Piruvato, fosfato dicinasa

La piruvato, fosfato dicinasa o PPDK ( EC 2.7.9.1 ) es una enzima de la familia de las transferasas que cataliza la reacción química

ATP + piruvato + fosfato${\displaystyle \rightleftharpoons }$AMP + fosfoenolpiruvato + difosfato

Esta enzima se ha estudiado principalmente en plantas, pero también en algunas bacterias. ^{[ 1 ]} Es una enzima clave en la gluconeogénesis y la fotosíntesis, responsable de revertir la reacción realizada por la piruvato quinasa en la glucólisis de Embden-Meyerhof-Parnas. No debe confundirse con la piruvato, agua diquinasa .

Pertenece a la familia de las transferasas , específicamente, a aquellas que transfieren grupos que contienen fósforo ( fosfotransferasas ) con aceptores apareados ( dicinasas ). Esta enzima participa en el metabolismo del piruvato y la fijación de carbono .

El nombre sistemático de esta clase de enzimas es ATP:piruvato, fosfato fosfotransferasa. Otros nombres de uso común incluyen piruvato, ortofosfato dicinasa, piruvato-fosfato dicinasa (fosforilante), piruvato fosfato dicinasa, piruvato-fosfato inorgánico dicinasa, piruvato-fosfato dicinasa, piruvato-fosfato ligasa, pirúvico-fosfato dicinasa, piruvato, Pi dicinasa y PPDK.

La PPDK cataliza la conversión de piruvato a fosfoenolpiruvato (PEP), consumiendo 1 molécula de ATP y produciendo una molécula de AMP en el proceso. El mecanismo consta de 3 reacciones reversibles: ^{[ 2 ]}

1. La enzima PPDK se une al ATP para producir AMP y una PPDK difosforilada .
2. La PPDK difosforilada se une al fosfato inorgánico , produciendo difosfato y PPDK (mono)fosforilada.
3. La PPDK fosforilada se une al piruvato, produciendo fosfoenolpiruvato y regenerando la PPDK.

La reacción es similar a la catalizada por la piruvato quinasa , que también convierte el piruvato en PEP. ^{[ 3 ]} Sin embargo, la piruvato quinasa cataliza una reacción irreversible y no consume ATP. Por el contrario, la PPDK cataliza una reacción reversible y consume 1 molécula de ATP por cada molécula de piruvato convertida.

Actualmente, se desconocen los detalles de cada paso mecanístico ^{[ 3 ].}

En su forma activa, PPDK es un homotetrámero con subunidades de aproximadamente 95 kDa ^{[ 4 ].}

Hay dos centros de reacción diferentes separados por unos 45 Angstroms , en los que se unen diferentes sustratos . ^{[ 5 ]} El sitio de unión del nucleótido (ATP) está en el extremo N , tiene 240 aminoácidos y un agarre de ATP característico . El sitio de unión del piruvato/PEP está en el extremo C , tiene 340 aminoácidos y un plegamiento de barril α/β. También hay un dominio central, que contiene His 455, el residuo principal responsable de la catálisis. His455 es el residuo aceptor o donador de fosforilo. ^{[ 3 ]} La estructura de la enzima sugiere que el brazo de His455 experimenta un movimiento de giro para transportar un grupo fosforilo entre los dos centros de reacción. ^{[ 6 ]} Durante este giro, el dominio central rota al menos 92 grados y se traslada 0,5 Angstroms. ^{[ 7 ]}

Los estudios de las estructuras cristalinas de PPDK muestran que el dominio central se encuentra a diferente proximidad de los otros dos dominios dependiendo del origen de la enzima. ^{[ 7 ]} En el maíz , está más cerca del extremo C-terminal, mientras que en Clostridium symbiosum , está más cerca del extremo N-terminal.

Las investigaciones han demostrado que los mecanismos de unión de PPDK son similares a los de la ligasa D-Ala-D-Ala y la piruvato quinasa . ^{[ 5 ]} En particular, PPDK es muy similar a la piruvato quinasa, que también cataliza la conversión de piruvato a fosfoenolpiruvato; sin embargo, lo hace sin un intermediario de enzima fosforilada. ^{[ 3 ]} Aunque sus secuencias de aminoácidos son diferentes, los residuos clave para la catálisis se conservan en ambas enzimas. Los experimentos de mutagénesis puntual han demostrado que los residuos catalíticos incluyen Arg 561, Arg 617, Glu 745, Asn 768 y Cys 831 (numeración relativa a la proteína C, symbiosum , PDB : 1KBL , 1KC7 ) . ^{[ 3 ]}

La PPDK se utiliza en la vía C4 para mejorar la eficiencia de la fijación de dióxido de carbono . ^{[ 8 ]} En ambientes con mucha luz, la tasa de fotosíntesis en las plantas está limitada por la tasa de absorción de dióxido de carbono (CO₂ ₎ . Esto se puede mejorar mediante una serie de reacciones químicas que transportan el CO₂ _desde las células del mesófilo (ubicadas en la superficie externa de la hoja) hasta las células de la vaina vascular (ubicadas en el interior de la hoja). La PPDK convierte el piruvato en PEP, que reacciona con el CO₂ _para producir oxalacetato . Cuando se libera CO₂ _en las células de la vaina vascular, se regenera el piruvato y el ciclo continúa. ^{[ 8 ]}

Aunque la reacción catalizada por PPDK es reversible, el PEP se favorece como producto en condiciones biológicas. Esto se debe al pH básico del estroma , donde ocurre la reacción, así como a las altas concentraciones de adenilato quinasa y pirofosfatasa . Dado que estas dos enzimas catalizan reacciones exergónicas que involucran AMP y difosfato, respectivamente, impulsan la reacción catalizada por PPDK. ^{[ 9 ]} Debido a que PPDK consume ATP, la vía C4 es desfavorable para las plantas en ambientes con poco acceso a la luz, ya que no pueden producir grandes cantidades de ATP. ^{[ 8 ]}

La PPDK es muy abundante en las hojas de plantas C4, constituyendo hasta el 10% de la proteína total . ^{[ 10 ]} Las investigaciones han demostrado que la enzima es aproximadamente un 96% idéntica en diferentes especies de plantas. Los experimentos de hibridación revelaron que las diferencias genéticas se correlacionan con el grado en que las plantas realizan la vía C4; las secuencias poco comunes existen en plantas que también muestran características C3. ^{[ 11 ]} La PPDK también se encuentra en pequeñas cantidades en plantas C3. La historia evolutiva sugiere que alguna vez tuvo un papel en la glucólisis, como la piruvato quinasa similar , y finalmente evolucionó hacia la vía C4. ^{[ 10 ]}

Además de en plantas, la PPDK también se encuentra en la ameba parásita Entamoeba histolytica ( P37213 ) y en la bacteria Clostridium symbiosum ( P22983 ; así como en otras bacterias). ^{[ 12 ]} En estos dos organismos, la PPDK funciona de manera similar a la piruvato quinasa (y a veces en su lugar), catalizando la reacción en la dirección de producción de ATP como parte de la glucólisis. Se han propuesto inhibidores de la PPDK de Entamoeba como amebicidas contra este organismo. ^{[ 13 ]}

La PPDK vegetal está regulada por la proteína reguladora de la piruvato, fosfato dicinasa (PDRP). ^{[ 4 ]} Cuando los niveles de luz son altos, la PDRP desfosforila la treonina 456 de la PPDK utilizando AMP , activando así la enzima. ^{[ 10 ]} La PDRP desactiva la PPDK fosforilando el mismo residuo de treonina , utilizando difosfato . La PDRP es un regulador único porque cataliza tanto la activación como la desactivación de la PPDK, a través de dos mecanismos diferentes. ^{[ 10 ]}

Las investigaciones sobre la PPDK del maíz sugieren que los intrones , las secuencias terminadoras y quizás otras secuencias potenciadoras actúan de forma cooperativa para aumentar el nivel de ARNm funcional y estable . El ADNc de PPDK se expresó solo ligeramente en el arroz transgénico , en comparación con el ADN intacto, que mostró una expresión significativa. ^{[ 14 ]}

A principios de 2018, se habían resuelto 14 estructuras para esta clase de enzimas, con los códigos de acceso PDB PDB : 1DIK ​,PDB : 1GGO ​,PDB : 1H6Z ​,PDB : 1JDE ​,PDB : 1KBL ​,PDB : 1KC7 ​,PDB : 1VBG ​,PDB : 1VBH ​,PDB : 2DIK ​,PDB : 2FM4 ​,PDB : 5JVJ ​,PDB : 5JVL ​,PDB : 5JVN ​,PDB : 5LU4 ​.