Fosfoenolpiruvato carboxilasa (también conocido como PEP carboxilasa , la enzima PEPCasa , o PEPC ; EC 4.1.1.31 , PDB ID: 3ZGE) es una enzima en la familia de descarboxilasa encuentra en plantas y algunas bacterias que cataliza la adición de bicarbonato (HCO 3 - ) al fosfoenolpiruvato (PEP) para formar el compuesto de cuatro carbonos oxalacetato y fosfato inorgánico : [1]
Fosfoenolpiruvato carboxilasa | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
CE no. | 4.1.1.31 | |||||||
No CAS. | 9067-77-0 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | |||||||
|
Fosfoenolpiruvato carboxilasa | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||||
Símbolo | PEPcase | |||||||||
Pfam | PF00311 | |||||||||
InterPro | IPR001449 | |||||||||
PROSITE | PDOC00330 | |||||||||
SCOP2 | 1fiy / SCOPe / SUPFAM | |||||||||
|
- PEP + HCO 3 - → oxalacetato + Pi
Esta reacción se utiliza para la fijación de carbono en CAM (metabolismo del ácido crasuláceo) y organismos C 4 , así como para regular el flujo a través del ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs o TCA ) en bacterias y plantas. La estructura de la enzima y su mecanismo catalítico irreversible de dos pasos han sido bien estudiados. La PEP carboxilasa está altamente regulada, tanto por fosforilación como por alosterio .
Estructura enzimática
La enzima PEP carboxilasa está presente en plantas y algunos tipos de bacterias, pero no en hongos o animales (incluidos los humanos). [2] Los genes varían entre organismos, pero se conservan estrictamente alrededor de los sitios activos y alostéricos discutidos en las secciones de mecanismo y regulación. También se conserva la estructura terciaria de la enzima. [3]
Se ha determinado la estructura cristalina de la PEP carboxilasa en varios organismos, incluidos Zea mays (maíz) y Escherichia coli . [3] La enzima general existe como un dímero de dímeros: dos subunidades idénticas interactúan estrechamente para formar un dímero a través de puentes salinos entre la arginina (R438; las posiciones exactas pueden variar según el origen del gen) y el ácido glutámico (E433). residuos. [4] Este dímero se ensambla (más libremente) con otro de su tipo para formar el complejo de cuatro subunidades. Las subunidades de monómeros se componen principalmente de hélices alfa (65%), [1] y tienen una masa de 106 kDa cada una. [5] La longitud de la secuencia es de aproximadamente 966 aminoácidos . [6]
El sitio activo de la enzima no está completamente caracterizado. Incluye un ácido aspártico conservado (D564) y un residuo de ácido glutámico (E566) que se unen de forma no covalente a un ion cofactor metálico divalente a través de los grupos funcionales de ácido carboxílico . [1] Este ion metálico puede ser magnesio , manganeso o cobalto dependiendo del organismo, [1] [2] y su función es coordinar la molécula de fosfoenolpiruvato así como los intermedios de reacción. Se cree que un residuo de histidina (H138) en el sitio activo facilita la transferencia de protones durante el mecanismo catalítico. [1] [4]
Mecanismo enzimático
El mecanismo de la PEP carboxilasa ha sido bien estudiado. El mecanismo enzimático de formación de oxalacetato es muy exotérmico y, por tanto, irreversible; el cambio biológico de energía libre de Gibbs (△ G ° ') es -30kJmol -1 . [1] Los sustratos y el cofactor se unen en el siguiente orden: cofactor metálico (ya sea Co 2+ , Mg 2+ o Mn 2+ ), PEP, bicarbonato (HCO 3 - ). [1] [2] El mecanismo procede en dos pasos principales, como se describe a continuación y se muestra en la figura 2:
- El bicarbonato actúa como nucleófilo para atacar el grupo fosfato en PEP. Esto da como resultado la división de PEP en un carboxifosfato y la forma enolato (muy reactiva) de piruvato .
- La transferencia de protones tiene lugar en el carboxifosfato. Lo más probable es que esto esté modulado por un residuo de histidina (H138) que primero desprotona el lado carboxi y luego, como ácido, protona la parte de fosfato. [1] El carboxifosfato luego se descompone exotérmicamente en dióxido de carbono y fosfato inorgánico, lo que hace que esta reacción sea irreversible. Finalmente, después de la descomposición, el enolato ataca el dióxido de carbono para formar oxaloacetato. [1] [2] [7]
El cofactor metálico es necesario para coordinar los intermedios enolato y dióxido de carbono; la molécula de CO 2 solo se pierde el 3% del tiempo. [2] El sitio activo es hidrófobo para excluir el agua , ya que el intermedio carboxifosfato es susceptible a la hidrólisis . [1]
Función
Las tres funciones más importantes que desempeña la PEP carboxilasa en el metabolismo de las plantas y las bacterias se encuentran en el ciclo C 4 , el ciclo CAM y el flujo de biosíntesis del ciclo del ácido cítrico .
El principal mecanismo de asimilación de dióxido de carbono en las plantas es a través de la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa (también conocido como RuBisCO ), que añade CO 2 a ribulosa-1,5-bifosfato (un azúcar de 5 carbonos), a Forman dos moléculas de 3-fosfoglicerato (azúcares de carbono 2x3). Sin embargo, a temperaturas más altas y más bajas de CO 2 concentraciones, RuBisCO añade oxígeno en lugar de dióxido de carbono, para formar el producto inutilizable glicolato en un proceso llamado fotorrespiración . Para evitar este proceso derrochador, las plantas aumentan la concentración de CO 2 local en un proceso llamado ciclo C 4 . [3] [8] La PEP carboxilasa desempeña el papel clave de unir CO 2 en forma de bicarbonato con PEP para crear oxaloacetato en el tejido del mesófilo . Esto luego se convierte nuevamente en piruvato (a través de un intermedio de malato ), para liberar el CO 2 en la capa más profunda de las células de la vaina del haz para la fijación de carbono por RuBisCO y el ciclo de Calvin . El piruvato se convierte de nuevo en PEP en las células del mesófilo y el ciclo comienza de nuevo, bombeando CO 2 de forma activa . [2] [9] [10]
El segundo significado biológico importante y muy similar de la PEP carboxilasa se encuentra en el ciclo CAM . Este ciclo es común en organismos que viven en hábitats áridos. Las plantas no pueden permitirse abrir los estomas durante el día para absorber CO 2 , ya que perderían demasiada agua por transpiración . En cambio, los estomas se abren por la noche, cuando la evaporación del agua es mínima, y absorben CO 2 fijándolos con PEP para formar oxaloacetato a través de la PEP carboxilasa. El oxalacetato se convierte en malato por la malato deshidrogenasa y se almacena para su uso durante el día cuando la reacción dependiente de la luz genera energía (principalmente en forma de ATP ) y equivalentes reductores como NADPH para ejecutar el ciclo de Calvin . [2] [3] [10]
En tercer lugar, la PEP carboxilasa es significativa en las vías metabólicas no fotosintéticas. La figura 3 muestra este flujo metabólico (y su regulación). Similar a la piruvato carboxilasa , la PEP carboxilasa repone el oxalacetato en el ciclo del ácido cítrico. Al final de la glucólisis , la PEP se convierte en piruvato , que se convierte en acetil-coenzima-A ( acetil-CoA ), que entra en el ciclo del ácido cítrico al reaccionar con oxalacetato para formar citrato . Para aumentar el flujo a lo largo del ciclo, parte de la PEP se convierte en oxaloacetato por la PEP carboxilasa. Dado que los intermedios del ciclo del ácido cítrico proporcionan un centro para el metabolismo, el aumento del flujo es importante para la biosíntesis de muchas moléculas, como por ejemplo los aminoácidos . [11]
Regulación
La PEP carboxilasa está sujeta principalmente a dos niveles de regulación: fosforilación y alosterio . La figura 3 muestra un esquema del mecanismo regulador.
La fosforilación por la fosfoenolpiruvato carboxilasa quinasa activa la enzima, mientras que la fosfatasa fosfatasa de fosfoenolpiruvato carboxilasa la desactiva. Tanto la quinasa como el fosfato están regulados por transcripción . Se cree además que el malato actúa como inhibidor de retroalimentación de los niveles de expresión de quinasas y como activador de la expresión de fosfatasa (transcripción). [12] Dado que el oxaloacetato se convierte en malato en los organismos CAM y C 4 , las altas concentraciones de malato activan la expresión de la fosfatasa; la fosfatasa posteriormente desfosforila y, por lo tanto, desactiva la PEP carboxilasa, lo que no conduce a una mayor acumulación de oxaloacetato y, por lo tanto, a una conversión posterior. de oxalacetato a malato. Por lo tanto, la producción de malato está regulada a la baja. [1] [12]
Los principales inhibidores alostéricos de la PEP carboxilasa son los ácidos carboxílicos malato (débil) y aspartato (fuerte). [5] [12] Dado que el malato se forma en el siguiente paso de los ciclos CAM y C 4 después de que la PEP carboxilasa cataliza la condensación de CO 2 y PEP a oxaloacetato, esto funciona como una vía de inhibición por retroalimentación. El oxaloacetato y aspartato son fácilmente inter-convertibles a través de una transaminasa mecanismo; por tanto, altas concentraciones de aspartato también son una vía de inhibición por retroalimentación de la PEP carboxilasa.
Los principales activadores alostéricos de la PEP carboxilasa son acetil-CoA [13] y fructosa-1,6-bisfosfato (F-1,6-BP). [1] [13] Ambas moléculas son indicadores de niveles elevados de glucólisis y, por lo tanto, efectores de alimentación positiva de la PEP carboxilasa. Señalan la necesidad de producir oxaloacetato para permitir más flujo a través del ciclo del ácido cítrico . Además, el aumento de la glucólisis significa que hay disponible un mayor suministro de PEP y, por lo tanto, una mayor capacidad de almacenamiento para unir CO 2 en el transporte al ciclo de Calvin . También es digno de mención que el aspartato efector negativo compite con el efector positivo acetil-CoA , lo que sugiere que comparten un sitio de unión alostérico. [14]
Los estudios han demostrado que los equivalentes de energía como AMP , ADP y ATP no tienen un efecto significativo sobre la PEP carboxilasa. [15]
Las magnitudes de los efectos alostéricos de estas diferentes moléculas sobre la actividad carboxilasa de la PEP dependen de los organismos individuales. [dieciséis]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l Kai Y, Matsumura H, Izui K (junio de 2003). "Fosfoenolpiruvato carboxilasa: estructura tridimensional y mecanismos moleculares". Archivos de Bioquímica y Biofísica . 414 (2): 170–9. doi : 10.1016 / S0003-9861 (03) 00170-X . PMID 12781768 .
- ^ a b c d e f g Chollet R, Vidal J, O'Leary MH (junio de 1996). "Fosfoenolpiruvato carboxilasa: una enzima ubicua, altamente regulada en plantas" . Revisión anual de fisiología vegetal y biología molecular vegetal . 47 (1): 273-298. doi : 10.1146 / annurev.arplant.47.1.273 . PMID 15012290 .
- ^ a b c d Paulus JK, Schlieper D, Groth G (2013). "Mayor eficiencia de la fijación de carbono fotosintético debido a la sustitución de un solo aminoácido" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 (2): 1518. doi : 10.1038 / ncomms2504 . PMC 3586729 . PMID 23443546 .
- ^ a b Kai Y, Matsumura H, Inoue T, Terada K, Nagara Y, Yoshinaga T, Kihara A, Tsumura K, Izui K (febrero de 1999). "Estructura tridimensional de fosfoenolpiruvato carboxilasa: un mecanismo propuesto para la inhibición alostérica" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 96 (3): 823–8. doi : 10.1073 / pnas.96.3.823 . PMC 15309 . PMID 9927652 .
- ^ a b González DH, Iglesias AA, Andreo CS (febrero de 1986). "Inhibición dirigida al sitio activo de la fosfoenolpiruvato carboxilasa de las hojas de maíz por el bromopiruvato". Archivos de Bioquímica y Biofísica . 245 (1): 179–86. doi : 10.1016 / 0003-9861 (86) 90203-1 . PMID 3947097 .
- ^ PDB : 3ZGE ; Paulus JK, Schlieper D, Groth G (19 de abril de 2018). "Mayor eficiencia de la fijación de carbono fotosintético debido a la sustitución de un solo aminoácido" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 : 1518. doi : 10.1038 / ncomms2504 . PMC 3586729 . PMID 23443546 .
- ^ Fujita N, Izui K, Nishino T, Katsuki H (abril de 1984). "Mecanismo de reacción de fosfoenolpiruvato carboxilasa. Desfosforilación dependiente de bicarbonato de fosfoenol-alfa-cetobutirato". Bioquímica . 23 (8): 1774–9. doi : 10.1021 / bi00303a029 . PMID 6326809 .
- ^ Leegood RC (mayo de 2007). "Una distracción bienvenida de la fotorrespiración". Biotecnología de la naturaleza . 25 (5): 539–40. doi : 10.1038 / nbt0507-539 . PMID 17483837 .
- ^ Hatch MD (2002). "Fotosíntesis C (4): descubrimiento y resolución". Investigación de la fotosíntesis . 73 (1-3): 251–6. doi : 10.1023 / A: 1020471718805 . PMID 16245128 .
- ^ a b Keeley JE, Rundel PW (2003). "Evolución de CAM y Mecanismos de Concentración de Carbono C4". Revista Internacional de Ciencias Vegetales . 164 (S3): S55 – S77. doi : 10.1086 / 374192 .
- ^ Cousins AB, Baroli I, Badger MR, Ivakov A, Lea PJ, Leegood RC, von Caemmerer S (noviembre de 2007). "El papel de la fosfoenolpiruvato carboxilasa durante el intercambio de isótopos fotosintéticos C4 y la conductancia estomática" . Fisiología vegetal . 145 (3): 1006–17. doi : 10.1104 / pp.107.103390 . PMC 2048775 . PMID 17827274 .
- ^ a b c Nimmo HG (febrero de 2000). "La regulación de la fosfoenolpiruvato carboxilasa en plantas CAM". Tendencias en ciencia de las plantas . 5 (2): 75–80. doi : 10.1016 / S1360-1385 (99) 01543-5 . PMID 10664617 .
- ^ a b Morikawa M, Izui K, Taguchi M, Katsuki H (febrero de 1980). "Regulación de la fosfoenolpiruvato carboxilasa de Escherichia coli por múltiples efectores in vivo. Estimación de las actividades en las células cultivadas en varios compuestos". Revista de bioquímica . 87 (2): 441–9. doi : 10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a132764 . PMID 6987214 .
- ^ Smith TE (abril de 1970). "Escherichia coli fosfoenolpiruvato carboxilasa: regulación competitiva por acetil-coenzima A y aspartato". Archivos de Bioquímica y Biofísica . 137 (2): 512–22. doi : 10.1016 / 0003-9861 (70) 90469-8 . PMID 4909168 .
- ^ Coombs J, Maw SL, Baldry CW (diciembre de 1974). "Regulación metabólica en la fotosíntesis C4: PEP-carboxilasa y carga energética". Planta . 117 (4): 279–92. doi : 10.1007 / BF00388023 . PMID 24458459 .
- ^ Schuller KA, Plaxton WC, Turpin DH (agosto de 1990). "Regulación de fosfoenolpiruvato carboxilasa del alga verde Selenastrum minutum: propiedades asociadas con la reposición de intermedios del ciclo del ácido tricarboxílico durante la asimilación de amonio" . Fisiología vegetal . 93 (4): 1303-11. doi : 10.1104 / pp.93.4.1303 . PMC 1062672 . PMID 16667617 .