Tema 2 - Complejo PDH y Ciclo del Ácido Cítrico _ Hard

Complejo Piruvato Deshidrogenasa y Ciclo del Ácido Cítrico

• Para las células eucariotas, la glucólisis es la primera etapa de la oxidación de la glucosa.
• El piruvato, resultante de la glucólisis, se oxida en agua y CO2 en condiciones aeróbicas, proceso conocido como respiración celular.
• La respiración celular ocurre en tres fases.
• La primera fase implica la oxidación de moléculas de combustible (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos) a fragmentos de dos carbonos en forma de acetil-coenzima A.
• En la segunda fase, los grupos acetilo se incorporan al ciclo del ácido cítrico, donde se oxidan enzimáticamente a CO2.
• La energía liberada se conserva en NADH y FADH2.
• En la tercera fase, las coenzimas reducidas NADH y FADH2 se oxidan, liberando protones y electrones.
• Los electrones se transfieren a través de la cadena respiratoria al O2.
• Se libera energía, conservada en ATP mediante fosforilación oxidativa.

Producción de Acetil-CoA

• Antes de entrar al ciclo del ácido cítrico, los esqueletos carbonados de azúcares y ácidos grasos se degradan a acetil-CoA.
• El piruvato debe transportarse del citosol a la mitocondria mediante un transportador específico.
• En la matriz mitocondrial, el piruvato se convierte en acetil-CoA por el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH).
• El complejo PDH proporciona el sustrato para el ciclo del ácido cítrico.
• La reacción global catalizada por el complejo PDH es una descarboxilación oxidativa, donde el piruvato pierde un grupo carboxilo en forma de CO2.
• Los dos carbonos restantes se transforman en el grupo acetilo del acetil-CoA.

Enzimas del Complejo PDH

• El complejo PDH contiene copias de tres enzimas: piruvato descarboxilasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3).
• Cada enzima cataliza una parte de la reacción total.
• Esta asociación física permite que las reacciones ocurran en la secuencia adecuada.
• El complejo PDH contiene también dos enzimas reguladoras unidas: piruvato deshidrogenasa quinasa y fosfatasa.

Coenzimas del Complejo PDH

• El complejo PDH usa 5 coenzimas como portadores u oxidantes.
• Todas proceden de vitaminas excepto el ácido lipoico.
  • Pirofosfato de tiamina (TPP) es necesario para la E1.
  • Ácido lipoico y CoA son necesarios para la E2.
  • FAD y NAD+ son necesarios para la E3.

Coenzima A

• La coenzima A contiene un grupo tiol reactivo (-SH) transportador de grupos acilo.
• Los grupos acilo se unen covalentemente al grupo tiol, formando tioésteres con un alto potencial de transferencia de grupos acilo.
• El ácido lipoico tiene dos grupos tiol qué pueden experimentar una oxidación reversible a un enlace disulfuro (-S-S-).
• La tiamina pirofosfato (TPP) es una coenzima para el metabolismo de carbohidratos y aminoácidos ramificados.
• Esta coenzima participa en la rotura de enlaces adyacentes a un grupo carbonilo y transfiere grupos aldehído.
• La parte funcional del TPP tiene un protón ácido en C2.
• La pérdida de este protón genera una forma activa que se adiciona a grupos carbonilo facilitando la descarboxilación por la piruvato descarboxilasa (E1).

Mecanismo de Acción del PDH

• El complejo piruvato deshidrogenasa realiza cinco reacciones en la descarboxilación e hidrogenación del piruvato.
• La E3 cataliza pasos de transferencia de electrones, regenerando la forma oxidada del grupo lipoilo de E2.
• Los brazos de lipoil-lisilo de E2 transfieren electrones y el grupo acetilo de E1 a E3.

Reacciones del Ciclo del Ácido Cítrico

• El ciclo del ácido cítrico, también conocido como ciclo de Krebs, es un proceso de oxidación del acetil-CoA.
• En la primera reacción del ciclo, el acetil-CoA cede su grupo acetilo al oxalacetato, formando citrato.
• El citrato se transforma en isocitrato y, finalmente, el isocitrato al deshidrogenarse y perder CO2 forma el a-cetoglutarato.
• El a-cetoglutarato, al perder CO2 sufre una segunda molécula hasta convertirse en succinato.
• El succinato entonces se convierte, por una serie de tres reacciones enzimáticas hasta convertirse en oxalacetato, listo para reaccionar con otra molécula de acetil-CoA.
• En cada vuelta del ciclo hay entrada de un grupo acetilo (dos carbonos) en forma de acetil-CoA y la salida de dos moléculas de CO2.
• Se precisa una molécula de oxalacetato para formar citrato y se regenera una molécula de oxalacetato, sin que haya pérdida neta de oxalacetato.
• Cuatro de los ocho pasos son oxidaciones que conservan la energía de oxidación en forma de coenzimas reducidas NADH y FADH2.
• Todas las reacciones del ciclo del ácido cítrico ocurren en la mitocondria.

Formación del Citrato

• La primera reacción del ciclo es la condensación de acetil-CoA y oxalacetato a citrato, catalizada por la citrato sintasa.
• El carbono metílico del grupo acetilo se une al grupo carbonílico (C-2) del oxalacetato.
• La energía libre resultante permite el funcionamiento del ciclo.
• El CoA, liberado en la reacción, se recicla para la descarboxilación oxidativa de otras moléculas de piruvato.

Formación de isocitrato vía cis-aconitato

• La enzima aconitasa (aconitato hidratasa) cataliza la transformación reversible de citrato a isocitrato mediante la formación intermedia de ácido tricarboxílico cis-aconitato.
• La aconitasa promueve la adición reversible de agua al doble enlace del cis-aconitato, formando citrato o isocitrato.
• La reacción favorece la formación de isocitrato debido al consumo de este último en pasos subsiguientes.

Oxidación del Isocitrato a α-cetoglutarato y CO2

• La isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa del isocitrato, formando α-cetoglutarato.
• Hay dos formas de isocitrato deshidrogenasa: una requiere NAD+ (en la matriz mitocondrial) y la otra NADP+ (en la matriz y el citosol).

Oxidación del α-cetoglutarato a succinil-CoA y CO2

• Se produce otra descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato a succinil-CoA y CO2, realizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa.
• El NAD+ es el aceptor de electrones y el CoA es el transportador del grupo succinilo.
• La energía de la oxidación se conserva mediante la formación del enlace tioéster del succinil-CoA.
• Esta reacción es similar a la de la piruvato deshidrogenasa.

Conversión de Succinil-CoA en Succinato

• El succinil-CoA forma un enlace tioéster muy negativo (ΔG’º≈ -36 kj/mol).
• En la reacción, la energía liberada se utiliza para sintetizar un enlace fosfoanhídrido del GTP o ATP (ΔG’o neta de sólo -2,9 kj/mol).
• La enzima se conoce como succinil-CoA sintetasa o succínico tioquinasa.
• La formación de ATP (o GTP) es una fosforilación a nivel de sustrato.
• El GTP puede transferir su grupo fosfato terminal a ADP, formando ATP por medio de la nucleósido bifosfato quinasa (ΔG′° = 0 kj/mol).
• Por lo tanto, la actividad de las dos isozimas transforma la energía en forma de ATP.

Oxidación del Succinato a Fumarato

• El succinato se oxida a fumarato mediante la succinato deshidrogenasa.
• En eucariotas, la succinato deshidrogenasa está unida a la membrana mitocondrial interna; en procariotas, a la membrana plasmática.
• El malonato, análogo del succinato, es un inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa que bloquea el ciclo del ácido cítrico.

Hidratación del Fumarato a Malato

• La fumarasa cataliza la hidratación reversible del fumarato a L-malato.
• Esta enzima es esteroespecífica e hidrata el doble enlace trans del fumarato, pero no el doble enlace cis del maleato.

Oxidación del Malato a Oxalacetato

• La L-malato deshidrogenasa, ligada a NAD+, cataliza la oxidación del L-malato a oxalacetato.
• En condiciones termodinámicas estándar, esta reacción favorece la formación de L-malato.
• En células, el oxalacetato se elimina rápidamente mediante la reacción de la citrato sintasa, favoreciendo la formación de oxalacetato.

Balance Energético del Ciclo del Ácido Cítrico

• El ciclo necesita un grupo acetilo con dos átomos de carbono, que se combina con oxalacetato, y libera dos carbonos en forma de CO2.
• La energía liberada se conserva reduciendo tres NAD+ y un FAD, y produciendo un ATP.
• Al final del ciclo se regenera una molécula de oxalacetato.
• El ciclo no implica consumo ni producción de oxalacetato.
• Cuatro pasos de oxidación generan un flujo alto de electrones a la cadena respiratoria a través de NADH y FADH2.

El Ciclo del Ácido Cítrico y el Metabolismo Intermediario

• El ciclo del ácido cítrico es una vía anfibólica que participa en procesos anabólicos y catabólicos.
• Productos catabólicos con cuatro o cinco átomos de carbono alimentan el ciclo y sirven como combustibles.
• El oxalacetato y el α-cetoglutarato se producen a partir de aspartato y glutamato respectivamente durante la degradación de proteínas.
• El ciclo proporciona precursores para muchas vías biosintéticas, retirando los intermediarios del ciclo en multitud de vías.
• El oxalacetato se convierte en glucosa a través de la gluconeogénesis.

Reacciones Anapleróticas

• Los intermediarios se reponen mediante reacciones anapleróticas, que se encuentran en equilibrio dinámico con las vías que usan los intermediarios. Las concentraciones de los intermediarios del ciclo de Krebs permanecen constantes.
• Las reacciones frecuentes transforman piruvato o fosfoenolpiruvato en oxalacetato o malato.
• La piruvato carboxilasa cataliza la reacción anaplerótica importante en el hígado y el riñón y crea el sustrato para la gluconeogénesis.
• La piruvato carboxilasa necesita biotina como grupo prostético para carboxilar el piruvato.
• Esta enzima se activa en ausencia de acetil-CoA hasta formar oxalacetato.
• La piruvato carboxilasa consta de cuatro subunidades idénticas, cada una con una biotina unida covalentemente.
  • El grupo carboxilo proveniente del HCO3- une biotina.
  • El grupo carboxilo se transfiere al piruvato para formar oxalacetato.
• Estos pasos ocurren en sitios activos distintos y la brazo flexible de la biotina transfiere esos grupos carboxilo activados..

Regulación del Ciclo del Ácido Cítrico

• El flujo de átomos de carbono desde el piruvato hacia el ciclo del ácido cítrico está muy regulado.
• La conversión de piruvato a acetil-CoA está regulada por la reacción del complejo piruvato deshidrogenasa.
• La entrada de acetil-CoA en el ciclo se regula por la citrato sintasa.
• Las reacciones de la isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa determinan cómo será el ciclo.
• El complejo de la piruvato deshidrogenasa es inhibido por ATP, Acetil-CoA y NADH, productos de la reacción.
• La enzima se activa cuando se acumulan AMP, CoA y NAD+.
• La actividad se anula con ácidos grasos y acetil-CoA.
• La fosforilación/desfosforilación regula la actividad.

Regulación de las Etapas Exergónicas del Ciclo

• El flujo de metabolitos a través del ciclo del ácido cítrico está bajo regulación, en este proceso intervienen tres factores:
  • Disponibilidad del sustrato.
  • Inhibición por acumulación de productos.
  • Retroinhibición alostérica de enzimas que catalizan etapas tempranas.
• Las tres etapas con más energía implicadas en el ciclo, catalizadas por la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa, pueden determinar las etapas de limitación de velocidad en ciertas situaciones.
• El NADH inhibe las reacciones de deshidrogenación
• El succinil-CoA inhibe la α-cetoglutarato deshidrogenasa y la citrato sintasa.
• El citrato bloquea la citrato sintasa.
• El ATP inhibe tanto la citrato sintasa como la isocitrato deshidrogenasa.
• El Ca2+ estimula la contracción e incrementa la demanda de ATP
• En el músculo el Ca2+ Activa Tanto a la isocitrato deshidrogenasa como a la α-cetoglutarato deshidrogenasa, así como al complejo de La Piruvato deshidrogenasa
• Este resultado se expresa como concentraciones de sustratos e intermediarios del ciclo del ácido cítrico que hacen que el flujo a través de esta vía se mantenga una velocidad que permite mantener concentraciones óptimas de ATP y NADH.
• El ciclo de velocidad de la glucólisis y del ácido cítrico depende del estado energético de la célula.
• El producto es un inhibidor alostérico de la fosfofructoquinasa-1 en la vía glucolítica.

Canalización de Sustratos

• Las enzimas del ciclo del ácido cítrico, excepto la succinato deshidrogenasa, se describen normalmente como solubles en la mitocondria, aumenta la información si se encuentran dentro de la mitocondria.
• Esos complejos se aseguran que el producto de una reacción enzimática pase de forma eficiente a la siguiente enzima de la ruta, y se los denominan metabolones.