Пируват, водная дикиназа

В энзимологии пируват , водная дикиназа ( КФ 2.7.9.2) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

АТФ + пируват + H ₂ O   AMP + фосфоенолпируват + фосфат${\displaystyle \rightleftharpoons}$

3 субстрата этого фермента — АТФ , пируват и H ₂ O , тогда как его 3 продукта — АМФ , фосфоенолпируват и фосфат . Эта реакция, катализируемая пируват-водной дикиназой, может протекать в обоих направлениях, но имеет сильное предпочтение к АМФ, фосфату и фосфоенолпирувату в качестве субстрата и обычно протекает в направлении производства АТФ. ^{[1] [2]}

Этот фермент принадлежит к семейству трансфераз , а именно, тех, которые переносят фосфорсодержащие группы ( фосфотрансферазы ) с парными акцепторами ( дикиназы ). Систематическое название этого класса ферментов — АТФ:пируват, водная фосфотрансфераза . Другие общеупотребительные названия включают фосфоенолпируватсинтазу , пируват-водную дикиназу (фосфорилирующую) , ФЕП-синтетазу , ФЕП-синтазу, ПЭП-синтазу, ФЕПС, фефенолпируватсинтетазу , фосфоенолпировиноградную синтазу и фосфопируватсинтетазу . Этот фермент участвует в метаболизме пирувата и восстановительном карбоксилатном цикле (фиксации CO2). Он использует один кофактор — марганец .

Согласно базе данных BRENDA, пируват, водная дикиназа была изучена в девяти уникальных видах бактерий и архей под широким диапазоном названий. Многие из изученных организмов являются термофильными или гипертермофильными , что означает, что они живут и функционируют при очень высоких температурах в своей естественной среде обитания, и были обнаружены в горячих источниках, вулканах и глубоководных гидротермальных источниках. ^{[ необходима цитата ]}

Одним из наиболее широко изученных организмов для пирувата, водной дикниназы является Pyrococcus furiosus . Pyrococcus furiosus — это глубоководная гипертермофильная архея, которая обычно обитает в чрезвычайно горячих водах вокруг гидротермальных источников. Этот вид является гетеротрофным и анаэробным (растет и метаболизирует без присутствия кислорода) и имеет оптимальную температуру роста 100˚C. Ферменты и белки этого вида изучаются и заслуживают внимания из-за их термической стабильности. Организмы Pyrococcus furiosus используют ферментацию углеводов и гликолиз для получения энергии. ^{[ необходима ссылка ]}

По состоянию на 2023 год для этого класса ферментов была решена только одна структура с кодом доступа PDB 2OLS. Кристаллическая структура Neisseria meningitidis была вычислена с помощью методов рентгеновской дифракции с разрешением 2,40 Å. Пируват, водная дикиназа Neisseria meningitidis имеет длину 794 аминокислоты и два активных центра: один в позиции 422 и позиции 752. ^[3]

В Pyrococcus furiosus фермент пируват, водная дикиназа имеет молекулярную массу субъединицы 92 кДа, и каждая субъединица содержит один атом кальция и один атом фосфора. ^[1] Этот фермент имеет октомерную структуру, что означает, что пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus является олигомерным белком, состоящим из восьми субъединиц в его четвертичной структуре. ^[1] Эта восьмисубъединичная белковая структура может помочь этому ферменту функционировать при высоких температурах. Этот фермент существует в двух типах белка, один фосфорилированный и один нефосфорилированный. N-концевые аминокислотные последовательности одинаковы в обеих версиях, что показывает, что эти две формы являются фосфорилированными и нефосфорилированными версиями пируват, водной дикиназы. ^[1]

В Pyrococcus furiosus пируват, дикиназа воды является ферментом, который катализирует первый этап глюконеогенеза из пирувата в модифицированном пути Эмбдена-Мейерхофа (M-EMP) и является важной реакцией производства АТФ в пути метаболизма. ^{[2] [4]} Модифицированный путь Эмбдена-Мейерхофа является гликолитическим путем, который преобразует глюкозу в пируват и энергетические продукты для клетки. Этот фермент участвует в катализе реакций, которые важны как для глюконеогенеза, так и для обратного, гликолиза . ^[5] Для своего метаболизма Pyrococcus furiosus использует источники углерода, такие как мальтоза , целлобиоза , ламинарин и крахмалы в этом пути метаболизма сахара, чтобы производить энергию для организма. ^[4]

Пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus в первую очередь катализирует реакцию, которая идет от фосфоенолпирувата и АМФ к пирувату и АТФ, но может также катализировать обратную реакцию. ^[1] Эта реакция считается важной, поскольку она преобразует АМФ в полезную энергию АТФ во время этого метаболизма сахара М-ЭМП. Два фермента сахарной киназы ( глюкокиназа и фосфофруктокиназа ) были обнаружены в пути М-ЭМП в Pyrococcus furiosus , которые катализируют реакцию, в которой используется АДФ и производится АМФ. Для того чтобы АМФ можно было использовать в качестве АТФ в клетке, фермент пируват, водная дикиназа катализирует фосфат-зависимое образование пути реакции пирувата для преобразования АМФ в АТФ. Этот фермент использует фосфоенолпируват в качестве донора фосфорильной группы, а затем образует АТФ в присутствии фосфата.

Одно исследование определило, что пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus может действовать в бесполезном цикле между фосфоенолпируватом и пируватом в качестве субстратов/продуктов. ^[1] Эти две реакции могут проходить через метаболические пути одновременно в противоположных направлениях, что приведет к рассеиванию энергии в виде тепла без других эффектов. Это может удалить нежелательную энергию, так как энергия, производимая в результате гликолиза, намного больше энергии, необходимой для роста и восстановления клеток. Это, возможно, способ «слива энергии» в Pyrococcus furiosus . Это отчасти выдвинуто в качестве гипотезы из-за высоких концентраций этого фермента (~5% белка в цитоплазме) в клетках Pyrococcus furiosus . ^[1]

Гипертермостабильный фермент пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus кодируется геном mlrA, который, как было обнаружено, регулируется, по крайней мере, частично мальтозой на уровне транскрипции. ^[4] Пируват, водная дикиназа катализирует реакцию, которая превращает фосфоенолпируват, АМФ и фосфат в пируват, АТФ и воду. Этот фермент также катализирует обратную реакцию, но скорости реакции и константы равновесия показывают, что направление реакции производства АТФ весьма благоприятно. ^{[2] [4]} Пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus чувствительна к кислороду, при этом активность фермента не измеряется в аэробных условиях. ^[5] Очищенная пируват, водная дикиназа в Pyrococcus furiosus имеет оптимум pH от 6,5 до 9 и температурный оптимум около 90˚C. ^{[1] [2]} В реакции образования PEP пируват имеет кажущуюся K _m 0,11 мМ, кажущуюся k _cat 1573 (с ^-1 ) и кажущуюся k _cat /K _m 1,43 x 10^4 (мМ ^-1 • с ^-1 ), а АТФ имеет кажущуюся K m 0,39 мМ, кажущуюся k cat 1326 (с ^-1 ) и кажущуюся k cat /K m 3,40 x 10^3 (мМ ^-1 • с ^-1 ). В реакции образования пирувата PEP имеет кажущуюся K _m 0,40 мМ, кажущуюся k _cat 12,6 (с ^-1 ) и кажущуюся k _cat /K _m 31,5 (мМ ^-1 • с ^-1 ), AMP имеет кажущуюся K _m 1,00 мМ, кажущуюся k _cat 8,7 (с ^-1 ) и кажущуюся k _cat /K _m 8,7 (мМ ^-1 • с ^-1 ), а фосфат имеет кажущуюся K _m 38,4 мМ, кажущуюся k _cat 11,9 (с ^-1 ) и кажущуюся k _cat /K _m 0,315 (мМ ^-1 • с ^-1 ). ^[1] Константа равновесия K _eq реакции составляет 1,07 при 50˚C, а изменение свободной энергии Гиббса (ΔG˚) составляет -0,04 ккал/моль в экспериментальных условиях. ^[2]

• Берман КМ, Кон М (1970). «Фосфоенолпируватсинтетаза Escherichia coli. Очистка, некоторые свойства и роль двухвалентных ионов металлов». J. Biol. Chem . 245 (20): 5309–18. doi : 10.1016/S0021-9258(18)62756-5 . PMID  4319237.
• Берман КМ, Кон М (1970). "Фосфоенолпируватсинтетаза. Частичные реакции, изученные с аналогами аденозинтрифосфата и реакцией обмена неорганического фосфата-H2 18O". J. Biol. Chem . 245 (20): 5319–25. doi : 10.1016/S0021-9258(18)62757-7 . PMID  4319238.
• Cooper RA, Kornberg HL (1965). «Образование фосфоенолпирувата из пирувата Escherichia coli». Biochim. Biophys. Acta . 104 (2): 618–20. doi :10.1016/0304-4165(65)90374-0. PMID  5322808.
• Cooper RA; Kornberg HL (1969). "Фосфоенолпируватсинтетаза". Цикл лимонной кислоты . Методы в энзимологии. Т. 13. С. 309–314. doi :10.1016/0076-6879(69)13053-0. ISBN 978-0-12-181870-8.