Фосфоенолпируваткарбоксилаза (сокр. ФЕП-карбоксилаза) представляет собой фермент (КФ 4.1.1.31) из семейства карбоксилаз (класс лиазы), который встречается у растений и некоторых бактерий. Он катализирует присоединение бикарбоната (НСО3−) к фосфоенолпирувату (ФЕП) с образованием четырёх углеродного соединения оксалоацетата и неорганического фосфата[1]:
Это первая реакция фиксации углерода у СAM (англ. crassulacean acid metabolism) и С4-растений, а также одна из анаплеротических реакций цикла трикарбоновых кислот у бактерий и растений. Структура фермента, а также его двухступенчатый каталитический механизм достаточно хорошо изучены. Активность ФЕП-карбоксилазы находится под жёстким контролем и регулируется как путём фосфорилирования, так и аллостерически.
ФЕП-карбоксилаза присутствует в растениях и некоторых видах бактерий, но отсутствует у грибов или животных (включая человека)[2]. Нуклеотидная последовательность гена этого фермента отличается между организмами, но всегда сохраняются активный центр фермента и аллостерические сайты связывания, необходимые для его регуляции. Консервативной остаётся и его третичная структура[3].
Кристаллическая структура ФЕП-карбоксилазы была определена для нескольких организмов, в том числе для Zea maysа (кукурузы) и Escherichia coli[3]. Фермент существует в виде димера димеров: две идентичные субъединицы связываются, образуя димер через солевые мостики между аргинином (R438 — точное положение может меняться в зависимости от происхождения гена) и глутаминовой кислотой (E433)[4]. Этот димер в свою очередь связывается с другим димером и вместе они образуют комплекс из четырёх субъединиц. Каждая субъединица состоит в основном из альфа-спиралей (65 %)[1], имеет массу 106 кДа[5] и состоит из приблизительно 966 аминокислот[6].
Активный центр фермента охарактеризован не полностью. Он включает в себя консервативные остатки аспарагиновой (D564) и глутаминовой кислот (E566), которые через свои карбоксильные группы нековалентно связывают двухвалентный катион[1]. В зависимости от организма это может быть ион магния, марганца или кобальта[1][2], его роль заключается в координации молекулы фосфоенолпирувата (ФЕП) и промежуточных продуктов реакции. Остаток гистидина (H138) в активном центре, как считается, служит, для переноса протона при катализе[1][4].
Механизм катализа ФЕП-карбоксилазы довольно хорошо изучен. Реакция образования оксалоацетата является высокоэкзотермической и потому необратима; изменение энергии Гиббса для этого процесса (△G°’) составляет −30 кДж/моль[1]. Субстрат и кофактор связываются в следующем порядке: ион металла (Cо2+, Mg2+ или Mn2+), ФЕП и гидрокарбонат (НСО3−)[1][2]. Реакция протекает в два основных этапа, как описано ниже и показано на схеме: