La piruvato carboxilasa ( PC ) codificada por el gen PC es una enzima ( EC 6.4.1.1) de la clase de las ligasas que cataliza (dependiendo de la especie) la carboxilación fisiológicamente irreversible [ cita necesaria ] del piruvato para formar oxaloacetato (OAA).
La reacción que cataliza es:
Es una reacción anaplerótica importante que crea oxaloacetato a partir de piruvato. La enzima es una proteína mitocondrial que contiene un grupo protésico de biotina , [1] que requiere magnesio o manganeso y acetil-CoA .
La piruvato carboxilasa fue descubierta por primera vez en 1959 en la Universidad Case Western Reserve por MF Utter y DB Keech. [6] [7] Desde entonces se ha encontrado en una amplia variedad de procariotas y eucariotas, incluidos hongos, bacterias, plantas y animales. [8] En los mamíferos, la PC desempeña un papel crucial en la gluconeogénesis y la lipogénesis, en la biosíntesis de neurotransmisores y en la secreción de insulina inducida por glucosa por parte de los islotes pancreáticos. El oxalacetato producido por la PC es un intermediario importante que se utiliza en estas vías biosintéticas. [9] En los mamíferos, la PC se expresa de una manera específica de tejido, y su actividad es mayor en el hígado y el riñón (tejidos gluconeogénicos), en el tejido adiposo y la glándula mamaria lactante (tejidos lipogénicos) y en los islotes pancreáticos. La actividad es moderada en el cerebro, el corazón y las glándulas suprarrenales, y mínima en los glóbulos blancos y los fibroblastos de la piel. [10]
Se han realizado estudios estructurales de la PC mediante microscopía electrónica , mediante proteólisis limitada y mediante clonación y secuenciación gasa de genes y ADNc que codifican la enzima. Las formas más caracterizadas de PC activa constan de cuatro subunidades idénticas dispuestas en una estructura similar a un tetraedro. Cada subunidad contiene un único resto de biotina que actúa como un brazo oscilante para transportar dióxido de carbono al sitio catalítico que se forma en la interfaz entre monómeros adyacentes. Cada subunidad del tetrámero funcional contiene cuatro dominios: el dominio de carboxilación de biotina (BC), el dominio de transcarboxilación (CT), el dominio portador de biotina carboxilo (BCCP) y el recientemente denominado dominio de tetramerización PC (PT). [11] [12] A partir de las dos estructuras cristalinas más completas disponibles, se han visualizado una forma asimétrica y simétrica de la proteína. [13] El tetrámero de Staphylococcus aureus en complejo con el activador coenzima A es altamente simétrico, posee simetría 222 y ha sido confirmado mediante estudios crio-EM. [12] En contraste, el Rhizobium etli , tetrámero en complejo con etil-CoA, un análogo no hidrolizable de acetil-CoA , posee sólo una línea de simetría. [13]
La piruvato carboxilasa utiliza un cofactor de biotina unido covalentemente que se utiliza para catalizar la carboxilación dependiente de ATP de piruvato a oxaloacetato en dos pasos. La biotina es inicialmente carboxilada en el sitio activo BC por ATP y bicarbonato. Posteriormente, la carboxibiotina transfiere el grupo carboxilo a un segundo sitio activo en el dominio CT, donde el piruvato se carboxila para generar oxaloacetato. El dominio BCCP transfiere el cofactor vinculado entre los dos sitios activos remotos. El sitio de unión alostérico en PC ofrece un objetivo para modificadores de actividad que pueden ser útiles en el tratamiento de la obesidad o la diabetes tipo II, y los conocimientos mecanicistas obtenidos de la descripción estructural completa de RePC (R. etli) permiten investigaciones detalladas sobre el individuo. Sitios catalíticos y reguladores de la enzima. [13]
El mecanismo de reacción se puede subdividir en dos reacciones parciales (ver figura a la derecha). En la primera reacción, el ATP se carboxila para producir anhídrido fosfórico carbónico [ − O( − O)P(=O)O–C(=O)O − ] que a su vez carboxila un cofactor de biotina que está unido covalentemente a un residuo de lisina. del dominio BCCP. [8] El anhídrido fosfórico carbónico se descompone en dióxido de carbono y fosfato antes del ataque de la molécula de biotina unida a una enzima. En la mayoría de las especies, esta reacción requiere acetil-CoA como activador alostérico que se une al dominio PT. [12] En la segunda reacción, que ocurre en el dominio CT de un monómero adyacente, el dióxido de carbono se transfiere a la molécula aceptora, piruvato, para formar oxaloacetato. La reacción procede mediante la eliminación de un protón del piruvato, mediante un residuo del sitio activo aún no identificado, para generar un enolato intermedio. El intermediario enolato luego ataca al CO 2 liberado transitoriamente por la molécula de biotina unida a una enzima. Se libera el oxaloacetato resultante . La molécula de biotina es protonada por el residuo del sitio activo antes mencionado y liberada del sitio activo del dominio CT para ser recarboxilada. [12] [13] El principal regulador de la actividad enzimática, el acetil-CoA, estimula la escisión de ATP en la primera reacción parcial y también se ha demostrado que induce un cambio conformacional en la estructura tetramérica de la enzima. [9]
Durante la gluconeogénesis , la piruvato carboxilasa participa en la síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP) a partir de piruvato . El piruvato se convierte primero por la piruvato carboxilasa en oxaloacetato (OAA) en la mitocondria, lo que requiere la hidrólisis de una molécula de ATP . Luego, la OAA se descarboxila y simultáneamente se fosforila, lo que es catalizado por una de las dos isoformas de fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK), ya sea en el citosol o en las mitocondrias, para producir PEP. En condiciones gluconeogénicas ordinarias, la PEPCK mitocondrial convierte la OAA en PEP; Luego, la PEP resultante se transporta fuera de la matriz mitocondrial mediante un sistema transportador de aniones [14] y se convierte en glucosa mediante enzimas gluconeogénicas citosólicas. Sin embargo, durante la inanición, cuando la concentración de NADH citosólico es baja y los niveles de NADH mitocondrial son altos, se puede utilizar el oxaloacetato como lanzadera de equivalentes reductores. Como tal, la OAA se convierte en malato mediante la malato deshidrogenasa mitocondrial (MDH). Después de la exportación al citosol, el malato se convierte nuevamente en OAA, con la reducción concomitante de NAD + ; Posteriormente, la OAA se convierte en PEP, que está disponible para la gluconeogénesis en el citosol junto con el NADH equivalente reductor transportado. [1]
Niveles muy altos de actividad de PC, junto con altas actividades de otras enzimas gluconeogénicas, incluidas PEPCK , fructosa-1,6-bisfosfatasa y glucosa-6-fosfatasa en la corteza hepática y renal, sugieren que una función principal de la PC es participar en la gluconeogénesis en estos órganos. Durante el ayuno o la inanición, cuando se requiere glucosa endógena para ciertos tejidos (cerebro, glóbulos blancos y médula renal), se eleva la expresión de PC y otras enzimas gluconeogénicas. [15] En ratas y ratones, se ha demostrado que la alteración del estado nutricional afecta la actividad de la PC hepática. [16] El ayuno promueve la producción de glucosa hepática sostenida por un aumento del flujo de piruvato y aumentos en la actividad de PC y la concentración de proteínas; De manera similar, la diabetes aumenta la gluconeogénesis a través de una mayor absorción de sustrato y un mayor flujo a través de la PC hepática en ratones y ratas. [17] [18] De manera similar a otras enzimas gluconeogénicas, la PC está regulada positivamente por el glucagón y los glucocorticoides , mientras que está regulada negativamente por la insulina . [8] Para respaldar aún más el papel clave de la PC en la gluconeogénesis, en el ganado lechero, que tiene capacidad de absorción de hexosa en niveles nutricionales adecuados, la PC y la enzima gluconeogénica asociada PEPCK están marcadamente elevadas durante la transición a la lactancia en apoyo propuesto a la síntesis de lactosa para la leche. producción. [19]
Además del papel de la PC en la gluconeogénesis, la PC cumple una función anaplerótica (una reacción catalizada por enzimas que puede reponer el suministro de intermediarios en el ciclo del ácido cítrico) para el ciclo del ácido tricarboxílico (esencial para proporcionar oxalacetato), cuando los intermediarios se eliminan para diferentes fines biosintéticos.
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La piruvato carboxilasa está regulada alostéricamente por acetil-CoA , Mg - ATP y piruvato . [20]
Como cruce entre el metabolismo de los carbohidratos y los lípidos , se debe coordinar la expresión de la piruvato carboxilasa en los tejidos gluconeogénicos, los tejidos adiposos y los islotes pancreáticos. En condiciones de sobrenutrición, los niveles de PC aumentan en las células β pancreáticas para aumentar el ciclo del piruvato en respuesta a niveles crónicamente elevados de glucosa . [21] Por el contrario, los niveles de enzima PC en el hígado disminuyen con la insulina ; [22] durante los períodos de sobrenutrición, el tejido adipocitario se expande con una expresión extrema de PC y otras enzimas lipogénicas. [10] [23] El control hepático de los niveles de glucosa todavía está regulado en una situación de sobrenutrición, pero en la diabetes tipo 2 inducida por obesidad la regulación de los niveles periféricos de glucosa ya no está bajo la regulación de la insulina. En ratas diabéticas tipo 2 , la exposición crónica de las células β a la glucosa debido a la resistencia periférica a la insulina da como resultado una disminución de la actividad de la enzima PC y una disminución del ciclo del piruvato . [24] [25] La sobreproducción continua de glucosa por parte de los hepatocitos provoca una alteración dramática de la expresión genética en las células β con grandes aumentos en los genes normalmente suprimidos y disminuciones equivalentes en la expresión del ARNm de la insulina, las bombas de iones necesarias para la secreción de insulina y las funciones metabólicas. enzimas relacionadas con la secreción de insulina, incluida la piruvato carboxilasa. [26] [27] Al mismo tiempo, el tejido adiposo desarrolla resistencia a la insulina, lo que provoca la acumulación de triacilgliceroles y ácidos grasos no esterificados en la circulación; estos no solo perjudican aún más la función de las células β, [27] [28] sino que también disminuyen aún más la expresión de PC. [29] [30] Estos cambios resultan en la disminución del fenotipo de las células β en la diabetes descompensada.
Una deficiencia de piruvato carboxilasa puede causar acidosis láctica como resultado de la acumulación de lactato . [31] Normalmente, el exceso de piruvato se desvía hacia la gluconeogénesis mediante la conversión de piruvato en oxaloacetato , pero debido a la deficiencia de la enzima, el exceso de piruvato se convierte en lactato . Dado que una función clave de la gluconeogénesis es el mantenimiento del azúcar en sangre , la deficiencia de piruvato carboxilasa también puede provocar hipoglucemia .
