Фосфоенолпируваткарбоксикиназа ( PEPCK ) - это фермент семейства лиаз, используемый в метаболическом пути глюконеогенеза . Он превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват и диоксид углерода . [1] [2] [3]
Фосфоенолпируваткарбоксикиназа | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||||
Символ | PEPCK | |||||||||
Pfam | PF00821 | |||||||||
ИнтерПро | IPR008209 | |||||||||
PROSITE | PDOC00421 | |||||||||
SCOP2 | 1ХФ / СФЕРА / СУПФАМ | |||||||||
|
фосфоенолпируваткарбоксикиназа 1 (растворимая) | |
---|---|
Идентификаторы | |
Символ | PCK1 |
Альт. символы | PEPCK-C |
Ген NCBI | 5105 |
HGNC | 8724 |
OMIM | 261680 |
RefSeq | NM_002591 |
Прочие данные | |
Номер ЕС | 4.1.1.32 |
Locus | Chr. 20 q13,31 |
фосфоенолпируваткарбоксикиназа 2 (митохондриальная) | |
---|---|
Идентификаторы | |
Символ | PCK2 |
Альт. символы | ПЕПКК-М, ПЕПКК2 |
Ген NCBI | 5106 |
HGNC | 8725 |
OMIM | 261650 |
RefSeq | NM_001018073 |
Прочие данные | |
Номер ЕС | 4.1.1.32 |
Locus | Chr. 14 q12 |
Он встречается в двух формах: цитозольной и митохондриальной .
Состав
У человека есть две изоформы PEPCK; цитозольная форма (SwissProt P35558) и митохондриальная изоформа (SwissProt Q16822), которые имеют 63,4% идентичности последовательностей. Цитозольная форма важна для глюконеогенеза. Однако существует известный транспортный механизм для перемещения PEP из митохондрий в цитозоль с использованием специфических мембранных транспортных белков. [4] [5] [6] [7] [8] Транспорт PEP через внутреннюю митохондриальную мембрану включает транспортный белок трикарбоксилата митохондрий и, в меньшей степени, переносчик адениновых нуклеотидов . Также высказывалась возможность использования переносчика ПЭП / пирувата. [9]
Рентгеновские структуры PEPCK дают представление о структуре и механизме ферментативной активности PEPCK. Митохондриальная изоформа печени курицы PEPCK в комплексе с Mn 2+ , Mn 2+ - фосфоенолпируватом (PEP) и Mn 2+ -GDP предоставляет информацию о ее структуре и о том, как этот фермент катализирует реакции. [10] Delbaere et al. (2004) разрешили PEPCK в E. coli и обнаружили активный сайт, расположенный между C-концевым доменом и N-концевым доменом . При вращении этих доменов наблюдалось закрытие активного сайта. [11]
Фосфорильные группы переносятся во время действия PEPCK, что, вероятно, облегчается за счет затмеваемой конформации фосфорильных групп, когда АТФ связывается с PEPCK. [11]
Поскольку затмеваемое образование является высокоэнергетическим, передача фосфорильных групп имеет пониженную энергию активации , а это означает, что группы будут переноситься более легко. Этот перенос, вероятно, происходит по механизму, аналогичному смещению SN2 . [11]
У разных видов
Транскрипция гена PEPCK встречается у многих видов, и аминокислотная последовательность PEPCK различна для каждого вида.
Например, его структура и специфичность различаются у людей, Escherichia coli ( E. coli ) и паразита Trypanosoma cruzi . [12]
Механизм
PEPCase превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват и диоксид углерода .
оксалоацетат
фосфоенолпируват
Поскольку PEPCK действует на стыке гликолиза и цикла Кребса, он вызывает декарбоксилирование молекулы C4, создавая молекулу C3. В качестве первого шага в глюконеогенезе PEPCK декарбоксилат и фосфорилирует оксалоацетат (OAA) для его превращения в PEP, когда присутствует GTP. При переносе фосфата в результате реакции образуется молекула GDP. [10] Когда пируваткиназа - фермент, который обычно катализирует реакцию, которая превращает PEP в пируват, - нокаутируется у мутантов Bacillus subtilis , PEPCK участвует в одной из замещающих анаплеротических реакций , работая в обратном направлении своей нормальной функции, превращая PEP в OAA. [13] Хотя эта реакция возможна, кинетика настолько неблагоприятна, что мутанты растут очень медленно или вообще не растут. [13]
Функция
Глюконеогенез
PEPCK-C катализирует необратимую стадию глюконеогенеза , процесс синтеза глюкозы. Поэтому считается, что этот фермент играет важную роль в гомеостазе глюкозы, что подтверждается лабораторными мышами, которые заболели сахарным диабетом 2 типа в результате сверхэкспрессии PEPCK-C. [14]
Роль, которую играет PEPCK-C в глюконеогенезе, может быть опосредована циклом лимонной кислоты , активность которого, как было установлено, напрямую связана с количеством PEPCK-C. [15]
Уровни только PEPCK-C не сильно коррелировали с глюконеогенезом в печени мышей, как предполагали предыдущие исследования. [15] В то время как печень мыши почти исключительно экспрессирует PEPCK-C, люди в равной степени представляют митохондриальный изофермент (PEPCK-M). PEPCK-M сам по себе обладает глюконеогенным потенциалом. [2] Следовательно, роль PEPCK-C и PEPCK-M в глюконеогенезе может быть более сложной и включать больше факторов, чем считалось ранее.
Животные
У животных это этап, регулирующий скорость глюконеогенеза , процесса, с помощью которого клетки синтезируют глюкозу из метаболических предшественников. Уровень глюкозы в крови поддерживается в четко определенных пределах, отчасти благодаря точному регулированию экспрессии гена PEPCK. Чтобы подчеркнуть важность PEPCK в гомеостазе глюкозы , чрезмерная экспрессия этого фермента у мышей приводит к симптомам сахарного диабета II типа , который на сегодняшний день является наиболее распространенной формой диабета у людей. Из-за важности гомеостаза глюкозы в крови ряд гормонов регулируют набор генов (включая PEPCK) в печени, которые модулируют скорость синтеза глюкозы.
PEPCK-C контролируется двумя разными гормональными механизмами. Активность PEPCK-C увеличивается при секреции как кортизола из коры надпочечников, так и глюкагона из альфа-клеток поджелудочной железы. Глюкагон косвенно повышает экспрессию PEPCK-C, увеличивая уровни цАМФ (через активацию аденилатциклазы) в печени, что, следовательно, приводит к фосфорилированию S133 на бета-листе в белке CREB . Затем CREB связывается выше гена PEPCK-C в CRE (элемент ответа цАМФ) и индуцирует транскрипцию PEPCK-C. С другой стороны, кортизол, высвобождаемый корой надпочечников, проходит через липидную мембрану клеток печени (из-за своей гидрофобной природы он может проходить непосредственно через клеточные мембраны), а затем связывается с глюкокортикоидным рецептором (GR). Этот рецептор димеризуется, и комплекс кортизол / GR переходит в ядро, где он затем связывается с областью глюкокортикоидного ответного элемента (GRE) аналогично CREB и дает аналогичные результаты (синтез большего количества PEPCK-C).
Вместе кортизол и глюкагон могут иметь огромные синергетические результаты, активируя ген PEPCK-C до уровней, которых ни кортизол, ни глюкагон не могут достичь сами по себе. PEPCK-C наиболее распространен в печени, почках и жировой ткани. [3]
В рамках совместного исследования Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и Университета Нью-Гэмпшира изучалось влияние DE-71, коммерческой смеси PBDE , на кинетику фермента PEPCK и было установлено, что обработка загрязнителя окружающей среды in vivo снижает уровень глюкозы и липидов в печени. метаболизм, возможно, за счет активации рецептора ксенобиотика прегнана ( PXR ), и может влиять на чувствительность к инсулину всего тела. [16]
Исследователи из Case Western Reserve University обнаружили, что избыточная экспрессия цитозольной PEPCK в скелетных мышцах мышей заставляет их быть более активными, более агрессивными и жить дольше, чем у нормальных мышей; см. метаболические супермыши .
Растения
PEPCK ( EC 4.1.1.49 ) - один из трех ферментов декарбоксилирования, используемых в механизмах концентрирования неорганического углерода в растениях C4 и CAM . Остальные - НАДФ-яблочный фермент и НАД-яблочный фермент . [17] [18] При связывании углерода C4 диоксид углерода сначала фиксируется путем комбинации с фосфоенолпируватом с образованием оксалоацетата в мезофилле . В растениях C4 типа PEPCK оксалоацетат затем превращается в аспартат , который перемещается к оболочке пучка . В пачке оболочки клеток , аспартаты преобразуются обратно в оксалоацетат . PEPCK декарбоксилирует оксалоацетат оболочки пучка , высвобождая диоксид углерода , который затем фиксируется ферментом Rubisco . На каждую молекулу углекислого газа, производимую PEPCK, расходуется молекула АТФ .
PEPCK действует в растениях, которые подвергаются фиксации углерода C4 , где его действие локализовано в цитозоле , в отличие от млекопитающих, где было обнаружено, что PEPCK работает в митохондриях . [19]
Хотя он обнаружен во многих различных частях растений, он был обнаружен только в определенных типах клеток, включая области флоэмы . [20]
Также было обнаружено, что в огурце ( Cucumis sativus L. ) уровни PEPCK увеличиваются за счет множества эффектов, которые, как известно, снижают клеточный рН растений, хотя эти эффекты специфичны для отдельных частей растения. [20]
Уровни PEPCK повышались в корнях и стеблях, когда растения поливали хлоридом аммония при низком pH (но не при высоком pH ) или масляной кислотой . Однако уровни PEPCK в листьях в этих условиях не увеличивались.
В листьях 5% -ное содержание CO2 в атмосфере приводит к более высокому содержанию PEPCK. [20]
Бактерии
Пытаясь изучить роль PEPCK, исследователи вызвали сверхэкспрессию PEPCK в бактериях E. coli с помощью рекомбинантной ДНК . [21]
Было показано, что PEPCK Mycobacterium tuberculosis запускает иммунную систему у мышей за счет увеличения активности цитокинов . [22]
В результате было обнаружено, что PEPCK может быть подходящим ингредиентом при разработке эффективной субъединичной вакцинации против туберкулеза . [22]
Клиническое значение
Активность при раке
До недавнего времени PEPCK не рассматривался в исследованиях рака. Было показано, что в образцах опухолей человека и линиях раковых клеток человека (клетки рака груди, толстой кишки и легких) PEPCK-M, а не PEPCK-C, экспрессировался на достаточном уровне, чтобы играть важную метаболическую роль. [1] [23] Таким образом, PEPCK-M может играть роль в раковых клетках, особенно при ограничении питательных веществ или других стрессовых условиях.
Регулирование
В людях
PEPCK-C усиливается, как с точки зрения его продукции, так и активации, многими факторами. Транскрипция гена PEPCK-C стимулируется глюкагоном , глюкокортикоидами , ретиноевой кислотой и аденозин-3 ', 5'-монофосфатом ( цАМФ ), в то время как она ингибируется инсулином . [24] Из этих факторов доминирующим считается инсулин, гормон, дефицит которого наблюдается при сахарном диабете 1 типа, поскольку он ингибирует транскрипцию многих стимулирующих элементов. [24] Активность PEPCK также ингибируется сульфатом гидразина , и, следовательно, ингибирование снижает скорость глюконеогенеза. [25]
При длительном ацидозе PEPCK-C активируется в клетках щеточного края проксимальных канальцев почек , чтобы секретировать больше NH 3 и, следовательно, производить больше HCO 3 - . [26]
GTP-специфическая активность PEPCK наиболее высока, когда доступны Mn 2+ и Mg 2+ . [21] Кроме того, гиперреактивный цистеин (C307) участвует в связывании Mn 2+ с активным сайтом. [10]
Растения
Как обсуждалось ранее, количество PEPCK увеличивалось, когда растения поливали хлоридом аммония с низким pH, хотя высокий pH не имел такого эффекта. [20]
Классификация
Классифицируется под номером ЕС 4.1.1. Существует три основных типа, которые различаются по источнику энергии, вызывающей реакцию:
- 4.1.1.32 - GTP ( PCK1 , PCK2 )
- 4.1.1.38 - дифосфат
- 4.1.1.49 - АТФ
Рекомендации
- ^ a b Мендес-Лукас А., Гирошова П., Новелласдемунт Л., Виньялс Ф, Пералес Дж. С. (август 2014 г.). «Митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK-M) представляет собой ген стрессовой реакции эндоплазматического ретикулума (ER), способствующий выживанию, участвующий в адаптации опухолевых клеток к доступности питательных веществ» . Журнал биологической химии . 289 (32): 22090–102. DOI : 10.1074 / jbc.M114.566927 . PMC 4139223 . PMID 24973213 .
- ^ а б Мендес-Лукас А., Дуарте Дж. А., Санни Н. Э., Сатапати С., Хе Т, Фу Х и др. (Июль 2013). «Экспрессия PEPCK-M в печени мышей усиливает, а не заменяет опосредованный PEPCK-C глюконеогенез» . Журнал гепатологии . 59 (1): 105–13. DOI : 10.1016 / j.jhep.2013.02.020 . PMC 3910155 . PMID 23466304 .
- ^ а б Чакраварти К., Кассуто Х, Решеф Л., Хэнсон Р. В. (2005). «Факторы, контролирующие тканеспецифическую транскрипцию гена фосфоенолпируваткарбоксикиназы-C». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 40 (3): 129–54. DOI : 10.1080 / 10409230590935479 . PMID 15917397 . S2CID 633399 .
- ^ Робинсон Б.Х. (май 1971 г.). «Транспорт фосфоенолпирувата по транспортной системе трикарбоксилата в митохондриях млекопитающих». Письма FEBS . 14 (5): 309–312. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (71) 80287-9 . PMID 11945784 . S2CID 9617975 .
- ^ Söling HD, Walter U, Sauer H, Kleineke J (декабрь 1971 г.). «Влияние синтетических аналогов фосфоенолпирувата на мышечную и печеночную пируваткиназу, мышечную энолазу, фосфоенолпируваткарбоксикиназу печени и на транспортную систему носителя трикарбоновых кислот внутри и вне митохондрий». Письма FEBS . 19 (2): 139–143. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (71) 80498-2 . PMID 11946196 . S2CID 40637963 .
- ^ Kleineke J, Sauer H, Söling HD (январь 1973 г.). «О специфичности системы носителя трикарбоксилата в митохондриях печени крысы». Письма FEBS . 29 (2): 82–6. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (73) 80531-9 . PMID 4719206 . S2CID 30730789 .
- ^ Шуг А.Л., Шраго Э. (июль 1973 г.). «Ингибирование транспорта фосфоенолпирувата через трикарбоксилатные и адениновые нуклеотидные системы носителей митохондрий печени крысы». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 53 (2): 659–65. DOI : 10.1016 / 0006-291X (73) 90712-2 . PMID 4716993 .
- ^ Сул Х.С., Шраго Э., Шуг А.Л. (январь 1976 г.). «Взаимосвязь транспорта фосфоенолпирувата, ингибирования ацил-коферментом А транслоказы аденин-нуклеотида и оттока ионов кальция в митохондриях сердца морских свинок». Архивы биохимии и биофизики . 172 (1): 230–7. DOI : 10.1016 / 0003-9861 (76) 90071-0 . PMID 1252077 .
- ^ Satrústegui J, Pardo B, Del Arco A (январь 2007 г.). «Митохондриальные переносчики как новые мишени для передачи сигналов внутриклеточного кальция». Физиологические обзоры . 87 (1): 29–67. DOI : 10.1152 / Physrev.00005.2006 . PMID 17237342 .
- ^ а б в Холиоак Т., Салливан С.М., Новак Т. (июль 2006 г.). «Структурные представления о механизме катализа PEPCK». Биохимия . 45 (27): 8254–63. DOI : 10.1021 / bi060269g . PMID 16819824 .
- ^ а б в Delbaere LT, Sudom AM, Prasad L, Leduc Y, Goldie H (март 2004 г.). «Исследования структуры / функции фосфорильного переноса фосфоенолпируваткарбоксикиназой». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1697 (1-2): 271-8. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2003.11.030 . PMID 15023367 .
- ^ Трапани С., Линсс Дж., Гольденберг С., Фишер Х., Крайевич А.Ф., Олива Г. (ноябрь 2001 г.). «Кристаллическая структура димерной фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK) из Trypanosoma cruzi при разрешении 2 A». Журнал молекулярной биологии . 313 (5): 1059–72. DOI : 10.1006 / jmbi.2001.5093 . PMID 11700062 .
- ^ а б Zamboni N, Maaheimo H, Szyperski T., Hohmann HP, Sauer U (октябрь 2004 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксикиназа также катализирует карбоксилирование C3 на границе гликолиза и цикла TCA Bacillus subtilis». Метаболическая инженерия . 6 (4): 277–84. DOI : 10.1016 / j.ymben.2004.03.001 . PMID 15491857 .
- ^ Медицинский центр Вандербильта. «Лаборатория Граннера, PEPCK Research». 2001. Интернет. Интернет. Дата обращения: 22:46, 13.04.07. www.mc.vanderbilt.edu/root/vumc.php?site=granner&doc=119
- ^ а б Берджесс С.К., Хе Т, Ян З., Линднер Дж., Шерри А.Д., Маллой С.Р. и др. (Апрель 2007 г.). «Цитозольная фосфоенолпируваткарбоксикиназа не только контролирует скорость печеночного глюконеогенеза в интактной печени мыши» . Клеточный метаболизм . 5 (4): 313–20. DOI : 10.1016 / j.cmet.2007.03.004 . PMC 2680089 . PMID 17403375 .
- ^ Нэш Дж. Т., Сабо Д. Т., Кэри ГБ (2012). «Полибромированные дифениловые эфиры изменяют кинетику печеночного фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназы у самцов крыс Wistar: влияние на метаболизм липидов и глюкозы». Журнал токсикологии и гигиены окружающей среды. Часть A . 76 (2): 142–56. DOI : 10.1080 / 15287394.2012.738457 . PMID 23294302 . S2CID 24458236 .
- ^ Канаи Р., Эдвардс, GE (1998). "Биохимия фотосинтеза C4" . В Sage RF, Monson RK (ред.). C4 Биология растений . Эльзевир. С. 49–87. ISBN 978-0-08-052839-7.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Кристофер Дж. Т., Холтум Дж. (Сентябрь 1996 г.). «Паттерны разделения углерода в листьях видов кислого метаболизма крассуловых во время раскисления» . Физиология растений . 112 (1): 393–399. DOI : 10.1104 / pp.112.1.393 . PMC 157961 . PMID 12226397 .
- ^ Вознесенская Е.В., Франчески В.Р., Чыонг С.Д., Эдвардс Г.Е. (июль 2006 г.). «Функциональная характеристика анатомии листа C4 фосфоенолпируваткарбоксикиназы типа: иммуно-, цитохимические и ультраструктурные анализы» . Летопись ботаники . 98 (1): 77–91. DOI : 10.1093 / Aob / mcl096 . PMC 2803547 . PMID 16704997 .
- ^ а б в г Чен Ж., Уолкер Р. П., Течи Л. И., Леа П. Дж., Лигуд Р. К. (май 2004 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксикиназа в растениях огурца увеличивается как за счет аммония, так и за счет подкисления, и присутствует во флоэме». Planta . 219 (1): 48–58. DOI : 10.1007 / s00425-004-1220-у . PMID 14991407 . S2CID 23800457 .
- ^ а б Айч С., Имабаяси Ф., Дельбаере Л.Т. (октябрь 2003 г.). «Экспрессия, очистка и характеристика бактериальной GTP-зависимой карбоксикиназы PEP». Экспрессия и очистка белков . 31 (2): 298–304. DOI : 10.1016 / S1046-5928 (03) 00189-X . PMID 14550651 .
- ^ а б Лю К, Ба Х, Ю Дж, Ли Дж, Вэй Кью, Хан Г и др. (Август 2006 г.). «Фосфоенолпируваткарбоксикиназа Mycobacterium tuberculosis вызывает сильные клеточно-опосредованные иммунные ответы у мышей». Молекулярная и клеточная биохимия . 288 (1–2): 65–71. DOI : 10.1007 / s11010-006-9119-5 . PMID 16691317 . S2CID 36284611 .
- ^ Leithner K, Hrzenjak A., Trötzmüller M, Moustafa T., Köfeler HC, Wohlkoenig C, et al. (Февраль 2015 г.). «Активация PCK2 опосредует адаптивный ответ на истощение запасов глюкозы при раке легких» . Онкоген . 34 (8): 1044–50. DOI : 10.1038 / onc.2014.47 . PMID 24632615 . S2CID 11902696 .
- ^ а б O'Brien RM, Lucas PC, Forest CD, Magnuson MA, Granner DK (август 1990). «Идентификация последовательности в гене PEPCK, которая опосредует отрицательный эффект инсулина на транскрипцию». Наука . 249 (4968): 533–7. Bibcode : 1990Sci ... 249..533O . DOI : 10.1126 / science.2166335 . PMID 2166335 .
- ^ Маццио Э., Солиман К.Ф. (январь 2003 г.). «Роль гликолиза и глюконеогенеза в цитопротекции клеток нейробластомы против токсичности иона 1-метил-4-фенилпиридиния». Нейротоксикология . 24 (1): 137–47. DOI : 10.1016 / S0161-813X (02) 00110-9 . PMID 12564389 .
- ^ Уолтер Ф. Борон (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Эльзевир / Сондерс. п. 858. ISBN. 978-1-4160-2328-9.
Внешние ссылки
- Phosphoenolpyruvate + Carboxykinase + (ATP) в Национальной медицинской библиотеке США по предметным заголовкам по медицинским предметам (MeSH)
- Phosphoenolpyruvate + Carboxykinase + (GTP) в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- «могучие мыши» (мыши PEPCK-Cmus) https://web.archive.org/web/20071107175951/http://blog.case.edu/case-news/2007/11/02/mightymouse