La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa ( PEPCK ) es una enzima de la familia de las liasa que se utiliza en la vía metabólica de la gluconeogénesis . Convierte el oxalacetato en fosfoenolpiruvato y dióxido de carbono . [1] [2] [3]
Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa | ||||||||||
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Identificadores | ||||||||||
Símbolo | PEPCK | |||||||||
Pfam | PF00821 | |||||||||
InterPro | IPR008209 | |||||||||
PROSITE | PDOC00421 | |||||||||
SCOP2 | 1khf / SCOPe / SUPFAM | |||||||||
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fosfoenolpiruvato carboxiquinasa 1 (soluble) | |
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Identificadores | |
Símbolo | PCK1 |
Alt. simbolos | PEPCK-C |
Gen NCBI | 5105 |
HGNC | 8724 |
OMIM | 261680 |
RefSeq | NM_002591 |
Otros datos | |
Número CE | 4.1.1.32 |
Lugar | Chr. 20 q13.31 |
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa 2 (mitocondrial) | |
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Identificadores | |
Símbolo | PCK2 |
Alt. simbolos | PEPCK-M, PEPCK2 |
Gen NCBI | 5106 |
HGNC | 8725 |
OMIM | 261650 |
RefSeq | NM_001018073 |
Otros datos | |
Número CE | 4.1.1.32 |
Lugar | Chr. 14 q12 |
Se encuentra en dos formas, citosólica y mitocondrial .
Estructura
En los seres humanos hay dos isoformas de PEPCK; una forma citosólica (SwissProt P35558) y una isoforma mitocondrial (SwissProt Q16822) que tienen una identidad de secuencia del 63,4%. La forma citosólica es importante en la gluconeogénesis. Sin embargo, existe un mecanismo de transporte conocido para mover la PEP desde las mitocondrias al citosol, utilizando proteínas de transporte de membrana específicas. [4] [5] [6] [7] [8] El transporte de PEP a través de la membrana mitocondrial interna involucra a la proteína transportadora de tricarboxilato mitocondrial y, en menor grado, al transportador de nucleótidos de adenina . También se ha propuesto la posibilidad de un transportador de PEP / piruvato. [9]
Las estructuras de rayos X de PEPCK proporcionan información sobre la estructura y el mecanismo de la actividad enzimática de PEPCK. La isoforma mitocondrial del hígado de pollo PEPCK complejado con Mn 2+ , Mn 2+ - fosfoenolpiruvato (PEP) y Mn 2+ -GDP proporciona información sobre su estructura y cómo esta enzima cataliza reacciones. [10] Delbaere y col. (2004) resolvieron PEPCK en E. coli y encontraron el sitio activo entre un dominio C-terminal y un dominio N-terminal . Se observó que el sitio activo se cerraba tras la rotación de estos dominios. [11]
Los grupos fosforilo se transfieren durante la acción de PEPCK, lo que probablemente se ve facilitado por la conformación eclipsada de los grupos fosforilo cuando el ATP se une a PEPCK. [11]
Dado que la formación eclipsada es una que tiene un alto contenido de energía, la transferencia de grupos fosforilo tiene una energía de activación disminuida , lo que significa que los grupos se transferirán más fácilmente. Esta transferencia probablemente ocurre a través de un mecanismo similar al desplazamiento SN2 . [11]
En diferentes especies
La transcripción del gen PEPCK se produce en muchas especies y la secuencia de aminoácidos de PEPCK es distinta para cada especie.
Por ejemplo, su estructura y su especificidad difieren en humanos, Escherichia coli ( E. coli ) y el parásito Trypanosoma cruzi . [12]
Mecanismo
PEPCKase convierte el oxalacetato en fosfoenolpiruvato y dióxido de carbono .
oxaloacetato
fosfoenolpiruvato
Como PEPCK actúa en la unión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs, provoca la descarboxilación de una molécula C4, creando una molécula C3. Como primer paso comprometido en la gluconeogénesis, PEPCK descarboxila y fosforila el oxaloacetato (OAA) para su conversión a PEP, cuando GTP está presente. A medida que se transfiere un fosfato, la reacción da como resultado una molécula de GDP. [10] Cuando la piruvato quinasa , la enzima que normalmente cataliza la reacción que convierte la PEP en piruvato, se elimina en mutantes de Bacillus subtilis , PEPCK participa en una de las reacciones anapleróticas de reemplazo , trabajando en la dirección inversa de su función normal, convirtiendo PEP a OAA. [13] Aunque esta reacción es posible, la cinética es tan desfavorable que los mutantes crecen a un ritmo muy lento o no crecen en absoluto. [13]
Función
Gluconeogénesis
PEPCK-C cataliza un paso irreversible de gluconeogénesis , el proceso mediante el cual se sintetiza la glucosa. Por lo tanto, se ha pensado que la enzima es esencial en la homeostasis de la glucosa, como lo demostraron los ratones de laboratorio que contrajeron diabetes mellitus tipo 2 como resultado de la sobreexpresión de PEPCK-C. [14]
El papel que juega PEPCK-C en la gluconeogénesis puede estar mediado por el ciclo del ácido cítrico , cuya actividad se encontró directamente relacionada con la abundancia de PEPCK-C. [15]
Los niveles de PEPCK-C por sí solos no estaban altamente correlacionados con la gluconeogénesis en el hígado del ratón, como han sugerido estudios previos. [15] Mientras que el hígado de ratón expresa casi exclusivamente PEPCK-C, los humanos presentan igualmente una isoenzima mitocondrial (PEPCK-M). PEPCK-M tiene potencial gluconeogénico per se. [2] Por lo tanto, el papel de PEPCK-C y PEPCK-M en la gluconeogénesis puede ser más complejo e involucrar más factores de lo que se creía anteriormente.
Animales
En los animales, este es un paso de control de la velocidad de la gluconeogénesis , el proceso por el cual las células sintetizan glucosa a partir de precursores metabólicos. El nivel de glucosa en sangre se mantiene dentro de límites bien definidos, en parte debido a la regulación precisa de la expresión del gen PEPCK. Para enfatizar la importancia de PEPCK en la homeostasis de la glucosa , la sobreexpresión de esta enzima en ratones da como resultado síntomas de diabetes mellitus tipo II , con mucho la forma más común de diabetes en humanos. Debido a la importancia de la homeostasis de la glucosa en sangre, varias hormonas regulan un conjunto de genes (incluido PEPCK) en el hígado que modulan la velocidad de síntesis de glucosa.
PEPCK-C está controlado por dos mecanismos hormonales diferentes. La actividad de PEPCK-C aumenta con la secreción de cortisol de la corteza suprarrenal y glucagón de las células alfa del páncreas. El glucagón eleva indirectamente la expresión de PEPCK-C al aumentar los niveles de cAMP (a través de la activación de la adenilil ciclasa) en el hígado, lo que consecuentemente conduce a la fosforilación de S133 en una hoja beta en la proteína CREB . CREB luego se une corriente arriba del gen PEPCK-C en CRE (elemento de respuesta cAMP) e induce la transcripción de PEPCK-C. Por otro lado, el cortisol, cuando es liberado por la corteza suprarrenal, pasa a través de la membrana lipídica de las células hepáticas (debido a su naturaleza hidrófoba puede pasar directamente a través de las membranas celulares) y luego se une a un receptor de glucocorticoides (GR). Este receptor se dimeriza y el complejo cortisol / GR pasa al núcleo donde luego se une a la región del Elemento de Respuesta Glucocorticoide (GRE) de manera similar a CREB y produce resultados similares (síntesis de más PEPCK-C).
Juntos, el cortisol y el glucagón pueden tener enormes resultados sinérgicos, activando el gen PEPCK-C a niveles que ni el cortisol ni el glucagón podrían alcanzar por sí solos. PEPCK-C es más abundante en el hígado, los riñones y el tejido adiposo. [3]
Un estudio colaborativo entre la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) y la Universidad de New Hampshire investigó el efecto del DE-71, una mezcla comercial de PBDE , sobre la cinética de la enzima PEPCK y determinó que el tratamiento in vivo del contaminante ambiental compromete la glucosa y los lípidos del hígado. metabolismo posiblemente mediante la activación del receptor xenobiótico del pregnano ( PXR ), y puede influir en la sensibilidad a la insulina de todo el cuerpo. [dieciséis]
Investigadores de la Universidad Case Western Reserve han descubierto que la sobreexpresión de PEPCK citosólico en el músculo esquelético de ratones hace que sean más activos, más agresivos y tengan una vida más larga que los ratones normales; ver superratones metabólicos .
Plantas
PEPCK ( EC 4.1.1.49 ) es una de las tres enzimas de descarboxilación utilizadas en los mecanismos de concentración de carbono inorgánico de las plantas C4 y CAM . Los otros son la enzima NADP-málica y la enzima NAD-málica . [17] [18] En la fijación de carbono C4, el dióxido de carbono se fija primero mediante combinación con fosfoenolpiruvato para formar oxaloacetato en el mesófilo . En las plantas C4 de tipo PEPCK, el oxaloacetato se convierte luego en aspartato , que viaja a la vaina del haz . En las células de la vaina del haz , el aspartato se convierte nuevamente en oxaloacetato . PEPCK descarboxila el oxaloacetato de la vaina del haz , liberando dióxido de carbono , que luego es fijado por la enzima Rubisco . Por cada molécula de dióxido de carbono producida por PEPCK, se consume una molécula de ATP .
PEPCK actúa en plantas que se someten a fijación de carbono C4 , donde su acción se ha localizado en el citosol , a diferencia de los mamíferos, donde se ha encontrado que PEPCK actúa en mitocondrias . [19]
Aunque se encuentra en muchas partes diferentes de las plantas, solo se ha visto en tipos celulares específicos, incluidas las áreas del floema . [20]
También se ha descubierto que, en el pepino ( Cucumis sativus L. ), Los niveles de PEPCK aumentan por múltiples efectos que se sabe que disminuyen el pH celular de las plantas, aunque estos efectos son específicos de la parte de la planta. [20]
Los niveles de PEPCK aumentaron en raíces y tallos cuando las plantas se regaron con cloruro de amonio a un pH bajo (pero no a un pH alto ) o con ácido butírico . Sin embargo, los niveles de PEPCK no aumentaron en las hojas en estas condiciones.
En las hojas, el contenido de CO2 del 5% en la atmósfera conduce a una mayor abundancia de PEPCK. [20]
Bacterias
En un esfuerzo por explorar el papel de PEPCK, los investigadores provocaron la sobreexpresión de PEPCK en la bacteria E. coli a través del ADN recombinante . [21]
Se ha demostrado que la PEPCK de Mycobacterium tuberculosis activa el sistema inmunológico en ratones al aumentar la actividad de las citocinas . [22]
Como resultado, se ha descubierto que PEPCK puede ser un ingrediente apropiado en el desarrollo de una vacuna de subunidad eficaz para la tuberculosis . [22]
Significación clínica
Actividad en el cáncer
PEPCK no se ha considerado en la investigación del cáncer hasta hace poco. Se ha demostrado que en muestras de tumores humanos y líneas celulares de cáncer humano (células de cáncer de mama, colon y pulmón), PEPCK-M, y no PEPCK-C, se expresó en niveles suficientes para desempeñar un papel metabólico relevante. [1] [23] Por lo tanto, PEPCK-M podría tener un papel en las células cancerosas, especialmente bajo limitación de nutrientes u otras condiciones de estrés.
Regulación
Inhumanos
PEPCK-C se mejora, tanto en términos de su producción como de activación, por muchos factores. La transcripción del gen PEPCK-C es estimulada por glucagón , glucocorticoides , ácido retinoico y adenosina 3 ', 5'-monofosfato ( cAMP ), mientras que es inhibida por insulina . [24] De estos factores, la insulina, una hormona deficiente en el caso de la diabetes mellitus tipo 1, se considera dominante, ya que inhibe la transcripción de muchos de los elementos estimulantes. [24] La actividad de la PEPCK también es inhibida por el sulfato de hidracina y, por lo tanto, la inhibición disminuye la tasa de gluconeogénesis. [25]
En la acidosis prolongada , la PEPCK-C se regula al alza en las células del borde en cepillo del túbulo proximal renal , con el fin de secretar más NH 3 y, por lo tanto, producir más HCO 3 - . [26]
La actividad específica de GTP de PEPCK es máxima cuando están disponibles Mn 2+ y Mg 2+ . [21] Además, la cisteína hiperreactiva (C307) participa en la unión de Mn 2+ al sitio activo. [10]
Plantas
Como se discutió anteriormente, la abundancia de PEPCK aumentó cuando las plantas se regaron con cloruro de amonio de pH bajo, aunque el pH alto no tuvo este efecto. [20]
Clasificación
Está clasificado con el número CE 4.1.1. Hay tres tipos principales, que se distinguen por la fuente de energía para impulsar la reacción:
- 4.1.1.32 - GTP ( PCK1 , PCK2 )
- 4.1.1.38 - difosfato
- 4.1.1.49 - ATP
Referencias
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enlaces externos
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- Fosfoenolpiruvato + Carboxicinasa + (GTP) en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- "ratones poderosos" (ratones PEPCK-Cmus) https://web.archive.org/web/20071107175951/http://blog.case.edu/case-news/2007/11/02/mightymouse