Фосфоенолпируваткарбоксилаза
Класс ферментов
Фосфоенолпируваткарбоксилаза
структура одной субъединицы фосфоенолпируват (PEP) карбоксилазы (сгенерирована PyMOL)]
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.1.31
Номер CAS9067-77-0
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки
Семейство белков
Фосфоенолпируваткарбоксилаза
Идентификаторы
СимволPEPcase
ПфамПФ00311
ИнтерПроIPR001449
ПРОСИТPDOC00330
СКОП21fiy / SCOPe / SUPFAM
Доступные структуры белков:
Пфам  структуры / ECOD  
ПДБRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsumрезюме структуры
ПДБ3ZGE

Фосфоенолпируваткарбоксилаза (также известная как PEP-карбоксилаза , PEPCase или PEPC ; EC 4.1.1.31, PDB ID: 3ZGE) — фермент из семейства карбокси-лиаз, обнаруженный в растениях и некоторых бактериях, который катализирует присоединение бикарбоната ( HCO3− ) к фосфоенолпирувату (PEP) с образованием четырехуглеродного соединения оксалоацетата и неорганического фосфата : [1]

PEP + HCO 3 − → оксалоацетат + Pi

Эта реакция используется для фиксации углерода в CAM (метаболизм крассуловой кислоты) и организмах C 4 , а также для регулирования потока через цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса или цикл TCA ) у бактерий и растений. Структура фермента и его двухступенчатый каталитический, необратимый механизм хорошо изучены. PEP-карбоксилаза строго регулируется как фосфорилированием , так и аллостерией .

Структура фермента

Фермент PEP-карбоксилаза присутствует в растениях и некоторых типах бактерий, но не в грибах или животных (включая человека). [2] Гены различаются между организмами, но строго консервативны вокруг активных и аллостерических участков, обсуждаемых в разделах механизма и регуляции. Третичная структура фермента также консервативна. [3]

Была определена кристаллическая структура PEP-карбоксилазы во многих организмах, включая Zea mays (кукурузу) и Escherichia coli . [3] Весь фермент существует как димер димеров: две идентичные субъединицы тесно взаимодействуют, образуя димер через солевые мостики между остатками аргинина (R438 — точное положение может варьироваться в зависимости от происхождения гена) и глутаминовой кислоты (E433). [4] Этот димер собирается (более свободно) с другим димером своего типа, образуя комплекс из четырех субъединиц. Мономерные субъединицы в основном состоят из альфа-спиралей (65%), [1] и имеют массу 106 кДа каждая. [5] Длина последовательности составляет около 966 аминокислот . [6]

Активный центр фермента не полностью охарактеризован. Он включает в себя консервативный остаток аспарагиновой кислоты (D564) и глутаминовой кислоты (E566), которые нековалентно связывают ион двухвалентного металла- кофактора через функциональные группы карбоновой кислоты . [1] Этот ион металла может быть магнием , марганцем или кобальтом в зависимости от организма, [1] [2] и его роль заключается в координации молекулы фосфоенолпирувата, а также промежуточных продуктов реакции. Считается, что остаток гистидина (H138) в активном центре облегчает перенос протона во время каталитического механизма. [1] [4]

Механизм фермента

Механизм действия PEP-карбоксилазы хорошо изучен. Ферментативный механизм образования оксалоацетата очень экзотермичен и, следовательно, необратим; биологическое изменение свободной энергии Гиббса (△G°') составляет -30 кДж моль −1 . [1] Субстраты и кофактор связываются в следующем порядке: металлический кофактор (либо Co 2+ , Mg 2+ , либо Mn 2+ ) , PEP, бикарбонат (HCO 3 − ). [1] [2] Механизм протекает в два основных этапа, как описано ниже и показано на рисунке 2:

Рисунок 2: ферментативный механизм фосфоенолпируваткарбоксилазы (ФЕП), преобразующий бикарбонат и ФЕП в оксалоацетат и фосфат.
  1. Бикарбонат действует как нуклеофил, атакуя фосфатную группу в PEP. Это приводит к расщеплению PEP на карбоксифосфат и (очень реактивную) енолятную форму пирувата .
  2. Перенос протона происходит в карбоксифосфате. Это, скорее всего, модулируется остатком гистидина (H138), который сначала депротонирует карбоксильную сторону, а затем, как кислота, протонирует фосфатную часть. [1] Затем карбоксифосфат экзотермически разлагается на диоксид углерода и неорганический фосфат, в этот момент делая эту реакцию необратимой. Наконец, после разложения диоксид углерода подвергается атаке енолята с образованием оксалоацетата. [1] [2] [7]

Металлический кофактор необходим для координации енолята и промежуточных продуктов диоксида углерода; молекула CO 2 теряется только в 3% случаев. [2] Активный центр является гидрофобным , чтобы исключить воду , поскольку промежуточный продукт карбоксифосфата подвержен гидролизу . [1]

Функция

Три наиболее важные роли, которые ФЕП-карбоксилаза играет в метаболизме растений и бактерий, — это цикл С4 , цикл САМ и поток биосинтеза цикла лимонной кислоты .

Основной механизм усвоения углекислого газа растениями осуществляется через фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазу/оксигеназу (также известную как RuBisCO ), которая добавляет CO2 к рибулозо -1,5-бисфосфату (5-углеродный сахар) с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата (2x3 углеродных сахара). Однако при более высоких температурах и более низких концентрациях CO2 RuBisCO добавляет кислород вместо углекислого газа с образованием непригодного для использования продукта гликолата в процессе, называемом фотодыхание . Чтобы предотвратить этот расточительный процесс, растения увеличивают локальную концентрацию CO2 в процессе, называемом циклом C4 . [ 3] [8] PEP-карбоксилаза играет ключевую роль в связывании CO2 в форме бикарбоната с PEP для создания оксалоацетата в ткани мезофилла . Затем он преобразуется обратно в пируват (через промежуточный малат ), чтобы высвободить CO2 в более глубоком слое клеток обкладки пучка для фиксации углерода с помощью RuBisCO и цикла Кальвина . Пируват преобразуется обратно в PEP в клетках мезофилла, и цикл начинается снова, таким образом активно перекачивая CO2 . [ 2] [9] [10]

Второе важное и очень похожее биологическое значение PEP-карбоксилазы заключается в цикле CAM . Этот цикл распространен у организмов, живущих в засушливых местах обитания. Растения не могут позволить себе открывать устьица в течение дня, чтобы поглощать CO2 , так как они потеряют слишком много воды при транспирации . Вместо этого устьица открываются ночью, когда испарение воды минимально, и поглощают CO2, фиксируя PEP с образованием оксалоацетата через PEP-карбоксилазу. Оксалоацетат преобразуется в малат малатдегидрогеназой и хранится для использования в течение дня, когда светозависимая реакция генерирует энергию (в основном в форме АТФ ) и восстановительные эквиваленты, такие как НАДФН, для запуска цикла Кальвина . [2] [3] [10]

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

Регулирование

Рисунок 3: пути регуляции фосфоенолпируват (ФЕП) карбоксилазы

PEP-карбоксилаза в основном подвержена двум уровням регуляции: фосфорилированию и аллостерии . На рисунке 3 показана схема регуляторного механизма.

Фосфорилирование киназой фосфоенолпируваткарбоксилазы включает фермент, тогда как фосфатаза фосфоенолпируваткарбоксилазы выключает его. И киназа, и фосфатаза регулируются транскрипцией . Кроме того, считается, что малат действует как ингибитор обратной связи уровней экспрессии киназы и как активатор экспрессии фосфатазы (транскрипции). [12] Поскольку оксалоацетат преобразуется в малат в организмах CAM и C 4 , высокие концентрации малата активируют экспрессию фосфатазы — фосфатаза впоследствии дефосфорилирует и, таким образом, деактивирует PEP-карбоксилазу, что приводит к отсутствию дальнейшего накопления оксалоацетата и, таким образом, к отсутствию дальнейшего преобразования оксалоацетата в малат. Следовательно, продукция малата снижается. [1] [12]

Основными аллостерическими ингибиторами PEP-карбоксилазы являются карбоновые кислоты малат (слабый) и аспартат (сильный). [5] [12] Поскольку малат образуется на следующем этапе циклов CAM и C 4 после того, как PEP-карбоксилаза катализирует конденсацию CO 2 и PEP в оксалоацетат, это работает как путь ингибирования по принципу обратной связи. Оксалоацетат и аспартат легко взаимопревращаются через механизм трансаминазы ; таким образом, высокие концентрации аспартата также являются путем ингибирования по принципу обратной связи PEP-карбоксилазы.

Основными аллостерическими активаторами PEP-карбоксилазы являются ацетил-КоА [13] и фруктозо-1,6-бисфосфат (F-1,6-BP). [1] [13] Обе молекулы являются индикаторами повышенных уровней гликолиза и, таким образом, положительными эффекторами прямой связи PEP-карбоксилазы. Они сигнализируют о необходимости выработки оксалоацетата для обеспечения большего потока через цикл лимонной кислоты . Кроме того, повышенный гликолиз означает более высокий запас PEP, и, таким образом, большую емкость для связывания CO2 при транспортировке в цикл Кальвина . Также следует отметить, что отрицательный эффектор аспартат конкурирует с положительным эффектором ацетил-КоА , что позволяет предположить, что они разделяют аллостерический сайт связывания. [14]

Исследования показали, что энергетические эквиваленты, такие как АМФ , АДФ и АТФ, не оказывают существенного влияния на ФЕП-карбоксилазу. [15]

Величина аллостерических эффектов этих различных молекул на активность PEP-карбоксилазы зависит от индивидуальных особенностей организма. [16]

Ссылки

  1. ^ abcdefghijkl Kai Y, Matsumura H, Izui K (июнь 2003 г.). "Фосфоенолпируваткарбоксилаза: трехмерная структура и молекулярные механизмы". Архивы биохимии и биофизики . 414 (2): 170– 9. doi :10.1016/S0003-9861(03)00170-X. PMID  12781768.
  2. ^ abcdefg Chollet R, Vidal J, O'Leary MH (июнь 1996 г.). "Фосфоенолпируваткарбоксилаза: вездесущий, высокорегулируемый фермент в растениях". Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology . 47 (1): 273– 298. doi :10.1146/annurev.arplant.47.1.273. PMID  15012290. S2CID  28888382.
  3. ^ abcd Paulus JK, Schlieper D, Groth G (2013). "Более высокая эффективность фотосинтетической фиксации углерода за счет замены одной аминокислоты". Nature Communications . 4 (2): 1518. doi :10.1038/ncomms2504. PMC 3586729 . PMID  23443546. 
  4. ^ ab Kai Y, Matsumura H, Inoue T, Terada K, Nagara Y, Yoshinaga T, Kihara A, Tsumura K, Izui K (февраль 1999 г.). "Трехмерная структура фосфоенолпируваткарбоксилазы: предложенный механизм аллостерического ингибирования". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (3): 823– 8. doi : 10.1073 /pnas.96.3.823 . PMC 15309. PMID  9927652. 
  5. ^ ab Gonzalez DH, Iglesias AA, Andreo CS (февраль 1986). "Ингибирование фосфоенолпируваткарбоксилазы из листьев кукурузы бромпируватом, направленное на активный сайт". Архивы биохимии и биофизики . 245 (1): 179– 86. doi :10.1016/0003-9861(86)90203-1. PMID  3947097.
  6. ^ PDB : 3ZGE ​; Paulus JK, Schlieper D, Groth G (19 апреля 2018 г.). «Более высокая эффективность фотосинтетической фиксации углерода за счет замены одной аминокислоты». Nature Communications . 4 : 1518. doi :10.1038/ncomms2504. PMC 3586729 . PMID  23443546. 
  7. ^ Fujita N, Izui K, Nishino T, Katsuki H (апрель 1984). "Механизм реакции фосфоенолпируваткарбоксилазы. Бикарбонат-зависимое дефосфорилирование фосфоенол-альфа-кетобутирата". Biochemistry . 23 (8): 1774– 9. doi :10.1021/bi00303a029. PMID  6326809.
  8. ^ Leegood RC (май 2007). «Приятное отвлечение от фотодыхания». Nature Biotechnology . 25 (5): 539– 40. doi :10.1038/nbt0507-539. PMID  17483837. S2CID  5015366.
  9. ^ Hatch MD (2002). "C(4) фотосинтез: открытие и разрешение". Photosynthesis Research . 73 ( 1– 3): 251– 6. doi :10.1023/A:1020471718805. PMID  16245128. S2CID  343310.
  10. ^ ab Keeley JE, Rundel PW (2003). "Эволюция CAM и механизмов концентрации углерода C4". International Journal of Plant Sciences . 164 (S3): S55 – S77 . doi :10.1086/374192. S2CID  85186850.
  11. ^ Cousins ​​AB, Baroli I, Badger MR, Ivakov A, Lea PJ, Leegood RC, von Caemmerer S (ноябрь 2007 г.). «Роль фосфоенолпируваткарбоксилазы во время фотосинтетического изотопного обмена C4 и устьичной проводимости». Plant Physiology . 145 (3): 1006– 17. doi :10.1104/pp.107.103390. PMC 2048775 . PMID  17827274. 
  12. ^ abc Nimmo HG (февраль 2000 г.). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы в растениях CAM». Trends in Plant Science . 5 (2): 75– 80. doi :10.1016/S1360-1385(99)01543-5. PMID  10664617.
  13. ^ ab Morikawa M, Izui K, Taguchi M, Katsuki H (февраль 1980 г.). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы Escherichia coli множественными эффекторами in vivo. Оценка активности в клетках, выращенных на различных соединениях». Journal of Biochemistry . 87 (2): 441– 9. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a132764. PMID  6987214.
  14. ^ Смит TE (апрель 1970 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза Escherichia coli: конкурентная регуляция ацетил-коэнзимом А и аспартатом». Архивы биохимии и биофизики . 137 (2): 512– 22. doi :10.1016/0003-9861(70)90469-8. PMID  4909168.
  15. ^ Coombs J, Maw SL, Baldry CW (декабрь 1974 г.). «Метаболическая регуляция в фотосинтезе C4: PEP-карбоксилаза и энергетический заряд». Planta . 117 (4): 279–92 . doi :10.1007/BF00388023. PMID  24458459. S2CID  25003418.
  16. ^ Schuller KA, Plaxton WC, Turpin DH (август 1990). «Регулирование фосфоенолпируваткарбоксилазы из зеленой водоросли Selenastrum minutum: свойства, связанные с пополнением промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот во время ассимиляции аммония». Физиология растений . 93 (4): 1303– 11. doi :10.1104/pp.93.4.1303. PMC 1062672. PMID  16667617 . 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Фосфоенолпируваткарбоксилаза&oldid=1194860861"