Пируваткарбоксилаза ( ПК ), кодируемая геном ПК, представляет собой фермент ( КФ 6.4.1.1) класса лигаз , который катализирует (в зависимости от вида) физиологически необратимое [ требуется ссылка ] карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата ( ОАА ).
Реакция, которую он катализирует:
Это важная анаплеротическая реакция , которая создает оксалоацетат из пирувата. PC содержит простетическую группу биотина [1] и обычно локализуется в митохондриях эукариот, за исключением некоторых видов грибов, таких как Aspergillus nidulans , у которых PC находится в цитозоле. PC требует магния и цинка или марганца для катализа. PC из разных организмов проявляют различную степень активации ацетил-КоА , но PC позвоночных обычно требует его для активности. [6] [7] [8] [9]
Пируваткарбоксилаза была впервые обнаружена в 1959 году в Университете Кейс Вестерн Резерв М. Ф. Аттером и Д. Б. Кичем. [10] [11] С тех пор она была обнаружена у самых разных прокариот и эукариот, включая грибы, бактерии, растения и животных. [12] У млекопитающих PC играет решающую роль в глюконеогенезе и липогенезе, в биосинтезе нейротрансмиттеров и в секреции инсулина, вызванной глюкозой, панкреатическими островками. Оксалоацетат, продуцируемый PC, является важным промежуточным продуктом, который используется в этих биосинтетических путях. [13] У млекопитающих PC экспрессируется тканеспецифичным образом, при этом его активность обнаружена наибольшей в печени и почках (глюконеогенные ткани), в жировой ткани и лактирующей молочной железе (липогенные ткани) и в панкреатических островках. Активность умеренная в мозге, сердце и надпочечниках и наименьшая в лейкоцитах и фибробластах кожи. [14]
Структурные исследования PC были проведены с помощью электронной микроскопии , ограниченного протеолиза , а также клонирования и газового секвенирования генов и кДНК, кодирующих фермент. Большинство хорошо охарактеризованных форм активного PC состоят из четырех идентичных субъединиц, расположенных в структуре, подобной тетраэдру. Каждая субъединица содержит один фрагмент биотина , действующий как качающийся рычаг для транспортировки углекислого газа к каталитическому сайту, который образуется на границе между соседними мономерами. Каждая субъединица функционального тетрамера содержит четыре домена: домен карбоксилирования биотина (BC), домен транскарбоксилирования (CT), домен переносчика карбоксила биотина (BCCP) и недавно названный домен тетрамеризации PC (PT). [15] [16] Из двух наиболее полных доступных кристаллических структур были визуализированы асимметричная и симметричная форма белка. [17] Тетрамер Staphylococcus aureus в комплексе с активатором коферментом А является высокосимметричным, обладающим симметрией 222, что было подтверждено исследованиями крио-ЭМ. [16] В отличие от этого тетрамер Rhizobium etli в комплексе с этил-КоА, негидролизуемым аналогом ацетил-КоА , обладает только одной линией симметрии. [17]
Пируваткарбоксилаза использует ковалентно присоединенный кофактор биотина , который используется для катализа АТФ -зависимого карбоксилирования пирувата в оксалоацетат в два этапа. Биотин первоначально карбоксилируется в активном центре BC АТФ и бикарбонатом. Карбоксильная группа впоследствии переносится карбоксибиотином на второй активный центр в домене CT, где пируват карбоксилируется с образованием оксалоацетата. Домен BCCP переносит связанный кофактор между двумя удаленными активными центрами. Аллостерический сайт связывания в PC предлагает цель для модификаторов активности, которые могут быть полезны при лечении ожирения или диабета II типа, а механистические идеи, полученные из полного структурного описания RePC (R. etli), позволяют проводить детальные исследования отдельных каталитических и регуляторных центров фермента. [17]
Механизм реакции можно разделить на две частичные реакции (см. рисунок справа). В первой реакции АТФ карбоксилируется с образованием ангидрида фосфорной кислоты [ − O( − O)P(=O)O–C(=O)O − ], который в свою очередь карбоксилирует кофактор биотина , ковалентно присоединенный к остатку лизина домена BCCP. [12] Ангидрид фосфорной кислоты разлагается на углекислый газ и фосфат до атаки фермента, связанного с молекулой биотина. У большинства видов эта реакция требует ацетил-КоА в качестве аллостерического активатора, связывающегося с доменом PT. [16] Во второй реакции, происходящей в домене CT соседнего мономера, углекислый газ переносится на молекулу-акцептор, пируват, с образованием оксалоацетата. Реакция протекает через удаление протона из пирувата с помощью еще не идентифицированного остатка активного центра с образованием промежуточного енолята . Затем енолятный промежуточный продукт атакует CO2 , временно высвобождаемый из связанной с ферментом молекулы биотина. Образующийся оксалоацетат высвобождается. Молекула биотина протонируется вышеупомянутым остатком активного центра и высвобождается из активного центра домена CT для рекарбоксилирования. [16] [17] Основной регулятор активности фермента, ацетил-КоА, стимулирует расщепление АТФ в первой частичной реакции, а также, как было показано, вызывает конформационное изменение в тетрамерной структуре фермента. [13]
Во время глюконеогенеза пируваткарбоксилаза участвует в синтезе фосфоенолпирувата ( PEP) из пирувата . Пируват сначала преобразуется пируваткарбоксилазой в оксалоацетат (OAA) в митохондрии, требуя гидролиза одной молекулы АТФ . Затем OAA декарбоксилируется и одновременно фосфорилируется, что катализируется одной из двух изоформ фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK) либо в цитозоле , либо в митохондриях для получения PEP. В обычных условиях глюконеогенеза OAA преобразуется в PEP митохондриальной PEPCK; полученный PEP затем транспортируется из митохондриального матрикса системой переносчика-переносчика анионов [18] и преобразуется в глюкозу цитозольными ферментами глюконеогенеза. Однако во время голодания, когда концентрация цитозольного НАДН низкая, а митохондриальный НАДН высокий, оксалоацетат может использоваться в качестве челнока восстановительных эквивалентов. Таким образом, ОАА преобразуется в малат митохондриальной малатдегидрогеназой (МДГ). После экспорта в цитозоль малат преобразуется обратно в ОАА с сопутствующим восстановлением НАД + ; ОАА впоследствии преобразуется в ФЭП, который доступен для глюконеогенеза в цитозоле вместе с транспортированным восстановительным эквивалентом НАДН. [1]
Очень высокие уровни активности PC, вместе с высокой активностью других глюконеогенных ферментов, включая PEPCK , фруктозо-1,6-бисфосфатазу и глюкозо-6-фосфатазу в корковом веществе печени и почек, предполагают, что основная роль PC заключается в участии в глюконеогенезе в этих органах. Во время голодания или голодания, когда эндогенная глюкоза требуется для определенных тканей (мозга, лейкоцитов и мозгового вещества почек), экспрессия PC и других глюконеогенных ферментов повышается. [19] Было показано, что у крыс и мышей изменение статуса питания влияет на активность PC в печени. [20] Голодание способствует выработке глюкозы в печени, поддерживаемой повышенным потоком пирувата, и увеличивает активность PC и концентрацию белка; диабет аналогичным образом увеличивает глюконеогенез за счет повышенного поглощения субстрата и повышенного потока через PC в печени у мышей и крыс. [21] [22] Подобно другим ферментам глюконеогенеза, PC положительно регулируется глюкагоном и глюкокортикоидами, а отрицательно — инсулином . [12] Еще одним подтверждением ключевой роли PC в глюконеогенезе является тот факт, что у молочного скота, обладающего способностью усваивать гексозы при адекватном уровне питания, PC и связанный с ним фермент глюконеогенеза PEPCK заметно повышаются во время перехода к лактации, что, по-видимому, способствует синтезу лактозы для производства молока. [23]
Помимо роли ПК в глюконеогенезе, ПК выполняет анаплеротическую роль (реакция, катализируемая ферментом, которая может пополнять запас промежуточных продуктов в цикле лимонной кислоты) для цикла трикарбоновых кислот (необходимого для получения оксалоацетата), когда промежуточные продукты удаляются для различных биосинтетических целей.
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Пируваткарбоксилаза аллостерически регулируется ацетил-КоА , Mg - АТФ и пируватом . [24]
Как перекресток между углеводным и липидным метаболизмом, экспрессия пируваткарбоксилазы в глюконеогенных тканях, жировых тканях и панкреатических островках должна быть скоординирована. В условиях избыточного питания уровни PC увеличиваются в β-клетках поджелудочной железы, чтобы увеличить цикл пирувата в ответ на хронически повышенный уровень глюкозы . [25] Напротив, уровни фермента PC в печени снижаются инсулином ; [26] в периоды избыточного питания адипоцитная ткань расширяется с чрезвычайной экспрессией PC и других липогенных ферментов. [14] [27] Печеночный контроль уровня глюкозы по-прежнему регулируется в ситуации избыточного питания, но при диабете 2 типа, вызванном ожирением, регуляция периферических уровней глюкозы больше не регулируется инсулином. У крыс с диабетом 2 типа хроническое воздействие глюкозы на β-клетки из-за периферической инсулинорезистентности приводит к снижению активности фермента PC и снижению цикла пирувата . [28] [29] Продолжающееся перепроизводство глюкозы гепатоцитами вызывает резкое изменение экспрессии генов в β-клетках с большим увеличением обычно подавленных генов и эквивалентным снижением экспрессии мРНК для инсулина, ионных насосов, необходимых для секреции инсулина, и метаболических ферментов, связанных с секрецией инсулина, включая пируваткарбоксилазу. [30] [31] Одновременно в жировой ткани развивается резистентность к инсулину, вызывающая накопление триацилглицеролов и неэтерифицированных жирных кислот в кровотоке; это не только еще больше ухудшает функцию β-клеток, [31] [32] но и еще больше снижает экспрессию PC. [33] [34] Эти изменения приводят к снижению фенотипа β-клеток при декомпенсированном диабете.
Дефицит пируваткарбоксилазы может вызвать лактатацидоз в результате накопления лактата . [35] Обычно избыток пирувата направляется в глюконеогенез путем превращения пирувата в оксалоацетат , но из-за дефицита фермента избыток пирувата вместо этого превращается в лактат . Поскольку ключевая роль глюконеогенеза заключается в поддержании уровня сахара в крови , дефицит пируваткарбоксилазы также может привести к гипогликемии .
