Piruvato carboxilasa
Piruvato carboxilasa (PC) codificada por el gen PC es una enzima (EC 6.4.1.1) de la clase de las ligasas que cataliza (dependiendo de la especie) la carboxilación irreversible del piruvato para formar oxalacetato (OAA).
Ácido píruvico
Ácido oxaloacetico
La reacción que cataliza es:
- pyruvate + HCO−
3 + ATP → oxaloacetate + ADP + P
Es una reacción anaplerótica importante que crea oxaloacetato a partir de piruvato. La enzima es una proteína mitocondrial que contiene un grupo protésico de biotina, 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 M. F. Utter y D. B. Keech. Desde entonces se ha encontrado en una amplia variedad de procariotas y eucariotas, incluidos hongos, bacterias, plantas y animales. En los mamíferos, la PC juega un papel crucial en la gluconeogénesis y la lipogénesis, en la biosíntesis de neurotransmisores y en la secreción de insulina inducida por glucosa por parte de los islotes pancreáticos. El oxalacetato producido por la PC es un intermediario importante que se utiliza en estas vías biosintéticas. En los mamíferos, la PC se expresa de manera específica de tejido, y 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 mínima en los glóbulos blancos y los fibroblastos de la piel.
Estructura
Estudios estructurales de PC han sido realizados por microscopía electrónica, por proteolisis limitada, y por clonación y secuenciación de gasa de genes y cDNA codificando la enzima. Las formas más bien caracterizadas de PC activo consisten en cuatro subunidades idénticas dispuestas en una estructura similar a tetraedro. Cada subunidad contiene una sola mezcla de biotina actuando como un brazo oscilante para transportar dióxido de carbono al sitio catalítico que se forma en la interfaz entre monómeros adyacentes. Cada subunidad del tetramer funcional contiene cuatro dominios: el dominio biotin carboxylation (BC), el dominio transcarboxylation (CT), el dominio biotin carboxyl transport (BCCP) y el dominio recientemente denominado tetramerization PC (PT). De las dos estructuras cristalinas más completas disponibles, se ha visualizado una forma asimétrica y simétrica de la proteína. El Staphylococcus aureus tetramer en complejo con el activador coenzyme A es altamente simétrico, poseendo 222 simetría, y ha sido confirmado por estudios crio-EM. En contraste Rhizobium etli, tetramer en complejo con ethyl-CoA, un análogo no hidrolmentezable de acetil-CoA, posee sólo una línea de simetría.
La piruvato carboxilasa utiliza un cofactor de biotina unido covalentemente que se utiliza para catalizar la carboxilación del piruvato a oxaloacetato, dependiente de ATP, en dos pasos. La biotina es inicialmente carboxilada en el sitio activo BC por ATP y bicarbonato. Posteriormente, la carboxibiotina transfiere el grupo carboxilo a un segundo sitio activo en el dominio CT, donde el piruvato se carboxila para generar oxaloacetato. El dominio BCCP transfiere el cofactor vinculado entre los dos sitios activos remotos. El sitio de unión alostérico en PC ofrece un objetivo para modificadores de actividad que pueden ser útiles en el tratamiento de la obesidad o la diabetes tipo II, y los conocimientos mecanicistas obtenidos de la descripción estructural completa de RePC (R. etli) permiten investigaciones detalladas sobre el individuo. Sitios catalíticos y reguladores de la enzima.
Mecanismo de reacción
()A) Carboxilación dependiente de ATP de biotina ( dominio de la BBC);
()B) Transcarboxilación de pyruvate ( 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. El anhídrido fosfórico carbónico se descompone en dióxido de carbono y fosfato antes del ataque de la molécula de biotina unida a una enzima. En la mayoría de las especies, esta reacción requiere acetil-CoA como activador alostérico que se une al dominio PT. 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 oxaloacetato. La reacción procede mediante la eliminación de un protón del piruvato, mediante un residuo del sitio activo aún no identificado, para generar un enolato intermedio. El intermediario enolato luego ataca al CO2 liberado transitoriamente por la molécula de biotina unida a una enzima. Se libera el oxaloacetato 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. El principal regulador de la actividad enzimática, el acetil-CoA, estimula la escisión del ATP en la primera reacción parcial y también se ha demostrado que induce un cambio conformacional en la estructura tetramérica de la enzima.
Función
Durante la gluconeogénesis, la piruvato carboxilasa participa en la síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP) a partir de piruvato. El piruvato se convierte primero por la piruvato carboxilasa en oxaloacetato (OAA) en la mitocondria, lo que requiere la hidrólisis de una molécula de ATP. Luego, la OAA se descarboxila y simultáneamente se fosforila, lo que es catalizado por una de las dos isoformas de fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK), ya sea en el citosol o en las mitocondrias, para producir PEP. En condiciones gluconeogénicas ordinarias, la PEPCK mitocondrial convierte la OAA en PEP; Luego, la PEP resultante se transporta fuera de la matriz mitocondrial mediante un sistema transportador de aniones y se convierte en glucosa mediante enzimas gluconeogénicas citosólicas. Sin embargo, durante la inanición, cuando la concentración de NADH citosólico es baja y los niveles de NADH mitocondrial son altos, se puede utilizar el oxaloacetato como lanzadera de equivalentes reductores. Como tal, la OAA se convierte en malato mediante la malato deshidrogenasa mitocondrial (MDH). Después de la exportación al citosol, el malato se convierte nuevamente en OAA, con la reducción concomitante de NAD+; Posteriormente, la OAA se convierte en PEP, que está disponible para la gluconeogénesis en el citosol junto con el NADH equivalente reductor transportado.
Niveles muy altos de actividad de PC, junto con altas actividades de otras enzimas gluconeogénicas, incluidas 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. En ratas y ratones, se ha demostrado que la alteración del estado nutricional afecta la actividad de la PC hepática. El ayuno promueve la producción de glucosa hepática sostenida por un aumento del flujo de piruvato y aumentos en la actividad de la PC y la concentración de proteínas; De manera similar, la diabetes aumenta la gluconeogénesis a través de una mayor absorción de sustrato y un mayor flujo a través de la PC hepática en ratones y ratas. De manera similar a otras enzimas gluconeogénicas, la PC está regulada positivamente por el glucagón y los glucocorticoides, mientras que está regulada negativamente por la insulina. Para respaldar aún más el papel clave de la PC en la gluconeogénesis, en el ganado lechero, que tiene capacidad de absorción de hexosa en niveles nutricionales adecuados, la PC y la enzima gluconeogénica asociada PEPCK están marcadamente elevadas durante la transición a la lactancia en apoyo propuesto a la síntesis de lactosa para la producción de leche.
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 intermediarios en el ciclo del ácido cítrico) para el ciclo del ácido tricarboxílico (esencial para proporcionar oxaloacetato), cuando los intermediarios son eliminados para diferentes propósitos biosintéticos.
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- ^ El mapa interactivo se puede editar en WikiPathways: "GlycolysisGluconeogenesis_WP534".
Reglamento
La piruvato carboxilasa está regulada alostéricamente por acetil-CoA, Mg-ATP y piruvato.
Importancia clínica
Como encrucijada entre el metabolismo del carbohidrato y del lípido, se debe coordinar la expresión de la carboxilasa del piruvato en los tejidos gluconeogénicos, los tejidos adiposos y los islotes pancreáticos. En condiciones de exceso de nutrición, los niveles de PC se incrementan en células β pancreáticas para aumentar el ciclismo de piruvato en respuesta a niveles crónicos elevados de glucosa. En cambio, los niveles de enzimas PC en el hígado se disminuyen por insulina; durante períodos de sobrenutrición el tejido adipocito se expande con la expresión extrema de PC y otras enzimas lipogénicas. El control hepático de los niveles de glucosa sigue regulado en una situación de nutrición excesiva, 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 células β a la glucosa debido a la resistencia a la insulina periférica da como resultado una disminución de la actividad de la enzima PC y una disminución del ciclismo de piruvato. La sobreproducción continua de la glucosa por hepatocitos causa alteración dramática de la expresión génica en células β con grandes aumentos en genes normalmente suprimidos, y disminuciones equivalentes en la expresión de mRNA para la insulina, bombas ion necesarias para la secreción de la insulina, y enzimas metabólicas relacionadas con la secreción de la insulina, incluyendo la carboxilasa piruvata. Concurrently adipose tissue develops insulin resistance causing acumulación of triacylglycerols and non-esterified fatty acids in circulation; these not only further impairing β-cell function, but also further decreasing PC expression. 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. Normalmente, el exceso de piruvato se desvía hacia la gluconeogénesis mediante la conversión de piruvato en oxaloacetato, pero debido a la deficiencia enzimática, el exceso de piruvato se convierte en lactato. Dado que una función clave de la gluconeogénesis es el mantenimiento del azúcar en sangre, la deficiencia de piruvato carboxilasa también puede provocar hipoglucemia.