Piruvato descarboxilase

A piruvato descarboxilase é un encima homotetrámero () 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. 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. A piruvato descarboxilase inicia este proceso convertendo o piruvato en acetaldehido e dióxido de carbono. A piruvato descarboxilase depende dos cofactores pirofosfato de tiamina (TPP) e magnesio. 

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 () 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, ).
miniatura|center|400px|Reaccións catalizadas pola piruvato descarboxilase e a alcohol deshidroxenase.

 Estrutura 
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.
miniatura|Monómero de piruvato descarboxilase co TPP unido.

 Residuos do sitio activo 

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).

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.

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. 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.

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 regulador. 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.

A taxa catalítica 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.

 O grupo prostético TPP 
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. 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. Concretamente, o nitróxeno piridil N1' e o grupo amino 4' do TPP son esenciais para a función catalítica do complexo encima-TDP.

 Mecanismo 

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.
miniatura|400px|Mecanismo da descarboxilación do piruvato na fermentación

 Lévedos 

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.;   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).

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 


Categoría:Liases