Введение

Класс ферментов Фосфоенолпируват-карбоксилаза (также известная как PEP-карбоксилаза, PEPCase или PEPC; , PDB ID: 3ZGE) - фермент из семейства карбокси-ляз, обнаруженных в растениях и некоторых бактериях, который каталитизирует добавление бикарбоната (HCO3−) к фосфоенолпирувату (PEP) для образования четырех углеродных соединений оксалоацетат и неорганический фосфат: PEP + HCO3− → оксалоацетат + Pi Эта реакция используется для фиксации углерода в CAM (метаболизме кислоты растительных пород) и организмах, а также для регулирования потока через цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса или TCA) в бактериях и растениях. Структура фермента и его двухступенчатый каталитический, необратимый механизм были хорошо изучены. Карбоксилаза PEP сильно регулируется как фосфорилированием, так и аллостерией.

Структура фермента

Фермент карбоксилазы PEP присутствует в растениях и некоторых типах бактерий, но не в грибах или животных (включая человека). Гены различаются в зависимости от организма, но строго консервативны вокруг активных и аллостерических участков, обсуждаемых в разделах механизма и регуляции. Третичная структура фермента также сохраняется. Определена кристаллическая структура карбоксилазы PEP в нескольких организмах, включая Zea mays (кукурузу) и Escherichia coli. Этот димер собирается (более свободно) с другим из своего рода, чтобы сформировать четыре подединицы. Мономерные подединицы в основном состоят из альфа-вертушек (65%), длина последовательности составляет около 966 аминокислот. Активное место фермента не полностью охарактеризовано. Он включает консервированную аспаргиновую кислоту (D564) и остаток глутаминовой кислоты (E566), которые нековалентно связывают двузначный ион кофактора металла через функциональные группы карбоновой кислоты. Кофактор металла необходим для координации энолатов и углекислого газа; молекула CO2 теряется только в 3% случаев. Карбоксилаза PEP играет ключевую роль в связывании CO2 в виде бикарбоната с PEP для создания оксалоацетата в мезофильной ткани. Затем он преобразуется обратно в пируват (через малатовый промежуток), чтобы высвободить CO2 в более глубоком слое клеток оболочки пучка для фиксации углерода с помощью RuBisCO и цикла Кальвина. Пируват превращается в PEP в мезофильных клетках, и цикл начинается снова, таким образом, активно накачивая CO2. Второе важное и очень похожее биологическое значение карбоксилазы PEP заключается в цикле CAM. Этот цикл распространен у организмов, живущих в засушливых местах обитания. Растения не могут позволить себе открывать желудочки в течение дня, чтобы поглощать СО2, так как они потеряют слишком много воды в результате транспирации. Вместо этого желудочки открываются ночью, когда испарение воды минимально, и поглощают CO2 путем фиксации с PEP для образования оксалоацетата через PEP-карбоксилазу. Оксалоацетат преобразуется в малат малатодегидрогеназой и хранится для использования в течение дня, когда реакция, зависящая от света, генерирует энергию (в основном в виде АТФ) и уменьшает эквиваленты, такие как НАДФ, для запуска цикла Кальвина.

Регулирование

Карбоксилаза PEP в основном подвержена двум уровням регуляции: фосфорилированию и аллостерии. На рисунке 3 показана схема регулирующего механизма. Фосфорилирование фосфоенолпируват-карбоксилазой-киназой включает фермент, в то время как фосфоенолпируват-карбоксилаза-фосфатаза выключает его обратно. Как киназа, так и фосфатаза регулируются транскрипцией. Кроме того, считается, что малат действует как ингибитор обратной связи уровней экспрессии киназы и как активатор для экспрессии фосфатазы (транскрипции). Поскольку оксалоацетат преобразуется в малат в КАМ и организмах, высокие концентрации малата активируют экспрессию фосфатазы, которая впоследствии дефосфорилирует и, таким образом, деактивирует карбоксилазу PEP, что приводит к прекращению дальнейшего накопления оксалоацетата и, следовательно, к прекращению дальнейшего преобразования оксалоацетата в малат. Поэтому производство малата снижается. и фруктоза 1,6 бисфосфат (F 1,6 BP). Исследования показали, что энергетические эквиваленты, такие как AMP, ADP и ATP, не оказывают значительного влияния на карбоксилазу PEP. Величина аллостерического воздействия этих различных молекул на активность карбоксилазы PEP зависит от отдельных организмов.