Fosfoenolpiruvato carboxiquinase
A fosfoenolpiruvato carboxiquinase (PEPCK) é un encima da clase das liases que intervén na vía metabólica da gliconeoxénese, onde converte o oxalacetato en fosfoenolpiruvato e dióxido de carbono, utilizando unha molécula de GTP, que pasa a GDP.
| Fosfoenolpiruvato carboxiquinase | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 PDB 1khb. | |||||||||||
| Identificadores | |||||||||||
| Símbolo | PEPCK | ||||||||||
| Pfam | PF00821 | ||||||||||
| InterPro | IPR008209 | ||||||||||
| PROSITE | PDOC00421 | ||||||||||
| SCOPe | 1khf / SUPFAM | ||||||||||
| |||||||||||
| Identificadores | |
| Símbolo | PCK1 |
| Símbolos alt. | PEPCK-C |
| Entrez | 5105 |
| HUGO | 8724 |
| OMIM | |
| RefSeq | NM_002591 |
| Outros datos | |
| Número EC | 4.1.1.32 |
| Locus | Cr. 20 q13.31 |
| Identificadores | |
| Símbolo | PCK2 |
| Símbolos alt. | PEPCK, PEPCK2 |
| Entrez | 5106 |
| HUGO | 8725 |
| OMIM | |
| RefSeq | NM_001018073 |
| Outros datos | |
| Número EC | 4.1.1.32 |
| Locus | Cr. 14 q12 |
Atópase en dúas formas, unha citosólica e outra mitocondrial.
Reversibilidade da glicólise-gliconeoxénese
editarAínda que moitas das reaccións da gliconeoxénese poden utilizar os mesmos encimas da glicólise no sentido inverso, xa que son reversibles, a reacción da piruvato quinase é unha das reaccións irreversibles da ruta. Para reverter esta reacción da piruvato quinase hai que utilizar varias reaccións que sexan enerxeticamente favorables. Os encimas piruvato carboxilase e fosfoenolpiruvato carboxiquinase supoñen unha vía alternativa para reverter as accións da piruvato quinase.
A PEPCK en diferentes especies
editarA transcrición do xene da PEPCK ocorre en moitas especies, e a secuencia de aminoácidos da PEPCK é distinta en cada especie. Por exemplo, a súa estrutura e especificidade difiren en humanos, a bacteria Escherichia coli e o parasito Trypanosoma cruzi.[1]
Animais
editarEn animais, a reacción catalizada por este encima é un paso limitante da gliconeoxénese, o proceso polo cal as células sintetizan glicosa a partir de precursores metabólicos. O nivel de glicosa sanguínea mantense dentro de límites ben definidos en parte debido á regulación precisa da expresión do xene da PEPCK. Un feito que enfatiza a importancia da PEPCK na homeostase da glicosa é que a sobreexpresión deste encima en ratos dá lugar a síntomas de diabetes mellitus de tipo 2, que é a forma de diabetes máis común en humanos. Debido á importancia da homeostase da glicosa sanguínea, hai varias hormonas que controlan un conxunto de xenes (incluído o da PEPCK) no fígado que modulan a velocidade da síntese de glicosa.
A PEPCK está controlada por dous mecanismos hormonais diferentes. A actividade da PEPCK increméntase coa secreción de cortisol desde o córtex adrenal e o glicagón desde as células alfa do páncreas. O glicagón eleva indirectamente a expresión da PEPCK ao incrementar os niveis de AMPc (por medio da activación da adenil ciclase) no fígado, o cal orixina a fosforilación da proteína CREB. Despois, a CREB únese augas arriba do xene da PEPCK ao elemento de resposta ao AMPc (CRE) e induce a transcrición da PEPCK. Por outra parte, o cortisol liberado do córtex adrenal, atravesa a membrana lipídica das células do fígado, xa que debido á súa natureza hidrofóbica, pode pasar directamente a través da membrana, e despois únese ao receptor de glicocorticoides (GR). Este receptor dimeriza e o complexo cortisol/GR pasa ao núcleo, onde se une á rexión do elemento de resposta aos glicocorticoides (GRE) de xeito similar a como o facía a CREB, e produce resultados similares: síntese de máis PEPCK.
En conxunto, o cortisol e o glicagón poden ter intensos resultados sinérxicos, activando o xene da PEPCK a niveis que nin o cortisol nin o glicagón poderían producir por separado. A PEPCK é máis abondosa no fígado, riles, e tecido adiposo.[2]
Un estudo sobre o efecto da mestura comercial do PBDE (difenil éter polibromado) DE-71 sobre a cinética do encima PEPCK determinou que o tratamento in vivo deste polucionante ambiental afecta ao metabolismo hepático da glicosa e dos lípidos, posiblemente pola activación do receptor do xenobiótico pregnano (PXR), e pode influír na sensibilidade á insulina en todo o corpo.[3]
Descubriuse na Universidade Case Western Reserve que a sobreexpresión da PEPCK citosólica en músculo esquelético de ratos causa que os ratos sexan máis activos, máis agresivos, e vivan máis tempo do normal, polo que son chamados superratos metabólicos.
Plantas
editarA PEPCK (número EC 4.1.1.49) é un dos tres encimas descarboxilantes utilizados nos mecanismos de concentración do carbono da fixación do carbono C4 da fotosíntese de plantas C4 e CAM. Os outros son o encima NADP-málico e o encima NAD-málico.[4][5] Na fixación do carbono C4, o dióxido de carbono fíxase primeiro combinándoo con fosfoenolpiruvato para formar oxalacetato no mesofilo das follas. Nas plantas C4 de tipo PEPCK o oxalacetato convértese despois en aspartato, o cal viaxa á vaíña vascular da folla. Nas células da vaíña vascular, o aspartato convértese de novo en oxalacetato. A PEPCK descarboxila o oxalacetato da vaíña vascular, liberando dióxido de carbono, que entón é fixado polo encima Rubisco. Por cada molécula de dióxido de carbono consumida pola PEPCK, consómese unha molécula de ATP.
A PEPCK actúa en plantas que teñen fixación do carbono C4, onde a súa acción foi localizada no citosol, a diferenza do que ocorre en mamíferos, nos que actúa nas mitocondrias.[6]
Aínda que se encontra en moitas partes da planta diferentes, só e detecta en tipos celulares específicos, incluíndo áreas do floema.[7]
No cogombro (Cucumis sativus) descubriuse que os niveis de PEPCK increméntanse por moitos efectos que se sabe que fan decrecer o pH celular das plantas, aínda que estes efectos son específicos da parte da planta considerada.[7]
Os niveis de PEPCK elévanse nas raíces e talos cando as plantas son regadas con cloruro amónico a pH baixo (pero non a pHs altos), ou con ácido buitírico. Con todo, nas follas os niveis de PEPCK non se incrementan nesas condicións.
Nas follas, un 5% de contido de CO2 na atmosfera orixina unha maior abundancia de PEPCK.[7]
Bacterias
editarEn bacterias o papel da PEPCK estudouse causando a sobreexpresión da PEPCK en Escherichia coli por medio de ADN recombinante.[8]
Función na gliconeoxénese
editarA PEPCK cataliza un paso limitante da gliconeoxénese. O encima pénsase que é esencial na homeostase da glicosa, como se pon en evidencia en ratos de laboratorio que padecen diabetes mellitus tipo 2 como resultado da sobreexpresión da PEPCK.[9]
Un estudo recente suxire que o papel que xoga a PEPCK na gliconeoxénese pode estar mediado polo ciclo do ácido cítrico, a actividade do cal está directamente relacionada coa abundancia de PEPCK.[10]
Os niveis de PEPCK por si sós non se viu que estivesen moi correlacionados coa gliconeoxénese no fígado de ratos, como se suxerira en estudos previos.[10] Por tanto, o papel da PEPCK na gliconeoxénese pode ser máis complexo e implicar a máis factores que os que previamente se pensaba.
A PEPCK de Mycobacterium tuberculosis activa o sistema inmune en ratos ao incrementar a actividade das citocinas.[11] Como resultado, a PEPCK pode ser un ingrediente apropiado no desenvolvemento dunha subunidade efectiva para a vacinación contra a tuberculose.[11]
Estrutura
editarEn humanos hai dúas isoformas da PEPCK; unha forma citosólica (SwissProt P35558) e outra mitocondrial (SwissProt Q16822) que teñen unha identidade de secuencia do 63,4%. A forma citosólica é importante na gliconeoxénese, ruta que ten lugar no citosol. Porén, hai un mecanismo de transporte que traslada fosfoenolpiruvato desde a mitocondria ao citosol, utilizando proteínas de transporte de membrana específicas, polo que a PEPCK mitocondrial intervén nesta produción de fosfoenolpiruvato.
A obtención das estruturas de raios X da PEPCK proporcionou datos importantes para comprender o mecanismo de acción deste encima. Tamén se estudou a estrutura e mecanismo de catálise da isoforma mitocondrial de fígado de polo da PEPCK en complexo co Mn2+, Mn2+-fosfoenolpiruvato (PEP), e Mn2+-GDP.[12] Delbaere et al. (2004) resolveron a estrutura da PEPCK de E. coli e atoparon que o sitio activo estaba situado nunha fenda entre un dominio C-terminal e un dominio N-terminal. O sitio activo pechábase coa rotación deses dominios.[13]
Durante a acción da PEPCK transfírense grupos fosforilo, o cal probablemente é facilitado pola conformación eclipsada dos grupos fosforilo cando o ATP está unido á PEPCK.[13] Como a formación eclipsada é unha formación de alta enerxía, a transferencia do grupo fosforilo ten unha enerxía de activación diminuída, o que significa que os grupos se transferirán con máis facilidade. Esta transferencia probablemente ocorre por un mecanismo similar ao desprazamento SN2.[13]
Reacción
editarA PEPCK converte o oxalacetato en fosfoenolpiruvato e dióxido de carbono, á vez que o GTP se transforma en GDP.
 |
GTP GDP +CO2  fosfoenolpiruvato carboxiquinase |
 |
|
| Oxalacetato | Fosfoenolpiruvato |
A PEPCK actúa na conexión entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico ou de Krebs, e causa a descarboxilación dunha molécula de 4 carbonos orixinando unha molécula de 3 carbonos. É o primeiro paso obrigado na gliconeoxénese, na que a PEPCK descarboxila, e fosforila o oxalacetato cando está presente o GTP, o cal proporciona o fosfato converténdose en GDP.[12] Cando a piruvato quinase, o encima que normalmente cataliza a reacción que converte o fosfoenolpiruvato en piruvato, é sometida a un knockout de xenes en mutantes de Bacillus subtilis, a PEPCK participa nunha reacción anaplerótica funcionando en dirección inversa á normal, convertendo o fosfoenolpiruvato en oxalacetato.[14] Aínda que esta reacción en sentido inverso é posible, a súa cinética é tan desfavorable que os mutantes crecen a un ritmo moi lento ou non crecen en absoluto.[14][15]
Regulación
editarEn humanos
editarA produción e activación da PEPCK é potenciada por moitos factores. A transcrición do xene da PEPCK é estimulada polo glicagón, glicocorticoides, ácido retinoico, e AMPc, mentres que é inhibida pola insulina.[16] Destes factores, a insulina, hormona que é deficiente na diabetes, considérase o factor dominante, xa que inhibe a transcrición de moitos elementos estimulatorios.[16] A actividade da PEPCK inhíbese tamén polo sulfato de hidrazina, e a inhibición diminúe as taxas de gliconeoxénese.[17]
Cando hai unha acidose prolongada, a PEPCK está regulada á alza nas células de bordo en cepillo do túbulo proximal renal, para secretar máis NH3 e así producir máis HCO3-.[18]
A actividade específica de GTP da PEPCK é máxima cando están dispoñobles os ións Mn2+ e Mg2+.[8] Ademais, a cisteína hiper-reactiva (C307) está implicada na unión do Mn2+ ao sitio activo.[12]
Plantas
editarComo se dixo anteriormente, a abundancia da PEPCK increméntase cando se regan as plantas con cloruro amónico a pH baixo, pero a pHs altos non se produce este efecto.[7]
Clasificación
editarClasifícase co número EC 4.1.1. Hai tres tipos principais, que se distinguen polo tipo de enerxía que impulsa a reacción:
Notas
editar- ↑ Trapani S, Linss J, Goldenberg S, Fischer H, Craievich AF, Oliva G (2001). "Crystal structure of the dimeric phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) from Trypanosoma cruzi at 2 A resolution". Journal of Molecular Biology 313 (5): 1059–72. PMID 11700062. doi:10.1006/jmbi.2001.5093.
- ↑ Chakravarty K, Cassuto H, Reshef L, Hanson RW (2005). "Factors that control the tissue-specific transcription of the gene for phosphoenolpyruvate carboxykinase-C". Critical reviews in biochemistry and molecular biology 40 (3): 129–54. PMID 15917397. doi:10.1080/10409230590935479.
- ↑ Nash JT , Szabo DT, Carey GB (2012). "Polybrominated diphenyl ethers alter hepatic phosphoenolpyruvate carboxykinase enzyme kinetics in male Wistar rats: implications for lipid and glucose metabolism.". Journal of Toxicological and Environmental Health Part A 76 (2): 142–56. doi:10.1080/15287394.2012.738457.
- ↑ Kanai R, Edwards, GE (1999). "3. The Biochemistry of C4 Photosynthesis". En Sage RF, Monson RK. C4 Plant Biology. pp. 43–87. ISBN 0-12-614440-0.
- ↑ Christopher JT, Holtum JAM (1996). "Patterns of carbon partitioning in leaves of Crassulacean acid metabolism species during deacidification". Plant Physiol. 112 (1): 393–399. PMC 157961. PMID 12226397.
- ↑ Voznesenskaya E.V., Franceschi V.R., Chuong S.D., Edwards G.E. (2006). "Functional characterization of phosphoenolpyruvate carboxykinase-type C4 leaf anatomy: immuno-cytochemical and ultrastructural analyses". Annals of Botany 98 (1): 77–91.
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Chen ZH, Walker RP, Técsi LI, Lea PJ, Leegood RC (2004). "Phosphoenolpyruvate carboxykinase in cucumber plants is increased both by ammonium and by acidification, and is present in the phloem". Planta 219 (1): 48–58. PMID 14991407. doi:10.1007/s00425-004-1220-y.
- ↑ 8,0 8,1 Aich S, Imabayashi F, Delbaere LT (2003). "Expression, purification, and characterization of a bacterial GTP-dependent PEP carboxykinase". Protein expression and purification 31 (2): 298–304. PMID 14550651. doi:10.1016/S1046-5928(03)00189-X.
- ↑ Vanderbilt Medical Center. "Granner Lab, PEPCK Research." 2001. Online. Internet. Accessed 10:46PM, 4/13/07. www.mc.vanderbilt.edu/root/vumc.php?site=granner&doc=119
- ↑ 10,0 10,1 Burgess SC, He T, Yan Z, Lindner J, Sherry AD, Malloy CR, Browning JD, Magnuson MA (2007). "Cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase does not solely control the rate of hepatic gluconeogenesis in the intact mouse liver". Cell metabolism 5 (4): 313–20. PMC 2680089. PMID 17403375. doi:10.1016/j.cmet.2007.03.004.
- ↑ 11,0 11,1 Liu K, Ba X, Yu J, Li J, Wei Q, Han G, Li G, Cui Y. (2006). "The phosphoenolpyruvate carboxykinase of Mycobacterium tuberculosis induces strong cell-mediated immune responses in mice". Molecular and cellular biochemistry 288 (1-2): 65–71. PMID 16691317. doi:10.1007/s11010-006-9119-5.
- ↑ 12,0 12,1 12,2 Holyoak T, Sullivan SM, Nowak T (2006). "Structural insights into the mechanism of PEPCK catalysis". Biochemistry 45 (27): 8254–63. PMID 16819824. doi:10.1021/bi060269g.
- ↑ 13,0 13,1 13,2 Delbaere LT, Sudom AM, Prasad L, Leduc Y, Goldie H (2004). "Structure/function studies of phosphoryl transfer by phosphoenolpyruvate carboxykinase". Biochimica et Biophysica Acta 1697 (1-2): 271–8. PMID 15023367. doi:10.1016/j.bbapap.2003.11.030.
- ↑ 14,0 14,1 Zamboni N, Maaheimo H, Szyperski T, Hohmann HP, Sauer U (2004). "The phosphoenolpyruvate carboxykinase also catalyzes C3 carboxylation at the interface of glycolysis and the TCA cycle of Bacillus subtilis". Metabolic engineering 6 (4): 277–84. PMID 15491857. doi:10.1016/j.ymben.2004.03.001.
- ↑ Chao YP, Liao JC (1994). "Metabolic responses to substrate futile cycling in Escherichia coli". The Journal of Biological Chemistry 269 (7): 5122–6. PMID 8106492. Arquivado dende o orixinal o 01 de setembro de 2009. Consultado o 09 de xaneiro de 2014.
- ↑ 16,0 16,1 O'Brien RM, Lucas PC, Forest CD, Magnuson MA, Granner DK (1990). "Identification of a sequence in the PEPCK gene that mediates a negative effect of insulin on transcription". Science 249 (4968): 533–7. PMID 2166335. doi:10.1126/science.2166335.
- ↑ Mazzio E, Soliman KF (2003). "The role of glycolysis and gluconeogenesis in the cytoprotection of neuroblastoma cells against 1-methyl 4-phenylpyridinium ion toxicity". Neurotoxicology 24 (1): 137–47. PMID 12564389. doi:10.1016/S0161-813X(02)00110-9.
- ↑ Walter F., PhD. Boron (2005). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch. Elsevier/Saunders. ISBN 1-4160-2328-3. Page 858
Véxase tamén
editarLigazóns externas
editar- Phosphoenolpyruvate Carboxykinase (ATP) Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.
- Phosphoenolpyruvate Carboxykinase (GTP) Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.
- "ratos poderosos" (ratos PEPCK-Cmus) https://web.archive.org/web/20071107175951/http://blog.case.edu/case-news/2007/11/02/mightymouse