La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa ( EC 4.1.1.32, PEPCK ) es una enzima de la familia de las liasas utilizada en la vía metabólica de la gluconeogénesis . Convierte el oxalacetato en fosfoenolpiruvato y dióxido de carbono . [1] [2] [3]
Se encuentra en dos formas, citosólica y mitocondrial .
En humanos existen dos isoformas de PEPCK; una forma citosólica (SwissProt P35558) y una isoforma mitocondrial (SwissProt Q16822) que tienen una identidad de secuencia del 63,4%. La forma citosólica es importante en la gluconeogénesis. Sin embargo, existe un mecanismo de transporte conocido para mover la PEP desde las mitocondrias al citosol, utilizando proteínas de transporte de membrana específicas. [4] [5] [6] [7] [8] El transporte de PEP a través de la membrana mitocondrial interna involucra a la proteína transportadora de tricarboxilato mitocondrial y, en menor medida, al transportador de nucleótidos de adenina . También se ha planteado la posibilidad de un transportador de PEP/piruvato. [9]
Las estructuras de rayos X de PEPCK proporcionan información sobre la estructura y el mecanismo de la actividad enzimática de PEPCK. La isoforma mitocondrial del hígado de pollo PEPCK complejada con Mn 2+ , Mn 2+ - fosfoenolpiruvato (PEP) y Mn 2+ -GDP proporciona información sobre su estructura y cómo esta enzima cataliza reacciones. [10] Delbaere et al. (2004) resolvieron PEPCK en E. coli y encontraron el sitio activo entre un dominio C-terminal y un dominio N-terminal . Se observó que el sitio activo se cerraba tras la rotación de estos dominios. [11]
Los grupos fosforilo se transfieren durante la acción de PEPCK, lo que probablemente se ve facilitado por la conformación eclipsada de los grupos fosforilo cuando el ATP se une a PEPCK. [11]
Dado que la formación eclipsada tiene un alto contenido de energía, la transferencia de grupos fosforilo tiene una energía de activación menor , lo que significa que los grupos se transferirán más fácilmente. Es probable que esta transferencia se produzca mediante un mecanismo similar al desplazamiento SN2 . [11]
La transcripción del gen PEPCK ocurre en muchas especies y la secuencia de aminoácidos de PEPCK es distinta para cada especie.
Por ejemplo, su estructura y su especificidad difieren en los humanos, en Escherichia coli ( E. coli ) y en el parásito Trypanosoma cruzi . [12]
PEPCKase convierte el oxalacetato en fosfoenolpiruvato y dióxido de carbono .
Como PEPCK actúa en la unión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs, provoca la descarboxilación de una molécula de C 4 , creando una molécula de C 3 . Como primer paso comprometido en la gluconeogénesis, PEPCK descarboxila y fosforila el oxaloacetato (OAA) para su conversión en PEP, cuando GTP está presente. A medida que se transfiere un fosfato, la reacción da como resultado una molécula de GDP. [10] Cuando la piruvato quinasa , la enzima que normalmente cataliza la reacción que convierte la PEP en piruvato, se elimina en mutantes de Bacillus subtilis , PEPCK participa en una de las reacciones anapleróticas de reemplazo , trabajando en la dirección inversa de su función normal, convirtiendo PEP a la OAA. [13] Aunque esta reacción es posible, la cinética es tan desfavorable que los mutantes crecen a un ritmo muy lento o no crecen en absoluto. [13]
PEPCK-C cataliza un paso irreversible de la gluconeogénesis , el proceso mediante el cual se sintetiza la glucosa. Por lo tanto, se pensaba que la enzima era esencial en la homeostasis de la glucosa, como lo demuestran los ratones de laboratorio que contrajeron diabetes mellitus tipo 2 como resultado de la sobreexpresión de PEPCK-C. [14]
El papel que desempeña PEPCK-C en la gluconeogénesis puede estar mediado por el ciclo del ácido cítrico , cuya actividad está directamente relacionada con la abundancia de PEPCK-C. [15]
Los niveles de PEPCK-C por sí solos no estaban altamente correlacionados con la gluconeogénesis en el hígado de ratón, como han sugerido estudios anteriores. [15] Mientras que el hígado del ratón expresa casi exclusivamente PEPCK-C, los humanos presentan igualmente una isoenzima mitocondrial (PEPCK-M). PEPCK-M tiene potencial gluconeogénico per se. [2] Por lo tanto, el papel de PEPCK-C y PEPCK-M en la gluconeogénesis puede ser más complejo e involucrar más factores de lo que se creía anteriormente.
En los animales, este es un paso que controla la velocidad de la gluconeogénesis , el proceso mediante el cual las células sintetizan glucosa a partir de precursores metabólicos. El nivel de glucosa en sangre se mantiene dentro de límites bien definidos, en parte debido a la regulación precisa de la expresión del gen PEPCK. Para enfatizar la importancia de PEPCK en la homeostasis de la glucosa , la sobreexpresión de esta enzima en ratones produce síntomas de diabetes mellitus tipo II , con diferencia la forma más común de diabetes en humanos. Debido a la importancia de la homeostasis de la glucosa en sangre, varias hormonas regulan un conjunto de genes (incluido PEPCK) en el hígado que modulan la tasa de síntesis de glucosa.
PEPCK-C está controlado por dos mecanismos hormonales diferentes. La actividad de PEPCK-C aumenta con la secreción de cortisol de la corteza suprarrenal y glucagón de las células alfa del páncreas. El glucagón eleva indirectamente la expresión de PEPCK-C al aumentar los niveles de AMPc (mediante la activación de la adenilil ciclasa) en el hígado, lo que en consecuencia conduce a la fosforilación de S133 en una hoja beta de la proteína CREB . Luego, CREB se une aguas arriba del gen PEPCK-C en CRE (elemento de respuesta a AMPc) e induce la transcripción de PEPCK-C. El cortisol, por otro lado, cuando es liberado por la corteza suprarrenal, pasa a través de la membrana lipídica de las células del hígado (debido a su naturaleza hidrofóbica puede pasar directamente a través de las membranas celulares) y luego se une a un receptor de glucocorticoides (GR). Este receptor se dimeriza y el complejo cortisol/GR pasa al núcleo donde luego se une a la región del elemento de respuesta a glucocorticoides (GRE) de manera similar a CREB y produce resultados similares (síntesis de más PEPCK-C).
Juntos, el cortisol y el glucagón pueden tener enormes resultados sinérgicos, activando el gen PEPCK-C a niveles que ni el cortisol ni el glucagón podrían alcanzar por sí solos. PEPCK-C es más abundante en el hígado, los riñones y el tejido adiposo. [3]
Un estudio colaborativo entre la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) y la Universidad de New Hampshire investigó el efecto del DE-71, una mezcla comercial de PBDE , sobre la cinética de la enzima PEPCK y determinó que el tratamiento in vivo del contaminante ambiental compromete la glucosa y los lípidos del hígado. Metabolismo posiblemente mediante la activación del receptor xenobiótico pregnano ( PXR ), y puede influir en la sensibilidad a la insulina de todo el cuerpo. [dieciséis]
Investigadores de la Universidad Case Western Reserve han descubierto que la sobreexpresión de PEPCK citosólica en el músculo esquelético de ratones hace que sean más activos, más agresivos y tengan vidas más largas que los ratones normales; ver superratones metabólicos .
PEPCK ( EC 4.1.1.49) es una de las tres enzimas de descarboxilación utilizadas en los mecanismos de concentración de carbono inorgánico de las plantas C 4 y CAM . Las otras son la enzima NADP-málica y la enzima NAD-málica . [17] [18] En la fijación de carbono C 4 , el dióxido de carbono se fija primero mediante combinación con fosfoenolpiruvato para formar oxaloacetato en el mesófilo . En las plantas PEPCK tipo C 4 , el oxaloacetato se convierte luego en aspartato , que viaja hasta la vaina del haz . En las células de la vaina del haz , el aspartato se convierte nuevamente en oxaloacetato . PEPCK descarboxila el oxalacetato de la vaina del haz , liberando dióxido de carbono , que luego es fijado por la enzima Rubisco . Por cada molécula de dióxido de carbono producida por PEPCK, se consume una molécula de ATP .
PEPCK actúa en plantas que se someten a fijación de carbono C 4 , donde su acción se ha localizado en el citosol , a diferencia de los mamíferos, donde se ha descubierto que PEPCK actúa en las mitocondrias . [19]
Aunque se encuentra en muchas partes diferentes de las plantas, se ha observado sólo en tipos de células específicas, incluidas las áreas del floema . [20]
También se ha descubierto que, en el pepino ( Cucumis sativus L. ), los niveles de PEPCK aumentan por múltiples efectos que se sabe que disminuyen el pH celular de las plantas, aunque estos efectos son específicos de la parte de la planta. [20]
Los niveles de PEPCK aumentaron en raíces y tallos cuando las plantas se regaron con cloruro de amonio a pH bajo (pero no a pH alto ), o con ácido butírico . Sin embargo, los niveles de PEPCK no aumentaron en las hojas bajo estas condiciones.
En las hojas, un contenido de CO 2 del 5% en la atmósfera conduce a una mayor abundancia de PEPCK. [20]
En un esfuerzo por explorar el papel de PEPCK, los investigadores provocaron la sobreexpresión de PEPCK en la bacteria E. coli mediante ADN recombinante . [21]
Se ha demostrado que PEPCK de Mycobacterium tuberculosis activa el sistema inmunológico en ratones al aumentar la actividad de las citoquinas . [22]
Como resultado, se ha descubierto que PEPCK puede ser un ingrediente apropiado en el desarrollo de una vacuna subunitaria eficaz contra la tuberculosis . [22]
PEPCK no se ha considerado en la investigación del cáncer hasta hace poco. Se ha demostrado que en muestras de tumores humanos y líneas celulares de cáncer humano (células de cáncer de mama, colon y pulmón) PEPCK-M, y no PEPCK-C, se expresaba en niveles suficientes para desempeñar un papel metabólico relevante. [1] [23] Por lo tanto, PEPCK-M podría tener un papel en las células cancerosas, especialmente bajo limitación de nutrientes u otras condiciones de estrés.
PEPCK-C se ve potenciada, tanto en términos de producción como de activación, por muchos factores. La transcripción del gen PEPCK-C es estimulada por el glucagón , los glucocorticoides , el ácido retinoico y la adenosina 3',5'-monofosfato ( cAMP ), mientras que es inhibida por la insulina . [24] De estos factores, la insulina, una hormona deficiente en el caso de la diabetes mellitus tipo 1, se considera dominante, ya que inhibe la transcripción de muchos de los elementos estimuladores. [24] La actividad de PEPCK también es inhibida por el sulfato de hidrazina y, por lo tanto, la inhibición disminuye la tasa de gluconeogénesis. [25]
En la acidosis prolongada , PEPCK-C se regula positivamente en las células del borde en cepillo del túbulo proximal renal , para secretar más NH 3 y, por lo tanto, producir más HCO 3 − . [26]
La actividad específica de GTP de PEPCK es máxima cuando Mn 2+ y Mg 2+ están disponibles. [21] Además, la cisteína hiperreactiva (C307) participa en la unión de Mn 2+ al sitio activo. [10]
Como se analizó anteriormente, la abundancia de PEPCK aumentó cuando las plantas se regaron con cloruro de amonio de pH bajo, aunque un pH alto no tuvo este efecto. [20]
Está clasificado bajo el número CE 4.1.1. Hay tres tipos principales, que se distinguen por la fuente de energía para impulsar la reacción:
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