2. La conversión del piruvato en acetil-CoA se desarrolla en
cuatro etapas dentro del complejo enzimático de la piruvato
descarboxilasa.
Paso 1. Piruvato + TPP Hidroxietil-TPP + CO2
El piruvato reacciona con tiamina pirofosfato (TPP) en la
enzima piruvato deshidrogenasa (E1) del complejo. Este
proceso escinde CO2 y genera acetaldehído unido a TPP, o
hidroxietilamina.
3. Esta reacción es la más lenta del proceso, por lo que es la
limitante de la velocidad de la reacción global.
4. Paso 2. Hidroexitil-TPP + Lipoamida TPP+
+ Acetil-lipoamida
La hidroexiteliamina reacciona con la lipoamida en una
oxidación que genera acetil-lipoamida (catalizada por la
dihidrolipoamida aciltransferasa, E2). El oxidante es el grupo
disulfuro de la lipoamida que se reduce a sulfihidrilo. El otro
azufre se liga al acetil.
5. Paso 2. Hidroexitil-TPP + Lipoamida TPP+
+ Acetil-lipoamida
El ácido lipoico está unido a una lisina específica de la
dihidrolipoil transacetilasa. Esta posición de la lipoamida se
encuentra en una cadena flexible de aminoácidos que le
permite rotar de un sitio activo al otro.
6. Paso 3. Acetil-lipoamida + CoA-SH Dihidrolipoamida +
acetil-CoA
La acetil-lipoamida continua en la dihidrolipoil transacetilasa,
donde reacciona con el cofactor CoA-SH. El acetil de la acetil-
lipoamida es transferido a la CoA, que se oxida y conserva el
enlace tioéster rico en energía, y se reestablece la
dihidrolipoamida, que se reduce al adquirir de nuevo el
sulfhidrilo. La acetil-CoA se libera al interior de la matriz
mitocondrial.
7. Paso 4. Dihidrolipoamida + NAD+
Lipoamida + NADH+H+
La última reacción la cataliza la dihidrolipoil deshidrogenasa,
donde se reestablece en el enlace disulfuro de la lipoamida
para hacerla reactiva nuevamente. Para ello, se emplea a FAD
como intermediario, que se reduce a FADH2 y oxida los sulfuros
(que luego se enlazan nuevamente). Finalmente, el FADH2
reacciona con NAD+
, que se reduce a NADH+H+
y se libera,
restituyendo a FAD para una nueva reacción.
8. A este tipo de reacciones en secuencia se le denomina
canalización de sustratos. De este modo, ningún sustrato
abandona nunca el complejo, por lo que la concentración de
sustratos es muy alta en E2. Además, se impide el robo por
parte de otras rutas del grupo acetilo.
10. Regulación de la producción de acetil-CoA
en la piruvato deshidrogenasa
El complejo de la piruvato deshidrogenasa se regula por dos
mecanismos: la regulación alostérica y la modificación
covalente.
La regulación alostérica se produce porque el complejo es
fuertemente inhibido por los productos de la reacción: el ATP,
el acetil-CoA y el NADH+H+. Lo mismo ocurre en presencia de
ácidos grasos de cadena larga.
Por el contrario, un aumento de CoA-SH, AMP y NAD+ son
todos activadores del complejo de la piruvato deshidrogenasa.
Estos son producto de un déficit de la entrada de acetil-CoA.
11. Una gran cantidad de combustible inhibe la descarboxilación
de piruvato, que se acumula en el exterior de la mitocondria e
inhibe, también alostéricamente, a la glucólisis. A la par, se da
un incremento de ATP, de ácidos grasos que acumulan energía
y la relación [NADH]/[NAD+
] es alta. La demanda de acetil-CoA
es, por lo tanto, lo que permite la descarboxilación del
piruvato. Esta demanda se manifiesta como un aumento en la
concentraciones de AMP, CoA, NAD+
y Ca+2
.
12. Un segundo nivel de regulación se observa en la piruvato
deshidrogenasa de los vertebrados. La modificación covalente
ocurre a nivel de la primera enzima del complejo, en E1,
mediante una fosforilación en el residuo de Ser de una de las
dos subunidades de la enzima.
Adicionalmente a E1, E2 y E3, el complejo cuenta con dos
proteínas reguladoras: una proteína quinasa que fosoforila la
Ser de E1, y la inactiva, y fosfoproteína fosfatasa, que
desfoforila mediante hidrólisis y activa a E1.
13. La fosfoproteína fosfatasa está siempre activa, pero su
actividad se ve opacada por la quinasa. La quinasa se activa con
niveles altos de ATP (reflejo de suministro óptimo de energía),
de modo que cuando no hay demanda energética, la quinasa
fosforila e inactiva a E1. Cuando el ATP decrece, la quinasa se
inactiva, y la fosfoproteína desfosforila y activa a E1.
E1E1
Ser
P
E1E1
Ser
P
14. En el complejo piruvato deshidrogenasa la inhibición alostérica
ocurre por el NADH, que es su regulador primario.
En Escherichia coli no se ha identificado una modificiación
covalente, aunque hay un mecanismo de inhibición alostérica.
En animales, la reacción es irreversible ya que no es posible la
conversión de acetil-CoA a glucosa. Por lo tanto, este
compuesto puede irse a dos rutas: el ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, que produce energía, o la síntesis de lípidos,
que la almacena.
La actividad del complejo se controla, por lo tanto, en tres
niveles.
15. Control del complejo piruvato
deshidrogenasa
Mecanismo de control Descripción
Regulación a nivel de sustrato El acetil-CoA y el NADH, los productos de la
oxidación del piruvato, inhiben el complejo
enzimático. El acetil-CoA inhibe al componente
transacetilasa, mientras que el NADH inhibe al
componente dihidrolipoico deshidrogenasa. Estos
efectos inhibidores son revertidos por el CoA y el
NAD+, respectivamente.
Retroalimentación por
nucleótidos
La actividad del complejo enzimático se controla
por la carga energética. Concretamente, el
componente piruvato deshidrogenasa se inhibe
por el GTP y se activa por el AMP. De nuevo, la
actividad del complejo se reduce cuando la célula
dispone
de energía.
16. Mecanismo de control Descripción
Regulación por fosforilación
reversible
El complejo se vuelve enzimáticamente inactivo
cuando el ATP se fosforila, mediante una quinasa
específica, un determinado residuo de serina del
componente piruvato deshidrogenasa.
a) La fosforilación se favorece a valores altos de los
cocientes ATP/ADP, acetil-Coa/CoA y NADH/NAD+,
mientras que se inhibe por el piruvato.
b) El complejo enzimático se activa por una
desfosforilación producida por la fosfatasa.
c) La desfosforilación se favorece con niveles
elevados de Ca+2
.
La insulina también estimula la desfosforilación
con lo que se acelera la transformación de piruvato
a acetil-CoA, y así el paso de glucosa a piruvato.
