PIRUVATO DESHIDROGENASA

Por Lucía Fernández Ramos, Víctor Illán-Almarza y Sofía Garrosa Tamargo

INTRODUCCIÓN

La piruvato deshidrogenasa es una proteína del tipo enzimático perteneciente a la clase de las deshidrogenasas (reacciones de óxido-reducción) .

Está implicada en la transformación del piruvato en moléculas de  Acetil-CoA por medio de un proceso llamado descarboxilación oxidativa del piruvato. Estas moléculas generalmente entran en el ciclo de Krebs. Es un proceso de oxidación-reducción que ocurre en las mitocondrias.

Desempeña un papel fundamental en el metabolismo:

  • Comenzando con la glucólisis, proceso por el cual se produce la degradación de una molécula de glucosa obteniendo dos moléculas de piruvato, mediante reacciones de oxidación completa.
  • El piruvato obtenido puede seguir dos rutas: anaeróbica(fermentación, principalmente láctica y alcohólica) y aeróbica ( ciclo de Krebs).
  • Para poder entrar en el ciclo de Krebs es necesario que el piruvato se transforme en acetil-CoA, mediante la descarboxilación oxidativa del piruvato llevado a cabo por la enzima piruvato deshidrogenasa.
  • Una vez transformado, entra en el ciclo del ácido cítrico por el cual, a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción y transformación, obtenemos GTP, FADH2, NADH+ y CO2. 
  • Para terminar, el FADH2 y el NADH+ obtenidos se desprotonan en la cadena  respiratoria produciendo un gradiente de protones en el que, a través de la ATP-Sintasa, obtenemos ATP. [7]
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Imagen de la reacción que lleva a cabo la enzima piruvato deshidrogenasa. http://bioquimica2usc.blogspot.com/2013/05/tema-4-origenes-metabolicos-del-acetil.html

ESTRUCTURA

Estructura general piruvato deshidrogenasa. Imagen obtenida de PDB (1NI4) (corrección: esta estructura es E1, no la estructura general. CMS)

La piruvato deshidrogenasa está formada por tres tipos de subunidades principales y otras de función reguladora:

  • Piruvato deshidrogenasas E1 (30 subunidades), tiene unida covalentemente la coenzima TPP (pirofosfato de tiamina), el cual se une a través de su grupo difosfato a un ión magnesio, que se introduce parcialmente en la proteína; destacan  3 residuos de serina cuya fosforilación regula la actividad de esta enzima.
subunidad E1 del complejo piruvato deshidrogenasa. imagen obtenida de PDB (1L8A)

  • Dihidrolipoamida transacetilasa E2 (60 subunidades), tiene unida la coenzima dihidrolipoamida, la cual se une a la cadena lateral de lisina.
subunidad E2 del complejo piruvato deshidrogenasa (dihidrolipoamida transacetilasa). imagen obtenida de PDB (1DPB)
  • Dihidrolipoamida deshidrogenasa E3 (6 subunidades), tiene unida dos coenzimas de oxidación-reducción : FAD y NAD; actúa en forma de homodímero. La coenzima FAD se encuentra unida en el interior de la proteína mientras que el NAD se dispone en el exterior. Cerca del FAD, destacan dos residuos de cisteína formando un enlace de disulfuro.
  • Como enzimas reguladoras destacamos la PDK ( kinasa del PDH) y la PDP (fosfatasa del PHD).

MECANISMO DE ACCIÓN

Autor: César Ángel Menor Salván

  1. Se lleva a cabo la transferencia de acetilo, catalizada por la subunidad E1 del complejo de la piruvato deshidrogenasa; en una reacción de descarboxilación oxidativa, por la cual se libera CO2 hacia el  cofactor tiamina pirofosfato (o vitamina b1)
  2. Se transfiere el grupo acetilo a la lipoamida, siendo el segundo cofactor de la reacción
  3. Posteriormente a partir de la subunidad E2 del complejo, se produce la transferencia de acetilo desde la acetil dihidrolipoamida a la coenzima A y aquí se genera el primer producto importante de la reacción, la acetil-coenzima A (esencial para el metabolismo en el Ciclo de Krebs).
  4. Se forma el FADH2 a partir de la oxidación de la dihidrolipoamida a lipoamida.
  5. El FADH2 al estar reducido, permite la transferencia de electrones del FADH2 a NAD +, produciendo NADH (enzima de óxido-reducción que actúa como agente reductor en la fosforilación oxidativa) , el otro producto de la reacción. 

FUNCIÓN [6] [12]

El complejo piruvato deshidrogenasa sirve de enlace entre la glucólisis y el ciclo de Krebs, por lo que tiene gran importancia debido a que estas vías metabólicas son la principal fuente de energía celular.

RECUERDA:
La glucólisis es un proceso anaeróbico por el cual se produce la degradación de una molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbono, liberando así dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH.
Para poder seguir la ruta metabólica del ciclo de Krebs el piruvato debe de transformarse en Acetil-CoA.
La glucólisis se produce en el citoplasma pero la oxidación del piruvato se produce en la matriz mitocondrial por lo tanto, necesitamos que el piruvato atraviese la membrana

mitocondrial.                                                                      
Esta transformación está mediada por la piruvato deshidrogenasa, la cual permite su oxidación:
Se produce la descarboxilación del piruvato cortándose el grupo carboxilo y liberándose como molécula de CO2, el resultado es una molécula de dos carbonos.
La molécula obtenida se oxida liberando electrones que son captados por el NAD+ que se reduce a NADH. 
Por último, el grupo acetilo obtenido tras la oxidación se une a la coenzima CoA y se forma en Acetil-CoA, cuya principal función es transportar el grupo acetilo hacia el ciclo del ácido cítrico. 
Gracias a este complejo  se regula la cantidad de Acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs.

IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

  • En los mamíferos resulta esencial la presencia de PDH para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa durante los estados de alimentación y ayuno. El flujo de carbono a través del CPD está controlado por fosforilación-desfosforilación (fosfatasas y quinasas) y controles post-transcripcionales. Además de estas interacciones el complejo es sensible al estado redox intramitocondrial y a los niveles de metabolitos como indicadores del estado energético. [3] [9]
  • La PDH va a determinar el grado de oxidación de los carbohidratos en el miocardio. Tras un miocardio isquémico, la PDH está inactiva porque hay un déficit de oxígeno. Pero se ha comprobado que la mejora del rendimiento cardiaco no se debe a un aumento de la glicólisis por medio de la PDH sino a la restauración del flujo de carbono gracias a la PDH. [8]
  • Acidosis láctica, es producida por una deficiencia de la PDH lo que provoca un bloqueo en la transformación del piruvato en Acetil-CoA por lo que no puede entrar al ciclo de Krebs, por tanto debe   seguir otra ruta catabólica, en este caso anaeróbica, la fermentación láctica. en esta reacción, las dos moléculas de ácido pirúvico obtenidas tras la glucólisis se reducen a dos moléculas de ácido láctico y los 2 NADH se oxidan para dar lugar a 2 NAD+, liberándose 2 ATP. [2] [5]
  • La albúmina es un activador de la piruvato deshidrogenasa. Los tipos celulares que se ven más afectados son las neuronas y los astrocitos: en astrocitos aumenta la velocidad del Ciclo de Krebs y en neuronas se disminuye la velocidad de síntesis de glicerol. La presencia de albúmina aumenta la reacción mediada por el CPD con el objetivo de formar intermediarios metabólicos en la síntesis de neurotransmisores. [10]

Gráfico que muestra cómo varía la actividad de la PDH en presencia de albúmina.

El aumento del ácido láctico en la célula produce acidosis, puesto que se acumulan en el torrente sanguíneo provocando una disminución de los niveles de oxigeno en los tejidos y una baja presión arterial. [1]

REFERENCIAS

[1] Barca, M. O. B., Lado, C. G., Sáez, E. R., Gago, M. C., Puñal, J. E., Novo, C. C., & Godino, P. B. (2006). Déficit de piruvato deshidrogenasa asociado a la mutación C515T en el exón 6 del gen E1a. Revista de neurología43(6), 341-345.

[2] Brown, G. K., Otero, L. J., LeGris, M., & Brown, R. M. (1994). Pyruvate dehydrogenase deficiency. Journal of Medical Genetics31(11), 875.

[3] Denton, R.M., Randle, P.J., Bridges, B.J. et al. Regulation of mammalian pyruvate dehydrogenase. Mol Cell Biochem 9, 27–53 (1975). https://doi.org/10.1007/BF01731731

[4] Goodsell, D. (September de 2012). PDB-101. Obtenido de https://pdb101.rcsb.org/motm/153

[5] guía metabólica. (7 de Octubre de 2014). Obtenido de https://metabolicas.sjdhospitalbarcelona.org/ecm/deficiencia-piruvato-deshidrogenasa-pdh/info/es-deficiencia-piruvato-deshidrogenasa

[6] Khan Academy. (s.f.). Obtenido de https://es.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/glycolysis/a/glycolysis

[7] Khan Academy. (s.f.). Obtenido de https://es.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/pyruvate-oxidation-and-the-citric-acid-cycle/a/pyruvate-oxidation

[8] Lewandowski, E. D., & White, L. T. (1995). Pyruvate dehydrogenase influences postischemic heart function. Circulation91(7), 2071-2079.

[9] Patel, M. S., Nemeria, N. S., Furey, W. and Jordan, F. (2014) ‘The pyruvate dehydrogenase complexes: Structure-based function and regulation’, Journal of Biological Chemistry, 289(24), pp. 16615–16623. doi: 10.1074/jbc.R114.563148.

[10] Tabernero, A., Medina, A., Sánchez-Abarca, L., & Medina, J. M. (1996). La albúmina se comporta como un potente activador de la piruvato deshidrogenasa en neuronas y astrocitos de rata en cultivo primario.

[11] Wieland, O. H. (1983). The mammalian pyruvate dehydrogenase complex: structure and regulation. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, Volume 96, 123-170.

[12] Zhou, Z. H., McCarthy, D. B., O’Connor, C. M., Reed, L. J., & Stoops, J. K. (2001). The remarkable structural and functional organization of the eukaryotic pyruvate dehydrogenase complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences98(26), 14802-14807.