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Piruvato deshidrogenasa (PDH) y el ciclo TCA (ciclo de Krebs)

El complejo de piruvato deshidrogenasa y el ciclo TCA

Introducción al metabolismo del piruvato y al ciclo TCA La regulación del complejo de piruvato deshidrogenasa (PDHc) del complejo PDH Importancia clínica de las mutaciones PDHc Reacciones del ciclo TCA Defectos enzimáticos del ciclo TCA asociados con la regulación del cáncer del ciclo TCA Búsqueda personalizada índice

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Introducción al metabolismo del piruvato y el ciclo TCA SPONSORED SEARCHES

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La mayor parte del ATP utilizado por todas las células (excepto los glóbulos rojos maduros), para mantener la homeostasis, se produce por la reoxidación de los portadores de electrones reducidos, NADH y FADH , 2

dentro de la vía de fosforilación oxidativa mitocondrial . Un gran porcentaje de estos dos portadores de electrones reducidos son generados por la oxidación del acetil-CoA, derivado del piruvato, en el ciclo TCA. El destino del piruvato depende de la carga de energía celular. En el hígado, cuando la carga de energía es alta, el piruvato se dirige hacia la gluconeogénesis . Sin embargo, cuando la carga de energía es baja, el piruvato se oxida preferentemente a CO y H O a través de las actividades del complejo de piruvato deshidrogenasa 2

2

(PDHc) y las enzimas del ciclo TCA, con la generación de aproximadamente 15 moles de ATP por mol de piruvato. Las actividades enzimáticas del ciclo TCA (y de la fosforilación oxidativa) se encuentran dentro de la matriz mitocondrial interna y la membrana mitocondrial interna. El transporte de piruvato a las mitocondrias implica dos conjuntos distintos de complejos de transporte. La membrana mitocondrial externa transporta el piruvato al compartimento intermembrana a través de la acción de un complejo de porina dependiente de voltaje. El transporte de piruvato a través de la membrana mitocondrial interna requiere el complejo portador de piruvato mitocondrial (MPC). El MPC es un complejo heterotetramérico compuesto por subunidades codificadas por los genes MPC1 y MPC2. El gen MPC1 se encuentra en el cromosoma 6q27 y está compuesto por 7 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican la isoforma 1 de MPC1 (109 aminoácidos) y la isoforma 2 de MPC1 (66 aminoácidos). El gen MPC2 se encuentra en el cromosoma 1q24.2 y está compuesto por 7 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican la misma proteína de 127 aminoácidos. www.themedicalbiochemistrypage.org./tca-cycle.php

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El complejo de piruvato deshidrogenasa (PDHc) Cuando se transporta a la matriz mitocondrial interna, el piruvato encuentra dos enzimas metabolizadoras principales: piruvato carboxilasa, PC (una enzima gluconeogénica ) y piruvato deshidrogenasa (PDH), la primera enzima del complejo PDH (PDHc). Con una alta carga de energía celular, la coenzima A (CoA) existe principalmente como acetil-CoA que activa de manera potente la piruvato carboxilasa, dirigiendo el piruvato hacia la gluconeogénesis. Cuando la carga de energía es baja, el CoA no está acilado, por lo tanto, la piruvato carboxilasa está inactiva, y el piruvato se metaboliza preferentemente a través del PDHc y el ciclo TCA a CO y 2

H

2

O. El acetil-CoA producido por el PDHc ingresa al TCA ciclo y los portadores de electrones reducidos (NADH

y FADH ) que se generan durante las reacciones oxidativas se pueden utilizar para impulsar la síntesis de ATP 2

a través de la fosforilación oxidativa . El PDHc se compone de múltiples copias de tres actividades enzimáticas distintas: piruvato deshidrogenasa (PDH, identificada como el componente E1), dihidrolipoamida S-acetiltransferasa, (DLAT, identificada como el componente E2) y dihidrolipoamida deshidrogenasa, (DLD, identificada como la E3 componente). La actividad PDH (E1) es un complejo heterotetramérico compuesto por dos subunidades α (alfa) y dos β (beta). Las subunidades α están codificadas principalmente por el gen PDHA1 ubicado en el cromosoma Xp22.12 y está compuesto por 12 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente. El ARNm derivado de PDHA1 predominante (isoforma 1) codifica una proteína precursora de 390 aminoácidos. Otro gen de la subunidad α de PDH (PDHA2) codifica una isoforma específica de los testículos. Las subunidades β están codificadas por el gen PDHB ubicado en el cromosoma 3p14. 3 y está compuesto por 10 exones que generan tres ARNm empalmados alternativamente, cada uno de los cuales codifica una isoforma proteica distinta. El gen DLAT se encuentra en el cromosoma 11q23.1 y está compuesto por 14 exones que codifican una proteína de 647 aminoácidos. El gen DLD se encuentra en el cromosoma 7q31.1 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente con el ARNm más grande que codifica una proteína de 509 aminoácidos. Las proteínas codificadas por DLD funcionan dentro de la PDHc como subunidades homodiméricas. Las proteínas codificadas por DLD también son componentes funcionales del complejo 2oxoglutarato deshidrogenasa (más comúnmente conocido como α-cetoglutarato deshidrogenasa) del ciclo TCA descrito a continuación, y del complejo cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD, un El gen DLAT se encuentra en el cromosoma 11q23.1 y está compuesto por 14 exones que codifican una proteína de 647 aminoácidos. El gen DLD se encuentra en el cromosoma 7q31.1 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente con el ARNm más grande que codifica una proteína de 509 aminoácidos. Las proteínas codificadas por DLD funcionan dentro de la PDHc como subunidades homodiméricas. Las proteínas codificadas por DLD también son componentes funcionales del complejo 2oxoglutarato deshidrogenasa (más comúnmente conocido como α-cetoglutarato deshidrogenasa) del ciclo TCA descrito a continuación, y del complejo cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD, un El gen DLAT se encuentra en el cromosoma 11q23.1 y está compuesto por 14 exones que codifican una proteína de 647 aminoácidos. El gen DLD se encuentra en el cromosoma 7q31.1 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente con el ARNm más grande que codifica una proteína de 509 aminoácidos. Las proteínas codificadas por DLD funcionan dentro de la PDHc como subunidades homodiméricas. Las proteínas codificadas por DLD también son componentes funcionales del complejo 2oxoglutarato deshidrogenasa (más comúnmente conocido como α-cetoglutarato deshidrogenasa) del ciclo TCA descrito a continuación, y del complejo cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD, un 1 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente con el ARNm más grande que codifica una proteína de 509 aminoácidos. Las proteínas codificadas por DLD funcionan dentro de la PDHc como subunidades homodiméricas. Las proteínas codificadas por DLD también son componentes funcionales del complejo 2-oxoglutarato deshidrogenasa (más comúnmente conocido como α-cetoglutarato deshidrogenasa) del ciclo TCA descrito a continuación, y del complejo cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD, un 1 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente con el ARNm más grande que codifica una proteína de 509 aminoácidos. Las proteínas codificadas por DLD funcionan dentro de la PDHc como subunidades homodiméricas. Las proteínas codificadas por DLD también son componentes funcionales del complejo 2-oxoglutarato deshidrogenasa (más comúnmente conocido como α-cetoglutarato deshidrogenasa) del ciclo TCA descrito a continuación, y del complejo cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD, un complejo enzimático del metabolismo de aminoácidos ). Además de los componentes catalíticos de la PDHc, hay un componente no catalítico denominado componente X (PDHX) de la PDHc, que también se llama proteína de unión E3. La proteína X del componente PDHc une las subunidades E3 de la PDHc a las subunidades E2. El gen PDHX se encuentra en el cromosoma 11p13 y está compuesto por 12 exones que generan tres ARNm empalmados alternativamente que codifican distintas isoformas de proteínas. La proteína codificada por el ARNm de la isoforma 1 es la más grande de las tres proteínas (501 aminoácidos). La proteína codificada por el ARNm de isoforma 2 se traduce a partir de un codón AUG en el marco aguas arriba y la proteína codificada por el ARNm de isoforma 3 carece de 227 aminoácidos que están presentes en la región central de la proteína codificada por el ARNm de isoforma 1. Además de la complejidad de la PDHc a nivel del número total de subunidades de proteínas (30 subunidades de E1, 60 subunidades de E2 y 12 subunidades de E3), la actividad completa de la PDHc requiere +

cinco coenzimas derivadas de vitaminas diferentes : CoA, NAD , FAD, ácido lipoico y pirofosfato de tiamina (TPP). Un mnemotécnico que ayuda a recordar estos cinco cofactores / coenzimas requeridos es T ender (TPP) +

L oving (ácido lipoico) C son (CoA) F o (FAD) N ancy (NAD ). Tres de las coenzimas de la PDHc están fuertemente unidas a las enzimas del complejo (TPP, ácido lipoico y FAD) y dos se emplean como portadores de www.themedicalbiochemistrypage.org./tca-cycle.php

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los productos de la actividad PDHc (CoA y NAD ). Dos complejos de deshidrogenasa adicionales requieren estas mismas cinco coenzimas: el complejo 2-oxoglutarato deshidrogenasa y el complejo BCKD. La ruta de oxidación mediada por PDHc de piruvato a acetil-CoA se muestra a continuación:

Diagrama de flujo que representa la actividad general de la PDHc. Durante la oxidación del piruvato a acetil-CoA y CO , por las actividades de PDH, los electrones fluyen del piruvato al resto lipoamida de DLAT, 2

+

luego al cofactor FAD de DLD y finalmente a la reducción de NAD a NADH. El grupo acetilo está unido a la coenzima A (CoASH) en un enlace tioéster de alta energía. El acetil-CoA luego ingresa al ciclo TCA para la oxidación completa a CO y H O. 2

2

La primera enzima de la PDHc es la propia PDH (E1) que descarboxila oxidativamente el piruvato. Durante el curso de la reacción, el grupo acetilo derivado de la descarboxilación del piruvato se une a TPP. La siguiente reacción del complejo es la transferencia de los dos grupos acetilo de carbono de acetil-TPP a ácido lipoico, la coenzima unida covalentemente de DLAT. La transferencia del grupo acetilo de acil-lipoamida a CoA da como resultado la formación de dos grupos sulfhidrilo (–SH) en el lipoato que requieren la reoxidación de la forma disulfuro (–SS–) para regenerar el lipoato como un aceptor de acilo competente. La enzima DLD, con FAD como cofactor, cataliza esa reacción de oxidación. La actividad final del PDHc es la transferencia de equivalentes +

reductores del FADH

2

de DLD a NAD . El destino del NADH es la oxidación a través del transporte de

electrones mitocondriales, para producir aproximadamente tres equivalentes de ATP: El resultado neto de las reacciones de la PDHc son:

Piruvato + CoA + NAD

+

——> CO

2

+ acetil-CoA + NADH + H

+

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Regulación del complejo PDH Las reacciones de la PDHc sirven para interconectar las rutas metabólicas de la glucólisis, la gluconeogénesis y la oxidación de los ácidos grasos al ciclo TCA. La actividad de la PDHc también es importante www.themedicalbiochemistrypage.org./tca-cycle.php

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para regular el flujo de glucosa a malonil-CoA, que se requiere para la síntesis de novo de ácidos grasos.. La acetil-CoA, producida en las mitocondrias a través de la acción de la PDHc, se transportará al citosol en forma de citrato cuando la carga de energía de la célula aumente. En el citosol, el citrato es hidrolizado por la ATPcitrato liasa (símbolo del gen: ACLY) produciendo oxaloacetato y acetil-CoA. En el citosol, la acetil-CoA puede convertirse en malonil-CoA mediante la acción de la acetil-CoA carboxilasa (ACC). Este malonil-CoA sirve como precursor para la síntesis de ácidos grasos. La acumulación de malonil-CoA citosólico, como ocurrirá en condiciones ricas en energía, separa los ácidos grasos citosólicos de la maquinaria oxidante de las mitocondrias al inhibir la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT I). Este efecto del malonil-CoA, derivado del acetil-CoA, combina tasas incrementadas de oxidación de glucosa a la inhibición de la oxidación de ácidos grasos.

Factores que regulan la actividad de la PDHc. La actividad PDH está regulada por su estado de fosforilación, siendo más activa en el estado desfosforilado. La fosforilación de PDH es catalizada por cuatro PDH quinasas específicas, designadas PDK1, PDK2, PDK3 y PDK4. La actividad de estas quinasas aumenta cuando la carga de energía celular es alta, lo que se refleja en un aumento en el nivel de ATP, NADH y acetilCoA. Por el contrario, un aumento en piruvato inhibe fuertemente PDH quinasas. Los efectores negativos +

adicionales de las PDH quinasas son ADP, NAD y CoASH, cuyos niveles aumentan cuando los niveles de 2+

energía caen. La regulación de las PDH fosfatasas (PDP) no se conoce bien, pero se sabe que Mg

y Ca

2+

activan las enzimas y que son objetivos de la acción de la insulina. En el tejido adiposo, la insulina aumenta la actividad PDH y en el músculo cardíaco la actividad PDH aumenta con las catecolaminas. Las flechas verdes denotan efectos de activación, mientras que las líneas T rojas denotan acciones inhibitorias. PDHc quinasas La actividad de PDH (E1) se regula rápidamente mediante eventos de fosforilación y desfosforilación que son catalizados por PDH quinasas (PDK) y PDH fosfatasas (PDP), respectivamente. La fosforilación de PDH da como resultado la inhibición de la actividad, mientras que la desfosforilación la aumenta. Se ha demostrado que las PDK están fuertemente unidas a los dominios lipoílicos de E2, anclando las quinasas a la PDHc. En promedio, hay dos o tres PDK unidos a cada PDHc. La fosforilación de la subunidad α de PDH (E1α; codificada por el gen PDHA1) se produce en tres residuos de serina diferentes denominados sitio 1 (Ser264), sitio 2 (Ser271) y sitio 3 (Ser203). La fosforilación de cualquiera de estos tres residuos de serina da como resultado la inhibición de la PDHc. Sin embargo, los datos muestran que la fosforilación del sitio 1 ocurre más rápidamente y que el sitio 3 es el que menos se fosforila rápidamente. Dadas estas diferencias en la tasa de fosforilación, el sitio 1 es de importancia primordial para la regulación aguda de la actividad PDHc. Se han identificado cuatro isoenzimas PDK en humanos: PDK1, PDK2, PDK3 y PDK4. El gen PDK1 se encuentra en el cromosoma 2q31.1 y está compuesto por 23 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican dos isoformas de proteínas distintas. El gen PDK2 se encuentra en el cromosoma 17q21.33 y está compuesto por 14 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente que codifican tres isoformas de proteínas distintas. El gen PDK3 se encuentra en el cromosoma X (Xp22.11) y está www.themedicalbiochemistrypage.org./tca-cycle.php

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compuesto por 12 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican dos isoformas de proteínas distintas. El gen PDK4 se encuentra en el cromosoma 7q21.3 y está compuesto por 11 exones que codifican una proteína de 411 aminoácidos. El análisis de los patrones de expresión de los PDK muestra que PDK2 es el más ampliamente expresado con los niveles más altos de expresión observados en el corazón, el hígado y los riñones. La expresión de PDK1 es más alta en el corazón y el músculo esquelético. La expresión de PDK3 predomina en pulmón y testículo. La expresión de PDK4 es alta en el corazón, el hígado, los islotes pancreáticos y los riñones, y cada uno de estos tejidos es capaz de altas tasas de oxidación de ácidos grasos y también expresa altos niveles de los factores de transcripción PPARα y PPARδ que se sabe que son reguladores críticos de la expresión. de genes que codifican enzimas metabolizadoras de lípidos. Utilizando formas mutantes de PDH, ha sido posible identificar qué sitios están fosforilados por qué PDK. Se ha demostrado que los cuatro PDK pueden fosforilar los sitios 1 y 2. El sitio 3 solo está fosforilado por PDK1. PDK4 tiene una preferencia mucho mayor por la fosforilación del sitio 2 en comparación con las actividades de PDK1, PDK2 y PDK3 en este sitio. Los datos de este tipo de experimentos indican que la actividad de PDK2 es necesaria para la inhibición a corto plazo de PDHc mediante la fosforilación del sitio 1. Por otro lado, PDK1 y PDK4 parecen ser más importantes para permitir la fosforilación multisitio que a su vez evita la reactivación del PDHc por PDP. La regulación de la actividad de los diversos PDK se manifiesta con especificidad de isoforma. El piruvato, generado a partir de la glucólisis, ejerce acciones inhibitorias diferenciales en los diversos PDK. PDK2 es el más sensible a la inhibición por piruvato, mientras que PDK4 es relativamente insensible. A medida que disminuye la relación ATP / ADP (es decir, aumenta los niveles de ADP), ADP ejercerá una inhibición alostérica sobre la actividad de las PDK. ADP ejerce su inhibición alostérica de PDK tanto de forma independiente como en sinergia con la inhibición de piruvato. A diferencia de la inhibición aguda de las PDK por el piruvato, la activación aguda se produce a través de productos de la PDHc, así como por oxidación de ácidos grasos, a saber, acetil-CoA y NADH. PDK2 es el más sensible a los aumentos en el nivel de acetil-CoA en comparación con otras isoformas +

de PDK. La relación de NADH a NAD también ejercen una regulación alostérica específica de isoforma de PDK. +

PDK4 es altamente sensible (activado) a un aumento de NADH / NAD , mientras que PDK2 es mucho menos sensible a esta activación. PDHc Fosfatasas Se han caracterizado dos isoformas de PDP genéticamente y bioquímicamente distintas (PDP1 y PDP2). El 2+

2+

PDP1 es una proteína serina fosfatasa estimulada por Ca y dependiente de Mg de la superfamilia de la proteína fosfatasa 2C (PP2C)que se encuentra unido a la membrana mitocondrial interna. Tanto las fosfatasas PDP1 como PDP2 son enzimas heterodiméricas compuestas de una subunidad catalítica (PDPc) y una subunidad reguladora (PDPr). Hay dos genes de subunidades catalíticas diferentes en humanos identificados como el gen PDP1 y el gen PDP2. La proteína codificada PDP1 (también conocida como PPM2C) es un componente del complejo PDP1 fosfatasa, mientras que la proteína codificada PDP2 (también conocida como PPM2C2) es un componente del complejo PDP2 fosfatasa. El gen PDP1 se encuentra en el cromosoma 8q22.1 y está compuesto por 6 exones que generan cuatro ARNm empalmados alternativamente que codifican dos isoformas de proteínas distintas. El gen PDP2 se encuentra en el cromosoma 16q22.1 y está compuesto por 3 exones que codifican una proteína de 529 aminoácidos. El complejo PDP1 fosfatasa está ampliamente distribuido y se considera un regulador importante de la 2+

actividad del complejo PDH. El mecanismo ...