Piruvato descarboxilase

A piruvato descarboxilase é un encima homotetrámero (EC 4.1.1.1) que cataliza a descarboxilación do ácido pirúvico a acetaldehido e dióxido de carbono no citoplasma de procariotas e eucariotas. Tamén se denomina 2-oxoácido carboxilase, alfa-cetoácido carboxilase e pirúvico descarboxilase.[1] En condicións anaerobias este encima intervén no proceso de fermentación alcohólica que ten lugar nos lévedos, especialmente nos do xénero Saccharomyces, para producir etanol e CO2. Tamén está presente nalgunhas especies de peixes, como a carpa vermella e a carpa común, nas que permite que o animal realice a fermentación alcohólica (xunto coa fermentación láctica) cando escasea o oxíxeno.[2] A piruvato descarboxilase inicia este proceso convertendo o piruvato en acetaldehido e dióxido de carbono.[3] A piruvato descarboxilase depende dos cofactores pirofosfato de tiamina (TPP) e magnesio.

Piruvato descarboxilase
1pvd image.jpg
Tetrámero da piruvato descarbolxilase.
Identificadores
Número EC 4.1.1.1
Número CAS 9001-04-1
Bases de datos
IntEnz vista de IntEnz
BRENDA entrada de BRENDA
ExPASy vista de NiceZyme
KEGG entrada de KEGG
MetaCyc vía metabólica
PRIAM perfil
Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO / EGO

O encima piruvato carboxilase (unha liase) intervén na fermentación formando acetaldehido, e non debe confundirse co encima non relacionado piruvato deshidroxenase, que é unha oxidorredutase (EC 1.2.4.1) que cataliza a descarboxilación oxidativa do piruvato a acetil-CoA, o cal se incorpora ao ciclo de Krebs durante a respiración celular. Tampouco debe confundirse coa piruvato carboxilase mitocondrial (unha ligase, EC 6.4.1.1).

Reaccións catalizadas pola piruvato descarboxilase e a alcohol deshidroxenase.

EstruturaEditar

A piruvato descarboxilase aparece en forma de dímero de dímeros (polo que ten catro subunidades, formando un tetrámero) con en total dous sitios activos compartidos entre os monómeros de cada dímero. O encima contén unha estrutura de tipo beta-alfa-beta, con follas beta paralelas. Contén 563 residuos de aminoácidos en cada dímero; o encima ten fortes atraccións entre os monómeros de cada dímero, pero os dímeros interaccionan máis debilmente para formar o tetrámero.[4]

 
Monómero de piruvato descarboxilse co TPP unido.

Residuos do sitio activoEditar

Este encima é un homotetrámero. Os sitios activos están dentro da cavidade que hai no centro do encima, onde se producen enlaces de hidróxeno e o piruvato reacciona co TPP. Cada sitio activo ten 20 aminoácidos, incluíndo o Glu-477 (contribúe á estabilidade do anel de TPP) e Glu-51 (axuda á unión do cofactor). Estes glutamatos tamén contribúen a formar o iluro TTP, actuando como doantes de protóns ao anel de aminopirimidina do TPP. O microambiente que rodea o Glu 477 é moi non-polar, contribuíndo a unha pKa máis alta do normal (as pKa normais do Glu e Asp son de arredor 4,6 en pequenas proteínas).[5]

Os residuos lipófilos Ile-476, Ile-480 e Pro-26 contribúen á non-polaridade da área que rodea o Glu-477. O único outro residuo cargado negativamente ademais do coencima TPP é o Asp-28, que tamén axuda a incrementar a pKa do Glu-477. Así, o ambiente do encima debe permitir que a protonación do grupo gamma-carboxilo do Glu-477 estea arredor do pH 6.[5]

O anel de aminopirimidina do TPP actúa como unha base, unha vez que está na súa forma imina, para arrancar o protón do C2 do TPP para formar o iluro nucleófilo.[4] Isto debe ocorrer porque o encima non ten cadeas laterais básicas alí para desprotonar o C2 do TPP. Unha mutación no sitio activo que afecta a estes Glu pode ter como resultado a ineficiencia ou inactividade do encima. Esta inactividade foi probada en experimentos nos cales se perden os grupos amino N1' e/ou 4'. En análises de RMN determinouse que cando o TPP está unido ao encima xunto coa piruvamida análoga do substrato, a taxa de formación de iluro é maior que a taxa do encima normal. Ademais, a taxa de mutración de Glu 51 a Gln reduce esta taxa significativamente.[4]

Ademais están incluídos o Asp-444 e o Asp-28, que estabilizan o sitio activo. Estes actúan como estabilizadores do ión Mg2+ que está presente en cada sitio activo. Para asegurar que só se une ao piruvato, dous residuos Cys-221 (situada a máis d 20 Å de distancia de cada sitio) e His-92, causan un cambio conformacional que inhibe ou activa o encima dependendo do substrato que interaccione con eles. Se o substrato que se une no sitio activo é piruvato, entón o encima é activado por un cambio conformacional neste sitio regulatorio.[6] O cambio conformacional implica unha adición nucleofílica 1,2. Esta reacción, a formación dun tiocetal, transforma o encima desde a súa forma inactiva ao seu estado activo.

A inhibición do sitio faise por uns inhibidores/análogos do substrato de clase XC6H4CH=CHCOCOOH, así como polos produtos da descarboxilación de tales compostos como cinnamaldehidos. Outros sitios nucleofílicos potenciais para o inhibidor son Cys-152, Asp-28, His-114, His-115 e Gln-477.[6]

A taxa catalitica normal da piruvato descarboxilase é kcat = 10 s−1. Porén, a taxa do encima coa mutación de Glu-51 a Gln é 1,7 s−1.[4]

O grupo prostético TPPEditar

O cofactor TPP, C12 H18 N4 O7 P2 S, é necesario para este mecanismo de reacción; actúa como grupo prostético do encima. O átomo de carbono entre os átomos de xofre e nitróxeno no anel tiazol actúa como carbanión que se une ao piruvato. O TPP ten un H+ ácido no seu C2 que actúa como parte funcional do anel de tiazolio; o anel actúa como un "sumidoiro de electróns", que permite que os electróns do carbanión sexan estabilizados por resonancia.[3] O TPP pode despois actuar como nucleófilo coa perda do seu hidróxeno do C2, formando a forma iluro do TPP. Este iluro pode despois atacar o piruvato, o cal é sostido polo encima. Durante a descarboxilación do piruvato, o TPP estabiliza os intermediarios carbanións como un electrófilo por enlaces non covalentes.[4] Concretamente, o nitróxeno piridil N1' e o grupo amino 4' do TPP son esenciais para a función catalitica do complexo encima-TDP.[5]

MecanismoEditar

O encima escinde o piruvato en dióxido de carbono e un fragmento de dous carbonos que está unido ao seu cofactor o TPP. Este fragmento de dous carbonos está unido ao anel de cinco membros do TPP na súa forma iluro. Este é un paso irreversible no cal se crea o acetaldehido que intervén no segundo paso da fermentación alcohólica anaerobia, no cal este aldehido é reducido polo NADH por acción da alcohol deshidroxenase a etanol.[7]

 
Mecanismo da descarboxilación do piruvato na fermentación

LévedosEditar

En lévedos, a piruvato descarboxilase actúa independentemente durante a fermentación anaerobia e libera o fragmento de dous carbonos como un acetaldehido máis dióxido de carbono. A piruvato descarboxilase é unha das fontes do CO2 que se xera na célula do lévedo, que a célula disipa. Máis tarde, coa contribución dun segundo encima, xérase etanol, que ten uns efectos antibióticos, xa que elimina outros microorganismos competidores.[4] O encima é necesario para axudar á descarboxilación de alfa-cetoácidos porque se produce unha acumulación de carga negativa no seu átomo de carbono carbonilo no estado de transición; por tanto, o encima proporciona o ambiente axeitado para que se encontren o TPP e o alfa-cetoácido (piruvato).[4]

NotasEditar

  1. "NiceZyme View of ENZYME: EC 4.1.1.1.". ExPASy Proteomics Server. Arquivado dende o orixinal o 16 de maio de 2011. 
  2. Aren van Waarde; G. Van den Thillart; Maria Verhagen (1993). "Ethanol Formation and pH-Regulation in Fish". Surviving Hypoxia. pp. 157−170. ISBN 0-8493-4226-0. hdl:11370/3196a88e-a978-4293-8f6f-cd6876d8c428. 
  3. 3,0 3,1 Tadhg P. Begley; McMurry, John (2005). The organic chemistry of biological pathways. Roberts and Co. Publishers. p. 179. ISBN 0-9747077-1-6. 
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 PDB 1pyd; Dyda F, Furey W, Swaminathan S, Sax M, Farrenkopf B, Jordan F (June 1993). "Catalytic centers in the thiamin diphosphate dependent enzyme pyruvate decarboxylase at 2.4-A resolution". Biochemistry 32 (24): 6165–70. PMID 8512926. doi:10.1021/bi00075a008. 
  5. 5,0 5,1 5,2 Lobell M, Crout DH (1996). "Pyruvate Decarboxylase: A Molecular Modeling Study of Pyruvate Decarboxylation and Acyloin Formation". J. Am. Chem. Soc. 118 (8): 1867–1873. doi:10.1021/ja951830t. 
  6. 6,0 6,1 Baburina I, Dikdan G, Guo F, Tous GI, Root B, Jordan F (February 1998). "Reactivity at the substrate activation site of yeast pyruvate decarboxylase: inhibition by distortion of domain interactions". Biochemistry 37 (5): 1245–55. PMID 9477950. doi:10.1021/bi9709912. 
  7. H., Garrett, Reginald (2013). Biochemistry. Grisham, Charles M. (5th ed.). Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. ISBN 9781133106296. OCLC 777722371. 

Véxase taménEditar

Ligazóns externasEditar