Fosforibulokináza - Phosphoribulokinase

fosforibulokináza
MhPRK krystalová struktura.jpg
3D kreslené zobrazení protomeru fosforibulokinázy z Methanospirillum hungatei
Identifikátory
EC číslo2.7.1.19
Číslo CAS9030-60-8
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Fosforibulokináza (PRK) (ES 2.7.1.19 ) je zásadní fotosyntetický enzym že katalyzuje the ATP -závislý fosforylace z ribulosa 5-fosfát (RuP) do ribulóza 1,5-bisfosfát (RuBP), oba meziprodukty v Calvinův cyklus. Jeho hlavní funkcí je regenerace RuBP, což je počáteční Podklad a CO2-akceptorová molekula Calvinova cyklu.[1] PRK patří do rodiny enzymy transferázy, konkrétně ty, které přenášejí skupiny obsahující fosfor (fosfotransferázy ) příjemci alkoholové skupiny. Spolu s ribulóza 1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza (RuBisCo), fosforibulokináza je pro Calvinův cyklus jedinečná.[2] Proto aktivita PRK často určuje rychlost metabolismu v organismech, pro které uhlíková fixace je klíčem k přežití.[3] Mnoho počátečních prací na PRK bylo provedeno s špenát listové výtažky v 50. letech; následné studie PRK u jiných fotosyntetik prokaryotický a eukaryotický organismy následovaly. Možnost, že by mohla existovat PRK, byla poprvé uznána Weissbachem a kol. v roce 1954; například si to skupina všimla oxid uhličitý fixace v extraktech surového špenátu byla vylepšena přidáním ATP.[3][4] První čištění PRK provedli Hurwitz a kolegové v roce 1956.[5][6][7]

ATP + Mg2+ - 5-fosfát D-ribulózy  ADP + 1,5-bisfosfát D-ribulózy
Schéma reakce pro regeneraci 1,5-bisfosfátu ribulózy z 5-fosfátu ribulózy fosforibulokinázou[1]

Dva substráty PRK jsou ATP a D-ribulóza 5-fosfát, zatímco jeho dva produkty jsou ADP a D-ribulóza 1,5-bisfosfát. Aktivita PRK vyžaduje přítomnost a dvojmocný kov kation jako Mg2+, jak je uvedeno v reakci výše.[3]

Struktura

Struktura PRK se liší u prokaryot a eukaryot. Prokaryotické PRK obvykle existují jako oktamery 32 kDa podjednotky, zatímco eukaryotické PRK jsou často dimery 40 kDa podjednotek.[8][9] Strukturální stanovení eukaryotické PRK je ještě třeba provést, ale prokaryotické struktury PRK jsou stále užitečné pro racionalizaci regulace a mechanismu PRK. Jak 2018, pouze dvě krystalové struktury byly vyřešeny pro tuto třídu enzymů v Rhodobacter sphaeroides a Methanospirillum hungatei, s příslušnými PDB přístupové kódy 1A7J a 5B3F.

Klíčové zbytky, které interagují s RuP (označené modře) nebo s hydroxylovou skupinou v RuP (červená) v aktivním místě R. sphaeroides PRK. Generováno z 1A7J. Kliknutím zobrazíte zvětšené.

Rhodobacter sphaeroides

v Rhodobacter sphaeroides, PRK (nebo RsPRK) existuje jako homooctomer s protomery složený ze sedmi pramenů smíšené β-listy, sedm α-šroubovice a pomocný pár antiparalelních β-řetězce.[10] Podjednotka RsPRK vykazuje a skládání bílkovin obdobně jako skládání nukleotidmonofosfátové (NMP) kinázy.[3] Studie mutageneze navrhni to buď Asp 42 nebo Asp 169 působí jako katalytické základna že deprotonuje O1 hydroxyl kyslík na RuP pro nukleofilní útok ATP, zatímco druhý jedná a ligand pro kovový kation jako Mg2+ (podrobnosti si přečtěte níže).[10] jiný zbytky přítomný na Aktivní stránky pro RsPRK zahrnují Jeho 45, Arg 49, Arg 168 a Arg 173, které jsou údajně zapojeny do vazby RuP.[10] (Viz obrázek vpravo).

Methanospirillum hungatei

v archaeal PRK Methanospirillum hungatei, PRK (nebo MhPRK) existuje jako homodimer ze dvou protomery, z nichž každá se skládá z osmiřetězcových smíšených β-listů obklopených α-šroubovicemi a β-vlákny - podobná struktuře bakteriální PRK z R. sphaeroides (viz informační pole výše).[11] Ačkoli jejich kvartérní struktury se liší a mají nízké identita aminokyselinové sekvence, MhPRK a RsPRK mají strukturně podobné N-koncové domény stejně jako postupně konzervované zbytky jako His 55, Lys 151 a Arg 154.[11]

Mechanismus a činnost

PRK katalyzuje fosforylaci RuP na RuBP. Katalytický zbytek v enzymu (tj. Aspartát v RsPRK) deprotonuje hydroxylový kyslík O1 na RuP a aktivuje to pro nukleofilní útok y-fosforylová skupina ATP.[10] Když se γ-fosforylová skupina přenáší z ATP na RuP, je stereochemie inverze.[12] K umožnění takové inverze nesmí katalytický mechanismus PRK zahrnovat fosforyl-enzym středně pokročilí.[12]

Některé studie naznačují, že oba substráty (ATP a RuP) se vážou současně na PRK a tvoří a ternární komplex. Jiní naznačují, že přidání substrátu je postupné; konkrétní pořadí přidávání substrátů je stále sporné a může se ve skutečnosti u různých organismů lišit.[13][14] Kromě vazby na své substráty vyžaduje PRK také ligace na dvojmocné kovové kationty jako Mg2+ nebo Mn2+ pro činnost; Hg2+ Bylo prokázáno, že inaktivuje enzym.[3][15]

Specifičnost enzymu

PRK je vysoká specifičnost pro 5-fosfát ribulózy. Nepůsobí na žádný z následujících substrátů: D-xylulóza 5-fosfát, fruktóza 6-fosfát, a sedoheptulosa 7-fosfát.[15] Avšak na vysoké koncentrace, PRK může někdy fosforylovat ribóza-5-fosfát, sloučenina proti proudu Krok regenerace RuBP v Calvinově cyklu.[15] Kromě toho PRK izolován z Alcaligenes eutrophus bylo prokázáno, že používá uridin trifosfát (UTP) a guanosin trifosfát (GTP) jako alternativní substráty k ATP.[8][3]

účinky pH

Fosforylační reakce probíhá s maximem rychlost na pH 7,9, bez detekovatelné aktivity při pH pod 5,5 nebo nad 9,0.[15]

Nařízení

The mechanismy kterými jsou prokaryotické a eukaryotické PRK regulované lišit se. Prokaryotické PRK obvykle podléhají alosterická regulace zatímco eukaryotické PRK jsou často regulovány reverzibilní thiol /disulfid výměna.[16] Tyto rozdíly jsou pravděpodobně způsobeny strukturálními rozdíly v jejich C-terminální domény[11]

Alosterická regulace prokaryotické PRK

NADH je známo, že stimuluje aktivitu PRK, zatímco AMP a fosfoenolpyruvát (PEP) je známo, že inhibují aktivitu.[3] Ukázalo se, že AMP je zapojen do kompetitivní inhibice v Thiobacillus ferrooxidans PRK.[17] Na druhou stranu PEP funguje jako a nekompetitivní inhibitor PRK.[18]

Regulace eukaryotické PRK

Eukaryotická PRK je obvykle regulována reverzibilní oxidace / redukce jeho cystein sulfhydryl skupiny, ale studie naznačují, že jeho činnost může být regulována jinými bílkoviny nebo metabolity v chloroplast. Z těchto metabolitů 6-fosfoglukonát Ukázalo se, že je nejúčinnějším inhibitorem eukaryotické PRK tím, že soutěží s RuP o aktivní místo enzymu.[19] Tento jev může vzniknout z podobnosti v molekulární struktura mezi 6-fosfoglukonátem a RuP.

Novější práce na regulaci eukaryotické PRK se zaměřily na její schopnost formovat se multienzymové komplexy s jinými enzymy Calvinova cyklu, jako je glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza (G3PDH) nebo RuBisCo.[20] v Chlamydomonas reinhardtii, chloroplast PRK a G3PDH existují jako bi-enzymový komplex 2 molekul dimerní PRK a 2 molekul tetramerní G3PDH důkladná asociace se zbytkem Arg 64, který může také potenciálně přenášet informace mezi těmito dvěma enzymy.[21]

Komplexy s více enzymy pravděpodobně budou mít složitější regulační mechanismy a studie již takové procesy zkoumaly. Například se ukázalo, že komplexy PRK-glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázy v Scenedesmus obliquus pouze disociují, aby uvolnily aktivované formy svých základních enzymů v přítomnosti NADPH, dithiothreitol (DTT), a thioredoxin.[22] Dalším zajímavým tématem bylo srovnání relativních úrovní aktivity PRK pro případy, kdy je komplexována, pro případy, kdy tomu tak není. U různých fotosyntetických eukaryot může být enzymatická aktivita komplexované PRK zvýšena na rozdíl od volné PRK a naopak.[23][24]

Ostatní jména

The systematické jméno z této třídy enzymů je ATP: D-ribulóza-5-fosfát 1-fosfotransferáza. Mezi další běžně používaná jména patří fosfopentokináza, ribulóza-5-fosfátkináza, fosfopentokináza, fosforibulokináza (fosforylace), 5-fosforibulóza kináza, ribulosa fosfát kináza, PKK, PRuK a PRK.

Reference

  1. ^ A b 1958-, Berg, Jeremy M. (Jeremy Mark) (08.04.2015). Biochemie. Tymoczko, John L., 1948-, Gatto, Gregory J., Jr. (Gregory Joseph), Stryer, Lubert. (Osmá ed.). New York. ISBN  978-1464126109. OCLC  913469736.CS1 maint: číselné názvy: seznam autorů (odkaz)
  2. ^ Marsden WJ (16. září 1983). "Čištění a molekulární a katalytické vlastnosti fosforibulokinázy z Cyanobacterium Chlorogloeopsis fritschii". Journal of General Microbiology. 130 (4): 999–1006. doi:10.1099/00221287-130-4-999.
  3. ^ A b C d E F G Miziorko HM (2000). „Phosphoribulokinase: Current Perspectives on the Structure / Function Basis for Regulation and Catalysis“. V Purich DL (ed.). Pokroky v enzymologii a souvisejících oblastech molekulární biologie. Pokroky v enzymologii - a související oblasti molekulární biologie. 74. John Wiley & Sons, Inc., str. 95–127. doi:10.1002 / 9780470123201.ch3. ISBN  9780470123201. PMID  10800594.
  4. ^ Weissbach A, Smyrniotis PZ, Horecker BL (červenec 1954). "Fosfát pentózy a CO2 s extrakty ze špenátu". Journal of the American Chemical Society. 76 (13): 3611–3612. doi:10.1021 / ja01642a090.
  5. ^ Hurwitz J, Weissbach A, Horecker BL, Smyrniotis PZ (únor 1956). "Špenátová fosforibulokináza". The Journal of Biological Chemistry. 218 (2): 769–83. PMID  13295229.
  6. ^ Racker E (červenec 1957). „Cyklus reduktivní pentóza-fosfát. I. Fosforibulokináza a ribulosa difosfátkarboxyláza“. Archivy biochemie a biofyziky. 69: 300–10. doi:10.1016/0003-9861(57)90496-4. PMID  13445203.
  7. ^ Jakoby WB, Brummond DO, Ochoa S (únor 1956). "Tvorba 3-fosfoglycerové kyseliny fixací oxidu uhličitého pomocí enzymů listového špenátu". The Journal of Biological Chemistry. 218 (2): 811–22. PMID  13295232.
  8. ^ A b Siebert K, Schobert P, Bowien B (březen 1981). "Čištění, některé katalytické a molekulární vlastnosti fosforibulokinázy z Alcaligenes eutrophus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymologie. 658 (1): 35–44. doi:10.1016/0005-2744(81)90247-3. PMID  6260209.
  9. ^ B. Buchanan, Bob (28. 11. 2003). „Role světla v regulaci enzymů chloroplastů“. Annu. Rev. Plant Physiol. 31: 341–374. doi:10.1146 / annurev.pp.31.060180.002013.
  10. ^ A b C d Harrison DH, Runquist JA, Holub A, Miziorko HM (duben 1998). „Krystalová struktura fosforibulokinázy z Rhodobacter sphaeroides odhaluje záhyb podobný adenylát kináze“. Biochemie. 37 (15): 5074–85. doi:10.1021 / bi972805y. PMID  9548738.
  11. ^ A b C Kono T, Mehrotra S, Endo C, Kizu N, Matusda M, Kimura H, Mizohata E, Inoue T, Hasunuma T, Yokota A, Matsumura H, Ashida H (leden 2017). „Metabolická dráha uhlíku zprostředkovaná RuBisCO v methanogenní archě“. Příroda komunikace. 8: 14007. Bibcode:2017NatCo ... 814007K. doi:10.1038 / ncomms14007. PMC  5241800. PMID  28082747.
  12. ^ A b Miziorko HM, Eckstein F (listopad 1984). „Stereochemický průběh reakce katalyzované ribulóza-5-fosfátkinázou“. The Journal of Biological Chemistry. 259 (21): 13037–40. PMID  6490643.
  13. ^ Lebreton S, Gontero B, Avilan L, Ricard J (prosinec 1997). „Přenos informací v multienzymových komplexech - 1. Termodynamika konformačních omezení a paměťové účinky v komplexu bienzymu glyceraldehyd-3-fosfát-dehydrogenáza-fosforibulokináza chloroplastů Chlamydomonas reinhardtii“. European Journal of Biochemistry. 250 (2): 286–95. doi:10.1111 / j.1432-1033.1997.0286a.x. PMID  9428675.
  14. ^ Wadano A, Nishikawa K, Hirahashi T, Satoh R, Iwaki T (1998-04-01). „Reakční mechanismus fosforibulokinázy z sinice, Synechococcus PCC7942“. Fotosyntetický výzkum. 56 (1): 27–33. doi:10.1023 / A: 1005979801741. S2CID  21409736.
  15. ^ A b C d Hurwitz J (1962). [28c] Fosforibulokináza. Metody v enzymologii. 5. str. 258–261. doi:10.1016 / s0076-6879 (62) 05214-3. ISBN  9780121818050.
  16. ^ Tabita FR (září 1980). "Kontrola pyridinového nukleotidu a podjednotková struktura fosforibulokinázy z fotosyntetických bakterií". Journal of Bacteriology. 143 (3): 1275–80. doi:10.1128 / JB.143.3.1275-1280.1980. PMC  294495. PMID  6251028.
  17. ^ Gale NL, Beck JV (září 1966). "Konkurenční inhibice fosforibulokinázy pomocí AMP". Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 24 (5): 792–6. doi:10.1016 / 0006-291X (66) 90396-2. PMID  5970515.
  18. ^ Ballard RW, MacElroy RD (srpen 1971). „Fosfoenolpyruvát, nový inhibitor fosforibulokinázy u pseudomonas facilis“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 44 (3): 614–8. doi:10.1016 / s0006-291x (71) 80127-4. PMID  4330777.
  19. ^ Gardemann, A .; Stitt, M ​​.; Heldt, H.W. (1983-01-13). "Kontrola fixace CO2. Regulace špenátové ribulóza-5-fosfátkinázy hladinami stromálních metabolitů". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 722 (1): 51–60. doi:10.1016/0005-2728(83)90156-1.
  20. ^ Müller, Bruno (01. 08. 1972). „Labilní enzymový komplex vázající CO2 ve špenátových chloroplastech“. Zeitschrift für Naturforschung B. 27 (8): 925–932. doi:10.1515 / znb-1972-0814.
  21. ^ Avilan L, Gontero B, Lebreton S, Ricard J (prosinec 1997). „Přenos informací v multienzymových komplexech - 2. Úloha Arg64 fosforibulokinázy Chlamydomonas reinhardtii v přenosu informací mezi glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázou a fosforibulokinázou“. European Journal of Biochemistry. 250 (2): 296–302. doi:10.1111 / j.1432-1033.1997.0296a.x. PMID  9428676.
  22. ^ Nicholson S, Easterby JS, Powls R (leden 1987). „Vlastnosti multimerního proteinového komplexu z chloroplastů, které mají potenciální aktivity NADPH-dependentní glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázy a fosforibulokinázy“. European Journal of Biochemistry. 162 (2): 423–31. doi:10.1111 / j.1432-1033.1987.tb10619.x. PMID  3026812.
  23. ^ Rault M, Gontero B, Ricard J (květen 1991). „Thioredoxinová aktivace fosforibulokinázy v komplexu chloroplastů s více enzymy“. European Journal of Biochemistry. 197 (3): 791–7. doi:10.1111 / j.1432-1033.1991.tb15973.x. PMID  1851485.
  24. ^ Gontero B, Mulliert G, Rault M, Giudici-Orticoni MT, Ricard J (listopad 1993). "Strukturální a funkční vlastnosti komplexu multienzymů ze špenátových chloroplastů. 2. Modulace kinetických vlastností enzymů v agregovaném stavu". European Journal of Biochemistry. 217 (3): 1075–82. doi:10.1111 / j.1432-1033.1993.tb18339.x. PMID  8223631.