La piruvato carboxilasa ( PC ) codificada por el gen PC es una enzima de la clase ligasa que cataliza (dependiendo de la especie) la carboxilación fisiológicamente irreversible [ cita requerida ] de piruvato para formar oxaloacetato (OAA).
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Estructura cristalográfica de piruvato carboxilasa de Rhizobium etli : dominio de biotina carboxilasa (azul); dominio de enlace alostérico (verde); dominio de unión a biotina (rojo); y dominio de carboxil transferasa (naranja) [1] |
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6.4.1.1 |
9014-19-1 |
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Vista IntEnz |
Entrada BRENDA |
NiceZyme vista |
Entrada KEGG |
camino metabólico |
perfil |
RCSB PDB PDBe PDBsum |
AmiGO / QuickGO |
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ordenador personal |
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Estructuras disponibles |
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PDB | Búsqueda de ortólogos: PDBe RCSB |
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Lista de códigos de identificación de PDB |
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3BG3 , 3BG9 |
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Identificadores |
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Alias | PC , piruvato carboxilasa, PCB |
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Identificaciones externas | OMIM : 608786 MGI : 97520 HomoloGene : 5422 GeneCards : PC |
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Ubicación de genes ( humanos ) |
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| Chr. | Cromosoma 11 (humano) [2] |
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| Banda | 11q13.2 | Comienzo | 66,848,417 pb [2] |
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Final | 66.958.386 pb [2] |
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Ubicación de genes ( ratón ) |
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| Chr. | Cromosoma 19 (ratón) [3] |
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| Banda | 19 A | 19 4.07 cm | Comienzo | 4.510.472 pb [3] |
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Final | 4.621.752 pb [3] |
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Ontología de genes |
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Función molecular | • unión de nucleótidos • biotina unión • unión de iones metálicos • actividad piruvato carboxilasa • actividad ligasa • GO: proteína de unión 0001948 • actividad catalítica • de unión de ATP • proteína de unión idénticos
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Componente celular | • citoplasma • citosol • matriz mitocondrial • mitocondria
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Proceso biológico | • gluconeogénesis • regulación positiva por el anfitrión de la liberación viral de célula huésped • biotina proceso metabólico • metabolismo de los lípidos • regulación negativa de la expresión génica • regulación positiva por el anfitrión de proceso viral • proceso metabólico piruvato • empaquetamiento del ARN del genoma viral • metabolismo
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Fuentes: Amigo / QuickGO |
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Ortólogos |
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Especies | Humano | Ratón |
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Entrez | | |
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Ensembl | | |
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UniProt | | |
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RefSeq (ARNm) | |
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NM_000920 NM_001040716 NM_022172 |
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RefSeq (proteína) | |
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NP_000911 NP_001035806 NP_071504 |
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Ubicación (UCSC) | Crónicas 11: 66,85 - 66,96 Mb | Crónicas 19: 4,51 - 4,62 Mb |
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Búsqueda en PubMed | [4] | [5] |
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Wikidata |
Ver / editar humano | Ver / Editar mouse |
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La reacción que cataliza es:
- piruvato + HCO-
3 + ATP → oxalacetato + ADP + P
Es una importante reacción anaplerótica que crea oxalacetato a partir del piruvato. La enzima es una proteína mitocondrial que contiene un grupo protésico de biotina , [1] que requiere magnesio o manganeso y acetil-CoA .
La piruvato carboxilasa fue descubierta por primera vez en 1959 en la Universidad Case Western Reserve por MF Utter y DB Keech. [6] [7] Desde entonces se ha encontrado en una amplia variedad de procariotas y eucariotas, incluidos hongos, bacterias, plantas y animales. [8] En los mamíferos, la PC juega un papel crucial en la gluconeogénesis y lipogénesis, en la biosíntesis de neurotransmisores y en la secreción de insulina inducida por glucosa por los islotes pancreáticos. El oxalacetato producido por la PC es un intermedio importante que se utiliza en estas vías biosintéticas. [9] En los mamíferos, el PC se expresa de una manera específica de tejido, y se encuentra que su actividad es mayor en el hígado y el riñón (tejidos gluconeogénicos), en el tejido adiposo y la glándula mamaria lactante (tejidos lipogénicos) y en los islotes pancreáticos. La actividad es moderada en el cerebro, el corazón y las glándulas suprarrenales, y menos en los glóbulos blancos y los fibroblastos de la piel. [10]
Se han realizado estudios estructurales de PC mediante microscopía electrónica , proteólisis limitada y clonación y secuenciación de genes y ADNc que codifican la enzima. Las formas más bien caracterizadas de PC activa constan de cuatro subunidades idénticas dispuestas en una estructura similar a un tetraedro. Cada subunidad contiene un único resto de biotina que actúa como brazo oscilante para transportar dióxido de carbono al sitio catalítico que se forma en la interfaz entre los monómeros adyacentes. Cada subunidad del tetrámero funcional contiene cuatro dominios: el dominio de carboxilación de biotina (BC), el dominio de transcarboxilación (CT), el dominio de portador de biotina carboxilo (BCCP) y el dominio de tetramerización (PT) de PC recientemente denominado. [11] [12] A partir de las dos estructuras cristalinas más completas disponibles, se ha visualizado una forma asimétrica y simétrica de la proteína. [13] El tetrámero de Staphylococcus aureus en complejo con el activador coenzima A es muy simétrico, posee una simetría 222 y ha sido confirmado por estudios crio-EM. [12] En contraste, el Rhizobium etli , tetrámero en complejo con etil-CoA, un análogo no hidrolizable de acetil-CoA , posee sólo una línea de simetría. [13]
La piruvato carboxilasa utiliza un cofactor de biotina unido covalentemente que se utiliza para catalizar la carboxilación dependiente de ATP de piruvato a oxaloacetato en dos pasos. La biotina se carboxila inicialmente en el sitio activo de BC por ATP y bicarbonato. El grupo carboxilo es posteriormente transferido por carboxibiotina a un segundo sitio activo en el dominio CT, donde el piruvato se carboxila para generar oxalacetato. El dominio BCCP transfiere el cofactor conectado entre los dos sitios activos remotos. El sitio de unión alostérico en la PC ofrece un objetivo para los modificadores de la actividad que pueden ser útiles en el tratamiento de la obesidad o la diabetes tipo II, y los conocimientos mecánicos obtenidos de la descripción estructural completa de RePC (R. etli) permiten investigaciones detalladas del individuo. Sitios catalíticos y reguladores de la enzima. [13]
Mecanismo propuesto de piruvato carboxilasa:
(
A ) carboxilación de biotina dependiente de ATP (dominio BC);
(
B ) Transcarboxilación de piruvato (dominio CT).
El mecanismo de reacción se puede subdividir en dos reacciones parciales (ver figura a la derecha). En la primera reacción, el ATP se carboxila para producir anhídrido fosfórico carbónico [ - O ( - O) P (= O) O – C (= O) O - ] que a su vez carboxila un cofactor de biotina que está unido covalentemente a un residuo de lisina del dominio BCCP. [8] El anhídrido fosfórico carbónico se descompone en dióxido de carbono y fosfato antes de ser atacado por la molécula de biotina ligada a la enzima. En la mayoría de las especies, esta reacción requiere acetil-CoA como activador alostérico que se une al dominio PT. [12] En la segunda reacción, que ocurre en el dominio CT de un monómero adyacente, el dióxido de carbono se transfiere a la molécula aceptora, piruvato, para formar oxalacetato. La reacción procede mediante la eliminación de un protón del piruvato, mediante un residuo de sitio activo aún no identificado, para generar un intermedio enolato . El intermedio enolato ataca entonces al CO 2 liberado transitoriamente de la molécula de biotina unida a enzima. Se libera el oxalacetato resultante . La molécula de biotina es protonada por el residuo del sitio activo antes mencionado y liberada del sitio activo del dominio CT para ser recarboxilada. [12] [13] El principal regulador de la actividad enzimática, acetil-CoA, estimula la escisión de ATP en la primera reacción parcial y también se ha demostrado que induce un cambio conformacional en la estructura tetramérica de la enzima. [9]
Durante la gluconeogénesis , la piruvato carboxilasa participa en la síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP) a partir de piruvato . El piruvato se convierte primero mediante la piruvato carboxilasa en oxaloacetato (OAA) en la mitocondria, lo que requiere la hidrólisis de una molécula de ATP . A continuación, el OAA se descarboxila y se fosforila simultáneamente, lo que es catalizado por una de las dos isoformas de fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) en el citosol o en las mitocondrias para producir PEP. En condiciones gluconeogénicas ordinarias, la PEPCK mitocondrial convierte la OAA en PEP; la PEP resultante es luego transportada fuera de la matriz mitocondrial por un sistema transportador de aniones, [14] y convertida en glucosa por enzimas gluconeogénicas citosólicas. Sin embargo, durante la inanición, cuando la concentración citosólica de NADH es baja y los niveles de NADH mitocondrial son altos, el oxaloacetato se puede utilizar como transporte de equivalentes reductores. Como tal, el OAA se convierte en malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial (MDH). Después de la exportación al citosol, el malato se convierte de nuevo en OAA, con la reducción concomitante de NAD + ; El OAA se convierte posteriormente en PEP que está disponible para la gluconeogénesis en el citosol junto con el NADH equivalente reductor transportado. [1]
Niveles muy altos de actividad de PC, junto con actividades elevadas de otras enzimas gluconeogénicas como PEPCK , fructosa-1,6-bisfosfatasa y glucosa-6-fosfatasa en la corteza hepática y renal, sugieren que una función principal de PC es participar en la gluconeogénesis en estos órganos. Durante el ayuno o la inanición, cuando se requiere glucosa endógena para ciertos tejidos (cerebro, glóbulos blancos y médula renal), se eleva la expresión de PC y otras enzimas gluconeogénicas. [15] En ratas y ratones, se ha demostrado que la alteración del estado nutricional afecta la actividad de la PC hepática. [16] El ayuno promueve la producción de glucosa hepática sostenida por un aumento del flujo de piruvato y aumentos en la actividad de PC y la concentración de proteínas; la diabetes aumenta de manera similar la gluconeogénesis a través de una mayor absorción de sustrato y un mayor flujo a través de la PC hepática en ratones y ratas. [17] [18] De manera similar a otras enzimas gluconeogénicas, la PC está regulada positivamente por el glucagón y los glucocorticoides mientras que la insulina lo regula negativamente . [8] Respaldando aún más el papel clave de la PC en la gluconeogénesis, en el ganado lechero, que tiene capacidad de absorción de hexosa a niveles nutricionales adecuados, la PC y la enzima gluconeogénica asociada PEPCK están marcadamente elevados durante la transición a la lactancia en el apoyo propuesto de la síntesis de lactosa para la leche producción. [19]
Aparte del papel de la PC en la gluconeogénesis, la PC cumple una función anaplerótica (una reacción catalizada por enzimas que puede reponer el suministro de intermedios en el ciclo del ácido cítrico) para el ciclo del ácido tricarboxílico (esencial para proporcionar oxaloacetato), cuando los intermedios se eliminan por diferentes causas. fines biosintéticos.
Haga clic en genes, proteínas y metabolitos a continuación para enlazar con los artículos respectivos. [§ 1]
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Glucólisis y gluconeogénesis editar
- ^ El mapa de ruta interactivo se puede editar en WikiPathways: "GlycolysisGluconeogenesis_WP534" .
Regulación
La piruvato carboxilasa está regulada alostéricamente por acetil-CoA , Mg - ATP y piruvato . [20]
Como cruce entre el metabolismo de carbohidratos y lípidos , la expresión de piruvato carboxilasa en tejidos gluconeogénicos, tejidos adiposos e islotes pancreáticos debe coordinarse. En condiciones de sobrenutrición, los niveles de PC aumentan en las células β pancreáticas para aumentar el ciclo del piruvato en respuesta a niveles crónicamente elevados de glucosa . [21] Por el contrario, la insulina disminuye los niveles de enzima PC en el hígado ; [22] Durante los períodos de sobrenutrición, el tejido adipocitario se expande con una expresión extrema de PC y otras enzimas lipogénicas. [10] [23] El control hepático de los niveles de glucosa todavía está regulado en una situación de sobrenutrición, pero en la diabetes tipo 2 inducida por la obesidad, la regulación de los niveles de glucosa periférica ya no está regulada por la insulina. En ratas diabéticas tipo 2 , la exposición crónica de las células β a la glucosa debido a la resistencia periférica a la insulina da como resultado una disminución de la actividad de la enzima PC y una disminución del ciclo de piruvato [24] [25] La sobreproducción continua de glucosa por los hepatocitos causa una alteración dramática de la expresión génica en β -células con grandes aumentos en genes normalmente suprimidos y disminuciones equivalentes en la expresión de ARNm para insulina, bombas de iones necesarias para la secreción de insulina y enzimas metabólicas relacionadas con la secreción de insulina, incluida la piruvato carboxilasa [26] [27] Al mismo tiempo, el tejido adiposo desarrolla resistencia a la insulina provocando la acumulación de triagliceroles y ácidos grasos no esterificados en circulación; estos no solo deterioran aún más la función de las células β, [27] [28] sino que también disminuyen aún más la expresión de PC. [29] [30] Estos cambios resultan en la disminución del fenotipo de células β en la diabetes descompensada.
Una deficiencia de piruvato carboxilasa puede causar acidosis láctica como resultado de la acumulación de lactato . [31] Normalmente, el exceso de piruvato se deriva a gluconeogénesis mediante la conversión de piruvato en oxalacetato , pero debido a la deficiencia de la enzima, el exceso de piruvato se convierte en lactato . Dado que un papel clave de la gluconeogénesis es el mantenimiento del azúcar en sangre , la deficiencia de piruvato carboxilasa también puede provocar hipoglucemia .