stringtranslate.com

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа ( EC 4.1.1.32 , PEPCK ) является ферментом семейства лиаз , используемым в метаболическом пути глюконеогенеза . Он превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват и диоксид углерода . [1] [2] [3]

Он встречается в двух формах: цитозольной и митохондриальной .

Структура

У людей существуют две изоформы PEPCK: цитозольная форма (SwissProt P35558) и митохондриальная изоформа (SwissProt Q16822), которые имеют 63,4% идентичности последовательностей. Цитозольная форма важна для глюконеогенеза. Однако известен транспортный механизм для перемещения PEP из митохондрий в цитозоль с использованием специфических мембранных транспортных белков. [4] [5] [6] [7] [8] Транспорт PEP через внутреннюю митохондриальную мембрану включает митохондриальный трикарбоксилатный транспортный белок и, в меньшей степени, переносчик адениновых нуклеотидов . Также была выдвинута возможность транспортера PEP/пирувата. [9]

Рентгеновские структуры PEPCK дают представление о структуре и механизме ферментативной активности PEPCK. Митохондриальная изоформа PEPCK куриной печени в комплексе с Mn 2+ , Mn 2+ - фосфоенолпируватом (PEP) и Mn 2+ -GDP дает информацию о его структуре и о том, как этот фермент катализирует реакции. [10] Delbaere et al. (2004) разделили PEPCK в E. coli и обнаружили активный сайт, расположенный между C-концевым доменом и N-концевым доменом . Было обнаружено, что активный сайт закрывается при вращении этих доменов. [11]

Фосфорильные группы переносятся во время действия PEPCK, что, вероятно, облегчается за счет затененной конформации фосфорильных групп, когда АТФ связывается с PEPCK. [11]

Поскольку затменная формация является высокоэнергетической, перенос фосфорильной группы имеет пониженную энергию активации , что означает, что группы будут переноситься более легко. Этот перенос, вероятно, происходит посредством механизма, похожего на смещение SN2 . [11]

У разных видов

Транскрипция гена PEPCK происходит у многих видов, и аминокислотная последовательность PEPCK различна для каждого вида.

Например, его структура и специфичность различаются у людей, Escherichia coli ( E. coli ) и паразита Trypanosoma cruzi . [12]

Механизм

ФЕПККаза превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват и углекислый газ .

Поскольку PEPCK действует на стыке гликолиза и цикла Кребса, он вызывает декарбоксилирование молекулы C 4 , создавая молекулу C 3. В качестве первого предопределенного шага в глюконеогенезе PEPCK декарбоксилирует и фосфорилирует оксалоацетат (OAA) для его преобразования в PEP, когда присутствует GTP. Когда фосфат переносится, реакция приводит к образованию молекулы GDP. [10] Когда пируваткиназа — фермент, который обычно катализирует реакцию, преобразующую PEP в пируват, — выключается у мутантов Bacillus subtilis , PEPCK участвует в одной из замещающих анаплеротических реакций , работая в обратном направлении своей нормальной функции, преобразуя PEP в OAA. [13] Хотя эта реакция возможна, кинетика настолько неблагоприятна, что мутанты растут очень медленно или не растут вообще. [13]

Функция

Глюконеогенез

PEPCK-C катализирует необратимый этап глюконеогенеза , процесса, посредством которого синтезируется глюкоза. Поэтому считалось, что фермент необходим для гомеостаза глюкозы, о чем свидетельствуют лабораторные мыши, которые заболели сахарным диабетом 2 типа в результате сверхэкспрессии PEPCK-C. [14]

Роль, которую PEPCK-C играет в глюконеогенезе, может быть опосредована циклом лимонной кислоты , активность которого, как было обнаружено, напрямую связана с обилием PEPCK-C. [15]

Уровни PEPCK-C сами по себе не были тесно связаны с глюконеогенезом в печени мышей, как предполагали предыдущие исследования. [15] В то время как печень мышей почти исключительно экспрессирует PEPCK-C, у людей в равной степени присутствует митохондриальный изофермент (PEPCK-M). PEPCK-M сам по себе обладает глюконеогенным потенциалом. [2] Таким образом, роль PEPCK-C и PEPCK-M в глюконеогенезе может быть более сложной и включать больше факторов, чем считалось ранее.

Животные

У животных это этап глюконеогенеза , контролирующий скорость , процесс, посредством которого клетки синтезируют глюкозу из метаболических предшественников. Уровень глюкозы в крови поддерживается в четко определенных пределах отчасти благодаря точной регуляции экспрессии гена PEPCK. Чтобы подчеркнуть важность PEPCK в гомеостазе глюкозы , следует отметить, что повышенная экспрессия этого фермента у мышей приводит к симптомам сахарного диабета II типа , безусловно, самой распространенной формы диабета у людей. В связи с важностью гомеостаза глюкозы в крови ряд гормонов регулируют набор генов (включая PEPCK) в печени , которые модулируют скорость синтеза глюкозы.

PEPCK-C контролируется двумя различными гормональными механизмами. Активность PEPCK-C увеличивается при секреции как кортизола из коры надпочечников, так и глюкагона из альфа-клеток поджелудочной железы. Глюкагон косвенно повышает экспрессию PEPCK-C, увеличивая уровни цАМФ (через активацию аденилатциклазы) в печени, что впоследствии приводит к фосфорилированию S133 на бета-слое в белке CREB . Затем CREB связывается выше гена PEPCK-C в CRE (элемент ответа цАМФ) и индуцирует транскрипцию PEPCK-C. С другой стороны, кортизол, высвобождаемый корой надпочечников, проходит через липидную мембрану клеток печени (из-за своей гидрофобной природы он может проходить напрямую через клеточные мембраны), а затем связывается с глюкокортикоидным рецептором (GR). Этот рецептор димеризуется, и комплекс кортизол/ГР переходит в ядро, где он затем связывается с областью элемента ответа глюкокортикоидов (GRE) аналогично CREB и дает схожие результаты (синтез большего количества PEPCK-C).

Вместе кортизол и глюкагон могут иметь огромные синергические результаты, активируя ген PEPCK-C до уровней, которых ни кортизол, ни глюкагон не могли бы достичь по отдельности. PEPCK-C наиболее распространен в печени, почках и жировой ткани. [3]

Совместное исследование Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и Университета Нью-Гемпшира изучило влияние DE-71, коммерческой смеси PBDE , на кинетику фермента PEPCK и определило, что обработка загрязняющего окружающую среду вещества in vivo нарушает метаболизм глюкозы и липидов в печени, возможно, за счет активации прегнанового ксенобиотического рецептора ( PXR ), и может влиять на чувствительность к инсулину во всем организме. [16]

Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв обнаружили, что повышенная экспрессия цитозольного PEPCK в скелетных мышцах мышей делает их более активными, агрессивными и проживают дольше, чем обычные мыши; см. метаболические супермыши .

Растения

PEPCK ( EC 4.1.1.49) является одним из трех ферментов декарбоксилирования, используемых в механизмах концентрации неорганического углерода растений C 4 и CAM . Другими являются фермент НАДФ-малик и фермент НАД-малик . [17] [18] При фиксации углерода C 4 углекислый газ сначала фиксируется путем соединения с фосфоенолпируватом с образованием оксалоацетата в мезофилле . В растениях C 4 типа PEPCK оксалоацетат затем преобразуется в аспартат , который перемещается в оболочку пучка . В клетках оболочки пучка аспартат снова преобразуется в оксалоацетат . PEPCK декарбоксилирует оксалоацетат оболочки пучка , выделяя углекислый газ , который затем фиксируется ферментом Рубиско . На каждую молекулу углекислого газа, произведенную PEPCK, расходуется молекула АТФ .

PEPCK действует в растениях, которые подвергаются фиксации углерода C4 , где его действие локализовано в цитозоле , в отличие от млекопитающих, у которых было обнаружено, что PEPCK работает в митохондриях . [19]

Хотя он встречается во многих различных частях растений, его наблюдали только в определенных типах клеток, включая области флоэмы . [ 20]

Также было обнаружено, что в огурце ( Cucumis sativus L. ) уровень PEPCK повышается за счет множественных эффектов, которые, как известно, снижают клеточный pH растений, хотя эти эффекты специфичны для данной части растения. [20]

Уровень PEPCK повышался в корнях и стеблях, когда растения поливали хлоридом аммония при низком pH (но не при высоком pH ) или масляной кислотой . Однако уровень PEPCK не повышался в листьях в этих условиях.

В листьях содержание CO 2 в атмосфере в 5% приводит к более высокому содержанию PEPCK. [20]

Бактерии

В попытке изучить роль PEPCK исследователи вызвали сверхэкспрессию PEPCK в бактериях E. coli с помощью рекомбинантной ДНК . [21]

Было показано, что PEPCK Mycobacterium tuberculosis активирует иммунную систему у мышей, увеличивая активность цитокинов . [22]

В результате было обнаружено, что PEPCK может быть подходящим ингредиентом при разработке эффективной субъединичной вакцины против туберкулеза . [22]

Клиническое значение

Активность при раке

PEPCK не рассматривался в исследованиях рака до недавнего времени. Было показано, что в образцах опухолей человека и линиях раковых клеток человека (клетки рака груди, толстой кишки и легких) PEPCK-M, а не PEPCK-C, был выражен на достаточном уровне, чтобы играть важную метаболическую роль. [1] [23] Следовательно, PEPCK-M может играть роль в раковых клетках, особенно при ограничении питательных веществ или других стрессовых условиях.

Регулирование

У людей

PEPCK-C усиливается, как с точки зрения его производства, так и активации, многими факторами. Транскрипция гена PEPCK-C стимулируется глюкагоном , глюкокортикоидами , ретиноевой кислотой и аденозин-3',5'-монофосфатом ( цАМФ ), в то время как она ингибируется инсулином . [24] Из этих факторов инсулин, гормон, дефицит которого наблюдается при сахарном диабете 1 типа, считается доминирующим, поскольку он ингибирует транскрипцию многих стимулирующих элементов. [24] Активность PEPCK также ингибируется гидразинсульфатом , и поэтому ингибирование снижает скорость глюконеогенеза. [25]

При длительном ацидозе уровень PEPCK-C повышается в клетках щеточной каемки проксимальных канальцев почек , чтобы секретировать больше NH 3 и, таким образом, производить больше HCO 3 − . [26]

GTP-специфическая активность PEPCK наиболее высока, когда доступны Mn 2+ и Mg 2+ . [21] Кроме того, гиперреактивный цистеин (C307) участвует в связывании Mn 2+ с активным сайтом. [10]

Растения

Как обсуждалось ранее, содержание PEPCK увеличивалось, когда растения поливали хлоридом аммония с низким pH, хотя высокий pH не имел такого эффекта. [20]

Классификация

Он классифицируется под номером EC 4.1.1. Существует три основных типа, различающихся по источнику энергии для запуска реакции:

Ссылки

  1. ^ ab Méndez-Lucas A, Hyroššová P, Novellasdemunt L, Viñals F, Perales JC (август 2014 г.). «Митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK-M) — это способствующий выживанию ген ответа на стресс эндоплазматического ретикулума (ER), участвующий в адаптации опухолевых клеток к доступности питательных веществ». The Journal of Biological Chemistry . 289 (32): 22090–102. doi : 10.1074/jbc.M114.566927 . PMC  4139223 . PMID  24973213.
  2. ^ ab Méndez-Lucas A, Duarte JA, Sunny NE, Satapati S, He T, Fu X и ​​др. (июль 2013 г.). «Экспрессия PEPCK-M в печени мышей усиливает, а не заменяет опосредованный PEPCK-C глюконеогенез». Журнал гепатологии . 59 (1): 105–13. doi :10.1016/j.jhep.2013.02.020. PMC 3910155. PMID 23466304  . 
  3. ^ ab Chakravarty K, Cassuto H, Reshef L, Hanson RW (2005). «Факторы, контролирующие тканеспецифическую транскрипцию гена фосфоенолпируваткарбоксикиназы-C». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 40 (3): 129–54. doi :10.1080/10409230590935479. PMID  15917397. S2CID  633399.
  4. ^ Robinson BH (май 1971). «Транспорт фосфоенолпирувата системой транспортировки трикарбоксилата в митохондриях млекопитающих». FEBS Letters . 14 (5): 309–312. doi : 10.1016/0014-5793(71)80287-9 . PMID  11945784. S2CID  9617975.
  5. ^ Söling HD, Walter U, Sauer H, Kleineke J (декабрь 1971 г.). «Влияние синтетических аналогов фосфоенолпирувата на мышечную и печеночную пируваткиназу, мышечную енолазу, печеночную фосфоенолпируваткарбоксикиназу и на внутри-/внемитохондриальную транспортную систему трикарбоновых кислот-переносчиков». FEBS Letters . 19 (2): 139–143. doi :10.1016/0014-5793(71)80498-2. PMID  11946196. S2CID  40637963.
  6. ^ Kleineke J, Sauer H, Söling HD (январь 1973). «О специфичности системы переноса трикарбоксилата в митохондриях печени крысы». FEBS Letters . 29 (2): 82–6. doi : 10.1016/0014-5793(73)80531-9 . PMID  4719206. S2CID  30730789.
  7. ^ Шуг АЛ, Шраго Э (июль 1973). «Ингибирование транспорта фосфоенолпирувата через системы переноса трикарбоксилатных и адениновых нуклеотидов митохондрий печени крысы». Biochemical and Biophysical Research Communications . 53 (2): 659–65. doi :10.1016/0006-291X(73)90712-2. PMID  4716993.
  8. ^ Sul HS, Shrago E, Shug AL (январь 1976). «Взаимосвязь транспорта фосфоенолпирувата, ингибирования ацил-коэнзимом А транслоказы адениннуклеотида и оттока ионов кальция в митохондриях сердца морской свинки». Архивы биохимии и биофизики . 172 (1): 230–7. doi :10.1016/0003-9861(76)90071-0. PMID  1252077.
  9. ^ Satrústegui J, Pardo B, Del Arco A (январь 2007 г.). «Митохондриальные транспортеры как новые цели для внутриклеточной кальциевой сигнализации». Physiological Reviews . 87 (1): 29–67. doi :10.1152/physrev.00005.2006. PMID  17237342.
  10. ^ abc Holyoak T, Sullivan SM, Nowak T (июль 2006 г.). «Структурное понимание механизма катализа PEPCK». Биохимия . 45 (27): 8254–63. doi :10.1021/bi060269g. PMID  16819824.
  11. ^ abc Delbaere LT, Sudom AM, Prasad L, Leduc Y, Goldie H (март 2004 г.). "Структурно-функциональные исследования переноса фосфорила фосфоенолпируваткарбоксикиназой". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1697 (1–2): 271–8. doi :10.1016/j.bbapap.2003.11.030. PMID  15023367.
  12. ^ Trapani S, Linss J, Goldenberg S, Fischer H, Craievich AF, Oliva G (ноябрь 2001 г.). «Кристаллическая структура димерной фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK) из Trypanosoma cruzi при разрешении 2 A». Журнал молекулярной биологии . 313 (5): 1059–72. doi :10.1006/jmbi.2001.5093. PMID  11700062.
  13. ^ ab Zamboni N, Maaheimo H, Szyperski T, Hohmann HP, Sauer U (октябрь 2004 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксикиназа также катализирует карбоксилирование C 3 на границе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот Bacillus subtilis». Metabolic Engineering . 6 (4): 277–84. doi :10.1016/j.ymben.2004.03.001. PMID  15491857.
  14. ^ Медицинский центр Вандербильта. "Granner Lab, PEPCK Research". 2001. Онлайн. Интернет. Доступ 10:46PM, 4/13/07. www.mc.vanderbilt.edu/root/vumc.php?site=granner&doc=119
  15. ^ ab Burgess SC, He T, Yan Z, Lindner J, Sherry AD, Malloy CR и др. (апрель 2007 г.). «Цитозольная фосфоенолпируваткарбоксикиназа не только контролирует скорость печеночного глюконеогенеза в интактной печени мыши». Cell Metabolism . 5 (4): 313–20. doi :10.1016/j.cmet.2007.03.004. PMC 2680089 . PMID  17403375. 
  16. ^ Nash JT, Szabo DT, Carey GB (2012). «Полибромированные дифениловые эфиры изменяют кинетику фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназы печени у самцов крыс Wistar: последствия для метаболизма липидов и глюкозы». Журнал токсикологии и охраны окружающей среды. Часть A. 76 ( 2): 142–56. doi : 10.1080/15287394.2012.738457. PMID  23294302. S2CID  24458236.
  17. ^ Канаи Р., Эдвардс, GE (1998). «Биохимия фотосинтеза C4». В Sage RF, Monson RK (ред.). Биология растений C4 . Elsevier. стр. 49–87. ISBN 978-0-08-052839-7.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Christopher JT, Holtum J (сентябрь 1996 г.). «Закономерности распределения углерода в листьях видов толстянковых с кислотным метаболизмом во время нейтрализации кислотности». Физиология растений . 112 (1): 393–399. doi :10.1104/pp.112.1.393. PMC 157961. PMID 12226397  . 
  19. ^ Вознесенская EV, Franceschi VR, Chuong SD, Edwards GE (июль 2006). «Функциональная характеристика анатомии листьев фосфоенолпируваткарбоксикиназы типа C4: иммуно-, цитохимический и ультраструктурный анализы». Annals of Botany . 98 (1): 77–91. doi :10.1093/aob/mcl096. PMC 2803547 . PMID  16704997. 
  20. ^ abcd Chen ZH, Walker RP, Técsi LI, Lea PJ, Leegood RC (май 2004). "Фосфоенолпируваткарбоксикиназа в растениях огурцов увеличивается как под действием аммония, так и подкислением и присутствует во флоэме". Planta . 219 (1): 48–58. Bibcode :2004Plant.219...48C. doi :10.1007/s00425-004-1220-y. PMID  14991407. S2CID  23800457.
  21. ^ ab Aich S, Imabayashi F, Delbaere LT (октябрь 2003 г.). «Экспрессия, очистка и характеристика бактериальной GTP-зависимой PEP-карбоксикиназы». Protein Expression and Purification . 31 (2): 298–304. doi :10.1016/S1046-5928(03)00189-X. PMID  14550651.
  22. ^ ab Liu K, Ba X, Yu J, Li J, Wei Q, Han G и др. (август 2006 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксикиназа Mycobacterium tuberculosis вызывает сильные клеточно-опосредованные иммунные реакции у мышей». Молекулярная и клеточная биохимия . 288 (1–2): 65–71. doi :10.1007/s11010-006-9119-5. PMID  16691317. S2CID  36284611.
  23. ^ Leithner K, Hrzenjak A, Trötzmüller M, Moustafa T, Köfeler HC, Wohlkoenig C и др. (февраль 2015 г.). «Активация PCK2 опосредует адаптивный ответ на истощение глюкозы при раке легких». Oncogene . 34 (8): 1044–50. doi : 10.1038/onc.2014.47 . PMID  24632615. S2CID  11902696.
  24. ^ ab O'Brien RM, Lucas PC, Forest CD, Magnuson MA, Granner DK (август 1990 г.). «Идентификация последовательности в гене PEPCK, которая опосредует отрицательное влияние инсулина на транскрипцию». Science . 249 (4968): 533–7. Bibcode :1990Sci...249..533O. doi :10.1126/science.2166335. PMID  2166335.
  25. ^ Mazzio E, Soliman KF (январь 2003 г.). «Роль гликолиза и глюконеогенеза в цитопротекции клеток нейробластомы против токсичности иона 1-метил-4-фенилпиридиния». Neurotoxicology . 24 (1): 137–47. doi :10.1016/S0161-813X(02)00110-9. PMID  12564389.
  26. ^ Уолтер Ф. Борон (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Elsevier/Saunders. стр. 858. ISBN 978-1-4160-2328-9.

Внешние ссылки