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.
Phosphoenolpyruvate carboxylase (also known as PEP carboxylase, PEPCase, or PEPC; , PDB ID: 3ZGE) is an enzyme in the family of carboxy lyases found in plants and some bacteria that catalyzes the addition of bicarbonate (HCO3−) to phosphoenolpyruvate (PEP) to form the four carbon compound oxaloacetate and inorganic phosphate:
PEP + HCO3− → oxaloacetate + Pi
This reaction is used for carbon fixation in CAM (crassulacean acid metabolism) and organisms, as well as to regulate flux through the citric acid cycle (also known as Krebs or TCA cycle) in bacteria and plants. The enzyme structure and its two step catalytic, irreversible mechanism have been well studied. PEP carboxylase is highly regulated, both by phosphorylation and allostery.
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.