PC

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Einleitung

Die Pyruvatcarboxylase (PC) ist ein biotinhaltiges Enzym, das die HCO^3-- und MgATP-abhängige Carboxylierung von Pyruvat zur Bildung von Oxalacetat katalysiert. Dabei handelt es sich um eine anaplerotische Reaktion, die Oxalacetat für verschiedene zentrale biochemische Stoffwechselwege ergänzt. PC ist daher ein für den Intermediärstoffwechsel äußerst wichtiges Enzym und steuert die Substratverteilung, Adipogenese, Glukoneogenese sowie die Insulinsekretion.

Das Enzym wurde erstmals 1959 entdeckt. Nach kontinuierlichen Forschungsarbeiten wurden erhebliche Fortschritte beim Verständnis seiner Struktur und Funktion erzielt. In den meisten Organismen liegt PC als tetrameres Protein vor, das allosterisch durch Acetyl-CoA und Aspartat reguliert wird.

In jüngerer Zeit wurden hochauflösende Kristallstrukturen von Holoenzymen, die verschiedene Liganden binden, bestimmt. Diese Strukturen lieferten zahlreiche Details zur Biotin-Carboxylase, einschließlich der Carboxyltransferase- und der Biotin-Carboxyl-Carrier-Domäne sowie der Domäne für allosterische Effektoren. Durch die kombinierte Anwendung klassischer biochemischer und genetischer Methoden wurde die bona fide-Rolle der PC in nicht-glukoneogenen Geweben untersucht. Die erstmalige Klonierung des PC-Genpromotors bei Säugetieren und nachfolgende Transkriptionsstudien identifizierten mehrere zentrale, zugehörige Transkriptionsfaktoren, die die gewebespezifische Expression regulieren.

Die Rolle der PC in Mikroorganismen

PC kommt in vielen Prokaryoten vor, darunter Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Mycobacterium, Staphylococcus sowie in Archaeen, fehlt jedoch in enterischen Bakterien, die die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) nutzen, um Phosphoenolpyruvat (PEP) direkt in Oxalacetat umzuwandeln. In Hefe existieren zwei Stoffwechselwege zur Bildung von Oxalacetat: die durch PC katalysierte Reaktion und der Glyoxylatzyklus. Wenn Hefe auf Acetat wächst, ist die PC-katalysierte Oxalacetatbildung gehemmt, während der Glyoxylatzyklus aktiv ist; umgekehrt gilt dies bei Wachstum auf Glukose-Minimalmedium. In E. coli übernimmt PEPC die Funktion der PC. Eine Überexpression von PC kann in diesem Organismus die Produktion rekombinanter Proteine steigern. Es wird vermutet, dass dies auf eine verbesserte Oxalacetatproduktion zurückzuführen ist, die die Substratoxidation erhöht.

Die Rolle der PC in Säugetiergeweben

• Die Rolle der PC in der Glukoneogenese

PC katalysiert den ersten Schlüsselschritt der Glukoneogenese; das dabei entstehende Oxalacetat wird anschließend durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) zu Phosphoenolpyruvat umgewandelt. PEPCK liegt in zwei unterschiedlichen Isoformen vor, die entweder mitochondrial oder zytosolisch lokalisiert sind; die relativen Anteile variieren zwischen Spezies. Oxalacetat wird über die mitochondriale PEPCK zu PEP umgesetzt und über das Carrier-System für Tricarbonsäure-Anionen in das Zytoplasma transportiert, wo es über den umgekehrten Weg der Glykolyse sowie unter Katalyse zweier weiterer glukoneogener Enzyme (d. h. Fructose-1,6-Bisphosphatase und Glukose-6-Phosphatase) zu Glukose umgewandelt wird. Ist jedoch der zytosolische NADH-Spiegel niedrig und der mitochondriale NADH-Spiegel hoch (z. B. bei Hungerzustand), wird Alanin zur Hauptquelle für Pyruvat in der Leber, und das durch PC gebildete Oxalacetat kann zudem als Träger von Reduktionsäquivalenten in das Zytoplasma dienen.

• Die Rolle der PC in der Adipogenese

PC wird im Fettgewebe stark exprimiert. Da die für die Glukoneogenese zentralen Enzyme Glukose-6-Phosphatase und Fructose-1,6-Bisphosphatase im Fettgewebe nicht vorhanden sind, schlugen Ballard und Hanson vor, dass PC an der de novo-Synthese von Fettsäuren beteiligt ist. Das durch PC bereitgestellte Oxalacetat wird zu Citrat umgewandelt und in diesen Stoffwechselweg eingespeist. Citrat wird aus den Mitochondrien exportiert und im Zytosol gespalten, wobei Oxalacetat und Acetyl-CoA entstehen. Acetyl-CoA dient als Grundbaustein für die Synthese langkettiger Fettsäuren.

• Die Rolle der PC in pankreatischen Inseln

Neben der Bereitstellung großer Mengen an Oxalacetat für den Citratzyklus zur Auffüllung der Zwischenprodukte ist PC auch an der Bildung von NADPH beteiligt. Der als „Pyruvat-Cycling“ bezeichnete Shuttle zwischen Mitochondrien und Zytoplasma führt zur Bildung hoher NADPH-Spiegel. Das durch PC gebildete Oxalacetat wird entweder zu Malat oder Citrat umgewandelt und verlässt die Mitochondrien über den Pyruvat/Malat- bzw. Citrat/Pyruvat-Shuttle. Das Malatenzym (EC 1.1.1.40) katalysiert in beiden Shuttles die Bildung von NADPH. Aufgrund dieser beiden Shuttles ist die produzierte NADPH-Menge deutlich höher als diejenige, die über den Pentosephosphatweg gewonnen wird.

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