Metabolismo Aeróbico de Piruvato
En condiciones aeróbicas, piruvato sale del citoplasma y entra al mitocondria donde es oxidado a AcetilCoA:
La estructura de acteilCoA se ilustra a continuación:
La enzima deshidrogenasa de piruvato requiere de Pirosfáto de Tiamina como coenzima:
La enzima deshidrogenasa de piruvato es un complejo enzimático (estructura multienzimática) que contiene tres actividades enzimáticas:
E1 - descarboxilasa de piruvato, cuya función es la de descarboxilar el piruvato, usa la pirofosfáto de tiamina como coenzima.
E2 - transacetilasa de dihidrolipoilo, que cataliza la transferencia del grupo acetilo a CoASH, usa ácido lipóico y CoASH como cofactores.
E3 - deshidrogenasa de dihidrolipoilo, cuyas conenzimas son NAD+ y FAD, reoxida la dihidrolipoamida.
Mecanismo Enzimático:
Reacción de NAD:
En cada vuelta del ciclo, entra acetilCoA y salen dos carbonos totalmente oxidados en forma de CO2, y se reducen tres moléculas NAD+ y una de FAD a NADH y FADH2, respectivamente. Una molécula de ATP (como GTP) se genera una reacción de fosforilación a nivel de sustrato. El ciclo se ilustra en la siguiente figura:
Detalle de Reacciones
La regulación del ciclo de ácido cítrico: busca que se mantengan los requerimientos energéticos y biosintéticos de las células; esto se logra modulando enzimas clave y haciendo disponibles ciertos sustratos. Las enzimas clave sirven como puntos de ramificación.
Como la función principal es producir energía, el ciclo depende de una contínua disposición de NAD+, FAD y ADP.
Enzimas clave:
1- Deshidrogenasa de piruvato - cataliza: Piruvato → acetilCoA
Carboxilasa de piruvato - cataliza: Piruvato → Oxaloacetato
La actividad de estas enzimas determina el grado en que piruvato se use, ya sea para generar energía o como precursor biosintético. La deshidrogenasa es activada por AMP, CoA y NAD+ e inhibida por acetilCoA, ATP y NADH; la carboxilasa es estimulada por acetilCoA.
2- Sintasa de citrato - cataliza: oxaloacetato + acetilCoA → citrato
Comparadas con la cantidad de la enzimas, las concentraciones de acetilCoA y oxaloacetato son bajas en la mitocondria, por lo que cualquier aumento en la disponibilidad de éstos estimula la síntesis de citrato.
Altas concentraciones de succinilCoA, citrato, NADH o ATP inhiben alostericamente la sintasa de citrato.
La célula en reposo tiene alta proporción de NADH/NAD+ y de ATP/ADP. Si la célula se activa metabolicamente entonces la concentración de NADH y ATP disminuyen y se activa la sintasa de citrato.
3- Deshidrogenasa de isocitrato - cataliza: Isocitrato α-cetoglutarato
Esta enzima regula el metabolismo de citrato. Es activada por un altas concentraciones de NAD+ y ATP, e inhibida por altas concentraciones de NADH y ATP
La reacción: Citrato ⇔ Isocitrato es reversible:
La mezcla en equilibrio de ambas moléculas contiene más cantidad de citrato porque el isocitrato se convierte rápidamente en α-cetoglutarato.
Sólo citrato puede penetrar la membrana interna del mitocondria, pasando al citoplasma (citosol); esto ocurre cuando los requerimientos de energía por parte de la célula son bajos.
Ese desplazamiento de citrato transfiere también acetilCoA fuera del mitocondria, porque la ruptura de citrato genera oxaloacetato + acetilCoA:
Ambos se usan en procesos biosintéticos Oxaloacetato en gluconeogénesis y acetilCoA en la síntesis de ácidos grasos.
Oxaloacetato se reduce a malato:
Malato puede re-entrar al mitocondria y oxidarse a oxaloacetato, o puede oxidarse a piruvato en el citosol. Esta última reacción genera NADPH + H+, que se usa en la síntesis citoplásmica de ácidos grasos.
Piruvato entra al mitocondria y puede:
(a) oxidarse a acetilCoA, o
(b) convertirse en oxaloacetato
El proceso se ilustra en la figura que sigue:
En el citoplasma, citrato es precursor de oxaloacetato y acetilCoA y regula varios procesos citoplásmicos, a saber:
1- activador alostérico de la primera reacción en la síntesis de ántesis de ácidos grasos (acetilCoA → malonilCoA); esto ocurre en el citosol.
2- generador, en su metabolismo, de NADPH, que se usa en la síntesis de ántesis de ácidos grasos (citosol).
3- inhibidor de PFK-1 (fosfofructocinasa), enzima que cataliza la reacción glucolítica: Fructosa-6-P → Fructosa-1,6-biP; de aquí, que es inhibidor de glucólisis.
4- Deshidrogenasa de α-cetoglutarato - cataliza: α-cetoglutarato → succinilCoA + CO2
Esta enzima es importante porque α-cetoglutarato es sustrato para otros procesos metabólicos, como por ejemplo, la síntesis de aminoácidos.
Si en la célula la energía almacenada es baja, se activa esta enzima y el α-cetoglutarato se retiene en el ciclo de ácido cítrico a expensas de los otros procesos metabólicos que lo usan como sustrato o precursor.
Según aumenta la concentración de NADH, la enzima se inhibe y el α-cetoglutarato está disponible para los otros procesos metabólicos.
El ciclo de ácido cítrico es anfibólico: puede funcionar tanto en procesos anabólicos (acetilCoA → CO2 + energía) como catabólicos (varios intermediarios son precursores de otras rutas biosintéticas).
Los procesos anabólicos drenan el ciclo de ácido cítrico de las moléculas requeridas para sostener su rol como generador de energía. La reacciones anapleróticas surten (reponen, restituyen esos sustratos del ciclo de ácido cítrico.
El siguiente esquema ilustra el fenómeno:
RUTA DE FOSFOGLUCANATO O DE LAS PENTOSAS FOSFATO
Ruta secundaria para el metabolismo de glucosa que genera productos con funciones especializadas:
Ribosa-5-fosfáto y NADPH.
Ribosa-5-fosfáto es un precursor para la sítesis de nucleotidos, ácidos nucléicos y varios cofactores enzimáticos.
NADPH es necesario en las reacciones reductoras de los procesos biosintéticos en los tejidosque se encargan de formar esteroides y ácidos grasos: adiposo (células grasas), glándulas mamarias, hígado, corteza adrenal y tambien los globulos rojos (eritrocitos). Estos últimos usan NADPH para mantener reducido el tripéptido glutatión que, a su vez, mantiene el hierro de la hemoglobina en el estado reducido (Fe2+), necesario para unión del oxígeno.
NADPH está ausente en el músculo por no haber sítesis de lípidos.
La reacción neta es la siguiente:
