Descarbox. Ox Pir

Descarboxilación oxidativa
del piruvato
Dr. Juan Pablo Damián
Área de Bioquímica
Facultad de Veterinaria, Montevideo, Uruguay. UdelaR
Objetivo:
comprender la descarboxilación oxidativa del piruvato y su
regulación
1) Introducción
- Producción de acetato.
- Ubicación en la célula. Condiciones
energéticas.
- Complejo multienzimático de la Piruvato
deshidrogenasa.
2) Pasos
3) Balance global
4) Regulación
5) Resumen
Introducción
Si se necesita Energía (ATP), y se dispone de Oxígeno
qué eventos metabólicos ocurren en la célula ?
Respiración Celular
Se consume O2 y se produce
CO2 a nivel celular.
Panorámica del metabolismo
Fases o Etapas de la respiración celular
Fases o Etapas de la respiración celular
6C
3C
Moléculas de combustible orgánico se oxidan para
dar Acetil-CoA.
1C
2 átomos de carbono
CH3 C
SCoA
O
Se incorporan grupos acetilos al ciclo de Krebs, con
Liberación de CO2 y coenzimas reducidas.
Los coenzimas reducidos se oxidan en la Cte- con
Consumo de O como último aceptor de e- y la
producción de ATP por fosforilación oxidativa.
Fases o Etapas de la respiración celu
Moléculas de combustible orgánico se oxidan para d
Acetil-CoA.
2 átomos de carbono
CH3 C
SCoA
O
Se incorporan grupos acetilos al ciclo de Krebs, con
liberación de CO2 y coenzimas reducidas.
1C
1C
2 átomos de carbono como CO2
Los coenzimas reducidos se oxidan en la Cte- con
Consumo de O como último aceptor de e- y la
producción de ATP por fosforilación oxidativa.
Fases o Etapas de la respiración celu
Moléculas de combustible orgánico se oxidan para d
Acetil-CoA.
Se incorporan grupos acetilos al ciclo de Krebs, con
liberación de CO2 y coenzimas reducidas.
Los coenzimas reducidos se oxidan en la Cte-, liberando
protones y electrones. Los e- son transferidos por varios
trasnportadores hasta llegar al O como último aceptor
de e- , y se produce ATP por fosforilación oxidativa.
Fases o Etapas de la respiración
Mitocondria
Sin Oxígeno, el piruvato no entra en la mitocondria
Oxidándose de forma incompleta a lactato.
ATP ATP
Lactato
Fases o Etapas de la respiración
En presencia de Oxígeno….
ATP
ATPATP
ATP
ATP ATP ATP
ATP ATP ATP ATP
ATP
ATP
ATP
ATPATP ATPATPATP ATP ATPATP
ATP ATP
ATPATP
ATP
ATP ATP ATP
ATPATP ATP
n
Fases o Etapas de la respiración
Descarboxilación oxidativa
- Producción de acetato, organismos aeróbicos
Los carbohidratos, lípidos y aminoácidos son oxidados
a CO2 y H2O en el ciclo de Krebs y en la cadena
respiratoria.
La entrada de casi todos los “combustible” al Ciclo de
Krebs es como Acetil-coenzima A (Acetil-SCoA o AcetilCoA)
El piruvato (proveniente de la glucólisis y del
metabolismo de aminoácidos) se oxida para dar AcetilCoA y CO2.
- Ubicación celular del piruvato y condiciones energéticas
La oxidación del piruvato a Acetil-CoA en las células
eucarióticas se realiza en las mitocondrias y en las
procarióticas en el citosol.
El piruvato se produce en el citosol
¿como pasa a la mitocondria?
Fases o Etapas de la respiración
Piruvato
H+
Piruvato
H+
transportador especifico
(piruvato - H+ Simport).
La descarboxilación oxidativa del piruvato se “activa”
cuando el nivel energético en la célula “es bajo”
Si el nivel energético “es bajo” ¿como es la concentración
de ATP en relación a la de ADP y Pi?
La concentración de ATP es menor que la de ADP, AMP y Pi
Normalmente en la célula [ATP] 5-10 mM
[AMP] < 0,1 mM
Cambios relativos en [ATP] y [AMP]
cuando se consume
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
(E1 + E2 + E3)
S-CoA
O
Acetil-Co-A
Reacción IRREVERSIBLE
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Complejo multienzimático no puede unir de nuevo el CO2 al Acetil-CoA, reacción
irreversible en condiciones fisiológicas
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
S-CoA
O
Acetil-Co-A
E1 + E2 + E3
Complejo de la piruvato deshidrogenasa
(riñón bovino) micrografia crioelectrónica
En mamíferos diámetro aprox 50 nm
(5 veces tamaño ribosoma, visible al microscopio)
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
E1 + E2 + E3
S-CoA
O
Acetil-Co-A
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
E1 + E2 + E3
Formado por copias múltiples de tres enzimas:
E.coli
Enzima
N°/complejo
E1 : piruvato deshidrogenasa
24
E2 : dihidrolipoil transacetilasa
24 Bov(60)
E3 : dihidrolipoil deshidrogenasa 12
E1 contiene TPP
E3 contiene FAD
Dos proteínas reguladoras:
Quinasa y Fosfoproteína Fosfatasa
Varía según
la especie
S-CoA
O
Acetil-Co-A
Organización estructural del complejo multienzimático
de la piruvato deshidrogena (E. coli)
Diferencias en número de copias de cada E entre organismos
E2 (24 Sub-U)
E1 (24 Sub-U)
Todas combinadas
(60 Sub-U)
E3 (12 Sub-U)
E2: dihidrolipoil transacetilasa
E1 : piruvato deshidrogenasa
E3 : dihidrolipoil deshidrogenasa
Levadura
E2
Lipoilo
Núcleo interno
(sitio activo)
¿Que ventajas mecanicistas tiene una reacción catalizada
por un complejo multienzimático?
Los intermediarios químicos que se forman permanecen
unidos a la superficie de las enzimas mientras se transforma
el sustrato en el producto. Lo que permite que los
intermedios puedan reaccionar rápidamente sin que difundan
fuera de la superficie del complejo
1) Minimiza la distancia entre el sustrato y el sitio activo de
la enzima, aumentando la frecuencia de “choques”.
2) Canaliza los intermediarios metabólicos entre las
sucesivas enzimas.
3) Puede ser controlada coordinadamente.
Los complejos multienzimáticos son un “avance” en la
evolución de la catálisis enzimática.
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
CO2
O
C
CH3 C
1
C
2
3
O
CH3
Piruvato
S-CoA
O
Complejo piruvato
deshidrogenasa
Acetil-Co-A
E1 + E2 + E3
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Utiliza 5 coenzimas diferentes:
5 cofactores: (ión inorg. o co-E necesario para actividad de E)
1) Flavina adenina dinucleótido (FAD) unido a E3
2) Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), sustrato de E3
3) Pirofosfato de tiamina (TPP), (Tiamina=Vit B1) unido a E1
4) Lipoamida (ácido lipoico) o Lipoato unido a E2
5) Co-enzima A (Co-A), sustrato de la E2
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
CO2
O
C
CH3 C
1
C
2
3
O
CH3
Piruvato
O
Complejo piruvato
deshidrogenasa
E1 + E2 + E3
FAD
S-CoA
Acetil-Co-A
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Utiliza 5 coenzimas diferentes:
5 cofactores: (ión inorg. o co-E necesario para actividad de E)
1) Flavina adenina dinucleótido (FAD) unido a E3
2) Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), sustrato de E3
3) Pirofosfato de tiamina (TPP), (Tiamina=Vit B1) unido a E1
4) Lipoamida (ácido lipoico) o Lipoato unido a E2
5) Co-enzima A (Co-A), sustrato de la E2
oxidado
oxidado
(Vitamina B2)
(sustrato de E3)
Porción de adenosina en rosado
(unido a E3)
Complejo piruvato deshidrogenasa
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
S-CoA
O
Acetil-Co-A
E1 + E2 + E3
(TPP, LIPOATO, FAD)
Utiliza 5 coenzimas diferentes:
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Complejo piruvato deshidrogenasa
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
S-CoA
O
Acetil-Co-A
E1 + E2 + E3
(TPP, LIPOATO, FAD)
Utiliza 5 coenzimas diferentes:
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Grupo lipoilo
oxidado
Transorte de grupo
acilo
Transporte de eAzul=dominio lipoilo E2
E2
Complejo piruvato deshidrogenasa
Forma oxidada
Forma acetilada
Forma reducida
Reacción global de la descarboxilación oxidativa del priuvato
CoA-SH NAD+
-
O
NADH
O
C
CH3 C
1
C
2
3
CO2
O
CH3
Piruvato
Complejo piruvato
deshidrogenasa
S-CoA
O
Acetil-Co-A
E1 + E2 + E3
(TPP, LIPOATO, FAD)
Utiliza 5 coenzimas diferentes:
Grupo tiol reactivo,
Importnacia para transferencia de
Grupos acilos o acetilos.
(unión covalente: tioésteres)
∆G’o = -33.4 kJ/mol
Coenzima A (CoA)
ADP
ADENINA
Enlace tioéster
Enlace amida
(vitamina)
Grupo acetilo
(unido como tioéster)
(sustrato de E2)
Coenzima A
transportadora de
grupos acilo o acetilo
Descarboxilación oxidativa
n
AcetilCoA:
• Producto de la degradación de CH, Lipidos y aas
• compuesto de “alta energía”, ∆G’o = -31.5 kJ/mol
(hidrólisis del enlace tioester, más exergónica que
la del ATP que es -30.5 KJ/mol).
• Es el principal combustible del ciclo de Krebs:
es la forma en que el ciclo del ácido cítrico acepta
la mayor parte del combustible aportado
Descarboxilación oxidativa del piruvato:
a)requiere de 5 enzimas (E1, E2, E3, y dos
reguladoras),
b) 5 cofactores
c)y se realiza en 5 pasos o reacciones.
Los 5 pasos
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
C2 C1
El C-2 pasa de un estado de oxidación
(piruvato) a un aldehído, se une al TTP
En forma de grupo hidroxietilo
1: descarboxilación del piruvato a hidroxietilTPP. E1: piruvato deshidrogenasa
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
El grupo hidroxietilo se oxida para formar
un ácido carboxílico (acetato)
(2 electrones que se liberan reducen la
unión disulfuro de lipoamida)
2: oxidación del hidroxietil a acetil y se activa la E1.
E1: piruvato deshidrogenasa
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
Forma reducida lipoilo
3: transesterificación con CoA. La energía de oxidación
impulsa la formación de un tioéster del acetato, el acetil
CoA. E2: dihidrolipoil transacetilasa
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
Forma reducida lipoilo
4 y 5: transferencias electrónicas para la regeneración de
la forma oxidada (disulfuro) del grupo lipoilo de E2
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
4: oxidación del grupo SH (tiol) de E2 para dar S-S
(disulfuro, oxidada) E3: dihidrolipoil deshidrogenasa
Los productos intermedios permanecen unidos al complejo piruvato
deshidrogenasa
5: oxidación del FADH2 de E3 a expensas del NAD+ para dar
NADH (reducido). E3: dihidrolipoil deshidrogenasa
Complejo preparado para iniciar un nuevo ciclo catalítico
Reacción global
CoA-SH
NAD+
NADH
O O
CH3-C-C
Piruvato
O-
Complejo piruvato
deshidrogenasa
Piruvato + CoA(SH) + NAD+
CO2
O
CH3-C-S-CoA
Acetil-Co-A
AcetilCoA + CO2 + NADH + H+
Regulación del complejo
multienzimático de la piruvato
deshidrogenasa
a) Inhibición por producto
NADH + H+
-
Acetil-CoA
-
Regulación alostérica
Inhibición por producto
Acetil-CoA
CoA
NADH + H+
-
AGs cadena Larga
+
ATP
NAD+
AMP
Ca2+
Regulación del complejo
multienzimático de la piruvato deshidrogenasa
b) Control por modificación covalente de E1
Regulador alostérico
de la fosfatasa
Reguladores alostéricos
de la quinasa
ATP
Acetil-CoA
NADH + H+
Piruvato
ADP
Ca2+
E1-OH (hidroxilada) Activa
Quinasa
Fosfatasa
E1-OPO32- (fosforilada)
Ca2+
Inactiva
Regulación del complejo
multienzimático de la piruvato deshidrogenasa
a)Control alostérico por productos
alta [NADH]
alta [Acetil-CoA]
( [ NADH ] / [ NAD + ] alta)
( [ Acetil-CoA ] / [ CoA] alta)
Nivel energético
alto
inhiben descarboxilación
del piruvato
baja [NADH]
baja [Acetil-CoA]
( [ NADH ] / [ NAD+ ] baja)
( [ Acetil-CoA ] / [ CoA baja])
Nivel energético
Bajo
estimulan descarboxilación
del piruvato
Resumen
Descarboxilación oxidativa del piruvato en células
eucarióticas:
 Se realiza en la mitocondria.
 Es irreversible.
 Sustratos: piruvato, CoA(SH), NAD+
 Productos: Acetil-CoA, NADH y CO2
 Es catalizada por el complejo multienzimático de la “piruvato dehidrogenasa”,
formado por multiples copias de E1, E2, E3 y 2 enzimas reguladoras de la E1.
 Requiere 5 cofactores: TPP, unido a E1; ácido lipoico, unido a E2; Co-A, sustrato de
E2; FAD, unido a E3; NAD, sustrato de E3.
Tiene regulación:
a)Alostérica por productos: [Acetil-CoA] y [NADH] “altas” inhiben la
descarboxilación.
b) regulación covalente: la E1 hidroxilada está “activada” y fosforilada
“inactivada”.
[Acetil-CoA], [NADH] y [ATP] “altas” son estimuladores de la quinasa
que fosforila la E1 quedando “inactiva”.
Altas [ADP], [piruvato] y [Ca2+] son inhibidores de la quinasa que fosforila
E1 quedando “activa“ lo que fovorece la descarboxilación del piruvato.
Muchas gracias!!!