Piruvato

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Definición de piruvato

El piruvato es una molécula importante que está presente en la intersección de múltiples vías bioquímicas. Se encuentra comúnmente como uno de los productos finales de la glucólisis, que luego se transporta a las mitocondrias para participar en el ciclo del ácido cítrico. En ausencia de oxígeno, o cuando la demanda de oxígeno supera la oferta, el piruvato puede someterse a fermentación para producir lactato. Tanto el piruvato como el lactato también se pueden usar para regenerar glucosa. El piruvato también puede participar en la síntesis anabólica de ácidos grasos y aminoácidos. También existe una creciente evidencia de que puede influir directamente en la actividad nuclear y las modificaciones epigenéticas, formando la interfaz entre el genoma y el estado metabólico de la célula.

Estructura de piruvato

Esta molécula es la base conjugada del ácido pirúvico, una molécula de tres carbonos que contiene un grupo ácido carboxílico y un grupo funcional cetona. La fórmula química del ácido pirúvico es C ₃ H ₄ O ₃ y para su forma desprotonada es C ₃ H ₃ O ₃. El átomo de carbono que forma el ácido carboxílico a menudo se denomina primer átomo de carbono, y el número aumenta a lo largo de la cadena principal de carbono, alejándose del extremo ácido carboxílico. En el piruvato, el grupo cetona está unido al segundo átomo de carbono, también conocido como carbono α, ya que es el más cercano al grupo funcional principal; el tercer carbono comprende un grupo metilo.

Es, por tanto, el α-cetoácido más simple y, de acuerdo con la nomenclatura oficial de la IUPAC, se denomina ácido α-cetopropanoico. Contiene tres átomos que pueden actuar como donantes de enlaces de hidrógeno y un átomo que puede ser un aceptor de enlaces de hidrógeno. Al igual que otros cetoácidos, el ácido pirúvico también puede tautomerizarse de su forma cetona a su forma enólica, que contiene un doble enlace y un alcohol. Esto es particularmente importante en el último paso de la glucólisis.

Otros α-cetoácidos involucrados en la respiración celular incluyen ácido oxaloacético, ácido α-cetoglutárico y ácido oxalosuccínico.

Generación de piruvato

El piruvato se genera mediante dos métodos principales: a través de la vía glucolítica y mediante el metabolismo de los aminoácidos. Si bien las proteínas suministran casi el 10% de las necesidades energéticas del cuerpo, solo algunos aminoácidos se canalizan a través del piruvato hacia la maquinaria respiratoria celular. Los que lo hacen se clasifican como aminoácidos glucogénicos, mientras que otros que generan acetil-CoA o acetoacetato se clasifican como aminoácidos cetogénicos. El lactato producido por fermentación anaeróbica también puede regenerar piruvato, especialmente a través de la actividad de enzimas en el hígado. Otras fuentes menores incluyen los intermedios del ciclo del ácido cítrico.

Glucólisis

La glucólisis comienza con el monosacárido de seis carbonos, la glucosa. En los primeros pasos de esta vía bioquímica, la glucosa sufre fosforilación e isomerización para producir fructosa-6-fosfato. Otra reacción de fosforilación facilita la división de este azúcar hexosa en dos moléculas de 3 carbonos: fosfato de gliceraldehído (G3P) y fosfato de dihidroxiacetona (DHAP). Estos pasos iniciales requieren la entrada de energía y utilizan dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, pero dan como resultado la transformación principal de una hexosa en dos moléculas de triosa.

Las imágenes muestran las estructuras químicas de G3P y DHAP. Estos isómeros se pueden interconvertir, especialmente mediante catálisis mediada por enzimas.

A partir de entonces, G3P se convierte en ácido pirúvico, que existe como su base conjugada a concentración fisiológica y pH. Este proceso ocurre a través de un conjunto de cinco reacciones bioquímicas, liberando dos moléculas de ATP y una molécula de NADH por cada molécula de G3P.

La penúltima molécula de esta cadena de reacciones se llama piruvato de fosfoenol (PEP). PEP es el éster fosforilado del piruvato en su forma enol isomérica. La PEP pierde un grupo fosfato para generar piruvato y la fracción fosfato liberada se transfiere a ADP, formando ATP. Esta reacción es catalizada por una enzima llamada piruvato quinasa (PK). La reacción forma uno de los pasos limitantes de la glucólisis que puede determinar la velocidad de reacción general, ya que es una de las reacciones más lentas de la cadena. Para todos los propósitos prácticos, es irreversible, a diferencia de la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas, especialmente porque el piruvato a menudo se mueve rápidamente a las mitocondrias o se fermenta para formar lactato. Cuando es necesario generar glucosa a partir de fuentes que no son carbohidratos ( gluconeogénesis), por ejemplo, el cambio de concentraciones de reactivos y productos no induce a la PK a catalizar la reacción inversa, formando PEP a partir de piruvato. De hecho, durante la gluconeogénesis, la PK se desactiva mediante la fosforilación y la PEP se desvía hacia una cascada de reacciones diferente.

Metabolismo de aminoácidos

Se pueden metabolizar seis aminoácidos principales para producir piruvato: alanina, cisteína, serina, glicina, treonina y triptófano. De estos, la alanina y la serina tienen tres átomos de carbono y, por lo tanto, son los más fáciles de transformar. Estas reacciones involucran una sola enzima que esencialmente cataliza el reemplazo del grupo funcional amina por una cetona. Las enzimas también se denominan transaminasas por este motivo. La cisteína, aunque también contiene tres átomos de carbono, debe someterse a un paso adicional para eliminar el átomo de azufre.

La glicina, por otro lado, tiene solo dos átomos de carbono. Por lo tanto, primero se convierte en un aminoácido de tres carbonos, la serina, antes de someterse a desaminación. La acción de la enzima serina deshidratasa luego cataliza su conversión en piruvato. En una estrategia similar, tres grupos alquilo del triptófano se convierten primero en alanina antes de transformarse en una molécula de piruvato mediante la acción de la enzima alanina transaminasa. La treonina sigue un camino aún más largo, primero se convierte en glicina y luego en serina antes de actuar sobre la serina deshidratasa.

Funciones del piruvato

La función principal de la molécula es actuar como la molécula de transporte que transporta los átomos de carbono a las mitocondrias para la oxidación completa a dióxido de carbono. Al final de la glucólisis en el citoplasma, las moléculas de piruvato generadas a partir de glucosa se transportan a la matriz de las mitocondrias a través de dos proteínas: Portadores de piruvato mitocondrial 1 y 2 (MPC1, MPC2). Dentro de la matriz de las mitocondrias, un importante complejo multienzimático llamado complejo piruvato deshidrogenasa (PDC) cataliza las reacciones de descarboxilación y oxidación para generar acetil coenzima A (acetil-CoA).

La primera enzima de este complejo se llama piruvato deshidrogenasa y elimina el grupo ácido carboxílico (descarboxila) la molécula. El resultado de esta reacción deja una molécula de dos carbonos que contiene un grupo metilo y un grupo carbonilo. La segunda y tercera enzimas de PDC luego oxidan el carbono carbonilo y catalizan un enlace covalente a CoA a través de un enlace tioéster. Este enlace tioéster se puede hidrolizar con la liberación de energía. De hecho, la hidrólisis de este enlace libera más energía que la conversión de ATP en ADP y, por lo tanto, también proporciona el impulso inicial para los primeros pasos del ciclo del ácido cítrico.

Recientemente, se ha llamado la atención sobre el papel de las moléculas de piruvato para influir en la acetilación de las moléculas de histonas en todo el genoma. La acetilación de histonas es una modificación epigenética que puede cambiar la actividad transcripcional general de la célula, así como influir en el ciclo celular y la mitosis. Esta modificación de histona requiere la presencia de acetil-CoA. La acetil-coA también se genera a través de PDC en el núcleo, mediante el transporte de todo el complejo enzimático desde las mitocondrias hasta el núcleo. La concentración de este complejo en el núcleo depende del ciclo celular, el ambiente externo y la disponibilidad de factores de crecimiento y nutrientes. En ausencia de suficiente actividad de PDC, la transición de la célula hacia la mitosis (específicamente, la síntesis de ADN durante la fase S) se ve obstaculizada.

Otra enzima asociada con el metabolismo del piruvato que también está presente en el núcleo es la piruvato quinasa, la enzima involucrada en la última reacción de la glucólisis, que genera piruvato a partir de PEP. Esta quinasa juega un papel interesante dentro del núcleo, fosforilando proteínas nucleares utilizando la propia PEP como donante de fosfato. Esto, a su vez, conduce a la generación de piruvato, que el PDC puede utilizar para crear acetil-CoA. La fosforilación de residuos clave en histonas también mejora su acetilación, nuevamente un paso crucial en la progresión de la célula desde la fase G1 a la fase S del ciclo celular.

Si no es posible la respiración aeróbica, el piruvato se puede fermentar a lactato en el citoplasma para generar NADH y, por lo tanto, aumentar la disponibilidad de ATP para la célula. La enzima involucrada en la fermentación del piruvato también puede catalizar la reacción inversa, formando piruvato a partir de lactato. Esto es particularmente importante en las células del hígado, donde es un proceso esencial durante el período de recuperación después del ejercicio.

Además, el piruvato funciona como uno de los puntos de partida para la gluconeogénesis, lo que permite que la célula genere glucosa a partir de fuentes que no son carbohidratos. Este proceso es importante para el funcionamiento del cerebro durante el ayuno, ya que los tejidos del cerebro utilizan la glucosa como fuente de energía primaria. El piruvato también está implicado en la generación de aminoácidos no esenciales, así como en muchas vías bioquímicas que involucran el metabolismo de los lípidos.

Hexosa: monosacárido que contiene seis átomos de carbono, como glucosa o fructosa.
Quinasa: enzima que cataliza la transferencia de un grupo fosfato (generalmente de ATP) a otra molécula.
Reacciones que limitan la velocidad: los pasos más lentos en las vías metabólicas que determinan la velocidad de todas las demás reacciones en la vía.
Tautómero: isómeros que existen juntos en equilibrio, con la migración de un átomo o grupo funcional dentro de la molécula que ocurre con frecuencia.
Triosa: monosacárido que contiene tres átomos de carbono, como gliceraldehído.