Pyruvat-Carboxylase

Die Pyruvat-Carboxylase [EC 6.4.1.1] ist ein biotinhaltiges Enzym, das zu der Gruppe der Ligasen zählt und sowohl in tierischen als auch in pflanzlichen Lebewesen vorkommt. Es katalysiert Mangan- oder Zink-abhängig die irreversible Addition von CO₂ an Pyruvat nach der Formel Pyruvat + CO₂ + ATP + H₂0 Oxalacetat+ADP+P_i. Diese Reaktion stellt den ersten Schritt der Gluconeogenese dar, und dient zudem als anaplerotische Reaktion für den Citratzyklus (dessen erster Schritt eine Addition der Acetyl-Gruppe von Acetyl-CoA an Oxalacetat ist, das zwar beim kompletten Durchlauf des Zyklus wieder regeneriert wird, wobei jedoch durch das Verschieben von Metaboliten des Citratzyklus in andere Stoffwechselwege ein ständiger Verlust an Oxalacetat auftritt, der kompensiert werden muss).

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Das Enzym ist in den Mitochondrien lokalisiert und wird über die Konzentration an Acetyl-CoA allosterisch reguliert. Die Enzymfunktion ist entscheidend abhängig von dieser Regulation, sodass in Abwesenheit von Acetyl-CoA praktisch keine Aktivität feststellbar ist.

Struktur

In der hauptsächlich aktiven Form liegt das Enzym als (Hetero-)Tetramer vor, das mit den Dimeren und Monomeren im Bildungsgleichgewicht steht. Der tetramere Zustand ist jedoch nicht notwendig für die grundsätzliche Enzymfunktion, sodass auch die Di- und Monomere eine Aktivität besitzen. Das Molmasse der einzelnen Monomere beträgt 130 kDa.

Die funktional interessantesten Abschnitte das Proteins sind die N- und C-terminalen Endstücke. Die ersten 300 bis 350 N-terminalen Aminosäuren bilden eine ATP-Bindungs-Domäne (ATP-grasp domain) und die äußersten 80 C-terminalen Aminosäuren die Biotin-Bindungsdomäne, in der das Biotin über eine Amidbindung mit der ε-Aminogruppe eines Lysins kovalent verbunden ist.

Reaktionsmechanismus

Der genaue Reaktionsmechanismus der Pyruvat-Carboxylase umfasst drei Schritte:

1) Aktivierung des CO₂ (das in wässriger Lösung als Hydrogencarbonat-Anion HCO₃^- vorliegt) zu Carboxyphosphat :
HCO₃^- + ATP HOCO₂-PO₃^2- + ADP

2) Anlagerung des Carboxyphosphats an das Biotin (N1-Atom) :
Enzym-Biotin + HOCO₂-PO₃^2- Enzym-Biotin-CO₂ + P_i + H₂O

3) Übertragung der aktivierten Carboxylgruppe auf das Pyruvat :
Enzym-Biotin-CO₂ + Pyruvat Enzym-Biotin + Oxalacetat

Durch die Verwendung von Biotin als Coenzym ist die Pyruvat-Carboxylase wie jedes andere Biotin-abhängige Enzym auch anfällig für eine Hemmung durch Avidin, da dieses das Biotin als einen Avidin-(Biotin)₄ - Komplex irreversibel bindet.

Literatur

• Stryer et.al.: Biochemie. 5. Auflage Spektrum Akademischer Verlag, 2003
• Fallert-Müller et.al.: Lexikon der Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag, 2000