stringtranslate.com

Пируват, фосфатдикиназа

Три состояния пируват-фосфатдикиназы (нефосфорилированное, монофосфорилированное и дифосфорилированное) при превращении пирувата в фосфоенолпируват (ФЕП). P i = фосфатная группа. E-His = остаток гистидина фермента.

Пируват, фосфатдикиназа или ППДК ( КФ 2.7.9.1) — фермент семейства трансфераз , катализирующий химическую реакцию

АТФ + пируват + фосфат АМФ + фосфоенолпируват + дифосфат

Этот фермент изучался в основном на растениях, но также и на некоторых бактериях. [1] Это ключевой фермент глюконеогенеза и фотосинтеза, который отвечает за обращение реакции, выполняемой пируваткиназой в гликолизе Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса. Его не следует путать с пируват, водной дикиназой .

Он принадлежит к семейству трансфераз , а именно, тех, которые переносят фосфорсодержащие группы ( фосфотрансферазы ) с парными акцепторами ( дикиназы ). Этот фермент участвует в метаболизме пирувата и фиксации углерода .

Номенклатура

Систематическое название этого класса ферментов — АТФ:пируват, фосфатфосфотрансфераза. Другие названия, которые обычно используются, включают пируват, ортофосфатдикиназу, пируват-фосфатдикиназу (фосфорилирующую), пируватфосфатдикиназу, пируват-неорганическую фосфатдикиназу, пируват-фосфатдикиназу, пируват-фосфатлигазу, пировиноградную-фосфатдикиназу, пировиноградную-фосфатлигазу, пируват, Pi-дикиназу и PPDK.

Механизм реакции

PPDK катализирует превращение пирувата в фосфоенолпируват (PEP), потребляя 1 молекулу АТФ и производя одну молекулу АМФ в этом процессе. Механизм состоит из 3 обратимых реакций: [2]

  1. Фермент ППДК связывается с АТФ, образуя АМФ и дифосфорилированную ППДК.
  2. Дифосфорилированная ППДК связывается с неорганическим фосфатом , образуя дифосфат и (моно)фосфорилированную ППДК.
  3. Фосфорилированная ППДК связывается с пируватом, образуя фосфоенолпируват и регенерируя ППДК.

Реакция похожа на реакцию, катализируемую пируваткиназой , которая также преобразует пируват в ФЕП. [3] Однако пируваткиназа катализирует необратимую реакцию и не потребляет АТФ. Напротив, ППДК катализирует обратимую реакцию и потребляет 1 молекулу АТФ на каждую преобразованную молекулу пирувата.

В настоящее время детали каждого механистического шага неизвестны [3].

Структура

В своей активной форме ППДК представляет собой гомотетрамер с субъединицами около 95 кДа [4]

Существует два различных реакционных центра, расположенных на расстоянии около 45 ангстрем друг от друга, в которых связываются различные субстраты. [5] Сайт связывания нуклеотида ( АТФ ) находится на N - конце , имеет 240 аминокислот и характерный захват АТФ . Сайт связывания пирувата/ПЭП находится на С-конце , имеет 340 аминокислот и α/β-бочкообразную складку. Также имеется центральный домен, содержащий His 455, первичный остаток , ответственный за катализ. His455 является акцептором или донорным остатком фосфорила. [3] Структура фермента предполагает, что плечо His455 совершает поворотное движение для перемещения фосфорильной группы между двумя реакционными центрами. [6] Во время этого поворота центральный домен поворачивается по крайней мере на 92 градуса и перемещается на 0,5 ангстрем. [7]

Исследования кристаллических структур ППДК показывают, что центральный домен расположен в разной близости к двум другим доменам в зависимости от источника фермента. [7] У кукурузы он расположен ближе к С-концу, тогда как у Clostridium symbiosum он расположен ближе к N-концу.

Исследования показали, что механизмы связывания PPDK аналогичны механизмам D-Ala-D-Ala лигазы и пируваткиназы . [5] В частности, PPDK очень похожа на пируваткиназу, которая также катализирует превращение пирувата в фосфоенолпируват; однако она делает это без промежуточного фосфорилированного фермента. [3] Хотя их аминокислотные последовательности различны, остатки, имеющие ключевое значение для катализа, сохраняются в обоих ферментах. Эксперименты с точечным мутагенезом показали, что каталитические остатки включают Arg 561, Arg 617, Glu 745, Asn 768 и Cys 831 (нумерация относительно белка C, symbiosum , PDB : 1KBL, 1KC7 ​). [3]

Биологическая функция и эволюция

PPDK используется в пути C4 для повышения эффективности фиксации углекислого газа . [8] В средах, где много света, скорость фотосинтеза у растений ограничена скоростью поглощения углекислого газа (CO 2 ). Это можно улучшить, используя ряд химических реакций для транспортировки CO 2 из клеток мезофилла (которые расположены на внешней стороне листа) в клетки обкладки пучков (которые расположены внутри клеток). PPDK преобразует пируват в PEP, который реагирует с CO 2 с образованием оксалоацетата . Когда CO 2 высвобождается в клетках обкладки пучков, пируват регенерируется, и цикл продолжается. [8]

Хотя реакция, катализируемая PPDK, обратима, PEP является предпочтительным продуктом в биологических условиях. Это связано с основным pH в строме , где происходит реакция, а также с высокими концентрациями аденилаткиназы и пирофосфатазы . Поскольку эти два фермента катализируют экзергонические реакции с участием AMP и дисфосфата соответственно, они продвигают реакцию, катализируемую PPDK, вперед. [9] Поскольку PPDK потребляет АТФ, путь C4 неблагоприятен для растений в средах с ограниченным доступом к свету, поскольку они не способны производить большие количества АТФ. [8]

PPDK очень распространен в листьях C4, составляя до 10% от общего белка . [10] Исследования показали, что фермент примерно на 96% идентичен у разных видов растений. Эксперименты по гибридизации показали, что генетические различия коррелируют со степенью, в которой растения выполняют путь C4 — необычные последовательности существуют в растениях, которые также демонстрируют характеристики C3. [11] PPDK также обнаруживается в небольших количествах в растениях C3. Эволюционная история предполагает, что когда-то он играл роль в гликолизе , как и похожая пируваткиназа , и в конечном итоге эволюционировал в путь C4. [10]

Помимо растений, PPDK также обнаружена в паразитической амебе Entamoeba histolytica ( P37213 ) и бактериях Clostridium symbiosum ( P22983 ; а также других бактериях). [12] В этих двух организмах PPDK функционирует аналогично (а иногда и вместо) пируваткиназе, катализируя реакцию в направлении производства АТФ как часть гликолиза. Ингибиторы PPDK Entamoeba были предложены в качестве амебоцидов против этого организма. [13]

Регулирование

PPDK инактивируется, когда регуляторный белок PPDK (PDRP) фосфорилирует Thr456. PDRP как активирует, так и инактивирует PPDK.

Растительная PPDK регулируется пируват-фосфат-дикиназным регуляторным белком (PDRP). [4] При высоком уровне освещенности PDRP дефосфорилирует Thr 456 на PPDK с помощью AMP , тем самым активируя фермент. [10] PDRP дезактивирует PPDK путем фосфорилирования того же остатка треонина с помощью дифосфата . PDRP является уникальным регулятором , поскольку он катализирует как активацию, так и дезактивацию PPDK посредством двух различных механизмов. [10]

Исследования кукурузной PPDK показывают, что интроны , терминаторные последовательности и, возможно, другие энхансерные последовательности действуют совместно, увеличивая уровень функциональной и стабильной мРНК . ДНК PPDK была выражена лишь незначительно в трансгенном рисе по сравнению с интактной ДНК, которая продемонстрировала значительную экспрессию. [14]

Структурные исследования

По состоянию на начало 2018 года для этого класса ферментов было решено 14 структур с кодами доступа PDB 1DIK, 1GGO, 1H6Z, 1JDE, 1KBL, 1KC7, 1VBG, 1VBH, 2DIK, 2FM4, 5JVJ, 5JVL, 5JVN, 5LU4.

Ссылки

  1. ^ Pocalyko DJ, Carroll LJ, Martin BM, Babbitt PC, Dunaway-Mariano D (декабрь 1990 г.). «Анализ гомологии последовательностей в растительной и бактериальной пируватфосфатдикиназе, ферменте I бактериальной фосфоенолпируват: сахарной фосфотрансферазной системы и других ферментах, использующих PEP. Идентификация потенциальных каталитических и регуляторных мотивов». Биохимия . 29 (48): 10757–65. doi :10.1021/bi00500a006. PMID  2176881.
  2. ^ Evans HJ, Wood HG (декабрь 1968 г.). «Механизм реакции пируват-фосфатдикиназы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 61 (4): 1448–53. Bibcode : 1968PNAS...61.1448E. doi : 10.1073/pnas.61.4.1448 . PMC 225276. PMID  4303480 . 
  3. ^ abcde Herzberg O, Chen CC, Liu S, Tempczyk A, Howard A, Wei M и др. (январь 2002 г.). «Пируватный сайт пируватфосфатдикиназы: кристаллическая структура ферментно-фосфонопируватного комплекса и мутантный анализ». Биохимия . 41 (3): 780–7. doi :10.1021/bi011799+. PMID  11790099.
  4. ^ ab Chastain CJ, Failing CJ, Manandhar L, Zimmerman MA, Lakner MM, Nguyen TH (май 2011 г.). «Функциональная эволюция C(4) пирувата, ортофосфатдикиназы». Журнал экспериментальной ботаники . 62 (9): 3083–91. doi : 10.1093/jxb/err058 . PMID  21414960.
  5. ^ ab Herzberg O, Chen CC, Kapadia G, McGuire M, Carroll LJ, Noh SJ, Dunaway-Mariano D (апрель 1996 г.). "Механизм поворотного домена для ферментативного фосфопереноса между удаленными реакционными участками". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (7): 2652–7. Bibcode : 1996PNAS...93.2652H. doi : 10.1073/pnas.93.7.2652 . PMC 39685. PMID  8610096 . 
  6. ^ Lim K, Read RJ, Chen CC, Tempczyk A, Wei M, Ye D и др. (декабрь 2007 г.). «Механизм поворотного домена в пируватфосфатдикиназе». Биохимия . 46 (51): 14845–53. CiteSeerX 10.1.1.421.2653 . doi :10.1021/bi701848w. PMID  18052212. 
  7. ^ ab Nakanishi T, Nakatsu T, Matsuoka M, Sakata K, Kato H (февраль 2005 г.). «Кристаллические структуры пируватфосфатдикиназы из кукурузы выявили альтернативную конформацию в движении поворотного домена». Biochemistry . 44 (4): 1136–44. doi :10.1021/bi0484522. PMID  15667207.
  8. ^ abc Berg J, Tymoczko J, Stryer L (2012). «Цикл Кальвина и пентозофосфатный путь». Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. 599–600. ISBN 9780716787242.
  9. ^ Chastain C (2010). «Структура, функция и посттрансляционная регуляция C4 пируватортофосфатдикиназы». В Raghavendra A (ред.). C4 фотосинтез и связанные с ним механизмы концентрации CO2 . Springer. стр. 301–305. ISBN 9789048194063.
  10. ^ abcd Chastain CJ, Fries JP, Vogel JA, Randklev CL, Vossen AP, Dittmer SK и др. (апрель 2002 г.). «Пируват, ортофосфат дикиназа в листьях и хлоропластах растений C(3) подвергается обратимому фосфорилированию, вызванному светом/темной средой». Физиология растений . 128 (4): 1368–78. doi :10.1104/pp.010806. PMC 154264. PMID  11950985 . 
  11. ^ Роше Э., Штрёбель М., Вестхофф П. (октябрь 1994 г.). «Первичная структура фотосинтетической пируватортофосфатдикиназы растения C3 Flaveria pringlei и анализ экспрессии последовательностей пируватортофосфатдикиназы у видов C3, C3-C4 и C4 Flaveria». Молекулярная биология растений . 26 (2): 763–9. doi :10.1007/bf00013761. PMID  7948930. S2CID  23276817.
  12. ^ UniProt 50%-90% кластеров: Из Clostridium PPDK
  13. ^ Stephen P, Vijayan R, Bhat A, Subbarao N, Bamezai RN (сентябрь 2008 г.). «Молекулярное моделирование пируватфосфатдикиназы Entamoeba histolytica и виртуальный скрининг in silico для новых ингибиторов». Журнал компьютерного молекулярного дизайна . 22 (9): 647–60. Bibcode : 2008JCAMD..22..647S. doi : 10.1007/s10822-007-9130-2. PMID  17710553. S2CID  25026913.
  14. ^ Fukayama H, Tsuchida H, Agarie S, Nomura M, Onodera H, Ono K и др. (ноябрь 2001 г.). «Значительное накопление C(4)-специфического пирувата, ортофосфатдикиназы в растении C(3), рисе». Plant Physiology . 127 (3): 1136–46. doi :10.1104/pp.010641. PMC 129282 . PMID  11706193. 

Дальнейшее чтение