Piruvat karboksilaza

Piruvat karboksilaza (PC) je enzim u svim organizmima (osim za biljaka), koji katalizira reakciju dodavanja ugljendioksida na piruvat. Ova reakcija predstavlja prvi korak u glukoneogenezi, a također služi kao anaplerotska reakcija TCA ciklusa. Enzim se nalazi u mitohondrijama, a reguliraa alosternu koncentraciju acetil-CoA. Funkcija enzim kritično ovisi o ovoj regulacijis, tako da se u nedostatku acetil-CoA aktivnost praktično ne odvija. Mutacije PC-gena kod ljudi mogu izazvati nedostatak PC.^[1]^[2]^[3]^[4]

Predloženi dijagram mehanizma djelovanja piruvat karboksilaze:
A – ATP-zavisna karboksilacija (BC domena);
B – Transkarboksilacija piruvata (CT domena).

Struktura

U aktivnom obliku, enzim je uglavnom prisutan kao (hetero) tetramer, koji, u stvaranju ravnoteže, komunicira sa dimerima i monomerima. Međutim, tetramerno stanje nije potrebno za osnovnu funkciju enzima, tako da su aktivni I di- i monomeri.Molekulska masa jednog monomer je 130 kDa.

Funkcijski najzanimljiviji dijelove proteina su N-i C-terminalni repovi. Prve 300-350 N-terminalne aminokiseline formiraju ATP – vezivanjem cijele ATP domene i najudaljenije 80 C-terminalne aminokiseline, u biotin – vezivajućoj domenu, u kojoj je biotin je kovalentno povezan preko amidnih veza $\epsilon$ -amino grupa lizina.

Istraživanja strukture PC su provedeneupotrebom elektronske mikroskopije, ograničenom proteolizom i kloniranjem i gasnim sekvenciranjem gena i cDNA kodiranja enzima. Većina dobro karakteriziranih oblika aktivne PC sastoji se od četiri identične podjedinice raspoređene u tetraedarske strukture. Svaka podjedinica sadrži jedan biotin koji djeluje kao uvrnuti krak za transport na katalitičko mjesto koje se formira na granici između susjednih monomera ugljen-dioksida. Svaka podjedinica funkcijskog tetramera sadrži četiri domena: biotin karboksilirajuću (BC) domenu, transkarboksilacijsku (CT) domenu, biotin karboksilni nosač (BCCP) domenu i nedavno imenovani PC tetramerizacijska (PT) domena Od dvije najkompletnije raspoložive kristalne strukture, vizuelizirani su proteini asimetričanog i simetričnog oblika. U tetramernom kompleksu Staphylococcus aureus, sa koenzimom A kao aktivatorom, vrlo je simetričan, posjedujući 222 simetrije, što su potvrdile krio-EM studije. Za razliku od toga Rhizobium etli ima tetramernni kompleks sa etil-CoA, nerazgradivim analogom acetil-CoA, ima samo jednu liniju simetrije.^[5]^[6]

Mehanizam reakcije

Tačan mehanizam reakcija piruvata karboksilaze se sastoji od tri koraka:

1) Aktiviranje CO₂ (koji se nalazi u vodenoj otopini kao vodik karbonatni anion HCO₃⁻) u karboksifosfat:

\mathrm {HCO_{3}^{-}+\ ATP\longrightarrow HOCO_{2}{\mathord {-}}PO_{3}^{2-}+ADP}

2) Dodavanje karboksifosfata na biotin (N1 atom) :

\mathrm {Enzim{\mathord {-}}Biotin+HOCO_{2}{\mathord {-}}PO_{3}^{2-}\longrightarrow i{\mathord {-}}Biotin{\mathord {-}}CO_{2}+P_{i}}

3)Premještanje aktivirane karboksilne grupe na piruvat:

\mathrm {Enzim{\mathord {-}}Biotin{\mathord {-}}CO_{2}+Piruvat\longrightarrow Enzim{\mathord {-}}Biotin+Oksalacetat}

Funkcija

Tokom glukoneogeneze, piruvat karboksilaze je uključena u sintezu fosfoenolpiruvata (PEP) od piruvata. Piruvat se prvo konvertira u piruvat karboksilazu u oksaloacetatni (OAA) u mitohondrijama, hidrolizom jedne od molekula adenozin trifosfata. OAA se zatim dekarboksilizira, uz istovremenu fosforilaciju, što katalizira jedna od dvije izoforme fosfoenolpiruvat karboksikinaze (PEPCK), u citosolu ili mitohondrijama za proizvodnju PEP. U normalnim uvjetima glukoneogeneze, OAA se pretvara u PEP mitohondrijskog aktivatora PEPCK; rezultanta PEP potom odlazi iz mitohondrijske matrice aniona – transportnog nosača i pretvara u glukozu pomoću citosolnih gluconeogenih enzima. Međutim, za vrijeme gladi kada je citosolna koncentracija NADH niska i mitohrondrijska razina NADH visoka, oksaloaceti se mogu koristiti kao faktor redukcije ekvivalenata. Kao takav OAA se pretvara u malat mitohondrijske malat dehidrogenaze (MDH). Nakon izlaska u citosol, malat se ponovo pretvara u OAA, uz istovremenu redukciju NAD⁺. OAA se naknadno pretvara u PEP koji je dostupan za glukoneogenezu u citosolu, zajedno sa redukcijom transportiranog ekvivalenta NADH.

Predloženo je da su vrlo visok nivo PC aktivnosti, zajedno s visokim aktivnostima drugih glukoneogenih enzima, uključujući aktivacijski PEPCK, fruktoza-1,6-bisfosfatazu i glukoza-6-fosfatazu u jetri i bubrežnoj kori, primarna uloga PCu glukoneogenezi u tim organima. Za vrijeme gladovanja ili gladi, kada je potrebna endogena glukoza za određene tkiva (mozak, bijela krvna zrnca i srž bubrega), povišena je ekspresija PC i drugih gluconeogenih enzima. PEPK promovira jetrenu proizvodnju glukoze održavajući povećan fluks piruvata, a povećava PC aktivnost i koncentraciju proteina; dijabetes slično povećava glukoneogenezu, pojačanim uzimanjem podloge i povećanjem toka PC-a kroz jetru u miševa i štakora.

Slično drugim glukoneogenim enzimima, PC je pozitivno reguliran glukagonom i glukokortikoidom, dok negativno reguliran insulinom. Pretpostavka podržava ključnu ulogu PC u glukoneogeneze u mliječnih krava, koje apsorbiraju heksoze. Pri konstantno adekvatnoj razini ishrane, PC i pripadajući gluconeogeni enzimi aktiviraji PEPCK i značajno su povišeni prilikom prelaska na laktacijum uz podršku sinteze laktoze za proizvodnju mlijeka.

Osim uloge u glukoneogenezi, PC imaju anaplerotsku ulogu (enzimski katalizirane reakcija koja može omogućiti snabdijevanje intermedijera u ciklusu limunske kiseline). Za ciklus trikarboksilne kiseline (neophodno obezbijediti oksaloacetat), kada su uklonjeni međuproizvodi za različite biosintetičkih svrhe.

Također pogledajte

Reference

^ Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8.
^ Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., ISBN 978-1-4641-0962-1.
^ Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
^ Kondo S., Nakajima Y., Sugio S., Yong-Biao J., Sueda S., Kondo H. (2004): Structure of the biotin carboxylase subunit of pyruvate carboxylase from Aquifex aeolicus at 2.2 A resolution. Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 60 (Pt 3): 486–92.
^ Yu L. P., Xiang S., Lasso G., Gil D., Valle M., Tong L.(2009): A symmetrical tetramer for S. aureus pyruvate carboxylase in complex with coenzyme A. Structure, 17 (6): 823–832.

Vanjski linkovi

GeneReviews/NCBI/NIH/UW entry on Pyruvate Carboxylase Deficiency

[1] Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8.

[2] Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., ISBN 978-1-4641-0962-1.

[3] Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.

[4] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.

[5] Kondo S., Nakajima Y., Sugio S., Yong-Biao J., Sueda S., Kondo H. (2004): Structure of the biotin carboxylase subunit of pyruvate carboxylase from Aquifex aeolicus at 2.2 A resolution. Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 60 (Pt 3): 486–92.

[6] Yu L. P., Xiang S., Lasso G., Gil D., Valle M., Tong L.(2009): A symmetrical tetramer for S. aureus pyruvate carboxylase in complex with coenzyme A. Structure, 17 (6): 823–832.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]