Regulación del ciclo TCA y glucólisis por nucleótidos de adenina

Resumen

La glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo TCA) son procesos distintos que no están necesariamente vinculados secuencialmente. Por lo tanto, no sorprende que sus modos de regulación no sean idénticos y, de hecho, impliquen una regulación mucho más compleja que la mencionada en la pregunta. El uso de AMP en lugar de ADP como sensor de déficit de energía depende de la acción de la adenilato quinasa, que puede diferir entre el citoplasma y la mitocondria.

Relación entre la glucólisis y el ciclo TCA

La expectativa evidente en la pregunta de que la glucólisis y el ciclo TCA deben controlarse exactamente de la misma manera supone que los dos procesos están inextricablemente vinculados o al menos que el funcionamiento del ciclo TCA depende del de la glucólisis. Este no es el caso, aunque se puede disculpar al estudiante esta impresión errónea por la forma (quizás inevitable) en que los temas se tratan generalmente de manera secuencial en los libros de texto de bioquímica.

La función principal de la glucólisis es producir ATP directamente a partir de ADP. El producto final de la ruta, el piruvato, se convierte en algunas circunstancias en acetil CoA para el ciclo TCA, y el NADH generado se utiliza para la producción de ATP a través de la cadena de transporte de electrones (etc.) y la fosforilación oxidativa. Sin embargo, el piruvato tiene una variedad de otros posibles destinos según el tipo de organismo o, en organismos superiores, el tejido y sus requisitos metabólicos generales. Por ejemplo, en el metabolismo anaeróbico, incluido el ejercicio del tejido muscular mencionado en el póster, el piruvato puede reducirse mediante reacciones que regeneran NAD ⁺de NADH, por ejemplo, conversión a lactato. Puede servir como precursor de los aminoácidos alanina, valina y leucina. También se puede convertir en la reacción catalizada por la carboxilasa pirúvica en oxaloacetato, el intermediario clave que permite que la acetil CoA entre en el ciclo del TCA. La importancia de la síntesis directa de oxaloacetato de esta manera es que permite la continuación del ciclo cuando los intermedios se usan con fines sintéticos (discutidos más adelante), en cuyas circunstancias el oxaloacetato se agota.

En cuanto al ciclo TCA , existen fuentes de acetil CoA distintas al piruvato producido por la glucólisis, y tiene funciones distintas a la generación de energía. Acetil CoA puede surgir de la descomposición de ácidos grasos y de ciertos aminoácidos. En organismos multicelulares, el piruvato también se puede producir a partir del lactato tomado de la sangre, aunque en las células del hígado es probable que se use para la gluconeogénesis. Y ciertas bacterias, bacterias del ácido acético como Acetobacter, pueden utilizar el etanol producido por la fermentación en el ciclo TCA. Además de su función en la generación de energía, algunos de sus intermedios (α-cetoglutarato, succinil CoA y oxaloacetato) son precursores de rutas biosintéticas., y la producción de citrato a partir de acetil CoA es un medio para transferir este último fuera de la mitocondria, donde se reconvierte en acetil CoA mediante la enzima de escisión del citrato (ATP citrato liasa).

Por lo tanto, no sorprende que haya diferencias en la regulación de la glucólisis y el ciclo TCA y, de hecho, que haya diferencias entre diferentes organismos, algo que generalmente no se menciona en los textos elementales.

Regulación de la glucólisis

La función principal de la glucólisis es la generación directa de ATP ("a nivel de sustrato"), y el flujo de glucosa a través de ella está controlado por los efectos reguladores de ATP (–ve) y AMP (+ve) sobre la fosfofructoquinasa, que fue establecido y racionalizado por DE Atkinson (Biochemistry 1968, 7, 11, 4030-4034) en términos de una respuesta a la carga de energía global del sistema.

Esto surge de la capacidad de la adenilato quinasa para reconvertir ADP en ATP:

               2ADP → ATP + AMP

[de Atkinson y Walton (1967) J. Biol. química 242 3239–3241]

Se puede ver que AMP es un indicador mucho mejor de carga de baja energía que ADP en las circunstancias representadas en el gráfico anterior.

El citrato también es un efector negativo de la enzima, proporcionando coordinación entre la glucólisis y el ciclo TCA. (La regulación hormonal a través de la fosforilación de proteínas ocurre en los tejidos de los eucariotas superiores).

Regulación de la conversión de piruvato a acetil CoA

Para entrar en el ciclo del TCA, el complejo de piruvato deshidrogenasa debe convertir el piruvato en acetil CoA. La regulación de esta enzima determina el grado en que esto ocurre y, por lo tanto, el grado en que el piruvato es metabolizado por otros procesos. Los reguladores negativos aquí son altas concentraciones de los productos de reacción, acetil CoA y NADH, aunque en eucariotas superiores es importante la fosforilación de proteínas inducida por hormonas.

Regulación del ciclo TCA

Luego, la primera enzima reguladora del ciclo TCA, la isocitrato deshidrogenasa, responde a la concentración de las moléculas clave involucradas en la fosforilación oxidativa: es estimulada por ADP y ⁺ , e inhibida por ATP y NADH. Vale la pena reflexionar sobre las consecuencias de la inhibición. Si se produce una acumulación de citrato, esto puede retroalimentar e inhibir la fosfofructoquinasa en la glucólisis. Sin embargo, el citrato puede pasar al citoplasma de los eucariotas y convertirse en acetil CoA (para la síntesis de ácidos grasos) mediante la enzima de escisión del citrato, que es estimulada por el ATP e inhibida por el ADP.

Una etapa reguladora posterior es la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que es inhibida por ATP, NADH y su producto, succinil CoA. La inhibición de esta enzima permitiría la acumulación de α-cetoglutarato, que es un precursor de varios aminoácidos.

Esta la existencia de varios pasos reguladores en la oxidación del piruvato y el ciclo TCA permite el uso del ciclo para la generación de energía y como fuente de precursores sintéticos. Por lo tanto, debería ser evidente por qué su control es similar al de la glucólisis en algunos aspectos, pero presenta diferencias clave.

[Berg et al. Bioquímica 5ª ed, Figura 17.18]

Pero, ¿por qué AMP no es una molécula reguladora en el ciclo TCA?

La glucólisis y el ciclo de TCA no necesitan marchar al mismo tiempo, aunque cuando ambos responden a la necesidad de ATP, sus enzimas clave están reguladas por nucleótidos de adenina, entre otras moléculas. La pregunta original (o una modificación de la misma) sigue siendo por qué el AMP es un efector positivo de la fosfofructocinasa, pero no de la isocitrato deshidrogenasa, que responde al ADP. Es interesante que en la sección de Berg et al. Al discutir el concepto de carga de energía, se agrega un anexo bastante cojo sin mayor explicación en el sentido de que la relación ATP/ADP también puede actuar como un índice del estado de energía.

No lo sé con certeza , pero sospecho que las condiciones bajo las cuales la ecuación de Atkinson para la carga de energía es válida no se cumplen en la mitocondria. Esto es apoyado por Sobol et al. (1978) Eur J. Biochem. 87 377–390quienes encontraron que las concentraciones de AMP en las mitocondrias del hígado de rata eran mucho más bajas de lo que se esperaría del equilibrio con ATP y ADP a través de la reacción de la adenilato quinasa. Sugirieron que la reacción adicional de AMP con GTP en la mitocondria podría ser responsable y también citaron informes de que la adenilato quinasa estaba ausente de la matriz de las mitocondrias del hígado de rata. Al menos en hígado de rata, esto explicaría que AMP no sería una molécula reguladora útil, mientras que la relación ATP/ADP sería indicativa del requerimiento para la fosforilación oxidativa.