Фосфоенолпируваткарбоксилаза - Phosphoenolpyruvate carboxylase

Фосфоенолпируваткарбоксилаза
PEP Carboxylase Structure.png
одиночная субъединичная структура фосфоенолпируват (PEP) карбоксилазы (генерируемая PyMOL)]
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.1.31
Количество CAS9067-77-0
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Фосфоенолпируваткарбоксилаза
Идентификаторы
СимволPEPcase
PfamPF00311
ИнтерПроIPR001449
PROSITEPDOC00330
SCOP21fiy / Объем / СУПФАМ

Фосфоенолпируваткарбоксилаза (также известен как Карбоксилаза PEP, PEPCase, или же PEPC; EC 4.1.1.31, PDB ID: 3ZGE) является фермент в семье карбокси-лиазы содержится в растениях и некоторых бактериях, которые катализируют добавление бикарбонат (HCO3−) к фосфоенолпируват (PEP) с образованием четырехуглеродного соединения оксалоацетат и неорганические фосфат:[1]

PEP + HCO3− → оксалоацетат + Pi

Эта реакция используется для фиксация углерода в CAM (метаболизм крассулоидной кислоты) и C4 организмов, а также для регулирования поток сквозь цикл лимонной кислоты (также известен как Кребс или же TCA цикл) у бактерий и растений. Структура фермента и его двухступенчатый каталитический необратимый механизм хорошо изучены. PEP-карбоксилаза сильно регулируется как фосфорилирование и аллостерия.

Структура фермента

Фермент PEP-карбоксилаза присутствует в растениях и некоторых типах бактерий, но не в грибах или животных (включая человека).[2] Гены у разных организмов различаются, но строго консервированный вокруг активный и аллостерические сайты обсуждается в разделах о механизмах и правилах. Третичная структура фермента также сохраняется.[3]

Кристаллическая структура карбоксилазы PEP в нескольких организмах, включая Zea Mays (кукуруза) и кишечная палочка был определен.[3] В целом фермент существует в виде димера-димера: две идентичные субъединицы тесно взаимодействуют с образованием димера через солевые мостики между аргинин (R438 - точное положение может варьироваться в зависимости от происхождения гена) и глютаминовая кислота (E433) остатки.[4] Этот димер собирается (более свободно) с другим в своем роде с образованием комплекса из четырех субъединиц. Мономерные субъединицы в основном состоят из альфа спирали (65%),[1] и имеют массу 106 кДа каждый.[5] Длина последовательности около 966 аминокислоты.[6]

Активный центр фермента полностью не охарактеризован. Он включает консервированный аспарагиновая кислота (D564) и глютаминовая кислота (E566) остаток, нековалентно связывающий двухвалентный металл кофактор ион через карбоновая кислота функциональные группы.[1] Этот ион металла может быть магний, марганец или же кобальт в зависимости от организма,[1][2] и его роль заключается в координации молекулы фосфоенолпирувата, а также промежуточных продуктов реакции. А гистидин Считается, что остаток (H138) в активном центре облегчает перенос протона во время каталитического механизма.[1][4]

Ферментный механизм

Механизм действия карбоксилазы PEP хорошо изучен. Ферментативный механизм образования оксалоацетат очень экзотермический и тем самым необратимый; биологический Свободная энергия Гиббса изменение (△ G ° ’) составляет -30 кДжмоль−1.[1] В субстраты и кофактор связываются в следующем порядке: металлический кофактор (либо Co2+, Mg2+, или Mn2+), PEP, бикарбонат (HCO3−).[1][2] Механизм состоит из двух основных этапов, как описано ниже и показано на рисунке 2:

Рисунок 2: ферментативный механизм фосфоенолпирувата (PEP) карбоксилазы, превращающий бикарбонат и PEP в оксалоацетат и фосфат.
  1. Бикарбонат действует как нуклеофил атаковать фосфат группа в PEP. Это приводит к расщеплению PEP на карбоксифосфат и (очень реактивный) энолировать форма пируват.
  2. Перенос протона происходит на карбоксифосфате. Скорее всего, это модулируется гистидин Остаток (H138), который сначала депротонирует карбоксильную сторону, а затем, как кислота, протонирует фосфатную часть.[1] Затем карбоксифосфат экзотермически разлагается на углекислый газ и неорганический фосфат, что делает эту реакцию необратимой. Наконец, после разложения диоксид углерода подвергается атаке енолята с образованием оксалоацетата.[1][2][7]

Металлический кофактор необходим для координации промежуточных продуктов енолята и диоксида углерода; сотрудничество2 молекула теряется только в 3% случаев.[2] Активный сайт гидрофобный исключать воды, так как промежуточный карбоксифосфат чувствителен к гидролиз.[1]

Функция

Три наиболее важные роли, которые карбоксилаза PEP играет в метаболизме растений и бактерий, - это C4 цикл, то CAM цикл, а цикл лимонной кислоты поток биосинтеза.

Основной механизм ассимиляции углекислого газа в растениях осуществляется через фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа (также известный как RuBisCO ), что добавляет CO2 к рибулозо-1,5-бисфосфат (5 углеродных сахаров), чтобы сформировать две молекулы 3-фосфоглицерат (2x3 углеродных сахара). Однако при более высоких температурах и более низком уровне CO2 концентрации, RuBisCO добавляет кислород вместо углекислого газа, чтобы образовать непригодный продукт гликолят в процессе, называемом фотодыхание. Чтобы предотвратить этот расточительный процесс, растения увеличивают локальный выброс CO.2 концентрация в процессе, называемом C4 цикл.[3][8] Карбоксилаза PEP играет ключевую роль в связывании CO2 в виде бикарбонат с PEP для создания оксалоацетата в ткань мезофилла. Затем он преобразуется обратно в пируват (через малат промежуточный), чтобы высвободить CO2 в более глубоком слое связка клеток оболочки для фиксации углерода RuBisCO и Цикл Кальвина. Пируват снова превращается в PEP в клетках мезофилла, и цикл начинается снова, таким образом активно перекачивая CO.2.[2][9][10]

Второе важное и очень похожее биологическое значение PEP-карбоксилазы заключается в CAM цикл. Этот цикл характерен для организмов, живущих в засушливых местах обитания. Заводы не могут позволить себе открыться устьица в течение дня принимать CO2, так как они потеряют слишком много воды испарение. Вместо этого устьица открываются ночью, когда испарение воды минимально, и поглощают CO.2 путем фиксации с помощью PEP, чтобы сформировать оксалоацетат через карбоксилазу PEP. Оксалоацетат превращается в малат к малатдегидрогеназа, и хранится для использования в течение дня, когда светозависимая реакция генерирует энергию (в основном в виде АТФ ) и уменьшающие эквиваленты Такие как НАДФН запустить Цикл Кальвина.[2][3][10]

В-третьих, карбоксилаза PEP играет важную роль в нефотосинтетических метаболических путях. На рисунке 3 показан этот метаболический поток (и его регуляция). Похожий на пируваткарбоксилаза, Карбоксилаза PEP восполняет оксалоацетат в цикле лимонной кислоты. В конце гликолиз, PEP преобразуется в пируват, который превращается в ацетил-кофермент-A (ацетил-КоА ), который входит в цикл лимонной кислоты, реагируя с оксалоацетатом с образованием цитрат. Чтобы увеличить поток через цикл, часть PEP превращается в оксалоацетат с помощью PEP-карбоксилазы. Поскольку промежуточные соединения цикла лимонной кислоты обеспечивают центр метаболизма, увеличение потока важно для биосинтез многих молекул, таких как, например, аминокислоты.[11]

Регулирование

Рисунок 3: Пути регуляции фосфоенолпирувата (PEP) карбоксилазы

PEP-карбоксилаза в основном регулируется двумя уровнями: фосфорилирование и аллостерия. На рисунке 3 представлена ​​схема регуляторного механизма.

Фосфорилирование фосфоенолпируваткарбоксилазой киназа включает фермент, тогда как фосфоенолпируваткарбоксилаза фосфатаза отключает его обратно. И киназа, и фосфат регулируются транскрипция. Далее считается, что малат действует как обратная связь ингибитор уровней экспрессии киназы и в качестве активатора экспрессии фосфатазы (транскрипции).[12] Поскольку оксалоацетат превращается в малат в CAM и C4 В организмах высокие концентрации малата активируют экспрессию фосфатазы - фосфатаза впоследствии де-фосфорилирует и, таким образом, деактивирует PEP-карбоксилазу, что приводит к прекращению накопления оксалоацетата и, следовательно, к дальнейшему превращению оксалоацетата в малат. Следовательно, производство малата снижается.[1][12]

Главный аллостерические ингибиторы карбоксилазы PEP являются карбоновые кислоты малат (слабый) и аспартат (сильный).[5][12] Поскольку малат образуется на следующем этапе CAM и C4 циклов после того, как карбоксилаза PEP катализирует конденсацию CO2 и PEP в оксалоацетат, это работает как путь ингибирования с обратной связью. Оксалоацетат и аспартат легко взаимопревращаются через трансаминаза механизм; таким образом, высокие концентрации аспартата также являются путем ингибирования PEP-карбоксилазы по принципу обратной связи.

Основными аллостерическими активаторами PEP карбоксилазы являются: ацетил-КоА[13] и фруктозо-1,6-бисфосфат (Ф-1,6-БП).[1][13] Обе молекулы являются индикаторами повышенного гликолиз уровни, и, следовательно, положительная связь эффекторы карбоксилазы ПЭП. Они сигнализируют о необходимости производства оксалоацетата, чтобы обеспечить больший поток через цикл лимонной кислоты. Дополнительно увеличено гликолиз означает, что доступен больший запас PEP, и, следовательно, большая емкость для связывания CO2 в транспорте к Цикл Кальвина. Также примечательно, что отрицательный эффекторы аспартат конкурирует с положительным эффектором ацетил-КоА, предполагая, что они имеют общий аллостерический сайт связывания.[14]

Исследования показали, что такие эквиваленты энергии, как AMP, ADP и АТФ не оказывают значительного влияния на карбоксилазу PEP.[15]

Величина аллостерических эффектов этих различных молекул на активность карбоксилазы PEP зависит от отдельных организмов.[16]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Кай Й, Мацумура Х, Изуи К. (июнь 2003 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза: трехмерная структура и молекулярные механизмы». Архивы биохимии и биофизики. 414 (2): 170–9. Дои:10.1016 / S0003-9861 (03) 00170-X. PMID  12781768.
  2. ^ а б c d е ж грамм Чолле Р., Видал Дж., О'Лири М. Х. (июнь 1996 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза: повсеместный строго регулируемый фермент в растениях». Ежегодный обзор физиологии растений и молекулярной биологии растений. 47 (1): 273–298. Дои:10.1146 / annurev.arplant.47.1.273. PMID  15012290.
  3. ^ а б c d Паулюс Дж. К., Шлипер Д., Грот Г. (2013). «Повышение эффективности фотосинтетической фиксации углерода за счет единственной аминокислотной замены». Nature Communications. 4 (2): 1518. Дои:10.1038 / ncomms2504. ЧВК  3586729. PMID  23443546.
  4. ^ а б Кай Й, Мацумура Х, Иноуэ Т, Терада К., Нагара Й, Йошинага Т, Кихара А, Цумура К., Изуи К. (февраль 1999 г.). «Трехмерная структура фосфоенолпируваткарбоксилазы: предлагаемый механизм аллостерического ингибирования». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 96 (3): 823–8. Дои:10.1073 / пнас.96.3.823. ЧВК  15309. PMID  9927652.
  5. ^ а б Гонсалес Д.Х., Иглесиас А.А., Андрео С.С. (февраль 1986 г.). «Активно-направленное ингибирование фосфоенолпируваткарбоксилазы из листьев кукурузы бромпируватом». Архивы биохимии и биофизики. 245 (1): 179–86. Дои:10.1016/0003-9861(86)90203-1. PMID  3947097.
  6. ^ PDB: 3ZGE​; Паулюс Дж. К., Шлипер Д., Грот Г. (19 апреля 2018 г.). «Повышение эффективности фотосинтетической фиксации углерода за счет единственной аминокислотной замены». Nature Communications. 4: 1518. Дои:10.1038 / ncomms2504. ЧВК  3586729. PMID  23443546.
  7. ^ Фудзита Н., Изуи К., Нишино Т., Кацуки Х. (апрель 1984 г.). «Механизм реакции фосфоенолпируваткарбоксилазы. Бикарбонат-зависимое дефосфорилирование фосфоенол-альфа-кетобутирата». Биохимия. 23 (8): 1774–9. Дои:10.1021 / bi00303a029. PMID  6326809.
  8. ^ Leegood RC (май 2007 г.). «Желанное развлечение от фотодыхания». Природа Биотехнологии. 25 (5): 539–40. Дои:10.1038 / nbt0507-539. PMID  17483837.
  9. ^ Хэтч МД (2002 г.). «C (4) фотосинтез: открытие и разрешение». Фотосинтез Исследования. 73 (1–3): 251–6. Дои:10.1023 / А: 1020471718805. PMID  16245128.
  10. ^ а б Кили Дж. Э., Рундель П. В. (2003). «Эволюция механизмов CAM и C4Carbon-Concentrating». Международный журнал наук о растениях. 164 (S3): S55 – S77. Дои:10.1086/374192.
  11. ^ Казинс А.Б., Бароли И., Барсук М.Р., Иваков А., Леа П.Дж., Лигуд Р.К., фон Каммерер С. (ноябрь 2007 г.). «Роль фосфоенолпируваткарбоксилазы во время фотосинтетического изотопного обмена C4 и устьичной проводимости». Физиология растений. 145 (3): 1006–17. Дои:10.1104 / стр.107.103390. ЧВК  2048775. PMID  17827274.
  12. ^ а б c Nimmo HG (февраль 2000 г.). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы в САМ растениях». Тенденции в растениеводстве. 5 (2): 75–80. Дои:10.1016 / S1360-1385 (99) 01543-5. PMID  10664617.
  13. ^ а б Морикава М., Изуи К., Тагучи М., Кацуки Х. (февраль 1980 г.). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы Escherichia coli с помощью множества эффекторов in vivo. Оценка активности клеток, выращенных на различных соединениях». Журнал биохимии. 87 (2): 441–9. Дои:10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a132764. PMID  6987214.
  14. ^ Смит Т.Э. (апрель 1970 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза Escherichia coli: конкурентное регулирование ацетил-коферментом А и аспартатом». Архивы биохимии и биофизики. 137 (2): 512–22. Дои:10.1016/0003-9861(70)90469-8. PMID  4909168.
  15. ^ Кумбс Дж., Мо С.Л., Болдри К.В. (декабрь 1974 г.). «Метаболическая регуляция фотосинтеза C4: PEP-карбоксилаза и энергетический заряд». Planta. 117 (4): 279–92. Дои:10.1007 / BF00388023. PMID  24458459.
  16. ^ Шуллер К.А., Плэкстон В.С., Терпин Д.Х. (август 1990 г.). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы из зеленой водоросли Selenastrum minutum: свойства, связанные с восполнением промежуточных звеньев цикла трикарбоновых кислот во время ассимиляции аммония». Физиология растений. 93 (4): 1303–11. Дои:10.1104 / стр.93.4.1303. ЧВК  1062672. PMID  16667617.