PEPC

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Einführungen

Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) ist ein Schlüsselenzym im primären Stoffwechsel von Bakterien, Algen und Gefäßpflanzen und wird im Zytoplasma vermutet. Phosphoenolpyruvat-Carboxylase katalysiert die irreversible β-Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in Anwesenheit von HCO^3- und Mg²⁺, um Oxalacetat (OAA) und anorganisches Phosphat (Pi) zu produzieren. PEPC ist in allen photosynthetischen Organismen weit verbreitet, einschließlich Gefäßpflanzen, Algen, Cyanobakterien und photosynthetischen Bakterien sowie in nicht-photosynthetischen Bakterien und Protozoen. In Gefäßpflanzen sind die von PEPC katalysierten Reaktionen die wichtigsten stationären Schritte in der C4-Photosynthese und der photosynthetischen CO₂-Assimilation im säuremetabolischen (CAM) Prozess. In den meisten nicht-photosynthetischen Geweben und C3-Blättern von Pflanzen besteht die Hauptfunktion von PEPC in der Rückkomplementierung, indem der Zitronensäurezyklus (TCA) mit Zwischenprodukten ergänzt wird, die für verschiedene biosynthetische Wege und die Stickstoffassimilation entnommen werden. PEPC liefert auch Apfelsäure in Schließzellen und Hülsenfrüchte-Rhizomen. In Übereinstimmung mit dieser breiten Rolle wird PEPC von einer kleinen Genfamilie kodiert und in einer Vielzahl von Pflanzengeweben exprimiert.

Struktur

PEPC-Carboxylase kommt in Pflanzen und einigen Bakterienarten vor, jedoch nicht in Pilzen oder Tieren (einschließlich Menschen). Die Kristallstruktur der PEP-Carboxylase wurde in verschiedenen Organismen bestimmt, einschließlich Mais und Escherichia coli. Das gesamte Enzym existiert als Dimer von Dimeren: zwei identische Untereinheiten interagieren eng über eine Salzbrücke zwischen Arginin (R438 - genaue Position kann je nach genetischer Herkunft variieren) und Glutamat (E433), um ein dimerisches Residuum zu bilden. Dieses Dimer (lockerer) assembliert sich mit einem anderen seiner Art, um einen vieruntereinheitlichen Komplex zu bilden. Die monomere Untereinheit besteht hauptsächlich aus α-Helices (65%), jede mit einer Masse von 106 kDa. Die aktive Stelle des Enzyms wurde noch nicht vollständig charakterisiert. Sie umfasst ein konserviertes Aspartat (D564) und ein Glutamat (E566) Residuum, die nicht-kovalent an das zweiwertige Metall-Kofaktor-Ion über die Carbonsäurefunktionalgruppe gebunden sind.

Mechanismus

Die meisten PEPCs sind Stoffwechselenzyme und ihre Aktivitäten werden durch eine Vielzahl von Stoffwechsel-Effektoren reguliert. Die Aktivität von PEPC in Gefäßpflanzen wird zusätzlich durch reversible Phosphorylierung von konservierten Ser-Residuen nahe dem N-Terminus reguliert. Die Phosphorylierung von PEPC wird weniger empfindlich gegenüber dem Feedback-Inhibitor Malat und empfindlicher gegenüber dem Aktivator Glukose-6-phosphat (Glu6P), was zu einer höheren Aktivität führt. Die Phosphorylierung von PEPC wird von einer speziellen PEPC-Kinase katalysiert, die ebenfalls von einer kleinen Genfamilie kodiert wird. Behandlungen, die zu einer erhöhten PEPC-Aktivität führen, wie verbesserte Stickstoffassimilation und Pi-Mangel in Blättern von C3-Pflanzen, induzieren die Genexpression der PEPC-Kinase und die Phosphorylierung von PEPC. Diese Mechanismen regulieren die PEPC-Aktivität streng, was für Pflanzen aufgrund der irreversiblen Natur der Reaktion unerlässlich ist.

Funktion

Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) ist ein Enzym, das die irreversible Reaktion von Phosphoenolpyruvat mit Kohlendioxid katalysiert, um Oxalacetat zu bilden. Es ist weit verbreitet in Pflanzen und Bakterien und fehlt in Tieren und filamentösen Mykobakterien. Es ist in Chloroplasten von Pflanzen und in löslichen abgestuften Niederschlägen von Bakterien vorhanden. Das Enzym in E. coli hat ein Molekulargewicht von etwa 360.000 Tetrameren und kann von vielen Faktoren beeinflusst werden, wie Aktivierung durch Acetyl-Coenzym A und Hemmung durch Aspartat. Dieses Enzym ist ein metamerisches Enzym und seine Hauptfunktion besteht darin, den Zitronensäurezyklus mit Oxalacetat zu versorgen, und es ist auch mit der photosynthetischen Kohlendioxidfixierungsreaktion von C4-Pflanzen (C4-Dicarbonsäurezyklus) und der Apfelsäurebildung in Sedum (Sedum-Säuremetabolismus) verbunden.