| Fosfoenolpyruvatkarboxylas | |
|---|---|
| En PEP-karboxylasmonomer från Flaveria trinervia . | |
| Identifierare | |
| Kod KF | 4.1.1.31 |
| CAS-nummer | 9067-77-0 |
| Enzymdatabaser | |
| IntEnz | IntEnz-vy |
| BRENDA | BRENDA inträde |
| ExPASy | NiceZyme-vy |
| MetaCyc | Metabolisk väg |
| KEGG | KEGG inträde |
| PRIAM | profil |
| PDB- strukturer | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Genontologi | AmiGO • EGO |
| Sök | |
| PMC | artiklar |
| PubMed | artiklar |
| NCBI | NCBI-proteiner |
| CAS | 9067-77-0 |
Fosfoenolpyruvatkarboxylas ( PEP-karboxylas ) är ett enzym i karboxylasfamiljen som förekommer i växter och vissa bakterier . Det katalyserar tillsatsen av bikarbonat (HCO 3 - ) till fosfoenolpyruvat (PEP) med bildning av en fyrkolsförening av oxaloacetat och oorganiskt fosfat [1] :
PEP + HCO3 - → oxaloacetat + FnDetta är den första reaktionen av kolfixering i CAM ( crassulacean acid metabolism ) och C 4 - växter, såväl som en av de anaplerotiska reaktionerna i trikarboxylsyracykeln i bakterier och växter. Enzymets struktur, såväl som dess tvåstegskatalytiska mekanism, är väl studerade. PEP-karboxylasaktivitet är hårt kontrollerad och reglerad både genom fosforylering och allosteriskt.
PEP-karboxylas finns i växter och vissa bakteriearter, men saknas i svampar eller djur (inklusive människor) [2] . Nukleotidsekvensen för genen för detta enzym skiljer sig mellan organismer, men enzymets aktiva plats och de allosteriska bindningsställena som är nödvändiga för dess reglering bevaras alltid . Dess tertiära struktur förblir också konservativ [3] .
Kristallstrukturen för PEP-karboxylas har bestämts för flera organismer, inklusive Zea maysa (majs) och Escherichia coli [3] . Enzymet existerar som en dimer av dimerer: två identiska subenheter binder till en dimer genom saltbryggor mellan arginin (R438 - den exakta positionen kan variera beroende på genens ursprung) och glutaminsyra (E433) [4] . Denna dimer binder i sin tur till en annan dimer och tillsammans bildar de ett komplex av fyra subenheter. Varje subenhet består huvudsakligen av alfaspiraler (65 %) [1] , har en massa på 106 kDa [5] och består av cirka 966 aminosyror [6] .
Det aktiva stället för enzymet har inte karakteriserats fullständigt. Det inkluderar konserverade rester av asparaginsyra (D564) och glutaminsyra (E566), som binder den tvåvärda katjonen icke-kovalent genom sina karboxylgrupper [1] . Beroende på organismen kan detta vara en magnesium- , mangan- eller koboltjon [1] [2] , dess roll är att koordinera phosphoenolpyruvate (PEP)-molekylen och reaktionsintermediärerna. Histidinresten ( H138 ) i det aktiva stället tros tjäna till att bära protonen i katalys [1] [4] .
Mekanismen för PEP-karboxylaskatalys är ganska väl förstått. Reaktionen för att bilda oxaloacetat är mycket exoterm och därför irreversibel; förändringen i Gibbs energi för denna process (△G°') är -30 kJ/mol [1] . Substratet och kofaktorn binder i följande ordning: metalljon (Co 2+ , Mg 2+ eller Mn 2+ ), FEP och bikarbonat (HCO 3 − ) [1] [2] . Reaktionen fortskrider i två huvudsteg, som beskrivs nedan och visas i diagrammet:
1. Bikarbonat fungerar som en nukleofil och angriper fosfatgruppen i PEP. Detta resulterar i nedbrytning av PEP till karboxifosfat (den aktiverade formen av CO 2 ) och den mycket reaktiva enolformen av pyruvat .
2. En proton överförs till karboxifosfatet. Denna process involverar histidinresten (H138), som först delar av en proton från karboxylgruppen, och sedan, som en syra, överför den till fosfatet [1] . Därefter sönderfaller karboxifosfatet till koldioxid och oorganiskt fosfat med frigörande av energi, vilket gör reaktionen irreversibel. Slutligen angrips koldioxid av enolat, vilket resulterar i bildandet av oxaloacetat [1] [2] [7] .
Den tvåvärda katjonen koordinerar enolatet och koldioxiden under reaktionen; CO 2 -molekylen går förlorad endast i 3 % av fallen [2] . Den aktiva platsen för enzymet är hydrofob och ogenomtränglig för vatten , eftersom karboxifosfat hydrolyserar ganska lätt [1] .
PEP-karboxylas utför tre huvudfunktioner:
Den huvudsakliga mekanismen för koldioxidassimilering av växter sker genom enzymet ribulos-1,5-difosfatkarboxylasoxygenas ( Rubisco ), som tillsätter CO 2 till ribulos-1,5-difosfat (femkolssocker) för att bilda två molekyler av 3 -fosfoglycerat . Men vid höga temperaturer och låg CO 2 -koncentration tillför Rubisco syre istället för koldioxid, vilket leder till bildandet av en metaboliskt inert glykolatprodukt , som återvinns i processen för fotorespiration . För att förhindra denna värdelösa process kan växter öka den lokala koncentrationen av CO 2 genom C 4 fotosyntes [3] [8] . PEP-karboxylas spelar en nyckelroll för att fixera CO 2 som bikarbonatanjon , och kombinerar den med PEP för att skapa oxaloacetat i mesofyllvävnad . Oxaloacetatet omvandlas sedan tillbaka till pyruvat (via malat ) för att frigöra CO2 i det djupare mantelskiktet av det ledande knippet , där koldioxid fixeras av Rubisco i Calvin-cykeln. Pyruvat omvandlas tillbaka till PEP i mesofyllceller och cykeln startar igen. Det finns alltså en aktiv koncentration av CO 2 [2] [9] [10] .
Den andra viktiga och mycket liknande funktionen hos PEP-karboxylas är deltagande i CAM-fotosyntes. Denna metaboliska väg är vanlig hos växter som lever i torra livsmiljöer. Växter kan inte tillåta att deras stomata öppnar sig under dagen för att absorbera CO2 , eftersom för mycket vatten förloras genom transpiration . Istället öppnas stomata på natten när vattenavdunstning är som minimum, CO 2 binds genom fixering med PEP-karboxylas i form av oxaloacetat . Oxaloacetat omvandlas sedan till malat av enzymet malatdehydrogenas och deponeras i vakuolen , och används sedan under dagen när ljusreaktioner genererar tillräckligt med energi (främst i form av ATP ) och reducerande ekvivalenter ( NADPH ) för att driva Calvin-cykeln [2] [3] [10] .
Den tredje funktionen av PEP-karboxylas är inte associerad med fotosyntes. Liksom pyruvatkarboxylas fyller PEP-karboxylas på poolen av oxaloacetat i trikarboxylsyracykeln. PEP som bildas under glykolys omvandlas till pyruvat , som omvandlas till acetyl-CoA och går in i TCA, där det interagerar med oxaloacetat och bildar citrat . För att öka flödet av materia genom cykeln omvandlas en del av PEP till oxaloacetat av PEP-karboxylaset, vilket fyller på oxaloacetatet som pumpas ut ur cykeln för syntes av cellbiomolekyler. TCA är en central metabolisk väg, så en ökning av flödet av ämnen som passerar genom den är viktig för biosyntesen av många molekyler, såsom aminosyror [11] .
PEP-karboxylas regleras på två sätt: genom fosforylering och allosteriskt. Bilden på sidan visar ett diagram över reglermekanismen.
Fosforylering av fosfoenolpyruvatkarboxylaskinas aktiverar enzymet, medan PEP-karboxylasfosfatas minskar dess aktivitet . Både kinas och fosfatas regleras på transkriptionsnivån . Det finns också en åsikt att malat ger feedback i denna process, vilket minskar nivån av kinasuttryck och ökar uttrycket av fosfatas [12] . Oxaloacetat i CAM- och C 4 -organismer omvandlas till malat, vars höga koncentrationer aktiverar uttrycket av fosfatas, som defosforylerar och deaktiverar PEP-karboxylas, vilket leder till en minskning av ackumuleringen av oxaloacetat, och därmed malat [1] [12] .
De huvudsakliga allosteriska hämmarna av PEP-karboxylas är karboxylsyror som malat och aspartat [5] [12] . Eftersom malat bildas i nästa steg av CAM- och C4 - cykler, omedelbart efter att PEP-karboxylaset katalyserar kondensationen av CO 2 och PEP till oxaloacetat, bildas en återkoppling. Både aspartat och oxaloacetat omvandlas lätt till varandra genom transamineringsmekanismen ; sålunda, höga koncentrationer av aspartat återkopplar hämning av PEP-karboxylas.
De huvudsakliga allosteriska aktivatorerna av PEP-karboxylas är acetyl-CoA (endast i bakterier) [13] , fruktos-1,6-difosfat [1] [13] och triosfosfater (endast i växter) [14] . Dessa molekyler är indikatorer på aktiv glykolys och signalerar behovet av oxaloacetatproduktion för att öka flödet av materia genom citronsyracykeln . Dessutom innebär en ökning av glykolysen en ökad tillgång på PEP och därför mer acceptor för CO 2 -fixering och transport till Calvin-cykeln. Det är också anmärkningsvärt att det negativa effektoraspartatet konkurrerar med den positiva effektorn acetyl-CoA , vilket tyder på att de delar ett gemensamt bindningsställe [15] .
Studier har visat att energiekvivalenter som AMP , ADP och ATP inte har någon signifikant effekt på PEP-karboxylas [16] .
Storleken på den allosteriska påverkan av dessa olika molekyler på PEP-karboxylasaktivitet beror på den specifika organismen [17] .