ピルビン酸カルボキシラーゼの構造と作用機序

ピルビン酸カルボキシラーゼは、中間代謝において重要な役割を果たし、ピルビン酸およびHCO3-からのオキサロ酢酸の形成を触媒し、同時ATP切断で触媒します。したがって、脂肪酸、アミノ酸、神経伝達物質合成のための糖新生と補充トリカルボン酸サイクル中間体を補充するためのオキサロ酢酸を提供します。酵素は高度に保存されており、菌類、バクテリア、植物、より高い生物など、多種多様な生物に含まれています。これは、ビオチン依存性酵素のグループのメンバーであり、ビオチン補綴基は酵素のポリペプチド鎖に共有結合しており、通常、天然の四量体酵素に4つの鎖があります。ピルビン酸カルボキシラーゼによって触媒される全体的な反応には、活性部位内の空間的に分離されたサブサイトで発生する2つの部分反応が含まれ、共有結合したビオチンはモバイルカルボキシルグループキャリアとして機能します。最初の部分反応では、ビオチンは基質としてATPおよびHCO3-を使用してカルボキシル化され、2番目の部分反応では、カルボキシビオチンのカルボキシル基をピルビン酸に移します。部分的な反応の化学メカニズムと、反応の触媒における酵素のアミノ酸残基が果たす役割の一部は解明されています。酵母酵素のドメイン構造は、そのアミノ酸配列を類似の触媒機能を持つ酵素のアミノ酸配列と比較することにより推定されています。これまでに研究されていたピルビン酸カルボキシラーゼの第四紀構造はすべて、サブユニットの四面体のような配置を伴います。酵素活性の主要な調節因子であるアセチルCOAは、最初の部分反応でATPの切断を刺激し、さらに酵素の四量体構造に立体構造変化を誘導することが示されています。過去には、酵素に関する詳細な構造情報の欠如は、このおよび他のビオチン依存性酵素がどのように機能し、調節されているかを完全に理解するための努力を妨げてきました。さまざまなソースからの酵素の最近のクローニングと3次元構造研究のパフォーマンスにより、今後数年間、この酵素の作用メカニズムを理解することに大きな進歩が見られるはずです。

Pyruvate carboxylase plays an important role in intermediary metabolism, catalysing the formation of oxaloacetate from pyruvate and HCO3-, with concomitant ATP cleavage. It thus provides oxaloacetate for gluconeogenesis and replenishing tricarboxylic acid cycle intermediates for fatty acid, amino acid and neurotransmitter synthesis. The enzyme is highly conserved and is found in a great variety of organisms including fungi, bacteria and plants as well as higher organisms. It is a member of a group of biotin-dependent enzymes and the biotin prosthetic group is covalently bound to the polypeptide chain of the enzyme, there normally being four such chains in the native, tetrameric enzyme. The overall reaction catalysed by pyruvate carboxylase involves two partial reactions that occur at spatially separate subsites within the active site, with the covalently bound biotin acting as a mobile carboxyl group carrier. In the first partial reaction, biotin is carboxylated using ATP and HCO3- as substrates whilst in the second partial reaction, the carboxyl group from carboxybiotin is transferred to pyruvate. The chemical mechanisms of the partial reactions and some of the roles played by amino acid residues of the enzyme in catalysing the reaction have been elucidated. The domain structure of the yeast enzyme has been deduced by comparing its amino acid sequence with those of enzymes that have similar catalytic functions. The quaternary structures of the pyruvate carboxylases studied so far, all involve a tetrahedron-like arrangement of the subunits. The major regulator of enzyme activity, acetyl CoA, stimulates the cleavage of ATP in the first partial reaction and in addition it has been shown to induce a conformational change in the tetrameric structure of the enzyme. In the past, the lack of any detailed structural information on the enzyme has hampered efforts to fully understand how this and other biotin-dependent enzymes function and are regulated. With the recent cloning of the enzyme from a variety of sources and the performance of three-dimensional structural studies, the next few years should see much progress in our understanding the mechanism of action of this enzyme.