| Phosphoenolpyruvat carboxylase | |
|---|---|
| En PEP-carboxylasemonomer fra Flaveria trinervia . | |
| Identifikatorer | |
| Kode KF | 4.1.1.31 |
| CAS nummer | 9067-77-0 |
| Enzymdatabaser | |
| IntEnz | IntEnz visning |
| BRENDA | BRENDA indgang |
| ExPASy | NiceZyme udsigt |
| MetaCyc | metabolisk vej |
| KEGG | KEGG indgang |
| PRIAM | profil |
| FBF strukturer | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Gen-ontologi | AmiGO • EGO |
| Søg | |
| PMC | artikler |
| PubMed | artikler |
| NCBI | NCBI proteiner |
| CAS | 9067-77-0 |
Phosphoenolpyruvat carboxylase ( PEP-carboxylase ) er et enzym i carboxylasefamilien , der forekommer i planter og nogle bakterier . Det katalyserer tilsætningen af bicarbonat (HCO 3 - ) til phosphoenolpyruvat (PEP) med dannelsen af en fire-carbon forbindelse af oxaloacetat og uorganisk phosphat [1] :
PEP + HCO3 − → oxaloacetat + F nDette er den første reaktion af carbonfiksering i CAM ( crassulacean acid metabolism ) og C 4 planter, såvel som en af de anaplerotiske reaktioner i tricarboxylsyrecyklussen i bakterier og planter. Enzymets struktur såvel som dets to-trins katalytiske mekanisme er godt undersøgt. PEP-carboxylaseaktivitet er stramt kontrolleret og reguleret både ved phosphorylering og allosterisk.
PEP-carboxylase er til stede i planter og nogle bakteriearter, men fraværende i svampe eller dyr (inklusive mennesker) [2] . Nukleotidsekvensen af genet for dette enzym adskiller sig mellem organismer, men enzymets aktive sted og de allosteriske bindingssteder, der er nødvendige for dets regulering , er altid bevaret . Dens tertiære struktur forbliver også konservativ [3] .
Krystalstrukturen af PEP-carboxylase er blevet bestemt for flere organismer, herunder Zea maysa (majs) og Escherichia coli [3] . Enzymet eksisterer som en dimer af dimerer: to identiske underenheder binder sig til at danne en dimer gennem saltbroer mellem arginin (R438 - den nøjagtige position kan variere afhængigt af genets oprindelse) og glutaminsyre (E433) [4] . Denne dimer binder igen til en anden dimer og sammen danner de et kompleks af fire underenheder. Hver underenhed består hovedsageligt af alfa-helixer (65%) [1] , har en masse på 106 kDa [5] og består af cirka 966 aminosyrer [6] .
Det aktive sted for enzymet er ikke blevet fuldstændigt karakteriseret. Det inkluderer konserverede rester af asparaginsyre (D564) og glutaminsyre (E566), som ikke-kovalent binder den divalente kation gennem deres carboxylgrupper [1] . Afhængigt af organismen kan dette være en magnesium- , mangan- eller koboltion [1] [2] , dens rolle er at koordinere phosphoenolpyruvat (PEP)-molekylet og reaktionsmellemprodukterne. Histidinresten ( H138 ) i det aktive sted menes at tjene til at bære protonen i katalyse [1] [4] .
Mekanismen for PEP-carboxylasekatalyse er ret godt forstået. Reaktionen til dannelse af oxaloacetat er meget eksoterm og derfor irreversibel; ændringen i Gibbs energi for denne proces (△G°') er -30 kJ/mol [1] . Substratet og cofaktoren binder i følgende rækkefølge: metalion (Co 2+ , Mg 2+ eller Mn 2+ ), FEP og bicarbonat (HCO 3 − ) [1] [2] . Reaktionen forløber i to hovedtrin, som beskrevet nedenfor og vist i diagrammet:
1. Bicarbonat fungerer som en nukleofil og angriber phosphatgruppen i PEP. Dette resulterer i nedbrydning af PEP til carboxyphosphat (den aktiverede form af CO 2 ) og den meget reaktive enolform af pyruvat .
2. En proton overføres til carboxyfosfatet. Denne proces involverer histidinresten (H138), som først spalter en proton fra carboxylgruppen og derefter, ligesom en syre, overfører den til fosfatet [1] . Derefter nedbrydes carboxyfosfatet til kuldioxid og uorganisk fosfat med frigivelse af energi, hvilket gør reaktionen irreversibel. Endelig angribes kuldioxid af enolat, hvilket resulterer i dannelsen af oxaloacetat [1] [2] [7] .
Den divalente kation koordinerer enolatet og carbondioxidet under reaktionen; CO 2 -molekylet går kun tabt i 3 % af tilfældene [2] . Enzymets aktive sted er hydrofobt og uigennemtrængeligt for vand , da carboxyfosfat hydrolyseres ret let [1] .
PEP-carboxylase udfører tre hovedfunktioner:
Den vigtigste mekanisme for kuldioxid-assimilering af planter sker gennem enzymet ribulose-1,5-diphosphatcarboxylase-oxygenase ( Rubisco ), som tilføjer CO 2 til ribulose-1,5-diphosphat (fem-kulstofsukker) for at danne to molekyler af 3 -phosphoglycerat . Ved høje temperaturer og lav CO 2 -koncentration tilføjer Rubisco imidlertid oxygen i stedet for kuldioxid, hvilket fører til dannelsen af et metabolisk inert glykolatprodukt , som genanvendes i processen med fotorespiration . For at forhindre denne ubrugelige proces kan planter øge den lokale koncentration af CO 2 gennem C 4 fotosyntese [3] [8] . PEP-carboxylase spiller en nøglerolle i fiksering af CO 2 som bicarbonatanion og kombinerer det med PEP for at skabe oxaloacetat i mesofylvæv . Oxaloacetatet omdannes derefter tilbage til pyruvat (via malat ) for at frigive CO2 i det dybere kappelag af det ledende bundt , hvor kuldioxid fikseres af Rubisco i Calvin-cyklussen. Pyruvat omdannes tilbage til PEP i mesofylceller, og cyklussen starter igen. Der er således en aktiv koncentration af CO 2 [2] [9] [10] .
Den anden vigtige og meget lignende funktion af PEP-carboxylase er deltagelse i CAM-fotosyntese. Denne metaboliske vej er almindelig hos planter, der lever i tørre levesteder. Planter kan ikke tillade, at deres stomata åbner sig i løbet af dagen for at absorbere CO2 , da for meget vand går tabt gennem transpiration . I stedet åbner stomata sig om natten, når vandfordampningen er på et minimum, CO 2 bindes ved fiksering med PEP-carboxylase i form af oxaloacetat . Oxaloacetat omdannes derefter til malat af enzymet malatdehydrogenase og deponeres i vakuolen , og bruges derefter i løbet af dagen, når lysreaktioner genererer nok energi (hovedsageligt i form af ATP ) og reducerende ækvivalenter ( NADPH ) til at drive Calvin-cyklussen [2] [3] [10] .
Den tredje funktion af PEP-carboxylase er ikke forbundet med fotosyntese. Ligesom pyruvatcarboxylase genopbygger PEP-carboxylase poolen af oxaloacetat i tricarboxylsyrecyklussen. PEP dannet under glykolyse omdannes til pyruvat , som omdannes til acetyl-CoA og kommer ind i TCA, hvor det interagerer med oxaloacetat og danner citrat . For at øge strømmen af stof gennem cyklussen omdannes en del af PEP'et til oxaloacetat af PEP-carboxylasen, hvilket genopbygger oxaloacetatet, der pumpes ud af cyklussen til syntese af cellebiomolekyler. TCA er en central metabolisk vej, så en stigning i strømmen af stoffer, der passerer gennem den, er vigtig for biosyntesen af mange molekyler, såsom aminosyrer [11] .
PEP-carboxylase reguleres på to måder: gennem phosphorylering og allosterisk. Figuren på siden viser et diagram over reguleringsmekanismen.
Fosforylering af phosphoenolpyruvat carboxylase kinase aktiverer enzymet, mens PEP carboxylase phosphatase reducerer dets aktivitet . Både kinase og phosphatase reguleres på transkriptionsniveauet . Der er også en opfattelse af, at malat giver feedback i denne proces, hvilket reducerer niveauet af kinaseekspression og øger ekspressionen af fosfatase [12] . Oxaloacetat i CAM- og C 4 - organismer omdannes til malat, hvoraf høje koncentrationer aktiverer ekspressionen af phosphatase, som dephosphorylerer og deaktiverer PEP-carboxylase, hvilket fører til et fald i ophobningen af oxaloacetat, og dermed malat [1] [12] .
De vigtigste allosteriske hæmmere af PEP-carboxylase er carboxylsyrer såsom malat og aspartat [5] [12] . Da malat dannes i det næste trin af CAM- og C 4 -cyklusser, dannes der umiddelbart efter, at PEP-carboxylasen katalyserer kondensationen af CO 2 og PEP til oxaloacetat, en feedback. Både aspartat og oxaloacetat omdannes let til hinanden ved hjælp af transamineringsmekanismen ; således, høje koncentrationer af aspartat feed-back inhibering af PEP carboxylase.
De vigtigste allosteriske aktivatorer af PEP-carboxylase er acetyl-CoA (kun i bakterier) [13] , fructose-1,6-diphosphat [1] [13] og triosephosphater (kun i planter) [14] . Disse molekyler er indikatorer for aktiv glykolyse og signalerer behovet for oxaloacetatproduktion for at øge stofstrømmen gennem citronsyrecyklussen . Derudover betyder en stigning i glykolyse en øget forsyning af PEP og derfor mere acceptor for CO 2 -fiksering og transport til Calvin-cyklussen. Det er også bemærkelsesværdigt, at den negative effektor aspartat konkurrerer med den positive effektor acetyl-CoA , hvilket tyder på, at de deler et fælles bindingssted [15] .
Undersøgelser har vist, at energiækvivalenter som AMP , ADP og ATP ikke har nogen signifikant effekt på PEP-carboxylase [16] .
Størrelsen af den allosteriske indflydelse af disse forskellige molekyler på PEP-carboxylaseaktivitet afhænger af den særlige organisme [17] .