Фосфоенолпируваткарбоксилаза
| Фосфоенолпируваткарбоксилаза | |||
|---|---|---|---|
 структура одной субъединицы фосфоенолпируват-карбоксилазы (созданная PyMOL)] | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 4.1.1.31 | ||
| Номер CAS. | 9067-77-0 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
| |||
| Фосфоенолпируваткарбоксилаза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Символ | PEPкейс | ||
| Пфам | PF00311 | ||
| ИнтерПро | IPR001449 | ||
| PROSITE | PDOC00330 | ||
| СКОП2 | 1фий / СКОПе / СУПФАМ | ||
| |||
Фосфоенолпируваткарбоксилаза (также известная как PEP-карбоксилаза , PEPCase или PEPC ; EC 4.1.1.31 , PDB ID: 3ZGE) представляет собой фермент семейства карбоксилаз, обнаруженный в растениях и некоторых бактериях, который катализирует добавление бикарбоната (HCO 3 − ) в фосфоенолпируват (ПЭП) с образованием четырехуглеродного соединения оксалоацетата и неорганического фосфата : [1]
- ПКП + ОХС 3 − → оксалоацетат + Пи
Эта реакция используется для фиксации углерода в САМ (метаболизме крассуловой кислоты) и организмах C 4 , а также для регулирования потока через цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса или цикл ТСА ) у бактерий и растений. Структура фермента и его двухстадийный каталитический необратимый механизм хорошо изучены. PEP-карбоксилаза строго регулируется как путем фосфорилирования , так и аллостерии .
Структура фермента
[ редактировать ]Фермент PEP-карбоксилаза присутствует в растениях и некоторых видах бактерий, но не присутствует в грибах или животных (включая человека). [2] Гены различаются у разных организмов, но строго консервативны вокруг активных и аллостерических сайтов, обсуждаемых в разделах «Механизм» и «Регуляция». Третичная структура фермента также сохраняется. [3]
кристаллическая структура PEP-карбоксилазы у многих организмов, включая Zea mays (кукуруза) и Escherichia coli . Была определена [3] Весь фермент существует в виде димера из димеров: две идентичные субъединицы тесно взаимодействуют с образованием димера посредством солевых мостиков между остатками аргинина (R438 - точные положения могут варьироваться в зависимости от происхождения гена) и глутаминовой кислоты (E433). [4] Этот димер соединяется (более свободно) с другим аналогом, образуя комплекс из четырех субъединиц. Субъединицы мономера в основном состоят из альфа-спиралей (65%), [1] и имеют массу 106 кДа каждый. [5] Длина последовательности составляет около 966 аминокислот . [6]
Активный центр фермента полностью не охарактеризован. Он включает консервативный остаток аспарагиновой кислоты (D564) и глутаминовой кислоты (E566), которые нековалентно связывают ион кофактора двухвалентного металла через функциональные группы карбоновой кислоты . [1] Этот ион металла может быть магнием , марганцем или кобальтом в зависимости от организма. [1] [2] и его роль заключается в координации молекулы фосфоенолпирувата, а также промежуточных продуктов реакции. ( Считается , что остаток гистидина H138) в активном центре облегчает перенос протона во время каталитического механизма. [1] [4]
Ферментативный механизм
[ редактировать ]Механизм действия PEP-карбоксилазы хорошо изучен. Ферментативный механизм образования оксалоацетата очень экзотермичен и поэтому необратим; биологическое изменение свободной энергии Гиббса (△G°') составляет -30 кДжмоль. −1 . [1] Субстраты Co и кофактор связываются в следующем порядке: металлический кофактор (либо 2+ , мг 2+ , или Мн 2+ ), ПЭП, бикарбонат (HCO 3 − ). [1] [2] Этот механизм состоит из двух основных этапов, как описано ниже и показано на рисунке 2:
- Бикарбонат действует как нуклеофил, атакуя фосфатную группу в ПЭП. Это приводит к расщеплению PEP на карбоксифосфат и (очень реакционноспособную) енолятную форму пирувата .
- Перенос протона происходит по карбоксифосфату. Скорее всего, это модулируется остатком гистидина (H138), который сначала депротонирует карбоксильную сторону, а затем, как кислота, протонирует фосфатную часть. [1] Затем карбоксифосфат экзотермически разлагается на диоксид углерода и неорганический фосфат, что делает эту реакцию необратимой. Наконец, после разложения диоксид углерода подвергается воздействию енолята с образованием оксалоацетата. [1] [2] [7]
Кофактор металла необходим для координации промежуточных продуктов енолята и диоксида углерода; Молекула CO 2 теряется только в 3% случаев. [2] Активный центр гидрофобен , что исключает воду , поскольку промежуточный карбоксифосфат подвержен гидролизу . [1]
Функция
[ редактировать ]Три наиболее важные роли, которые PEP-карбоксилаза играет в метаболизме растений и бактерий, заключаются в C 4 цикле , цикле CAM и потоке биосинтеза цикла лимонной кислоты .
Основной механизм ассимиляции углекислого газа растениями осуществляется через фермент рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазу/оксигеназу (также известный как RuBisCO ), который присоединяет CO 2 к рибулозо-1,5-бисфосфату (5-углеродному сахару), образуют две молекулы 3-фосфоглицерата (2х3 углеродных сахара). Однако при более высоких температурах и более низких концентрациях CO 2 RuBisCO добавляет кислород вместо углекислого газа, образуя непригодный для использования продукт гликолат в процессе, называемом фотодыханием . Чтобы предотвратить этот расточительный процесс, растения увеличивают локальную концентрацию CO 2 в процессе, называемом C 4 циклом . [3] [8] PEP-карбоксилаза играет ключевую роль в связывании CO 2 в форме бикарбоната с PEP с образованием оксалоацетата в ткани мезофилла . Затем он преобразуется обратно в пируват (через промежуточный малат ), чтобы высвободить CO 2 в более глубоком слое клеток оболочки пучка для фиксации углерода с помощью RuBisCO и цикла Кальвина . Пируват превращается обратно в ПЭП в клетках мезофилла, и цикл начинается заново, активно перекачивая CO 2 . [2] [9] [10]
Второе важное и очень похожее биологическое значение PEP-карбоксилазы заключается в цикле CAM . Этот цикл характерен для организмов, живущих в засушливых средах обитания. Растения не могут позволить себе открывать устьица в течение дня, чтобы поглотить CO 2 , поскольку они потеряют слишком много воды за счет транспирации . Вместо этого устьица открываются ночью, когда испарение воды минимально, и поглощают CO 2 путем фиксации с помощью PEP с образованием оксалоацетата посредством PEP-карбоксилазы. Оксалоацетат преобразуется в малат под действием малатдегидрогеназы и сохраняется для использования в течение дня, когда светозависимая реакция генерирует энергию (в основном в форме АТФ ) и восстанавливающие эквиваленты, такие как НАДФН, для запуска цикла Кальвина . [2] [3] [10]
В-третьих, PEP-карбоксилаза играет важную роль в нефотосинтетических метаболических путях. На рисунке 3 показан этот метаболический поток (и его регуляция). Подобно пируваткарбоксилазе , PEP-карбоксилаза восполняет оксалоацетат в цикле лимонной кислоты. В конце гликолиза ПЭП превращается в пируват , который превращается в ацетил-кофермент-А ( ацетил-КоА ), который вступает в цикл лимонной кислоты путем реакции с оксалоацетатом с образованием цитрата . Чтобы увеличить поток в цикле, часть PEP преобразуется в оксалоацетат под действием PEP-карбоксилазы. Поскольку промежуточные продукты цикла лимонной кислоты обеспечивают центр метаболизма, увеличение потока важно для биосинтеза многих молекул, таких как, например, аминокислоты . [11]
Регулирование
[ редактировать ]
PEP-карбоксилаза в основном подвержена двум уровням регуляции: фосфорилированию и аллостерии . На рис. 3 представлена схема регуляторного механизма.
Фосфорилирование фосфоенолпируваткарбоксилазы киназой включает фермент, тогда как фосфатаза фосфоенолпируваткарбоксилазы выключает его обратно. И киназа, и фосфатаза регулируются посредством транскрипции . Кроме того, считается, что малат действует как ингибитор уровня экспрессии киназы по принципу обратной связи и как активатор экспрессии фосфатазы (транскрипции). [12] Поскольку оксалоацетат превращается в малат в организмах САМ и C 4 , высокие концентрации малата активируют экспрессию фосфатазы - фосфатаза впоследствии дефосфорилирует и, таким образом, деактивирует PEP-карбоксилазу, что приводит к прекращению дальнейшего накопления оксалоацетата и, следовательно, к прекращению дальнейшего превращения оксалоацетата в малат. Следовательно, производство малата регулируется. [1] [12]
Основными аллостерическими ингибиторами ФЕП-карбоксилазы являются карбоновых кислот малат (слабый) и аспартат (сильный). [5] [12] Поскольку малат образуется на следующем этапе циклов САМ и С 4 после того, как карбоксилаза ФЕП катализирует конденсацию СО 2 и ФЕП с образованием оксалоацетата, это работает как путь ингибирования по принципу обратной связи. Оксалоацетат и аспартат легко взаимопревращаются посредством трансаминазного механизма; таким образом, высокие концентрации аспартата также являются путем ингибирования PEP-карбоксилазы по принципу обратной связи.
Основными аллостерическими активаторами ФЕП-карбоксилазы являются ацетил-КоА. [13] и фруктозо-1,6-бисфосфат (F-1,6-BP). [1] [13] Обе молекулы являются индикаторами повышенного уровня гликолиза прямой связи и, следовательно, положительными эффекторами PEP-карбоксилазы. Они сигнализируют о необходимости производить оксалоацетат, чтобы обеспечить больший поток через цикл лимонной кислоты . Кроме того, усиление гликолиза означает, что доступно большее количество PEP и, следовательно, больше возможностей для хранения CO 2 при транспортировке в цикл Кальвина . Также примечательно, что отрицательных эффекторов аспартат конкурирует с положительным эффектором ацетил-КоА , что позволяет предположить, что они имеют общий аллостерический сайт связывания. [14]
Исследования показали, что такие энергетические эквиваленты, как АМФ , АДФ и АТФ, не оказывают существенного влияния на карбоксилазу ФЕП. [15]
Величина аллостерического воздействия этих различных молекул на активность карбоксилазы PEP зависит от индивидуальных организмов. [16]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Кай Ю, Мацумура Х, Изуи К (июнь 2003 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза: трехмерная структура и молекулярные механизмы». Архив биохимии и биофизики . 414 (2): 170–9. дои : 10.1016/S0003-9861(03)00170-X . ПМИД 12781768 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Шолле Р., Видал Дж., О'Лири М.Х. (июнь 1996 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза: вездесущий, строго регулируемый фермент в растениях» . Ежегодный обзор физиологии растений и молекулярной биологии растений . 47 (1): 273–298. doi : 10.1146/annurev.arplant.47.1.273 . ПМИД 15012290 . S2CID 28888382 .
- ^ Jump up to: а б с д Паулюс Дж. К., Шлипер Д., Грот Г. (2013). «Большая эффективность фотосинтетической фиксации углерода за счет одиночной аминокислотной замены» . Природные коммуникации . 4 (2): 1518. doi : 10.1038/ncomms2504 . ПМЦ 3586729 . ПМИД 23443546 .
- ^ Jump up to: а б Кай Ю, Мацумура Х, Иноуэ Т, Терада К, Нагара Ю, Ёсинага Т, Кихара А, Цумура К, Изуи К (февраль 1999 г.). «Трехмерная структура фосфоенолпируваткарбоксилазы: предлагаемый механизм аллостерического ингибирования» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (3): 823–8. дои : 10.1073/pnas.96.3.823 . ПМК 15309 . ПМИД 9927652 .
- ^ Jump up to: а б Гонсалес Д.Х., Иглесиас А.А., Андрео К.С. (февраль 1986 г.). «Направленное на активный центр ингибирование фосфоенолпируваткарбоксилазы из листьев кукурузы бромпируватом». Архив биохимии и биофизики . 245 (1): 179–86. дои : 10.1016/0003-9861(86)90203-1 . ПМИД 3947097 .
- ^ PDB : 3ZGE ; Паулюс Дж. К., Шлипер Д., Грот Г. (19 апреля 2018 г.). «Большая эффективность фотосинтетической фиксации углерода за счет одиночной аминокислотной замены» . Природные коммуникации . 4 : 1518. дои : 10.1038/ncomms2504 . ПМЦ 3586729 . ПМИД 23443546 .
- ^ Фудзита Н., Изуи К., Нишино Т., Кацуки Х. (апрель 1984 г.). «Механизм реакции фосфоенолпируваткарбоксилазы. Бикарбонат-зависимое дефосфорилирование фосфоенол-альфа-кетобутирата». Биохимия . 23 (8): 1774–9. дои : 10.1021/bi00303a029 . ПМИД 6326809 .
- ^ Лигуд RC (май 2007 г.). «Добро пожаловать отвлечение от фотодыхания». Природная биотехнология . 25 (5): 539–40. дои : 10.1038/nbt0507-539 . ПМИД 17483837 . S2CID 5015366 .
- ^ Хэтч, доктор медицинских наук (2002). «Фотосинтез C (4): открытие и разрешение». Исследования фотосинтеза . 73 (1–3): 251–6. дои : 10.1023/А:1020471718805 . ПМИД 16245128 . S2CID 343310 .
- ^ Jump up to: а б Кили Дж. Э., Рандел П. В. (2003). «Эволюция CAM и механизмов концентрации углерода C4». Международный журнал наук о растениях . 164 (С3): С55–С77. дои : 10.1086/374192 . S2CID 85186850 .
- ^ Казинс А.Б., Бароли И., Бэджер М.Р., Иваков А., Леа П.Дж., Лигуд Р.К., фон Кеммерер С. (ноябрь 2007 г.). «Роль фосфоенолпируваткарбоксилазы в фотосинтетическом изотопном обмене C4 и устьичной проводимости» . Физиология растений . 145 (3): 1006–17. дои : 10.1104/стр.107.103390 . ПМК 2048775 . ПМИД 17827274 .
- ^ Jump up to: а б с Ниммо Х.Г. (февраль 2000 г.). «Регуляция фосфоенолпируваткарбоксилазы в САМ-растениях». Тенденции в науке о растениях . 5 (2): 75–80. дои : 10.1016/S1360-1385(99)01543-5 . ПМИД 10664617 .
- ^ Jump up to: а б Морикава М., Изуи К., Тагучи М., Кацуки Х. (февраль 1980 г.). «Регуляция фосфоенолпируваткарбоксилазы Escherichia coli с помощью множественных эффекторов in vivo. Оценка активности в клетках, выращенных на различных соединениях». Журнал биохимии . 87 (2): 441–9. doi : 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a132764 . ПМИД 6987214 .
- ^ Смит Т.Е. (апрель 1970 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза Escherichia coli: конкурентное регулирование с помощью ацетилкофермента А и аспартата». Архив биохимии и биофизики . 137 (2): 512–22. дои : 10.1016/0003-9861(70)90469-8 . ПМИД 4909168 .
- ^ Кумбс Дж., Мо С.Л., Болдри К.В. (декабрь 1974 г.). «Метаболическая регуляция фотосинтеза C4: PEP-карбоксилаза и энергетический заряд». Планта . 117 (4): 279–92. дои : 10.1007/BF00388023 . ПМИД 24458459 . S2CID 25003418 .
- ^ Шуллер К.А., Плакстон У.К., Терпин Д.Х. (август 1990 г.). «Регуляция фосфоенолпируваткарбоксилазы из зеленой водоросли Selenastrum minutum: свойства, связанные с пополнением промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот во время ассимиляции аммония» . Физиология растений . 93 (4): 1303–11. дои : 10.1104/стр.93.4.1303 . ПМЦ 1062672 . ПМИД 16667617 .
