PIRUVATO DESHIDROGENASA

Por: Alba Navarro Hernansanz, María Loeches Oporto y Raúl Leal Prudencio. Grado en Biología Sanitaria. UAH

La proteína piruvato deshidrogenasa se trata de una de las enzimas que componen el complejo piruvato deshidrogenasa, presente en mitocondrias. Su función reside en catalizar la conversión de piruvato a acetil-CoA, pudiendo realizarse así el ciclo de ácidos tricarboxílicos, esencial para la respiración celular.

1. HISTORIA Y DESCUBRIMIENTO

Esta proteína, como se ha especificado previamente, está directamente relacionada con los procesos metabólicos llevados a cabo por las mitocondrias. Es por ello por lo que para hablar de su descubrimiento debemos antes tratar como se comprendieron previamente las rutas metabólicas en las que está presente.

Louis Pasteur (1822-1895) realizó un importante hallazgo mientras estudiaba la fermentación, aplicable al proceso de conversión de glucosa en piruvato, y del piruvato en etanol. Así, demostró que la levadura puede alimentarse de otras células muertas, y que estos organismos vivos pueden llevar a cabo la fermentación de azúcares en alcohol, una idea que fue rehusada hasta entonces por otros científicos, como Liebig. Afirmó además que este hallazgo tenía relación directa con un fenómeno vital, que la fermentación era, en sí, un proceso “vivo”. Sin embargo, los hermanos Buchner descubrieron en 1897 que el proceso de la glucólisis seguía ocurriendo incluso en ausencia de vida, pues ciertas enzimas pueden trabajar fuera de la célula. Este hallazgo llevó a la conclusión de que eran las células que llevaban a cabo la fermentación, es decir, las levaduras, las que estaban vivas, no el proceso en sí.

Mucho después de establecer el mecanismo de las rutas metabólicas, en 1951 consiguió aislarse el ácido lipoico, lo cual ayudó a conocer y entender las funciones fundamentales del complejo piruvato deshidrogenasa. La función de este ácido dentro del metabolismo se trata de ayudar a la conversión del piruvato, iniciando la actividad catalítica. Este es clave en el ciclo de Krebs, y se trata de un antioxidante. Experimentalmente, se ha comprobado que la exposición al ácido lipoico R- α aumenta la oxidación del piruvato de manera considerable, un hecho que repercute de forma directa en la actividad de la piruvato deshidrogenasa.

Hoy en día conocemos varios de los componentes del complejo piruvato deshidrogenasa gracias a estructuras de rayos-x; entre los seis más importantes encontramos la piruvato deshidrogenasa (E1), encontrada en especies desde procariotas a organismos superiores. Su estudio estará altamente ligado al estudio del complejo multienzimático en su plenitud, y su importancia en el organismo.

2. IMPORTANCIA

Esta proteína, como se ha mencionado al principio, se encarga de reacciones metabólicas como aquellas encargadas de la respiración celular. Si esta enzima no actuase, nuestras células, al igual que las de cualquier otro organismo, morirían, y la vida sería inviable.

Teniendo esto en cuenta, no es difícil llegar a la conclusión de que su deficiencia puede causar graves problemas. Esta condición no es muy frecuente, aunque se sabe que puede ser hereditaria. La forma más común de que esta enfermedad aparezca es por la mutación del gen PDHA1, aquel que les da la función a las subunidades alfa de la enzima. Para llevar a cabo el ciclo de Krebs, se intentará minimizar el efecto de dicha deficiencia a través de la dieta cetogénica (keto), la cual está basada en el consumo de muy pocos hidratos de carbono y rica en grasas. A través de ella se intentará obtener las calorías sobre todo de lípidos y proteínas, aprovechando los ácidos grasos para la formación de acetil CoA.

La deficiencia está ligada a la proliferación y acumulación de ácido láctico, debido a la menor actividad del complejo.  Esto puede causar vómitos, grandes problemas respiratorios, ritmo cardíaco anormal, y, principalmente, problemas neurológicos. Entre estos problemas encontramos discapacidades intelectuales, hipotonía y problemas en el sistema locomotor para acciones como caminar y sentarse. Debido a su gravedad, muchos de los diagnosticados no sobreviven más allá de su infancia, alcanzando muy rara vez la edad adulta. No obstante, la enfermedad se desarrollará en profundidad más adelante.

3. ESTRUCTURA

La piruvato deshidrogenasa forma parte del complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa, siendo la subunidad E1. 

El componente principal de la enzima piruvato deshidrogenasa son hélices alfa y láminas beta. Estas forman dímeros, y aquellos que son funcionales poseen centros catalíticos entre las subunidades de la enzima. Además, estas láminas formarán las subunidades de dicha enzima, que estará compuesta por dos subunidades  alfa y otras dos subunidades beta. Las subunidades se organizarán formando un heterotetrámero, y este se unirá al cofactor pirofosfato de tiamina. Tal y como se observa, la piruvato deshidrogenasa se trata de una unidad asimétrica. Dentro de la misma, diferenciamos tres dominios: uno N-terminal, uno C-terminal, y uno intermedio entre ambos.

Se pueden encontrar algunas excepciones a esta estructura, como en ciertas bacterias, en las que las subunidades alfa y beta se disponen formando un heterodímero de cadena.

Sin embargo, es necesario incidir en la estructura del complejo piruvato deshidrogenasa en su totalidad, pues esta enzima, la E1, de la cual encontramos entre 20 y 30 copias dentro del complejo, actúa conjuntamente con la E2 (dihidrolipoamida acetiltransferasa), que presenta 60 copias, y la E3 (dihidrolipoamida deshidrogenasa) en forma de seis homodímeros.  La unión entre estas enzimas para el correcto desarrollo de las reacciones conjuntas es de vital importancia.

Complejo piruvato deshidrogenasa
https://pdb101.rcsb.org/motm/153

Dentro de este complejo, la subunidad E1 cederá grupos acetilo a la subunidad E2, que formará el núcleo estructural del complejo, y cederá dichos grupos acetilo a la coenzima A. La subunidad E3 se mantendrá anclada a la E2, garantizando la oxidación de los respectivos compuestos y la producción de NADH. La complejidad de este complejo multienzimático crecerá a medida que nos adentramos en su estructura, y si comparamos las estructuras de las subunidades entre las de una bacteria E. coli y un ejemplar humano podremos observar notables cambios, relacionados con la importancia evolutiva del complejo y su preservación.

Acción combinada de las subunidades que forman el complejo piruvato deshidrogenasa
https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-014-5745-0

4. IMPORTANCIA BIOLÓGICA

Este complejo tiene como función oxidar el piruvato a acetil-CoA. El proceso se llama descarboxilación oxidativa del piruvato y ocurre en la mitocondria. El acetil-CoA es el sustrato del ciclo de Krebs, ruta principal de producción de energía para las células. Sin esta previa oxidación del piruvato, no se produciría el ciclo de Krebs y por lo tanto no se formarían las moléculas de ATP esperadas (36). La oxidación del piruvato se produce en la matriz mitocondrial en eucariotas y en el compartimento celular en bacterias y arqueas.  

El complejo Piruvato Deshidrogenasa o PDH cataliza la reacción global :

Piruvato +  CoA + NAD=>  Acetil-CoA +  NADH + CO2

ΔGº es negativa => IRREVERSIBLE

La PDH cataliza una reacción favorecida energéticamente pero irreversible, es decir, transforma el piruvato en acetil-CoA pero no al revés, no puede transformar lípidos en carbohidratos. Sin embargo, las plantas sí son capaces de realizar este proceso, mediante el ciclo glioxilato.

Para que el piruvato se convierta en acetil-CoA, ocurren una serie de etapas dentro del complejo piruvato deshidrogenasa:

  • En primer lugar, el piruvato y la TPP (pirofosfato de tiamina) reaccionan en la E1 del complejo. Así, el piruvato se escinde dando lugar a CO2 y a acetaldehído unido a la TPP, formando hidroxietil-TPP. 

PIRUVATO + TPP ———-> HIDROXIETIL-TPP + CO2

Transformación de piruvato en hidroxietil-TPP
https://es.slideshare.net/Regaladiux/descarboxilacin-del-piruvato

  • Después, el hidroxietil-TPP reacciona con la lipoamida dando lugar a acetil-lipoamida y a TPP, proceso catalizado por la E2. 

HIDROXIETIL-TPP + LIPOAMIDA ————–> ACETIL-LIPOAMIDA + TPP+

Transformación de hidroxietil-TPP en acetil-lipoamida
https://es.slideshare.net/Regaladiux/descarboxilacin-del-piruvato
  • Dentro de la E2 también se cataliza la reacción por la que la acetil-lipoamida reacciona con el cofactor CoA-SH. En esta reacción, el grupo acetil de la acetil-lipoamida se une al CoA (se oxida) formando acetil-CoA, mientras que el H procedente del CoA-SH se une a la acetil-lipoamida sin el grupo acetilo (se reduce), formando dihidrolipoamida. 

ACETIL-LIPOAMIDA + CoA-SH ———-> DIHIDROLIPOAMIDA + ACETIL-CoA

Transformación de acetil-lipoamida en dihidrolipoamida
https://es.slideshare.net/Regaladiux/descarboxilacin-del-piruvato

  • Por último, la dihidrolipoamida se oxida a lipoamida, volviendo a formarse el enlace disulfuro para que vuelva a ser activa; gracias a la reducción de FAD a FADH2 catalizada por la E3. Además, el FADH2 reacciona con el NAD+, reduciéndose este último a NADH + H+. El NADH + H+es liberado y el FADH2oxidado a FAD, necesario en la siguiente reacción.

DIHIDROLIPOAMIDA + NAD+ ————> LIPOAMIDA + NADH + H+

Transformación de dihidrolipoamida en lipoamida
https://es.slideshare.net/Regaladiux/descarboxilacin-del-piruvato

Reacción completa

Las reacciones en las que ningún sustrato sale del complejo, se llaman canalización de sustratos, y esta es una ejemplo. 

4.1. REGULACIÓN PDH

Este complejo se regula mediante dos vías, la regulación alostérica y la modificación covalente

  • Regulación alostérica: cuando los productos de la reacción son abundantes  (NADH + H+, ATP, acetil-CoA) se inhibe el enzima, ya que esto es señal de que hay energía suficiente. Sin embargo, el CoA-SH y  NAD+en abundancia activan el complejo. 
  • Modificación covalente: los estados de activación o inactivación están regulados por la proteína quinasa (hay cuatro: PDK1, PDK2, PDK3 y PDK4)  y la proteína fosfatasa. Las primeras fosforilan las serinas que hay en las subunidades alfa de la E1, haciendo que el complejo esté en estado de inactivación. Por el contrario, el estado de activación de la E1 se lleva a cabo gracias a la proteína fosfatasa, que desfosforila las serinas de las subunidades alfa del complejo. La actividad de la proteína fosfatasa está siempre activa, pero cuando no hay demanda energética se ve eclipsada por la acción de la quinasa. 

5. EVOLUCIÓN DE LA PIRUVATO DESHIDROGENASA

Utilizando el Protein Data Bank y comparando la estructura y secuencia de aminoácidos de la Piruvato Deshidrogenasa en dos organismos diferentes (en azul tenemos Escherichia coli y en naranja, la proteína en un humano), podemos llegar a la conclusión de que la evolución ha seguido diversas ramas diferentes y tan sólo un 9,69% de la estructura entre estos dos organismos es idéntica, y un 23,56% es similar en cuanto a que la secuencia de aminoácidos no varía y no se ve afectada en la estructura.

Comparación de Piruvato Deshidrogenasa en Escherichia coli y un humano
http://www.rcsb.org/pdb/workbench/showPrecalcAlignment.do?action=pw_fatcat_flexible&name1=3EXE.F&name2=2IEA.B

Con esto podemos llegar a la conclusión de que una misma proteína varía dependiendo del organismo debido a la evolución que haya seguido esa proteína y debido a las funciones que lleve a cabo en los distintos organismos.

6. DEFICIENCIA DE PIRUVATO DESHIDROGENASA

La Deficiencia de la piruvato deshidrogenasa, también conocida como acidosis láctica por deficiencia de piruvato-deshidrogenasa, es una alteración genética que se caracteriza por la acumulación de ácido láctico en el organismo y una variedad de problemas neurológicos. 

Esta enfermedad se manifiesta casi siempre poco después del nacimiento y se aprecia con los siguientes signos y síntomas:

  • Retraso en el desarrollo mental de la persona afectada.
  • Hipotonía muscular (que consiste en la disminución del tono muscular lo que provoca que el niño esté más lacio y sin interactuar)
  • Falta de coordinación.
  • Dificultad en la marcha.
  • Convulsiones.
  • Episodios de acidosis láctica que pueden provocar náuseas, vómitos, problemas respiratorios graves y alteraciones en el ritmo cardíaco. 
  • Anomalías estructurales del cerebro como el subdesarrollo del cuerpo calloso (estructura que conecta los hemisferios cerebrales), atrofia de la corteza cerebral y lesiones del tejido en algunas partes del cerebro. 

Debido a la gravedad de los síntomas para la salud, muchos enfermos no sobreviven más allá de la infancia aunque hay excepciones que viven hasta la adolescencia o edad adulta.

Este proceso es debido a mutaciones en los genes PDHA1, PDHB, PDHX, PDP1 Y DLAT

El caso más común es el de las mutaciones en el gen PDHA1, que se encuentra en el brazo corto del cromosoma X. Este gen codifica la subunidad alfa E1. Las mutaciones debidas a este gen se han dividido en dos grupos:

  1. Mutaciones que añaden o eliminan nucleótidos en el gen
  2. Mutaciones que cambian aminoácidos en la proteína alfa E1 o dan lugar a una parada en la codificación de dicha proteína.

La consecuencia principal de estas mutaciones es la acumulación del piruvato y su consiguiente conversión en ácido láctico produciendo acidosis láctica. Además se disminuye la producción de energía celular, lo que causa graves perjuicios en la actividad cerebral.

Por otra parte están las mutaciones en el gen PDHB que se encuentra situado en el brazo corto del cromosoma 3 y son muy poco frecuentes. Este gen es conocido por codificar la subunidad beta E1. Las mutaciones debidas a este gen cambian aminoácidos de la proteína beta E1, lo que da lugar a proteínas anormales que no son capaces de interactuar con alfa E1 para formar la enzima. La principal consecuencia de este tipo de mutaciones es la reducción de la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa. 

En muy pocos casos podemos encontrar mutaciones en el gen PDHX, pero no es imposible. Este gen se encuentra en el brazo corto del cromosoma 11 y codifica la proteína de unión a E3. Si esta proteína se pierde, se produce una alteración en la unión de E3 al complejo piruvato deshidrogenasa.

Las mutaciones en el gen PDP1 son también poco frecuentes. Dicho gen se sitúa en el brazo largo del cromosoma 8 y codifica la proteína piruvato deshidrogenasa fosfatasa 1. La proteína anormal no es capaz de eliminar el grupo fosfato del complejo.

El gen DLAT se encuentra en el brazo largo del cromosoma 11 y codifica la enzima E2 y sus mutaciones también reducen la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa.

La deficiencia de piruvato deshidrogenasa puede heredarse de diferentes maneras:

  • Si la enfermedad se debe a mutaciones en el gen PDHA1, se hereda con un patrón recesivo ligado al cromosoma X. En los varones es más sencillo heredar la enfermedad que en las mujeres que poseen dos cromosomas X. 
  • Si la enfermedad se debe a mutaciones en el resto de genes, se hereda con un patrón autosómico recesivo, lo que significa que ambas copias del gen en cada célula deben tener las mutaciones para que se exprese la alteración.

Por último, es importante destacar el tratamiento que posee esta enfermedad. Algunos pacientes han respondido a un tratamiento con tiamina. Llevar una dieta cetogénica aumenta la producción de energía y ha servido en algunos pacientes con alta actividad residual. Se ha probado otro tratamiento con dicloroacetato, que inhibe la actividad quinasa, inhibidora a su vez de PDH; esto desciende la concentración de lactato pero tiene efectos secundarios graves como la neuropatía periférica. También en algunos pacientes ha servido la administración de arginina que actúa como chaperona alargando la vida media del complejo PDH. Pero no hay ningún tratamiento realmente eficaz para los pacientes que sufren esta deficiencia.

7. BIBLIOGRAFÍA

http://www.materias.unq.edu.ar/bq02/teoria/T04-Kre.pdf

ALPHA LIPOIC ACID: The Universal Antioxidant and its Benefits. (2011). https://www.sourcenaturals.com/library/download/101673/

DEFICIENCIA PIRUVATO DESHIDROGENASA. (2010). https://metabolicas.sjdhospitalbarcelona.org/sites/default/files/PDH_2010_cast.pdf

LA PIRUVATO DESHIDROGENASA. (2019). https://www.lab314.com/metabolismo/enzimas/PDH.htm

Manchester, K. Louis Pasteur, fermentation, and a rival. http://www.scielo.org.za/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0038-23532007000500008

MetaCyc pyruvate dehydrogenase complex. https://biocyc.org/META/NEW-IMAGE?type=ENZYME&object=CPLX66-272

Patel, M., Nemeria, N., Furey, W., & Jordan, F. (2014). The Pyruvate Dehydrogenase Complexes: Structure-based Function and Regulation. Journal Of Biological Chemistry289(24), 16615-16623. doi: 10.1074/jbc.r114.563148

Pruebas genéticas – Piruvato deshidrogenasa, Deficiencia de …; Deficiencia del complejo de piruvato-deshidrogenasa; Acidosis láctica por deficiencia de piruvato deshidrogenasa (Pyruvate dehydrogenase deficiency; pyruvate dehydrogenase complex deficiency – IVAMI. https://www.ivami.com/es/pruebas-geneticas-mutaciones-de-genes-humanos-enfermedades-neoplasias-y-farmacogenetica/1159-pruebas-geneticas-acidosis-lactica-por-deficiencia-de-piruvato-deshidrogenasa-deficiencia-de-piruvato-deshidrogenasa-gen-pdp1

Pyruvate dehydrogenase deficiency. (2012). https://ghr.nlm.nih.gov/condition/pyruvate-dehydrogenase-deficiency

RCSB PDB – Structure Alignment. http://www.rcsb.org/pdb/workbench/showPrecalcAlignment.do?action=pw_fatcat_flexible&name1=3EXE.F&name2=2IEA.B

Walgren JL, e., Amani, Z., McMillan, J., Locher, M., & Buse, M. (2004). Effect of R(+)alpha-lipoic acid on pyruvate metabolism and fatty acid oxidation in rat hepatocytes. – PubMed – NCBI. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14767867

Yu, X., Hiromasa, Y., Tsen, H., Stoops, J., Roche, T., & Zhou, Z. (2008). Structures of the Human Pyruvate Dehydrogenase Complex Cores: A Highly Conserved Catalytic Center with Flexible N-Terminal Domains. Structure16(1), 104-114. doi: 10.1016/j.str.2007.10.024