Кіріспе
Пируват карбоксилазасы (ПК) – ПК генімен кодталатын және лигаза класына жататын фермент, ол (түрлеріне байланысты) пируваттың физиологиялық тұрғыдан қайтымсыз карбоксилдануын оксалоацетат (ОАА) түзу үшін катализдейді. Ол катализдейтін реакция: пируват + + АТФ → оксалоацетат + АДФ + Ф. Бұл пируваттан оксалоацетатты құратын маңызды анаплеротикалық реакция. Фермент – биотин протез тобын қамтитын митохондриялық ақуыз, және ол көптеген прокариоттар мен эукариоттарда, соның ішінде саңырауқұлақтарда, бактерияларда, өсімдіктерде және жануарларда кездеседі. Сүтқоректілерде ПК глюконеогенезде және липогенезде, нейротрансмиттерлердің биосинтезінде, сондай-ақ панкреатикалық аралдар арқылы глюкозаның ықпалымен инсулин секрециясында маңызды рөл атқарады. ПК өндіретін оксалоацетат – осы биосинтез жолдарында қолданылатын маңызды аралық зат. Сүтқоректілерде ПК тіндерге тән экспрессияланады, оның белсенділігі бауыр мен бүйректе (глюконеогендік тіндерде), майлы тіндерде және сүт бездерінде (липогендік тіндерде) және панкреатикалық аралдарда ең жоғары екені анықталды. Мида, жүректе және бүйрек үсті бездерінде белсенділігі орташа, ал ақ қан жасушалары мен тері фибробластарында – ең төмен.
Pyruvate carboxylase (PC) encoded by the gene PC is an enzyme of the ligase class that catalyzes (depending on the species) the physiologically irreversible carboxylation of pyruvate to form oxaloacetate (OAA). The reaction it catalyzes is:
pyruvate + + ATP → oxaloacetate + ADP + P
It is an important anaplerotic reaction that creates oxaloacetate from pyruvate. The enzyme is a mitochondrial protein containing a biotin prosthetic group, Since then it has been found in a wide variety of prokaryotes and eukaryotes including fungi, bacteria, plants, and animals. In mammals, PC plays a crucial role in gluconeogenesis and lipogenesis, in the biosynthesis of neurotransmitters, and in glucose induced insulin secretion by pancreatic islets. Oxaloacetate produced by PC is an important intermediate, which is used in these biosynthetic pathways. In mammals, PC is expressed in a tissue specific manner, with its activity found to be highest in the liver and kidney (gluconeogenic tissues), in adipose tissue and lactating mammary gland (lipogenic tissues), and in pancreatic islets. Activity is moderate in brain, heart and adrenal gland, and least in white blood cells and skin fibroblasts.
Құрылымы
ПК құрылымдық зерттеулері электронды микроскопия, шектеулі протеолиз, ферментті кодтайтын гендерді клондау және тізбектеу арқылы жүргізілді. Активті ПК-ның ең жақсы сипатталған формалары тетраэдрге ұқсас құрылымда орналасқан төрт бірдей субъединиттен тұрады. Әрбір субъединитте жақын мономерлер арасындағы интерфейсте пайда болатын каталитикалық ортаға көмірқышқыл газын жеткізу үшін серпімді қолдай ретінде әрекет ететін бір биотин молекуласы бар. Функционалды тетрамердің әрбір субъединиті төрт доменді қамтиды: биотин карбоксилдеу (БК) домені, транскарбоксилдеу (КТ) домені, биотин карбоксил тасымалдаушы (БКК) домені және жақында анықталған ПК тетрамеризациялау (ПТ) домені. Ең толық екі кристалл құрылымынан ақуыздың асимметриялық және симметриялық формалары көрініс тапқан. Активатор кофермент А-мен кешендегі Staphylococcus aureus тетрамері жоғары симметриялық, 222 симметрияға ие және криоэлектронды микроскопия арқылы расталған. Бұл глюкозаға цитозольдік глюконеогенездік ферменттер арқылы түрлендіріледі. Дегенмен, аштық кезінде, цитозольдік NADH концентрациясы төмен және митохондриялық NADH деңгейі жоғары болғанда, оксалоацетат тотығу эквиваленттерін тасымалдау үшін қолданылуы мүмкін. Осылайша, ОАА митохондриялық малат дегидрогеназа (МДГ) арқылы малатқа айналады. Цитозольге экспортталғаннан кейін малат NAD+ тотығуымен бірге қайта ОАА-ға айналады; ОАА кейін цитозольде глюконеогенез үшін қолжетімді PEP-ке айналады, сонымен қатар тасымалданатын тотығу эквиваленті NADH-мен бірге. Егеуқұйрықтар мен ескірген тышқандарда тамақтану статусының өзгеруі бауыр ПК активтілігіне әсер ететіні көрсетілген. Аштық пируват ағынының артуымен жалғасатын бауырдағы глюкоза өндірісін күшейтеді, сонымен қатар ПК активтілігі мен белок концентрациясын арттырады; диабет те мысықтар мен ескірген тышқандарда субстраттың күшейтілген сіңірілуі және бауыр ПК арқылы ағынның жоғарылауы арқылы глюконеогенезді арттырады. Басқа глюконеогенездік ферменттер сияқты, ПК глюкагон және глюкокортикоидтармен оң реттеледі, ал инсулинмен теріс реттеледі. Глюконеогенездегі ПК рөлінен басқа, ПК трикарбон қышқылы циклы үшін анаплеротикалық рөл атқарады (лимон қышқылы циклындағы аралық заттардың қорын толықтыратын фермент катализделген реакция), оксалоацетатты қамтамасыз ету үшін, аралық заттар әртүрлі биосинтездік мақсаттар үшін алынғанда.
Реттеу
Пируват карбоксилазасы ацетил-КоА, Mg АТФ және пируват арқылы аллостерикалық түрде реттеледі.
Клиникалық маңызы
Көмірсулар мен липидтер метаболизмінің тоғысқан жері ретінде, глюконеогендік тіндерде, майлы тіндерде және панкреатикалық аралдарда пируват карбоксилазаның экспрессиясы үйлестірілуі тиіс. Артық қоректену жағдайында, панкреатикалық β-жасушалардағы PC деңгейі жоғарылап, глюкоза деңгейінің созылмалы жоғарылауына жауап ретінде пируват айналымын күшейтеді. Керісінше, инсулин бауырдағы PC ферментінің деңгейін төмендетеді; артық қоректену кезінде адипоциттер тіні PC және басқа липогендік ферменттердің өте жоғары экспрессиясымен кеңейеді. Артық қоректену жағдайында глюкозаның гепатикалық деңгейін бақылау әлі де реттеледі, бірақ семіздікке байланысты 2-типті диабетте перифериялық глюкоза деңгейін реттеу инсулиннің бақылауында болмайды. 2-типті диабеті бар егешқұйрықтарда, перифериялық инсулинге қарсылықтың салдарынан β-жасушалардың глюкозаға ұзақ уақыт бойы тозуы PC ферментінің активтілігінің төмендеуіне және пируват айналымының азаюына әкеледі. Гепатоциттердің глюкозаны шамадан тыс өндіруі β-жасушаларда ген экспрессиясының күрт өзгеруіне алып келеді, бұл әдетте өте төмендетілген гендердің айтарлықтай жоғарылауына және инсулинге арналған мРҚ экспрессиясының, инсулин секрециясы үшін қажетті иондық сорғылардың және инсулин секрециясына қатысты метаболикалық ферменттердің, соның ішінде пируват карбоксилазаның теңдес азаюына әкеледі. Сонымен қатар, майлы тіндер инсулинге қарсылықты дамытады, бұл циркуляцияда триацилглицеролдар мен бос май қышқылдарының жиналуына себеп болады; бұл β-жасушалардың функциясын одан әрі нашарлатумен қатар, PC экспрессиясын да одан әрі төмендетеді. Бұл өзгерістер декомпенсацияланған диабетте β-жасуша фенотипінің төмендеуіне әкеледі. Пируват карбоксилазаның жетіспеушілігі лактаттың жиналуы нәтижесінде сүт қышқылы ацидозын тудыруы мүмкін. Әдетте, артық пируват пируваттың оксалоацетатқа айналуы арқылы глюконеогенезге бағытталады, бірақ фермент тапшылығына байланысты артық пируват лактатқа айналады. Глюконеогенездің негізгі рөлі қандағы қант деңгейін сақтауда болғандықтан, пируват карбоксилазаның жетіспеушілігі гипогликемияға да алып келуі мүмкін.