stringtranslate.com

Пируваткарбоксилаза

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:

пируват + HCO−
3+ АТФ → оксалоацетат + АДФ + P

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]

Структура

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 форме тетраэдра. 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 формы 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]

Сравнение симметрии пируваткарбоксилазы

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

черно-белая схематическая диаграмма, изображающая механизм действия пируваткарбоксилазы
Предполагаемый механизм действия пируваткарбоксилазы:
( A ) АТФ-зависимое карбоксилирование биотина (домен BC);
( B ) транскарбоксилирование пирувата (домен CT).

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 связанный с остатком лизина домена BCCP. [12] Ангидрид фосфорной кислоты распадается 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]

Функция

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]

  1. ^ Интерактивную карту путей можно редактировать на WikiPathways: «GlycolysisGluconeogenesis_WP534».

Регулирование

Пируваткарбоксилаза аллостерически регулируется ацетил-КоА , Mg - АТФ и пируватом . [24]

Клиническое значение

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, вызывая 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 преобразуется в лактат . Поскольку ключевая роль глюконеогенеза заключается в поддержании уровня сахара в крови , дефицит пируваткарбоксилазы также может привести к гипогликемии .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc PDB : 2QF7 ​; Jitrapakdee S, St Maurice M, Rayment I, Cleland WW, Wallace JC, Attwood PV (август 2008 г.). «Структура, механизм и регуляция пируваткарбоксилазы». Biochem. J . 413 (3): 369–87. doi :10.1042/BJ20080709. PMC 2859305 . PMID  18613815. 
  2. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000173599 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000024892 – Ensembl , май 2017 г.
  4. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  6. ^ Эшман, Леони К.; Кич, Д. Брюс; Уоллес, Джон К.; Нильсен, Ян (1972). «Пируваткарбоксилаза почек овец». Журнал биологической химии . 247 (18): 5818–5824. doi : 10.1016/S0021-9258(19)44831-X .
  7. ^ Чай, Пейвэй; Лан, Пэнфэй; Ли, Шаобай; Яо, Дэцян; Чанг, Ченчен; Цао, Ми; Шен, Яфэн; Ге, Шэнфан; Ву, Цзянь; Лей, Мин; Фань, Сяньцюнь (2022). «Механистическое понимание аллостерической активации пируваткарбоксилазы человека ацетил-КоА». Молекулярная клетка . 82 (21): 4116–4130.e6. doi :10.1016/j.molcel.2022.09.033.
  8. ^ Махан, Д.Е.; Мушавар, И.К.; Кёппе, Р.Э. (1975). «Очистка и свойства пируваткарбоксилазы мозга крысы». Biochemical Journal . 145 (1): 25–35. ISSN  0264-6021. PMC 1165183. PMID  1238083 . 
  9. ^ Джитрапакди, Саравут; Незич, Марк Г; Ян Кэссадий, А; Кью-Гудолл, Йесим; Уоллес, Джон К (2002-07-12). «Молекулярное клонирование и структура домена куриной пируваткарбоксилазы». Biochemical and Biophysical Research Communications . 295 (2): 387–393. doi :10.1016/S0006-291X(02)00651-4. ISSN  0006-291X.
  10. ^ Utter MF, Keech DB (май 1960). «Образование оксалоацетата из пирувата и углекислого газа». J. Biol. Chem . 235 : PC17–8. doi : 10.1016/S0021-9258(18)69442-6 . PMID  13840551.
  11. ^ Cohen ND, Beegen H, Utter MF, Wrigley NG (март 1979). «Повторное исследование электронного микроскопического вида пируваткарбоксилазы из куриной печени». J. Biol. Chem . 254 (5): 1740–7. doi : 10.1016/S0021-9258(17)37835-3 . PMID  762171.
  12. ^ abc Jitrapakdee S, Vidal-Puig A, Wallace JC (апрель 2006 г.). «Анаплеротические роли пируваткарбоксилазы в тканях млекопитающих». Cell. Mol. Life Sci . 63 (7–8): 843–54. doi :10.1007/s00018-005-5410-y. PMC 11136034. PMID 16505973.  S2CID 850667  . 
  13. ^ ab Jitrapakdee S, Nezic MG, Cassady AI, Khew-Goodall Y, Wallace JC (июль 2002 г.). «Молекулярное клонирование и структура домена куриной пируваткарбоксилазы». Biochem. Biophys. Res. Commun . 295 (2): 387–93. doi :10.1016/S0006-291X(02)00651-4. PMID  12150961.
  14. ^ ab Jitrapakdee S, Walker ME, Wallace JC (июнь 1996 г.). «Идентификация новых альтернативно сплайсированных мРНК пируваткарбоксилазы с расходящимися 5'-нетранслируемыми областями, которые экспрессируются тканеспецифичным образом». Biochem. Biophys. Res. Commun . 223 (3): 695–700. doi :10.1006/bbrc.1996.0958. PMID  8687459.
  15. ^ Kondo S, Nakajima Y, Sugio S, Yong-Biao J, Sueda S, Kondo H (март 2004 г.). «Структура субъединицы биотинкарбоксилазы пируваткарбоксилазы из Aquifex aeolicus при разрешении 2,2 А». Acta Crystallogr. D . 60 (Pt 3): 486–92. Bibcode :2004AcCrD..60..486K. doi :10.1107/S0907444904000423. PMID  14993673.
  16. ^ abcd Yu LP, Xiang S, Lasso G, Gil D, Valle M, Tong L (июнь 2009 г.). "Симметричный тетрамер для пируваткарбоксилазы S. aureus в комплексе с коферментом A". Структура . 17 (6): 823–32. doi :10.1016/j.str.2009.04.008. PMC 2731552. PMID  19523900 . 
  17. ^ abcd St Maurice M, Reinhardt L, Surinya KH, Attwood PV, Wallace JC, Cleland WW, Rayment I (август 2007 г.). «Доменная архитектура пируваткарбоксилазы, биотин-зависимого многофункционального фермента». Science . 317 (5841): 1076–9. Bibcode :2007Sci...317.1076S. doi :10.1126/science.1144504. PMID  17717183. S2CID  34738991.
  18. ^ Stark R, Pasquel F, Turcu A и др. (2009). «Цикл фосфоенолпирувата через митохондриальную фосфоенолпируваткарбоксикиназу связывает анаплероз и митохондриальный ГТФ с секрецией инсулина». Журнал биологической химии . 284 (39): 26578–26590. doi : 10.1074/jbc.M109.011775 . PMC 2785346. PMID  19635791 . 
  19. ^ Rothman DL, Magnusson I, Katz LD, Shulman RG, Shulman GI (октябрь 1991 г.). «Количественное определение гликогенолиза и глюконеогенеза в печени у голодающих людей с помощью 13C ЯМР». Science . 254 (5031): 573–6. Bibcode :1991Sci...254..573R. doi :10.1126/science.1948033. PMID  1948033.
  20. ^ Bizeau ME, Short C, Thresher JS, Commerford SR, Willis WT, Pagliassotti MJ (2001). "Увеличение ёмкости потока пирувата объясняет вызванное диетой увеличение глюконеогенеза in vitro ". Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol . 281 (2): R427–R433. doi :10.1152/ajpregu.2001.281.2.R427. PMID  11448844. S2CID  10376355.
  21. ^ Salto R, Sola M, Olicer FJ, Vargas AM (декабрь 1996 г.). «Влияние голодания, диабета и интоксикации четыреххлористым углеродом на уровень коркового вещества почек крыс и пируваткарбоксилазы печени». Arch. Physiol. Biochem . 104 (7): 845–850. CiteSeerX 10.1.1.378.3073 . doi :10.1076/apab.104.7.845.13111. PMID  9127680. 
  22. ^ Large V, Beylot M (июнь 1999). «Модификации активности цикла лимонной кислоты и глюконеогенеза при диабете, вызванном стрептозотоцином, и эффекты метформина». Диабет . 48 (6): 1251–1257. doi :10.2337/diabetes.48.6.1251. PMID  10342812.
  23. ^ Гринфилд Р. Б., Чекава М. Дж., Донкин С. С. (2002). «Изменения в экспрессии мРНК для глюконеогенных ферментов в печени молочного скота при переходе к лактации». Журнал молочной науки . 83 (6): 1228–1236. doi : 10.3168/jds.S0022-0302(00)74989-7 . PMID  10877388.
  24. ^ Валле М (2017).«Пируваткарбоксилаза, структура и функции»". Макромолекулярные белковые комплексы . Субклеточная биохимия. Том 83. С. 291–322. doi :10.1007/978-3-319-46503-6_11. ISBN 978-3-319-46501-2. PMID  28271481.
  25. ^ Liu YQ, Han J, Epstein PN, Long YS (декабрь 2005 г.). «Усиление пролиферации β-клеток крыс в 60% панкреатэктомированных островков за счет увеличения метаболического потока глюкозы через путь пируваткарбоксилазы». Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab . 288 (3): E471–E478. doi :10.1152/ajpendo.00427.2004. PMID  15507531.
  26. ^ Desvergne B, Michalik L, Wahli W (апрель 2006 г.). «Транскрипционная регуляция метаболизма». Physiol. Rev. 86 ( 2): 465–514. doi :10.1152/physrev.00025.2005. PMID  16601267.
  27. ^ Lynch CJ, McCall KM, Billingsley ML, Bohlen LM, Hreniuk SP, Martin LF, Witters LA, Vannucci SJ (май 1992 г.). «Пируваткарбоксилаза при генетическом ожирении». Am. J. Physiol . 262 (5 Pt 1): E608–E618. doi :10.1152/ajpendo.1992.262.5.E608. PMID  1375435.
  28. ^ MacDonald MJ, Tang J, Polonsky KS (ноябрь 1996 г.). «Низкий уровень митохондриальной глицеролфосфатдегидрогеназы и пируваткарбоксилазы в островках поджелудочной железы крыс с диабетом Цукера, страдающих ожирением». Диабет . 45 (11): 1626–1630. doi :10.2337/diabetes.45.11.1626. PMID  8866570.
  29. ^ McDonald MJ, Efendic S, Ostenson CG (июль 1996 г.). «Нормализация инсулином низкой митохондриальной глицеролфосфатдегидрогеназы и пируваткарбоксилазы в панкреатических островках крысы GK». Диабет . 45 (7): 886–890. doi :10.2337/diabetes.45.7.886. PMID  8666138.
  30. ^ Laybutt DR, Glandt M, Xu G, Ahn YB, Trivedi N, Bonner-Weir S, Weir GC (январь 2003 г.). «Критическое снижение массы β-клеток приводит к двум различным результатам с течением времени. Адаптация при нарушенной толерантности к глюкозе или декомпенсированном диабете». J. Biol. Chem . 278 (5): 2997–3005. doi : 10.1074/jbc.M210581200 . PMID  12438314.
  31. ^ ab Poitout V, Robertson RP (февраль 2002 г.). «Вторичная недостаточность β-клеток при диабете 2 типа — конвергенция глюкотоксичности и липотоксичности». Эндокринология . 143 (2): 339–342. doi : 10.1210/endo.143.2.8623 . PMID  11796484.
  32. ^ Boucher A, Lu D, Burgess SC, Telamaque-Potts S, Jensen MV, Mulder H, Wang MY, Unger RH, Sherry AD, Newgard CB (2004). «Биохимический механизм липид-индуцированного нарушения секреции инсулина, стимулированной глюкозой, и его обратимость с помощью аналога малата». J. Biol. Chem . 279 (26): 27263–27271. doi : 10.1074/jbc.M401167200 . PMID  15073188.
  33. ^ Busch AK, Cordery D, Denyer GS, Biden TJ (апрель 2002 г.). «Профилирование экспрессии генов, регулируемых пальмитатом и олеатом, дает новое представление об эффектах хронического воздействия на функцию β-клеток поджелудочной железы». Диабет . 51 (4): 977–987. doi : 10.2337/diabetes.51.4.977 . PMID  11916915.
  34. ^ Иидзука К, Накадзима Х, Намба М, Миягава Дж, Миджазаки Дж, Ханафуса Т, Мацузава Й (январь 2002 г.). «Метаболические последствия длительного воздействия свободных жирных кислот на β-клетки поджелудочной железы с особым акцентом на нечувствительность к глюкозе». Biochim. Biophys. Acta . 1586 (1): 23–31. doi :10.1016/s0925-4439(01)00082-5. PMID  11781146.
  35. ^ García-Cazorla A, Rabier D, Touati G, Chadefaux-Vekemans B, Marsac C, de Lonlay P, Saudubray JM (январь 2006 г.). «Дефицит пируваткарбоксилазы: метаболические характеристики и новые неврологические аспекты». Ann. Neurol . 59 (1): 121–7. doi :10.1002/ana.20709. PMID  16278852. S2CID  21367897.

Внешние ссылки