Fosfoenolpiruvato carboxilase

A fosfoenolpiruvato carboxilase, tamén coñecida por PEP carboxilase, PEPCase ou PEPC (EC 4. 1. 1. 31, PDB ID: PDB 3ZGE) é un encima da familia das carboxi-liases que se encontra en plantas e algunhas bacterias, que cataliza a adición de bicarbonato (HCO3−) ao fosfoenolpiruvato (PEP) para formar o composto de catro carbonos oxaloacetato e fosfato inorgánico (Pi), como parte do metabolismo fotosintético dalgúns organismos: PEP + HCO3− → oxaloacetato + Pi
Esta reacción utilízase para a fixación do carbono nos organismos con metabolismo ácido das crasuláceas (CAM) e fixación do carbono C4, e tamén para regular o fluxo a través do ciclo do ácido cítrico (ou de Krebs) en plantas e bacterias. A estrutura do encima e o seu mecanismo irreversible en dous pasos catalíticos foron ben estudados. A PEP carboxilase está moi regulada, tanto por fosforilación coma alostericamente. Estrutura encimática
O encima PEP carboxilase está presente en plantas e algúns tipos de bacterias, mais non en fungos e animais. Os xenes que a codifican varían entre os distintos organismos, pero está estritamente conservada a parte correspondente aos sitios activo e alostérico, que se discuten nas seccións sobre mecanismo e regulación. A estrutura terciaria do encima está tamén conservada.
Determinouse a estrutura cristalina da PEP carboxilase en múltiples organismos, como por exemplo Zea mays (millo) e a bacteria Escherichia coli. O encima completo é un dímero de dímeros, é dicir, dúas subunidades idénticas interaccionan estreitamente para formar un dímero por medio de pontes salinas entre residuos de arxinina (R438, aínda que as posicións exactas poden variar dependendo da orixe do xene) e o ácido glutámico (E433). Este dímero á súa vez ensámblase (menos estreitamente) con outro igual para formar o complexo completo de catro subunidades. As subunidades monómeras están compostas principalmente por hélices alfa (65%), e teñen unha masa de 106 kDa cada unha. Constan de 966 aminoácidos.
O sitio activo do encima non foi completamente caracterizado. Comprende un residuo conservado de ácido aspártico (D564) e outro de ácido glutámico (E566) que se unen non covalentemente a un ión metálico divalente que funciona como cofactor a través dos grupos funcionais carboxilo. Este ión metálico pode ser o magnesio, o manganeso ou o cobalto dependendo do organismo, e o seu papel é coordinar a molécula de fosfoenolpiruvato e os intermediarios da reacción. Un residuo de histidina (H138) no sitio activo crese que facilita a transferencia de protóns durante a posta en acción do mecanismo catalítico. Mecanismo encimático
O mecanismo da PEP carboxilase foi tamén bastante estudado. O mecanismo encimático da formación de oxaloacetato é moi exotérmico e, por tanto, irreversible; o cambio de enerxía libre de Gibbs biolóxica (△G°’) é de -30kJmol−1. Os substratos e o cofactor únense na seguinte orde: cofactor metálico (pode ser Co2+, Mg2+ ou Mn2+), PEP, bicarbonato (HCO3−). O mecanismo realízase en dous grandes pasos, descritos na figura 2: O bicarbonato actúa como nucleófilo para atacar o grupo fosfato do PEP. Isto ten como resultado a escisión do PEP nun carboxifosfato e a forma enolato (moi reactiva) do piruvato.
Ten lugar unha transferencia de protóns no carboxifosfato. Isto está modulado principalmente por un residuo de histidina (H138) que primeiro desprotona o lado carboxi e despois, como ácido, protona a parte fosfato. O carboxifosfato descomponse seguidamente exotermicamente en dióxido de carbono e fosfato inorgánico, e nese momento a reacción faise irreversible. Finalmente, despois da descomposición, o dióxido de carbono é atacado polo enolato para formar oxaloacetato.
O cofactor metálico é necesario para coordinar os intermediarios enolato e dióxido de carbono; a molécula de CO2 só se pede nun 3% das veces. O sitio activo é hidrófobo para así excluír a auga, xa que o intermediario carboxifosfato é susceptible á hidrólise. Función
As tres funcións máis importantes da PEP carboxilase no metabolismo das plantas e bacterias son o ciclo C4, o ciclo CAM, e o fluxo biosintético do ciclo do ácido cítrico ou de Krebs.
O mecanismo primario da asimilación do dióxido de carbono nas plantas é por medio do encima ribulosa-1, 5-bisfosfato carboxilase/oxixenase (ou RuBisCO), que engade CO2 á ribulosa-1, 5-bisfosfato (un azucre de 5 carbonos), para formar dúas moléculas de 3-fosfoglicerato (2 azucres de 3 carbonos). Porén, a altas temperaturas e baixas concentracións de CO2, a RuBisCO engade oxíxeno en vez de dióxido de carbono, para formar o produto inutilizable glicolato nun proceso chamado fotorrespiración. Para impedir este proceso malgastador, as plantas incrementan a concentración local de CO2 nun a proceso chamado fixación do carbono C4 ou ciclo C4. A PEP carboxilase xoga un papel clave ao fixar o CO2 (en forma de bicarbonato) no PEP para xerar oxaloacetato no tecido do mesofilo das follas. Este é despois volto a converter en piruvato (por medio do intermediario malato), para liberar o CO2 no tecido máis profundo das células do feixe vascular para que fixe o carbono o encima RuBisCO no ciclo de Calvin. O piruvato é convertido de novo en PEP nas células do mesofilo, e o ciclo empeza de novo, bombeando así activamente CO2.
A segunda función importante da PEP carboxilase é no ciclo CAM. Este ciclo é común en organismos que viven en hábitats áridos. As plantas non poden permitirse abrir os seus estomas durante o día para captar CO2, xa que perderían moita auga por transpiración. En vez diso, o que fan é abrilos pola noite, cando a evaporación de auga é mínima, e captan entón o CO2 ao fixalo no PEP e formar oxaloacetato pola acción da PEP carboxilase. O oxaloacetato é convertido a malato pola malato deshidroxenase e almacenado para usalo durante o día cando as reaccións da fase luminosa xeran enerxía (principalmente en forma de ATP) e equivalentes redutores como o NADPH para qjue funcione o ciclo de Calvin.
Finalmente, a PEP carboxilase é significativa en vías metabólicas non fotosintéticas. A figura 3 mostra este fluxo metabólico e a súa regulación. Igual que fai a piruvato carboxilase nas reaccións anapleróticas, a PEP carboxilase rechea o oxaloacetato no ciclo do ácido cítrico. Ao final da glicólise, o PEP é convertido en piruvato, que se converte en acetil coencima A (acetil-CoA), que entra no ciclo do ácido cítrico ao reaccionar co oxaloacetato para formar citrato. Para incrementar o fluxo a través do ciclo, parte do PEP é convertido en oxaloacetato pola PEP carboxilase. Como os intermediarios do ciclo do ácido cítrico proporcionan moléculas precursoras para o metabolismo, o incremento deste fluxo é importante para a biosíntese de moitas moléculas, como, por exemplo, aminoácidos. Regulación
A PEP carboxilase está suxeita principalmente a dous niveis de regulación: fosforilación e regulación alostérica. A figura 3 mostra un esquema do mecanismo regulador.
A fosforilación pola fosfoenolpiruvato carboxilase quinase activa o encima, mentres que a fosfoenolpiruvato carboxilase fosfatase o inactiva. Tanto a quinase coma a fosfatase son reguladas por transcrición. Crese que o malato actúa como un inhibidor por retroalimentación dos niveis de expresión da quinase, e como un activador da expresión (transcrición) da fosfatase. Como o oxaloacetato se converte en malato nos organismos CAM e C4, as altas concentracións de malato activan a expresión da fosfatase, e esta despois desfosforila e así activa a PEP carboxilase, o que causa que xa non se acumule máis oxaloacetato e así non haxa máis conversión de oxaloacetato en malato. Por tanto, a produción de malato está regulada á baixa.
Os principais inhibidores alostéricos da PEP carboxilase son os ácidos carboxílicos malato (débil) e aspartato (forte). Como o malato se forma no seguinte paso dos ciclos CAM e C4 despois de que a PEP carboxilase cataliza a condensación do CO2 e o PEP dando oxaloacetato, isto funciona como unha vía de inhibición por retroalimentación. O oxaloacetato e o aspartato son doadamente interconvdertibles por un mecanismo dirixio por transaminases, polo que as altas concentracións de aspartato son tamén unha vía de inhibición por retroalimentación da PEP carboxilase.
Os principais activadores alostéricos da PEP carboxilase son o acetil-CoA e a frutosa 1, 6-bisfosfato (F-1, 6-BP). Ambas as moléculas son indicadores de niveis incrementados de glicólise, e son, pois, efectores de alimentación positiva da PEP carboxilase que sinalan a necesidade de producir oxaloacetato para permitir máis fluxo por medio do ciclo do ácido cítrico. Adicionalmente, unha glicólise incrementada significa que está dispoñible unha maior cantidade de PEP, e así hai unha maior capacidade de almacenamento para fixar CO2 en transporte ao ciclo de Calvin. Tamén hai que salientar que o efector negativo aspartato compite co efector positivo acetil-CoA, o que suxire que comparten un sitio de unión alostérico.
Demostrouse que os equivalentes de enerxía como o AMP, ADP e ATP non teñen un efecto significativo sobre a PEP carboxilase.
A magnitude dos efectos alostéricos destas diferentes moléculas sobre a actividade da PEP carboxilase dependen de cada especie.