VI. Piruvato deshidrogenasa

Transcripción

1 VI. Piruvato deshidrogenasa En los organismos aeróbicos el producto final de la glucólisis, el piruvato, es finalmente degradado hasta 2 y. En las bacterias y las arkeas esto ocurre en el mismo compartimento celular, mientras que en los eucariotes, el piruvato debe entrar en la mitocondria para terminar de ser procesado. La primer etapa en la degradación del piruvato implica su descarboxilación oxidativa para rendir acetil-oa, 2 y un par de electrones transportados como. Esta reacción se lleva a cabo dentro del complejo multienzimático de la Piruvato deshidrogenasa. Esta multi-enzima, cuyo mecanismo de reacción se muestra más abajo, está formada por tres tipos diferentes de enzimas. La primera (E1) es la piruvato descarboxilasa, que contiene al pirofosfato de tiamina (TPP) como cofactor. H H oa H 3 oa-h H H 3 E 1 -B : H N + + E 1 -B-H N + H 3 E 1 -B : H H 3 N + E 3 -FAD E 3 -FAD H + R2 H 3 R2 H 3 R2 H 3 E E 2 2 E E H H 3.. N H - H 3 N + H + H H 3 N + H R2 H 3 R2 H 3 R2 H 3 Al comienzo de este proceso el piruvato reacciona con el TPP generando el derivado hidroxietil-tpp que se encuentra estabilizado por resonancia. La segunda enzima (E2), la dihidrolipoil-transacetilasa, contiene una molécula de ácido lipoico unida por un enlace amida a un resto lisina de la enzima. Esto genera un gran brazo movil que puede interactuar con los tres sitios activos alternativamente. Primero el ácido lipoico que contiene un enlace disulfuro se reduce a ditiol, produciendo la oxidación del derivado hidroxietil-tpp a acetil- TPP. Después, el ácido dihidrolipoico captura el grupo acetilo, liberando al TPP unido a E1 que puede iniciar otro ciclo catalítico. E2, es capáz de transferir el grupo acetilo desde el dihidrolipoico hasta la oenzima A, liberando acetil-oa y el cofactor reducido. La oxidación del cofactor dihidrolipoico con la

2 recuperación del enlace disulfuro, requiere la intervención de la tercer enzima (E3) que contiene una molécula de FAD íntimamente unida. Esta enzima, la dihidrolipoil-deshidrogenasa, captura los electrones y protones del cofactor dihidrolipoico y los transfiere finalmente a una molécula de para generar y el cofactor de E2 en estado oxidado. VII. iclo de Krebs Acetil-oA Las cuatro primeras reacciones del ciclo involucran un intermediario fuertemente unido a la correspondiente enzima. Los tres primeros intermediarios están señalados en la figura entre corchetes. El ciclo de Krebs comienza con la reacción de condensación aldólica entre el oxalacetato y el acetil-oa. En esta reacción el carbono metílico del acetil-oa produce un ataque nucleofílico sobre el átomo de carbono carbonílico (2) del oxalacetato, produciendo que uno de los enlaces de este carbono con oxígeno se desplace, generando un oxhidrilo. Este tipo de reacciones de condensación son difíciles de realizar y normalmente van acopladas a un proceso que libere energía. En xalacetato H Malato H 3 oa uccinatodeshidrogenasa Malatodeshidrogenasa H Fumarasa H oa H H 2 H E-FAD E-FADH ATP 2 uccinato Fumarato oa H H este caso el proceso es la hidrólisis del enlace - de un tioéster en el intermediario citril-oa. El producto de esta reacción, el citrato, es un ácido tricarboxílico ramificado y simétrico con respecto a dos de los sustituyentes del H H oa H H H itril-oa itrato is-aconitato Isocitrato itrato-intasa α-etoglutaratodeshidrogenasa Q Q uccinil-oa tiokinasa ADP H oa oa + Pi uccinil-oa Aconitasa Isocitratodeshidrogenasa 2 α-etoglutarato H xalosuccinato 2

3 3. Uno de esos dos sustituyentes contiene el grupo carboximetilo proveniente del acetilo del acetil-oa. En la etapa siguiente se produce una isomerización para convertir al citrato en isocitrato. A primera vista parecería que los dos átomos de hacia donde puede migrar el oxidrilo (el 2 o el 4) son equivalentes. in embargo, la enzima que cataliza la reacción de isomerización (aconitasa) es capaz de reconocer los dos grupos diferentes. Para que esto suceda es necesario que el sitio activo de la enzima posea la asimetría que el sustrato no posee. El mecanismo de esta reacción es simplemente una deshidratación seguida de un hidratación. Los átomos que se pierden en la deshidratación del citrato son el oxidrilo unido al 3 y un proton del metileno del carbono que está en posición 4 en el dibujo. Este carbono correspondía al metilénico (3) de la molécula del oxalacetato. La rehidratación puede suceder en la misma posición mencionada, regenerando el citrato, o a la inversa (el proton sobre el 3 y el oxidrilo sobre el 4), produciendo el isocitrato. El producto de esta reacción es un ácido orgánico que tiene un oxidrilo unido a un carbono α con respecto a un grupo carboxilo. Esta estrategia de generar un α- hidroxiácido es muy común en el metabolismo debido a que estos pueden ser oxidados muy fácilmente a α-cetoácidos y estos transaminados a α- aminoácidos. El cis-aconitato, intermediario de esta reacción, muy rara vez abandona el sitio activo de la enzima. La siguiente reacción, catalizada por la isocitrato deshidrogenasa, involucra dos etapas, la primera de oxidación y la segunda de descarboxilación de la molécula de isocitrato. El producto de la primer etapa es un ácido tricarboxílico muy inestable, el oxalosuccinato, que se descarboxila rápidamente para producir un ácido dicarboxílico de 5, el α-cetoglutarato y 2. La descarboxilación se produce sobre el átomo de carboxílico unido al carbono ternario (3) del isocitrato. La siguiente reacción involucra la descarboxilación y la oxidación de un α- cetoácido, el α-cetoglutarato. Esta reacción es totalmente análoga a la reacción de la piruvato deshidrogenasa, y la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa posee el mismo tipo de actividades enzimáticas y cofactores que ella. Por lo mismo, los sustratos de esta reacción son el α-cetoácido, el y la coenzima A, mientras que los productos serán, 2 y el succinil-oa. Este último es el acil derivado de la oa con el resto de los carbonos del α- cetoácido utilizado como sustrato. Análogamente al caso anterior, el átomo de que lleva el grupo ceto del α-cetoácido es oxidado y termina involucrado en un enlace tioéster con la oa. Al finalizar esta reacción ya se han eliminado dos moléculas de 2 por cada acetil-oa procesado. in embargo, los carbonos que se eliminan como 2 no son los mismos que se incorporaron al ciclo como acetil-oa (ver en la figura las conversiones que sufren los de color, verde por carboxilato y morado por metilo, del acetil-oa). Además, sólo aproximadamente la mitad de la energía que se incorporó en la molécula de acetil-oa se ha logrado extraer hasta el momento. Las siguientes etapas, involucran la conversión del succinil- oa en oxalacetato, para regenerar el primer compuesto del ciclo, y la recuperación del resto de la energía aportada por el acetil-oa.

4 El enlaces tioéster del uccinil-oa, como todos los tioesteres de ácidos orgánicos, es un enlace de alta energía. Esta energía es utilizada, en la célula para acoplar la reacción de eliminación del tioéster con la síntesis de ATP (o GTP en mamíferos). La reacción involucra el intercambio de la oenzima A por fosfato inorgánico en el carboxilo del ácido, produciendo un acil-fosfato en el sitio activo de la enzima succinil-oa-tiokinasa. Este fosfato es generalmente transferido a un aminoácido del sitio activo de la enzima y luego al ADP para sintetizar ATP. Este proceso de síntesis de ATP es de fosforilación a nivel de sustrato para diferenciarlo de la fosforilación oxidativa que se produce en la membrana de la mitocondria o de la bacteria acoplada a la transferencia de electrones al 2 (u otro aceptor final) en la cadena de transporte. De esta manera la reacción de hidrólisis del succinil-oa se encuentra acoplada a la síntesis de ATP. El producto de la reacción anterior, el succinato, es un ácido dicarboxílico de cuatro carbonos con el resto de sus carbonos en el mayor estado posible de hidrogenación (o de reducción). En las reacciones siguientes se debe convertir uno de los metilenos del succinato en un carbonilo del oxalacetato. Este tipo de reacciones de oxidación ocurren en otras rutas metabólicas y todas ellas se realizan en varias etapas que siguen un patrón común de diseño metabólico. El grupo que termina oxidándose a carbonilo es, en general, un oxidrilo. La molécula que aporta el átomo de oxígeno necesario para estas oxidaciones, no es el oxígeno molecular sino más bien, es la molécula de. Además, es relativamente sencillo incorporar una molécula de a una molécula orgánica por hidratación de un doble enlace como ya hemos visto que ocurre en el caso de la aconitasa, o en el mecanismo de acción de la mayoría de las isomerasas. Por todo ello, la primer etapa consiste en la generación de un doble enlace entre los dos metilenos del succinato, mediante una reacción de deshidrogenación. Este tipo de reacciones requieren de un oxidante fuerte para su realización, por lo que en esta etapa no se utiliza el 1 como coenzima. De hecho, la enzima que cataliza esta reacción, la succinato deshidrogenasa, está firmemente unida al grupo prostético FAD, que finalmente transfiere los electrones a la coenzima Q para rendir Q 2. Esta enzima es un componente integral de la membrana (de la mitocondria en los eucariotes o de la plasmática en otros microorganismos) que se encuentra intimamente asociada con otros componentes de la cadena de transporte como veremos en el próximo teórico. El fumarato, producto deshidrogenado de la succinato deshidrogenasa, es hidratado por acción de la enzima fumarasa para rendir L-malato, el cual a su vez es oxidado por la malato deshidrogenasa para obtener el oxalacetato. En 1 Tener en cuenta que si el es un reductor más poderoso que el FAD, el deberá ser un oxidante más debil que el FAD. 2 En muchos libros de texto se encontrarán con que el producto final de la succinato deshidrogenasa es el FAD, sin embargo, esta coenzima jamás se libera del sitio activo de la enzima y, para que la enzima vuelva a su estado original y que pueda actuar en otra reacción de deshidrogenación, el FAD debe ser reoxidado a FAD por la coenzima Q. Esta se convierte en Q que si se libera de la enzima. Tanto Q como Q son formas de la coenzima Q solubles en la membrana donde está insertada la succinato deshidrogenasa y pueden transferir su poder reductor a otros aceptores, no nesesariamente relacionados. De esta manera, en la membrana plasmática, la coenzima Q cumple funciones análogas a las del en solución. Nosotros consideraremos a la coenzima Q como uno de los productos finales de esta reacción, lo que para los cálculos estequiométricos es totalmente equivalente a la consideración del FAD antes mencionada.

5 esta última reacción la coenzima interviniente es el, por lo que se obtiene otro. Los intermediarios del ciclo de Krebs pueden ser utilizados como precursores de otras sustancias. Por ejemplo, el oxalacetato es el precursor de la síntesis de glúcidos y de los aminoácidos de la familia del aspartato, el α- cetoglutarato lo es de los aminoácidos de la familia del glutamato y el succinil- oa es el precursor del hemo y sus derivados. En resumen, por cada vuelta del ciclo se han utilizado un acetilo del acetil- oa, y se han liberado 2 2, 3, 1 Q y se ha sintetizado una molécula de ATP (o GTP) por fosforilación a nivel de sustrato. Las coenzimas reducidas serán canalizadas más adelante por la cadena de transporte de electrones hasta un aceptor final. En los organismos aeróbicos reducirán el 2 a. VIII. iclo del glioxilato A pesar de que a partir del oxalacetato se puede obtener glucosa, y que mediante el funcionamiento del ciclo los carbonos del acetil-oa quedan incorporados en la molécula de oxalacetato, no es posible realizar la síntesis neta de esta molécula a partir de acetil-oa. Esto se debe a que cada dos carbonos que se incorporan en el ciclo como acetil-oa, otros dos se pierden en forma de 2 antes de su conversión en oxalacetato. Por lo mismo, si quitamos una molécula de oxalacetato para canalizarla hacia la síntesis de glúcidos, estaremos eliminando moléculas capaces de realizar el ciclo de Krebs, o visto de una forma más intuitiva, disminuiremos el número total de ciclos que están en funcionamiento en un momento dado en la célula. En cambio, si es posible realizar la síntesis neta de oxalacetato (y por consiguiente de glucosa) si agregamos alguno de los intermediarios del ciclo, como sucede con las reacciones de recomposición del ciclo a partir de aminoácidos. Los ácidos grasos forman la reserva energética más abundante para muchos organismos y, en su degradación, rinden prácticamente en forma cuantitativa acetil-oa. Por lo mismo, aunque puede extraerse mucha energía de ellos mediante la descarboxilación del acetil-oa, es imposible para la mayoría de los organismos utilizar los ácidos grasos para obtener azúcares. in embargo, las plantas y algunos microorganismos si tienen esa capacidad. Para ello, utilizan una serie de reacciones muy similar a las del ciclo de Krebs en las que se rodean las reacciones de descarboxilación y por medio de las cuales se produce la síntesis neta de un intermediario de ese ciclo. Estas reacciones tienen un único intermediario diferente al ciclo de Krebs, el compuesto de dos carbonos denominado ácido glioxílico, que es el que le da el nombre al ciclo que se muestra en la figura. En esta ruta el isocitrato es procesado por una enzima que cataliza su escición en una molécula de cuatro (el succinato) y en otra de dos (el glioxilato). Esta escición es una reacción de condensación/ruptura aldólica del mismo tipo de la de la citrato sintasa y en ambas intervienen (o se producen) una molécula de cuatro y otra de dos carbonos. in embargo, el enlace que se rompe en esta reacción es diferente al que se había formado por la citrato

6 sintasa. Estos dos enlaces (el formado por la citrato sintasa y el desarmado en la isocitrato liasa) son los únicos que pueden utilizarse en este tipo de ácidos tricarboxílicos ramificados en el 3, para generar un compuesto 4 más uno 2. El glioxilato se condensa con el acetil oa, para dar malato. La reacción, Acetil-oA xalacetato H H Malato H 3 oa uccinatodeshidrogenasa Malatodeshidrogenasa oa H oa H oa H 2 H H H H H 2 H H itril-oa itrato is-aconitato Isocitrato itrato-intasa Malato intasa Fumarasa oa H Malil-oA H Malato intasa H H Fumarato E-FAD Aconitasa Glioxilato H Q oa Acetil-oA E-FAD H Q Isocitrato Liasa uccinato catalizada por la malato sintasa, tiene el mismo mecanismo de reacción que la de la citrato sintasa produciendo un intermediario de acil-oa unido a la enzima. La reacción neta puede ser calculada considerando las siguientes hemi-rreacciones: 1. oxalacetato + Acetil-oA + isocitrato + oa-h 2. isocitrato glioxilato + succinato 3. succinato + Q + malato + Q 4. glioxilato + Acetil-oA + malato + oa-h 5. malato + oxalacetato + omo se producen dos moléculas de malato (reacciones 3 y 4) la reacción 5 debe ser multiplicada por dos. Por ello, sin considerar las coenzimas, si partimos de una molécula de oxalacetato al finalizar una vuelta al

7 ciclo, haremos reaccionar dos moléculas de acetil-oa y obtendremos dos moléculas de oxalacetato como productos finales. implificando, a partir de dos acetil-oa se obtendrá 1 molécula de oxalacetato en lugar de 4 2 que es el producto del ciclo de Krebs. La reacción global en cada caso y puestas en igualdad de condiciones, será: Krebs 2 acetil-oa Q + 2ADP + 2Pi H + + 2Q + 2ATP + 2oA-H Glioxilato 2 acetil-oa Q + 3 oxalacetato H + + Q + oa-h El oxalacetato generado por el ciclo del glioxilato en forma neta, puede ser utilizado como precursor de glúcidos. Las semillas de las plantas, ricas en reservas de ácidos grasos, tienen la capacidad, durante la germinación, de realizar esta conversión, para lo que poseen las enzimas necesarias en una organela especial, el glioxisoma. Este mecanismo no existe en la planta adulta.