en la obesidad, la diabetes, la insuficiencia cardíaca y el cáncer. [10] Algunos estudios han demostrado que las células que carecen de insulina (o son insensibles a la insulina) sobreexpresan PDK4. [11] Como resultado, el piruvato formado a partir de la glucólisis no se puede oxidar, lo que conduce a la hiperglucemia debido al hecho de que la glucosa en la sangre no se puede utilizar de manera eficiente. Por lo tanto, varios medicamentos se dirigen a PDK4 con la esperanza de tratar la diabetes tipo II . [12]

Se ha demostrado que la PDK1 tiene una mayor actividad en las células cancerosas hipóxicas debido a la presencia de HIF-1 . La PDK1 desvía el piruvato del ciclo del ácido cítrico y mantiene viva la célula hipóxica. [13] Por lo tanto, se ha sugerido la inhibición de la PDK1 como una terapia antitumoral ya que la PDK1 previene la apoptosis en estas células cancerosas. [14] De manera similar, se ha demostrado que la PDK3 se sobreexpresa en las líneas celulares del cáncer de colon. [15] Tres inhibidores propuestos son AZD7545 y dicloroacetato , que se unen a la PDK1, y Radicicol , que se une a la PDK3. [16]

Las mutaciones en el gen PDK3 son una causa poco frecuente de la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth ligada al cromosoma X (CMTX6). [17] [18]

En los perros, específicamente en los Doberman Pinscher , una mutación en el gen PDK4 está asociada con la miocardiopatía dilatada (DCM). [19] [20] [21]

Referencias

  1. ^ Yeaman SJ, Hutcheson ET, Roche TE, Pettit FH, Brown JR, Reed LJ, Watson DC, Dixon GH (junio de 1978). "Sitios de fosforilación de la piruvato deshidrogenasa en el riñón y el corazón bovinos". Bioquímica . 17 (12): 2364–70. doi :10.1021/bi00605a017. PMID  678513.
  2. ^ Popov KM, Kedishvili NY, Zhao Y, Gudi R, Harris RA (noviembre de 1994). "Clonación molecular de la subunidad p45 de la piruvato deshidrogenasa quinasa". The Journal of Biological Chemistry . 269 (47): 29720–4. doi : 10.1016/S0021-9258(18)43940-3 . PMID  7961963.
  3. ^ Korotchkina LG, Patel MS (octubre de 2001). "Especificidad de sitio de cuatro isoenzimas de la piruvato deshidrogenasa quinasa hacia los tres sitios de fosforilación de la piruvato deshidrogenasa humana". The Journal of Biological Chemistry . 276 (40): 37223–9. doi : 10.1074/jbc.M103069200 . PMID  11486000.
  4. ^ Kolobova E, Tuganova A, Boulatnikov I, Popov KM (agosto de 2001). "Regulación de la actividad de la piruvato deshidrogenasa a través de la fosforilación en múltiples sitios". The Biochemical Journal . 358 (Pt 1): 69–77. doi :10.1042/0264-6021:3580069. PMC 1222033 . PMID  11485553. 
  5. ^ ab Bowker-Kinley MM, Davis WI, Wu P, Harris RA, Popov KM (enero de 1998). "Evidencia de la existencia de una regulación tisular específica del complejo piruvato deshidrogenasa de mamíferos". The Biochemical Journal . 329 (1): 191–6. doi :10.1042/bj3290191. PMC 1219031 . PMID  9405293. 
  6. ^ Korotchkina LG, Patel MS (febrero de 2001). "Investigación del mecanismo de inactivación de la piruvato deshidrogenasa humana mediante la fosforilación de tres sitios". The Journal of Biological Chemistry . 276 (8): 5731–8. doi : 10.1074/jbc.M007558200 . PMID  11092882.
  7. ^ Kato M, Wynn RM, Chuang JL, Tso SC, Machius M, Li J, Chuang DT (diciembre de 2008). "Base estructural para la inactivación del complejo de la piruvato deshidrogenasa humana por fosforilación: papel de los bucles de fosforilación desordenados". Structure . 16 (12): 1849–59. doi :10.1016/j.str.2008.10.010. PMC 2849990 . PMID  19081061. 
  8. ^ Roche TE, Reed LJ (agosto de 1974). "Requerimiento de catión monovalente para la inhibición de ADP de la piruvato deshidrogenasa quinasa". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 59 (4): 1341–8. doi :10.1016/0006-291X(74)90461-6. PMID  4370205.
  9. ^ Sugden MC, Holness MJ (mayo de 2003). "Avances recientes en los mecanismos que regulan la oxidación de la glucosa a nivel del complejo de la piruvato deshidrogenasa por PDK". American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism . 284 (5): E855-62. doi :10.1152/ajpendo.00526.2002. PMID  12676647.
  10. ^ Park S, Jeon JH, Lee IK (2018). "El papel del complejo de piruvato deshidrogenasa en la remodelación metabólica: funciones diferenciales del complejo de piruvato deshidrogenasa en el metabolismo". Diabetes Medical Journal . 42 (4): 270–281. doi :10.4093/dmj.2018.0101. PMC 6107359 . PMID  30136450. 
  11. ^ Majer M, Popov KM, Harris RA, Bogardus C, Prochazka M (octubre de 1998). "La insulina regula a la baja el ARNm de la piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK): mecanismo potencial que contribuye al aumento de la oxidación de lípidos en sujetos resistentes a la insulina". Genética molecular y metabolismo . 65 (2): 181–6. doi :10.1006/mgme.1998.2748. PMID  9787110.
  12. ^ Holness MJ, Sugden MC (diciembre de 2003). "Regulación de la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa mediante fosforilación reversible". Biochemical Society Transactions . 31 (Pt 6): 1143–51. doi :10.1042/bst0311143. PMID  14641014.
  13. ^ Kim JW, Tchernyshyov I, Semenza GL, Dang CV (marzo de 2006). "Expresión de la piruvato deshidrogenasa quinasa mediada por HIF-1: un cambio metabólico necesario para la adaptación celular a la hipoxia". Metabolismo celular . 3 (3): 177–85. doi : 10.1016/j.cmet.2006.02.002 . PMID  16517405.
  14. ^ Bonnet S, Archer SL, Allalunis-Turner J, Haromy A, Beaulieu C, Thompson R, Lee CT, Lopaschuk GD, Puttagunta L, Bonnet S, Harry G, Hashimoto K, Porter CJ, Andrade MA, Thebaud B, Michelakis ED (enero de 2007). "Un eje mitocondria-canal K+ se suprime en el cáncer y su normalización promueve la apoptosis e inhibe el crecimiento del cáncer". Cancer Cell . 11 (1): 37–51. doi : 10.1016/j.ccr.2006.10.020 . PMID  17222789.
  15. ^ Lu CW, Lin SC, Chien CW, Lin SC, Lee CT, Lin BW, Lee JC, Tsai SJ (septiembre de 2011). "La sobreexpresión de la piruvato deshidrogenasa quinasa 3 aumenta la resistencia a los fármacos y la recurrencia temprana en el cáncer de colon". The American Journal of Pathology . 179 (3): 1405–14. doi :10.1016/j.ajpath.2011.05.050. PMC 3157210 . PMID  21763680. 
  16. ^ Kato M, Li J, Chuang JL, Chuang DT (agosto de 2007). "Distintos mecanismos estructurales para la inhibición de las isoformas de la piruvato deshidrogenasa quinasa por AZD7545, dicloroacetato y radicicol". Structure . 15 (8): 992–1004. doi :10.1016/j.str.2007.07.001. PMC 2871385 . PMID  17683942. 
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  18. ^ Kennerson ML, Yiu EM, Chuang DT, Kidambi A, Tso SC, Ly C, Chaudhry R, ​​Drew AP, Rance G, Delatycki MB, Züchner S, Ryan MM, Nicholson GA (abril de 2013). "Un nuevo locus para la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth dominante ligada al cromosoma X (CMTX6) es causado por mutaciones en el gen de la isoenzima 3 de la piruvato deshidrogenasa quinasa (PDK3)". Genética molecular humana . 22 (7): 1404–16. doi :10.1093/hmg/dds557. PMC 3596851 . PMID  23297365. 
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