포스포엔올피루브산 카복시키네이스

3. 구조

사람에게는 포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK)의 두 가지 동질효소가 존재하는데, 하나는 세포질 형태(PCK1, Swiss-Prot|스위스프롯^영어 P35558)이고 다른 하나는 미토콘드리아 형태(PCK2, Swiss-Prot|스위스프롯^영어 Q16822)이다. 이 두 동질효소는 63.4%의 서열 상동성을 갖는다.^{[51][52][53][54][55]} 세포질 형태는 포도당신생합성에서 중요한 역할을 한다.

X선 결정 연구를 통해 PEPCK의 구조와 활성 메커니즘에 대한 정보가 밝혀졌다.^[57] 닭의 간에서 추출한 PEPCK의 미토콘드리아 동형체는 Mn²⁺, Mn²⁺-포스포엔올피루브산(PEP), Mn²⁺-GDP와 복합체를 형성하여 효소의 구조와 반응 촉매 방식에 대한 정보를 제공한다.^[57] 델바에르(Delbaere) 등은 2004년에 대장균의 PEPCK를 분석하여 활성 부위가 C-말단 도메인과 N-말단 도메인 사이에 위치하며, 이 도메인들의 회전에 따라 활성 부위가 닫히는 것을 관찰했다.^[58]

PEPCK 작용 동안 포스포릴기가 전달되는데, 이는 ATP가 PEPCK에 결합될 때 포스포릴기의 겹침형 입체형태에 의해 촉진될 수 있다.^[58] 겹침형 입체형태는 높은 에너지를 가지기 때문에 포스포릴기의 전이는 활성화 에너지를 감소시켜 작용기가 더 쉽게 전이될 수 있게 한다. 이러한 전이는 S_N2 변위와 유사한 메커니즘을 통해 일어난다.^[58]

PEPCK 유전자 전사는 많은 종에서 일어나며, PEPCK의 아미노산 서열은 각 종마다 다르다. 예를 들어, 인간, 대장균, 기생충 크루즈 트리파노소마에서는 그 구조와 특이성이 다르다.^[12]

4. 메커니즘

포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK)는 옥살로아세트산을 포스포엔올피루브산과 이산화 탄소로 전환하는 반응을 촉매한다.

해당과정과 시트르산 회로의 접점에서 작용하며 C₄ 분자의 탈카복실화를 일으켜 C₃ 분자를 생성한다. 포도당신생합성의 첫 번째 개입단계로, GTP 존재 하에 옥살로아세트산을 탈카복실화 및 인산화하여 포스포엔올피루브산으로 전환시키며, 이 과정에서 GDP가 생성된다. 고초균(''Bacillus subtilis'')의 돌연변이 연구에서, 피루브산 키네이스가 유전자 녹아웃되면 PEPCK가 보충대사 반응에 참여하여 포스포엔올피루브산을 옥살로아세트산으로 전환하는 역반응을 촉매할 수 있음이 밝혀졌다.^[60] 그러나 이 반응은 반응속도론적으로 매우 불리하여 돌연변이체가 매우 느린 속도로 성장하거나 전혀 성장하지 않는다.^[60]

Delbaere 등(2004)은 ''대장균''(E. coli)에서 PEPCK를 분석했으며, 활성 부위가 C-말단 도메인과 N-말단 도메인 사이에 위치한다는 것을 발견했다. 활성 부위는 이러한 도메인의 회전에 따라 닫히는 것으로 관찰되었다.^[11]

PEPCK 작용 중 인산기가 전달되는데, 이는 ATP가 PEPCK에 결합될 때 인산기의 가려진 형태에 의해 촉진될 가능성이 높다.^[11] 가려진 형태는 에너지가 높은 형태이므로, 인산기 전달은 활성화 에너지가 감소하여, 해당 기가 더 쉽게 전달된다는 의미이다. 이러한 전달은 SN2 반응 치환과 유사한 메커니즘을 통해 일어날 가능성이 높다.^[11]

5. 기능

포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK)는 포도당신생합성 과정에서 중요한 역할을 한다. 포도당신생합성은 세포가 대사 전구체로부터 포도당을 합성하는 과정으로, PEPCK는 이 과정의 속도 조절 단계에 관여한다.^[50]
동물동물에서 PEPCK의 활성은 혈당 조절에 큰 영향을 미친다. PEPCK 유전자 발현이 과도하면 제2형 당뇨병과 유사한 증상이 나타날 수 있다.^[50] PEPCK-C는 코르티솔과 글루카곤이라는 두 호르몬에 의해 조절된다. 글루카곤은 간에서 cAMP 수준을 높여 PEPCK-C 발현을 간접적으로 증가시키며, 코르티솔은 당질 코르티코이드 수용체(GR)와 결합하여 핵으로 이동한 후 PEPCK-C 합성을 증가시킨다. 코르티솔과 글루카곤은 함께 작용하여 PEPCK-C 유전자 활성을 더욱 증폭시킨다.^[50] PEPCK-C는 주로 간, 콩팥, 지방 조직에 많이 존재한다.^[50]

미국 환경보호청(EPA)과 뉴햄프셔 대학교의 공동 연구에 따르면, 폴리브로민화 다이페닐 에터(PBDE) 혼합물인 DE-71은 PEPCK 효소 반응속도론에 영향을 줄 수 있다. 이는 간의 포도당 및 지질 대사에 영향을 주어 전신 인슐린 감수성에 영향을 미칠 수 있다.^[63]
식물C4 식물 및 CAM 식물에서 PEPCK는 무기 탄소를 농축하는 데 사용되는 세 가지 탈카복실화효소 중 하나이다.^[64][65] C4 탄소 고정에서 이산화 탄소는 먼저 잎의 엽육 세포에서 포스포엔올피루브산과 결합하여 옥살로아세트산을 형성한다. PEPCK 유형 C4 식물에서 옥살로아세트산은 아스파르트산으로 전환되어 유관속초 세포로 이동한다. 유관속초 세포에서 아스파르트산은 다시 옥살로아세트산으로 전환되고, PEPCK는 옥살로아세트산을 탈카복실화시켜 이산화 탄소를 방출한다. 이 이산화 탄소는 루비스코에 의해 고정된다. PEPCK에 의해 생성된 각각의 이산화 탄소에 대해 ATP 1분자가 소모된다.

식물에서 PEPCK의 작용은 세포질에 국한된다.^[66] PEPCK는 식물의 여러 부분에서 발견되지만, 체관부를 포함한 특정 유형의 세포에서 주로 발견된다.^[67]
세균결핵균(''Mycobacterium tuberculosis'')의 PEPCK는 사이토카인 활성을 증가시켜 쥐의 면역계를 자극하는 것으로 나타났다.^[69][22][43]

5. 1. 포도당신생합성

5. 2. 동물

5. 3. 식물

5. 4. 세균

6. 임상적 중요성

포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK)는 포도당신생합성의 속도 조절 단계를 촉매하는 효소로, 혈당 수준 조절에 중요한 역할을 한다. 쥐를 대상으로 한 실험에서 이 효소의 과발현은 사람에게 가장 흔한 형태의 당뇨병인 제2형 당뇨병을 유발했는데,^[50] 이는 포도당 항상성 유지에 PEPCK가 얼마나 중요한지를 보여준다.

세포질의 PEPCK-C는 코르티솔과 글루카곤이라는 두 가지 호르몬에 의해 조절된다. 글루카곤은 간에서 cAMP 수준을 높여 cAMP 반응요소 결합 단백질(CREB)를 인산화시키고, 이는 PEPCK-C 유전자 전사를 유도한다. 코르티솔은 당질 코르티코이드 수용체(GR)와 결합하여 핵으로 이동, CREB와 유사하게 작용하여 PEPCK-C 합성을 촉진한다.^[50] 코르티솔과 글루카곤이 함께 작용하면 PEPCK-C 유전자를 더욱 활성화시킨다. PEPCK-C는 간, 콩팥, 지방 조직에 많이 존재한다.^[50]

미국 환경보호청(EPA)과 뉴햄프셔 대학교의 공동 연구에 따르면, 폴리브로민화 다이페닐 에터(PBDE) 혼합물인 DE-71은 프레그난 X 수용체(PXR)를 활성화시켜 간의 포도당 및 지질 대사를 저해하고, 전신 인슐린 감수성에 영향을 줄 수 있다.^[63]

최근 연구에 따르면 사람의 종양 세포 및 암세포주(유방암, 결장암, 폐암)에서 미토콘드리아의 포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK-M)가 대사 역할을 수행할 수 있는 수준으로 발현된다는 사실이 밝혀졌다.^[48][70] 이는 PEPCK-M이 영양소 부족 등의 스트레스 환경에서 암세포 생존에 기여할 수 있음을 시사한다.

6. 1. 당뇨병

6. 2. 암

7. 조절

포스포엔올피루브산 카복시키네이스(PEPCK)의 활성은 다양한 요인에 의해 조절된다.

사람의 경우, PEPCK는 세포질 형태(PEPCK-C)와 미토콘드리아 형태(PEPCK-M)의 두 가지 동질형태로 존재하며, 이들은 63.4%의 서열 상동성을 갖는다.^{[51][52][53][54][55]} 세포질 형태는 포도당신생합성에 중요한 역할을 한다.^[56] PEPCK의 작용 동안 포스포릴기가 전달되며, 이는 ATP가 PEPCK에 결합할 때 포스포릴기의 겹침형 입체형태에 의해 촉진된다.^[58] 겹침형 입체형태는 높은 에너지를 가지므로 포스포릴기 전이의 활성화 에너지를 감소시켜 작용기가 더 쉽게 전이되도록 한다. 이 전이는 S_N2 변위와 유사한 메커니즘으로 일어난다.^[58] 세포질의 PEPCK-C 유전자 전사는 글루카곤, 당질 코르티코이드, 레티노산, 아데노신 3',5'-고리형 일인산(cAMP)에 의해 자극되고, 인슐린에 의해 억제된다.^[71] 1형 당뇨병에서 결핍되는 인슐린은 여러 자극 요소들의 전사를 억제하는 지배적인 요인으로 간주된다.^[71] PEPCK 활성은 하이드라진 황산염에 의해 억제되어 포도당신생합성 속도를 감소시킨다.^[72] 장기간의 산성혈증에서 PEPCK-C는 콩팥의 근위세뇨관 솔가장자리 세포에서 상향조절되어 더 많은 암모니아(NH₃)를 분비하고 더 많은 탄산수소염(HCO₃⁻)을 생성한다.^[73] PEPCK의 GTP 특이 활성은 Mn²⁺ 및 Mg²⁺가 존재할 때 가장 높으며,^[68] 과반응성 시스테인(C307)은 Mn²⁺가 활성 부위에 결합하는 데 관여한다.^[57]

식물의 경우, 포스포엔올피루브산 카복시키네이스는 식물의 여러 부분에서 발견되지만 체관부를 포함한 특정 유형의 세포에서 주로 볼 수 있다.^[67] 오이(''Cucumis sativus L''.)에서 포스포엔올피루브산 카복시키네이스의 수준은 식물 세포의 pH를 감소시키는 여러 요인에 의해 증가하는데, 이러한 효과는 식물의 특정 부분에 따라 다르다.^[67] 잎에서 대기 중 5%의 이산화 탄소(CO₂) 함량은 포스포엔올피루브산 카복시키네이스의 풍부도를 높인다.^[67] 낮은 pH에서 염화 암모늄과 함께 물을 주었을 때 PEPCK 풍부도가 증가하지만, 높은 pH에서는 이러한 효과가 나타나지 않는다.^[67]

7. 1. 사람

7. 2. 식물

참조

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