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 requerida ] del piruvato para formar oxaloacetato (OAA).
La reacción que cataliza es:
Es una reacción anaplerótica importante que crea oxaloacetato a partir de piruvato. La PC contiene un grupo prostético de biotina [1] y normalmente se localiza en las mitocondrias en eucariotas con excepciones en algunas especies de hongos como Aspergillus nidulans que tienen una PC citosólica. La PC requiere magnesio y zinc o manganeso para la catálisis. La PC de diferentes organismos exhibe diversos grados de activación por acetil-CoA , pero la PC de vertebrados normalmente lo requiere para su actividad. [6] [7] [8] [9]
La piruvato carboxilasa fue descubierta por primera vez en 1959 en la Universidad Case Western Reserve por MF Utter y DB Keech. [10] [11] Desde entonces se ha encontrado en una amplia variedad de procariotas y eucariotas, incluidos hongos, bacterias, plantas y animales. [12] 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 los islotes pancreáticos. El oxaloacetato producido por la PC es un intermediario importante, que se utiliza en estas vías biosintéticas. [13] En los mamíferos, la PC se expresa de manera específica de tejido, y su actividad es más alta 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 la glándula suprarrenal, y menos en los glóbulos blancos y los fibroblastos de la piel. [14]
Se han realizado estudios estructurales de PC mediante microscopía electrónica , mediante proteólisis limitada y mediante clonación y secuenciación de gases de genes y ADNc que codifican la enzima. La mayoría de las formas bien caracterizadas de PC activa consisten en cuatro subunidades idénticas dispuestas en una estructura similar a un tetraedro. Cada subunidad contiene una única fracción 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 transportador de carboxilo de biotina (BCCP) y el recientemente denominado dominio de tetramerización de PC (PT). [15] [16] A partir de las dos estructuras cristalinas más completas disponibles, se han visualizado una forma asimétrica y simétrica de la proteína. [17] El tetrámero de Staphylococcus aureus en complejo con el activador coenzima A es altamente simétrico, posee simetría 222 y ha sido confirmado por estudios crio-EM. [16] En contraste, el tetrámero de Rhizobium etli , en complejo con etil-CoA, un análogo no hidrolizable de acetil-CoA , posee solo una línea de simetría. [17]
La piruvato carboxilasa utiliza un cofactor de biotina unido covalentemente que se utiliza para catalizar la carboxilación dependiente de ATP del piruvato a oxaloacetato en dos pasos. La biotina se carboxila inicialmente en el sitio activo de BC por ATP y bicarbonato. El grupo carboxilo es posteriormente transferido por carboxibiotina a un segundo sitio activo en el dominio CT, donde el piruvato se carboxila para generar oxaloacetato. El dominio BCCP transfiere el cofactor unido 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 mecanísticos obtenidos a partir de la descripción estructural completa de RePC (R. etli) permiten investigaciones detalladas sobre los sitios catalíticos y reguladores individuales de la enzima. [17]
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 carbónico fosfórico [ − 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. [12] El anhídrido carbónico fosfórico se descompone en dióxido de carbono y fosfato antes del ataque de la molécula de biotina unida a la enzima. En la mayoría de las especies, esta reacción requiere acetil-CoA como un activador alostérico que se une al dominio PT. [16] 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 se lleva a cabo mediante la eliminación de un protón del piruvato, por un residuo de sitio activo aún no identificado, para generar un intermediario enolato . El intermediario enolato ataca entonces al CO2 liberado transitoriamente de la molécula de biotina unida a la enzima. El oxaloacetato resultante se libera. La molécula de biotina es protonada por el residuo de sitio activo antes mencionado y liberada del sitio activo del dominio CT para ser recarboxilada. [16] [17] El principal regulador de la actividad enzimática, el acetil-CoA, estimula la escisión del ATP en la primera reacción parcial y también se ha demostrado que induce un cambio conformacional en la estructura tetramérica de la enzima. [13]
Durante la gluconeogénesis , la piruvato carboxilasa participa en la síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP) a partir de piruvato . El piruvato carboxilasa convierte primero el piruvato en oxaloacetato (OAA) en la mitocondria, lo que requiere la hidrólisis de una molécula de ATP . Luego, el OAA se descarboxila y se fosforila simultáneamente, lo que es catalizado por una de las dos isoformas de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) ya sea en el citosol o en las mitocondrias para producir PEP. En condiciones gluconeogénicas ordinarias, el OAA se convierte en PEP por la PEPCK mitocondrial; el PEP resultante luego se transporta fuera de la matriz mitocondrial por un sistema transportador de aniones, [18] y se convierte en glucosa por enzimas gluconeogénicas citosólicas. Sin embargo, durante la inanición, cuando la concentración de NADH citosólico es baja y los niveles de NADH mitocondrial son altos, el oxaloacetato puede utilizarse como una lanzadera de equivalentes reductores. Como tal, el OAA se convierte en malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial (MDH). Después de la exportación al citosol, el malato se convierte nuevamente en OAA, con la reducción concomitante de NAD + ; el OAA se convierte posteriormente en PEP que está disponible para la gluconeogénesis en el citosol junto con el equivalente reductor NADH transportado. [1]
Niveles muy altos de actividad de PC, junto con altas actividades de otras enzimas gluconeogénicas incluyendo PEPCK , fructosa-1,6-bisfosfatasa y glucosa-6-fosfatasa en la corteza del hígado y riñón, sugieren que un papel primario de 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), la expresión de PC y otras enzimas gluconeogénicas se eleva. [19] En ratas y ratones, se ha demostrado que la alteración del estado nutricional afecta la actividad hepática de PC. [20] El ayuno promueve la producción hepática de glucosa sostenida por un mayor flujo de piruvato y aumenta la actividad de PC y la concentración de proteínas; la diabetes aumenta de manera similar la gluconeogénesis a través de una mayor absorción de sustrato y un mayor flujo a través de PC hepática en ratones y ratas. [21] [22] De manera similar a otras enzimas gluconeogénicas, PC está regulada positivamente por el glucagón y los glucocorticoides mientras que está regulada negativamente por la insulina . [12] 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 de nutrición adecuados, la PC y la enzima gluconeogénica asociada PEPCK se elevan notablemente durante la transición a la lactancia, lo que se propone como un apoyo a la síntesis de lactosa para la producción de leche. [23]
Además del papel del PC en la gluconeogénesis, el 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 oxaloacetato), cuando los intermediarios se eliminan para diferentes propósitos biosintéticos.
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La piruvato carboxilasa está regulada alostéricamente por acetil-CoA , Mg - ATP y piruvato . [24]
Como cruce de caminos entre el metabolismo de carbohidratos y lípidos , la expresión de piruvato carboxilasa en tejidos gluconeogénicos, tejidos adiposos e islotes pancreáticos debe estar coordinada. 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 . [25] En contraste, los niveles de enzima PC en el hígado disminuyen por la insulina ; [26] durante períodos de sobrenutrición, el tejido adipocítico se expande con expresión extrema de PC y otras enzimas lipogénicas. [14] [27] 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 . [28] [29] La sobreproducción continua de glucosa por los hepatocitos provoca una alteración drástica de la expresión génica en las células β con grandes aumentos en los genes normalmente suprimidos y disminuciones equivalentes en la expresión del ARNm para la insulina, las bombas de iones necesarias para la secreción de insulina y las enzimas metabólicas relacionadas con la secreción de insulina, incluida la piruvato carboxilasa. [30] [31] 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 deterioran aún más la función de las células β, [31] [32] sino que también disminuyen aún más la expresión de PC. [33] [34] Estos cambios dan como resultado 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 . [35] Normalmente, el exceso de piruvato se desvía hacia la gluconeogénesis a través de la conversión de piruvato en oxaloacetato , pero debido a la deficiencia de la enzima, el exceso de piruvato se convierte en lactato . Como un papel clave de la gluconeogénesis es el mantenimiento del azúcar en sangre , la deficiencia de piruvato carboxilasa también puede provocar hipoglucemia .
