Descarboxilación oxidativa

La descarboxilación oxidativa es una reacción de descarboxilación causada por oxidación . La mayoría de las veces se acompaña de α-cetoglutarato α- descarboxilación causada por la deshidrogenación de ácidos carboxílicos hidroxilados como el ácido málico carbonilcarboxílico , el ácido isocítrico , etc. ^[1]

La reacción catalítica del piruvato catalizada por el sistema de la piruvato deshidrogenasa es un método de descarboxilación especial, es decir, la descarboxilación oxidativa, que es diferente de la reacción de descarboxilación común, es decir, la descarboxilación común.

La reacción de descarboxilación oxidativa es catalizada por el sistema de la piruvato deshidrogenasa, que incluye tres enzimas diferentes: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoamida acetiltransferasa (E2), dihidrolipoamida deshidrogenasa (E3), seis cofactores: pirofosfato de tiamina (TPP), lipoamida , coenzima A (CoA), flavina adenina dinucleótido (FAD), ion magnesio y un cosustrato: nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+). ^[2]

Durante la reacción, E1 participa en la descarboxilación del ácido pirúvico , y luego TPP conecta el grupo acetilo después de la reacción. El grupo carbonilo del grupo acetilo reacciona con el grupo carbonilo del ion negativo de carbono en el anillo de tiazol de TPP para formar hidroxietilo . Luego, con la catálisis de E2, TPP envía el hidroxietilo a lipoamida , que se reoxida a acetilo para producir un enlace tioéster . En este momento, el compuesto es acetil dihidrolipoamida, que luego es catalizada por E2, y se transfiere acetilo, para formar acetil CoA, todas las reacciones anteriores solo involucran la reacción de descarboxilación y no involucran el movimiento de H, mientras que el efecto de deshidrogenación real del sistema de piruvato deshidrogenasa se reflejará en el siguiente paso de la reacción. La acetil dihidrolipoamida sin el grupo acetilo se pierde, es decir, la dihidrolipoamida necesita ser reoxidada a lipoamida para participar nuevamente en la reacción. En este momento, E3 necesita participar en la reacción catalítica, y el hidrógeno eliminado de la dihidrolipoamida se transferirá a FAD para convertirlo en FADH2, que reacciona con NAD+ para generar NADH y H+.

En resumen, en la reacción de descarboxilación oxidativa, hay tanto una reacción de oxidación como una descarboxilación.

En la reacción de descarboxilación simple, la enzima que interviene en esta reacción es la piruvato descarboxilasa, que es diferente de la descarboxilación oxidativa. Durante la reacción, el piruvato se conecta directamente con el anillo de tiazol del TPP y el grupo carboxilo del piruvato se elimina después de la conexión para generar dióxido de carbono. Luego, el hidroxietilo se separa del TPP para producir acetaldehído. ^[2]

El piruvato, producto de la glucólisis en condiciones aeróbicas, es un punto de ramificación metabólica. Como paso previo al seguimiento de la ruta central del metabolismo aeróbico desde la glucólisis hasta el ciclo del ácido cítrico , ponemos al piruvato en perspectiva considerando sus diversos destinos posibles. También consideramos el contexto más amplio de las reacciones de carboxilación y descarboxilación comunes en bioquímica.

El destino más importante del piruvato, al menos para nuestros propósitos actuales, es su descarboxilación oxidativa a acetil CoA. Esta reacción es catalizada por un gran conjunto de subunidades enzimáticas llamadas complejo de piruvato deshidrogenasa (complejo PDH o, a menudo, simplemente "PDH"). Este gran conjunto supramolecular contiene múltiples copias de tres tipos diferentes de subunidades. Estas subunidades catalizan diferentes pasos de la reacción general. Un cofactor catalítico clave, el pirofosfato de tiamina (TPP), es fundamental para el funcionamiento del complejo PDH . Examinaremos de cerca la química de este extraordinario e importante cofactor. ^[3]

Definamos una reacción de carboxilación como la adición de una unidad de CO2 _a una molécula de sustrato, y la descarboxilación como la pérdida de CO2 _. Las reacciones de descarboxilación suelen ser bastante favorables termodinámicamente debido a la contribución entrópica de escindir una única molécula en dos, una de las cuales es un gas. Por el contrario, podemos esperar que las reacciones de carboxilación requieran energía, y no debería sorprendernos saber que la hidrólisis de ATP está acoplada a la carboxilación. Las reacciones de carboxilación más destacadas en bioquímica están catalizadas por carboxilasas dependientes de biotina y RuBisCO. ^[4]

La descarboxilación en el metabolismo puede ser oxidativa o no oxidativa. A diferencia de la descarboxilación relativamente fácil de los β-cetoácidos, la descarboxilación de los α-cetoácidos presenta un desafío mecanístico. El pirofosfato de tiamina (TPP) proporciona la respuesta bioquímica y enzimológica.

El TPP es el cofactor catalítico clave que utilizan las enzimas que catalizan la descarboxilación no oxidativa y oxidativa de los α-cetoácidos. El piruvato, por ejemplo, sufre ambos tipos de descarboxilación, en ambos casos con la participación del TPP. En los organismos fermentativos, el piruvato es descarboxilado de forma no oxidativa por la enzima piruvato descarboxilasa dependiente del TPP. Como parte del complejo PDH, el TPP ayuda a la descarboxilación oxidativa del piruvato. El TPP es un verdadero cofactor catalítico. En una característica mecanística común a todas sus reacciones, el TPP es un portador de fracciones de aldehído activadas. Un hidrógeno unido al carbono C2 del anillo de tiazol del TPP muestra un pKa inusualmente bajo. La deficiencia de tiamina es la base del trastorno del beriberi.

El metabolismo oxidativo implica el posterior catabolismo del piruvato. La piruvato deshidrogenasa, o complejo PDH, lleva a cabo el proceso de descarboxilación oxidativa que genera acetil CoA a partir del piruvato. El complejo PDH sirve como vínculo entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico y es necesario para el metabolismo oxidativo . La actividad de la PDH implica tres enzimas distintas , cuatro actividades y cinco cofactores diferentes. ^{[5] [6] [7]}

Pasos del complejo PDH:

(1) descarboxilación (E1, formación de hidroxietil-TPP)

(2) oxidación (transferencia del grupo acetilo a la lipoamida)

(3) transferencia del grupo acetilo de la acetillipoamida a CoA)

(4) oxidación de dihidrolipoamida a lipoamida (E3, FAD, NAD+)

Acetil CoA, que se incorpora al ciclo del ácido cítrico. Esta conversión, una descarboxilación oxidativa del piruvato que produce un producto tioéster, se lleva a cabo mediante un complejo multienzimático fascinante y complejo conocido como complejo de piruvato deshidrogenasa (a veces también abreviado como PDC).

Varias copias de tres enzimas diferentes componen una estructura supramolecular que coordina un proceso de cuatro pasos que convierte el piruvato, un ácido α-ceto, en el tioéster (con la coenzima A) de acetato, así como reacciones de transferencia de electrones (redox) que producen NADH . Cinco cofactores participan en las reacciones del complejo. E1 es la piruvato deshidrogenasa, que utiliza pirofosfato de tiamina (TPP) como cofactor para descarboxilar el piruvato y transferir el fragmento de hidroxietilo restante al cofactor lipoamida unido a E2. Esto da como resultado la formación de acetil lipoamida, equivalente a la reducción de la lipoamida (y oxidación del fragmento de hidroxietilo), como queda claro en la transferencia posterior del residuo de acetilo a la coenzima A, catalizada por E2, una acetiltransferasa y E3, que regenera la lipoamida a partir de dihidrolipoamida, es dihidrolipoil deshidrogenasa .

Comenzando por el lado izquierdo, la forma tiazolio del cofactor TPP , que es un carbanión resultante de la pérdida de H+ del C2 inusualmente ácido del anillo de tiazol, ataca al carbono carbonílico del piruvato, formando el compuesto de adición que se muestra en la parte superior de la figura. Este compuesto de adición puede sufrir fácilmente descarboxilación (pérdida de dióxido de carbono), con el producto hidroxietil TPP estabilizado por resonancia. El siguiente paso es la transferencia de la fracción hidroxietilo de TPP a la forma oxidada del cofactor lipoamida. El grupo hidroxietilo es rico en electrones y, en su reacción con la lipoamida, se oxida en efecto al nivel carboxilo de oxidación, mientras que la lipoamida se reduce. Esta reacción se puede diseccionar en dos pasos, donde en el primer paso el átomo de carbono rico en electrones del grupo hidroxietilo unido a TPP ataca, como un nucleófilo fuerte, a uno de los átomos de azufre relativamente deficientes en electrones del disulfuro intramolecular de la lipoamida oxidada. Esto da como resultado el intermedio que se muestra en la parte inferior izquierda de la figura, que tiene la forma de un hemitiocetal. En el siguiente paso, cuando el TPP sale como grupo saliente, llevándose consigo electrones del enlace al grupo hidroxietilo, el hidroxietilo recluta los electrones del enlace OH, asistido por una base derivada de enzimas convenientemente ubicada para aceptar el ion hidrógeno resultante. El resultado de estos dos pasos es la producción del tioéster acetil lipoamida y la regeneración del cofactor TPP. Todas estas reacciones son catalizadas por el componente E1, o piruvato deshidrogenasa , del complejo PDH.

El resto de la química del complejo PDH se muestra en la parte inferior de la figura. El grupo acetilo se transfiere de la lipoamida reducida a la coenzima A (CoA) por la actividad del componente E2, o dihidrolipoil transacetilasa , del complejo. Esta es una conversión isoenergética de un tioéster a otro. La dihidrolipoamida libre (forma reducida de la lipoamida) debe reoxidarse, y esto se logra mediante la actividad de E3, o dihidrolipoil deshidrogenasa , componente del complejo PDH. Nótese que el cofactor de E3 es una molécula de dinucleótido de flavina y adenina (FAD) fuertemente unida. Los electrones de la dihidrolipoamida se transfieren, a través del FAD, a NAD+, formando NADH. Esto es digno de mención ya que en el orden habitual de potenciales de reducción, la reducción del FAD por NADH sería el proceso energéticamente favorable. Aparentemente, entornos proteicos específicos pueden perturbar los potenciales de reducción de los grupos redox, del mismo modo que pueden perturbar los pKa de los grupos ionizables.

Una serie de reacciones muy similares se llevan a cabo como parte del ciclo del ácido cítrico por el complejo multienzimático α-cetoglutarato deshidrogenasa, que también está estrechamente relacionado con el complejo PDH en composición y estructura, utilizando el mismo componente E3 y un E1 que actúa sobre el α-cetoglutarato como sustrato en lugar del piruvato. En este caso, E2 es una succinil transferasa y el succinil CoA es el tioéster producto.