PEPC

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Einleitung

Die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) ist ein Schlüsselenzym des Primärstoffwechsels von Bakterien, Algen und Gefäßpflanzen und wird überwiegend im Zytoplasma lokalisiert. Die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase katalysiert die irreversible β-Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in Gegenwart von HCO^3- und Mg²⁺ zur Bildung von Oxalacetat (OAA) und anorganischem Phosphat (Pi). PEPC ist in allen photosynthetischen Organismen weit verbreitet, einschließlich Gefäßpflanzen, Algen, Cyanobakterien und photosynthetischen Bakterien, sowie in nicht-photosynthetischen Bakterien und Protozoen. In Gefäßpflanzen stellen PEPC-katalysierte Reaktionen die wesentlichen stationären Schritte der C4-Photosynthese und der photosynthetischen CO₂-Assimilation im Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) dar. In den meisten nicht-photosynthetischen Geweben sowie in C3-Blättern besteht die primäre Funktion der PEPC in der anaplerotischen Auffüllung, d. h. der Ergänzung des Tricarbonsäure-(TCA-)Zyklus mit Intermediaten, die für verschiedene biosynthetische Stoffwechselwege und die Stickstoffassimilation entnommen werden. PEPC liefert zudem Apfelsäure in Schließzellen und in Leguminosen-Wurzelknöllchen. Entsprechend dieser breiten Funktionalität wird PEPC durch eine kleine Genfamilie kodiert und in einer Vielzahl pflanzlicher Gewebe exprimiert.

Struktur

Die PEPC-Carboxylase kommt in Pflanzen und bestimmten Bakterienarten vor, jedoch nicht in Pilzen oder Tieren (einschließlich des Menschen). Die Kristallstruktur der PEP-Carboxylase wurde in verschiedenen Organismen bestimmt, darunter Mais und Escherichia coli. Das vollständige Enzym liegt als Dimer aus Dimeren vor: Zwei identische Untereinheiten interagieren eng über eine Salzbrücke zwischen Arginin (R438 – die genaue Position kann je nach genetischer Herkunft variieren) und Glutamat (E433) und bilden so ein dimeres Aggregat. Dieses Dimer assembliert (weniger fest) mit einem weiteren Dimer zu einem Komplex aus vier Untereinheiten. Die monomere Untereinheit besteht überwiegend aus α-Helices (65 %) und weist eine Masse von 106 kDa auf. Das aktive Zentrum des Enzyms ist noch nicht vollständig charakterisiert. Es umfasst einen konservierten Aspartat-(D564)- und einen Glutamat-(E566)-Rest, die über die Carbonsäure-Funktionsgruppe nicht-kovalent an das zweiwertige Metall-Kofaktorion gebunden sind.

Mechanismus

Die meisten PEPCs sind Stoffwechselenzyme, deren Aktivität durch eine Vielzahl metabolischer Effektoren reguliert wird. In Gefäßpflanzen wird die PEPC-Aktivität zusätzlich durch reversible Phosphorylierung konservierter Serinreste nahe dem N-Terminus reguliert. Durch die Phosphorylierung wird PEPC weniger empfindlich gegenüber dem Feedback-Inhibitor Malat und empfindlicher gegenüber dem Aktivator Glucose-6-phosphat (Glu6P), was zu einer erhöhten Aktivität führt. Die Phosphorylierung der PEPC wird durch eine spezifische PEPC-Kinase katalysiert, die ebenfalls von einer kleinen Genfamilie kodiert wird. Behandlungen, die zu einer erhöhten PEPC-Aktivität führen, wie eine gesteigerte Stickstoffassimilation und Pi-Mangel in Blättern von C3-Pflanzen, induzieren die Genexpression der PEPC-Kinase sowie die Phosphorylierung der PEPC. Diese Mechanismen regulieren die PEPC-Aktivität strikt, was für Pflanzen aufgrund der Irreversibilität der Reaktion essenziell ist.

Funktion

Die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) ist ein Enzym, das die irreversible Reaktion von Phosphoenolpyruvat mit Kohlendioxid zur Bildung von Oxalacetat katalysiert. Sie ist in Pflanzen und Bakterien weit verbreitet und fehlt in Tieren sowie in filamentösen Mykobakterien. In Pflanzen ist sie in Chloroplasten vorhanden, in Bakterien in löslichen, fraktionierten Präzipitaten. Das Enzym aus E. coli weist als Tetramer ein Molekulargewicht von etwa 360.000 auf und kann durch zahlreiche Faktoren beeinflusst werden, beispielsweise durch Aktivierung durch Acetyl-Coenzym A und Inhibition durch Aspartat. Dieses Enzym ist ein allosterisches Enzym; seine Hauptfunktion besteht darin, den Tricarbonsäurezyklus mit Oxalacetat zu versorgen. Darüber hinaus steht es im Zusammenhang mit der photosynthetischen CO₂-Fixierung in C4-Pflanzen (C4-Dicarbonsäurezyklus) sowie mit der Apfelsäurebildung im Sedum (Crassulaceen-Säurestoffwechsel).