PC

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Einführung

Pyruvatcarboxylase (PC) ist ein biotin-haltiges Enzym, das für die Katalyse der HCO^3- und MgATP-abhängigen Pyruvatcarboxylierung zur Bildung von Oxalacetat verantwortlich ist. Dies ist eine anaplerotische Reaktion, die Oxalacetat für verschiedene wichtige biochemische Wege ergänzt. Daher ist PC ein Enzym, das für den intermediären Stoffwechsel von großer Bedeutung ist, da es die Brennstoffverteilung, Adipogenese, Gluconeogenese und Insulinsekretion steuert.

Das Enzym wurde erstmals 1959 entdeckt. Nach kontinuierlichen Bemühungen wurden große Fortschritte im Verständnis seiner Struktur und Funktion erzielt. In den meisten Organismen ist PC ein tetrameres Protein, das allosterisch durch Acetyl-CoA und Aspartat reguliert wird.

Neueste hochauflösende Kristallstrukturen von Holoenzymen, die verschiedene Liganden binden, wurden erhalten, die verschiedene Details der Biotin-Carboxylase offenbaren, einschließlich der Carboxyltransferase- und Biotin-Carboxylträgerdomäne sowie der allosterischen Effektor-Domäne. Die kombinierte Anwendung einiger klassischer biochemischer und genetischer Methoden hat die bona fide Rolle von PC in nicht-gluconeogenetischen Geweben untersucht. Das erste Klonen des PC-Gen-Promotors in Säugetieren und anschließende Transkriptionsstudien haben einige wichtige korrespondierende Transkriptionsfaktoren aufgedeckt, die die gewebespezifische Expression regulieren.

Die Rolle von PC in Mikroorganismen

PC existiert in vielen Prokaryoten, einschließlich Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Mycobacterium, Staphylococcus und Archaebakterien, existiert jedoch nicht in enterischen Bakterien, die Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPC) verwenden, um Phosphoenolpyruvat (PEP) direkt in Oxalacetat umzuwandeln. In Hefen sind zwei Stoffwechselwege, die Oxalacetat produzieren, die durch PC katalysierte Reaktion und der Glyoxylatzyklus. Wenn Hefen auf Acetat wachsen, wird die durch PC katalysierte Oxalacetatbildung gehemmt, aber der Glyoxylatzyklus ist aktiv, und umgekehrt, wenn sie auf Glukose-Medium wachsen. In E. coli ersetzt PEPC die Funktion von PC. Eine Überexpression von PC kann die Produktion von rekombinantem Protein in diesem Organismus erhöhen. Es wird spekuliert, dass dies auf eine verbesserte Oxalacetatproduktion zurückzuführen ist, die die Brennstoffoxidation verbessert.

Die Rolle von PC in Säugetiergeweben

• Die Rolle von PC in der Gluconeogenese

PC ist verantwortlich für die Katalyse des ersten Schlüsselschrittes in der Gluconeogenese, und das resultierende Oxalacetat wird für die anschließende katalysierte Umwandlung in Phosphoenolpyruvat durch Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PEPCK) verwendet. PEPCK existiert in Mitochondrien oder im Zytoplasma in zwei verschiedenen Isoformen, und die relativen Verhältnisse zwischen den Arten sind unterschiedlich. Oxalacetat wird durch mitochondriale PEPCK in PEP umgewandelt und durch das Tricarbonsäureanion-Trägersystem ins Zytoplasma transportiert, wo es durch den umgekehrten Weg der Glykolyse und die Katalyse von zwei anderen gluconeogenetischen Enzymen (d.h. Fructose-1,6-bisphosphatase und Glukose-6-phosphatase) in Glukose umgewandelt wird. Wenn jedoch der zytosolische NADH-Spiegel niedrig und der mitochondriale NADH-Spiegel hoch ist (wie bei Hunger), wird Alanin zur Hauptquelle von Pyruvat in der Leber, und das von PC gebildete Oxalacetat kann auch als Träger von Reduktionsäquivalenten ins Zytoplasma verwendet werden.

• Die Rolle von PC in der Adipogenese

PC ist in Fettgewebe hoch exprimiert. Da die Schlüsselenzyme der Gluconeogenese, Glukose-6-Phosphatase und Fructose-1,6-bisphosphatase, im Fettgewebe nicht existieren, schlugen Ballard und Hanson vor, dass PC an der de novo Synthese von Fettsäuren beteiligt ist. Das von PC bereitgestellte Oxalacetat wird in Citrat umgewandelt und nimmt an diesem Weg teil. Citrat wird aus den Mitochondrien exportiert und im Zytosol gespalten, um Oxalacetat und Acetyl-CoA zu bilden. Acetyl-CoA dient als Grundstein für die Synthese von langkettigen Fettsäuren.

• Die Rolle von PC in den Pankreasinseln

Neben der Bereitstellung einer großen Menge Oxalacetat für den TCA-Zyklus zur Kompensation des Inputs beteiligt sich PC auch an der Bildung von NADPH. Der Shuttle zwischen Mitochondrien und Zytoplasma, der als 'Pyruvatzyklus' bezeichnet wird, produziert hohe Mengen an NADPH. Das von PC gebildete Oxalacetat wird entweder in Malat oder Citrat umgewandelt und verlässt die Mitochondrien durch den Pyruvat/Malat- oder Citrat/Pyruvat-Shuttle. Das malische Enzym (EC 1.1.1.40) katalysiert die Produktion von NADPH in beiden Shuttles. Aufgrund dieser beiden Shuttles ist die Menge an produziertem NADPH viel höher als die, die aus dem Pentosephosphatweg gewonnen wird.

Abbildung 1. Anaplerotische Rolle von PC in verschiedenen Säugetiergeweben (Jitrapakdee, S.; et al. 2010)