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피루브산 탈카복실화효소

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목차

1. 개요

피루브산 탈카복실화효소는 피루브산을 이산화 탄소와 아세트알데하이드로 분해하는 효소이다. 이량체 구조를 가지며, 각 활성 부위는 티아민 피로인산(TPP)과 상호작용하는 아미노산 잔기를 포함한다. 효소는 티아민 피로인산의 일리드 형태를 통해 피루브산의 탈카복실화를 촉매하며, 효모에서 혐기성 발효 중 피루브산을 아세트알데하이드로 분해하는 역할을 한다. 보조 인자로 티아민 피로인산과 마그네슘 이온을 필요로 한다.

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피루브산 탈카복실화효소
개요
피루브산 탈카복실화효소에 의해 촉매되는 반응
피루브산 탈카복실화효소에 의해 촉매되는 반응:
피루브산 + 티아민 피로인산(TPP) → 하이드록시에틸-TPP + CO₂
EC 번호4.1.1.1
CAS 등록번호9001-04-1
GO 코드0004737
상세 정보
다른 이름2-옥소산 카르복실화효소
α-케토산 카르복실화효소
촉매 반응
반응식피루브산 + 티아민 피로인산(TPP) → 하이드록시에틸-TPP + CO₂
관련 효소
관련 효소피루브산 탈수소효소 (Pyruvate dehydrogenase)
피루브산 카르복실화효소 (Pyruvate carboxylase)

2. 구조

피루브산 탈카복실화효소는 각 이량체의 단량체 사이에 공유되는 두 개의 활성 부위를 갖는 이량체의 이량체로 생성된다. 효소는 β-α-β 구조를 포함하여 평행한 β-시트를 생성한다. 각 이합체에 563개의 잔기의 소단위체가 포함되어 있다. 효소는 강한 단량체 간의 인력을 가지고 있지만 이량체는 느슨하게 상호작용하여 느슨한 사량체를 형성한다.[15][7] 분자량 약 60kDa의 펩타이드가 호모이량체로 기능하며, 거기에 2개의 쌍이 느슨하게 결합하고 있다.[8]

2. 1. 활성 부위

피루브산 탈카복실화효소의 각 활성 부위는 티아민 피로인산(TPP) 고리와 상호작용하는 산성 Glu477 및 보조 인자 결합에 참여하는 Glu51을 포함하여 20개의 아미노산 잔기를 가지고 있다.[12][4] 이들 글루탐산은 양성자 공여체로 작용하여 티아민 피로인산의 일리드를 안정화시킨다.[12][4] Glu477 주변은 비극성 환경이며, 이는 정상적인 pKa보다 높은 값(작은 단백질에서 정상적인 Glu 및 Asp의 pKa는 약 4.6)을 갖게 한다.[12][4] 친유성 잔기 Ile476, Ile480, Pro26은 Glu477 주변 영역의 비극성에 기여한다.[12][4] 티아민 피로인산(TPP) 조효소 외에 음으로 하전된 유일한 잔기는 Asp28이며, 이는 Glu477의 pKa를 증가시키는 데 도움을 준다.[12][4] 따라서 효소 환경은 Glu477의 γ-카복실기가 pH 6 정도에서 양성자화되도록 한다.[12][4]

티아민 피로인산(TPP)의 아미노피리미딘 고리는 이민 형태일 때 염기 역할을 하여 티아민 피로인산의 C2 양성자를 끌어내어 친핵체 일리드를 형성한다.[15][7] 효소에는 티아민 피로인산의 C2를 탈양성자화할 수 있는 염기성 곁사슬이 없기 때문에 이 과정이 필요하다.[15][7] 활성 부위에서 Glu와 관련된 돌연변이는 효소의 비효율성 또는 불활성을 초래할 수 있다.[15][7] 핵자기 공명(NMR) 분석 결과, 티아민 피로인산이 기질 유사체인 피루바마이드와 효소에 결합할 때 일리드 생성 속도가 정상적인 효소 속도보다 큰 것으로 나타났다.[15][7] Glu51에서 Gln으로의 돌연변이는 이 속도를 감소시킨다.[15][7]

Asp444 및 Asp28 잔기는 Mg2+와 결합한다.[13][5] 2개의 Cys221(각 부위에서 20 Å 이상 떨어져 있음) 및 His92는 기질의 이용 가능성에 따라 효소를 저해하거나 활성화시키는 입체구조적 변화를 유발한다.[13][5] 활성 부위에 결합된 기질이 피루브산이면 효소는 조절 부위에서의 입체구조적 변화에 의해 활성화된다.[13][5] 이 입체구조적 변화는 1,2 친핵성 첨가를 수반하며, 싸이오케탈을 형성하여 효소를 불활성 상태에서 활성 상태로 변화시킨다.[13][5]

XC6H4CH=CHCOCOOH 부류의 저해제/기질 유사체 및 신남알데하이드와 같은 화합물의 탈카복실화 생성물은 효소 활성을 저해한다.[13][5] 저해제의 다른 잠재적인 친핵성 부위로는 Cys152, Asp28, His114, His115, Gln477이 있다.[13][5] 피루브산 탈카복실화효소의 정상적인 촉매 속도는 kcat = 10 s−1이지만, Glu51이 Gln으로 돌연변이된 효소의 속도는 kcat = 1.7 s−1이다.[15][7]

2. 2. 티아민 피로인산 (TPP) 보결분자단

보조 인자인 티아민 피로인산(TPP)은 효소에 대한 보결분자단이다.[11] 티아졸 고리에서 황과 질소 원자 사이에 위치한 CH 중심은 산성이다. 탈양성자화시 티아민 피로인산은 일리드를 생성하고 탄소 음이온으로 음전하를 띤다.[11] 이것은 피루브산의 케톤 탄소에서 친핵체로 반응할 수 있다.[3] 피루브산의 탈카복실화 동안 티아민 피로인산은 비공유결합에 의해 탄소 음이온 중간생성물을 친전자체로 안정화시킨다.[15] 구체적으로 피리딜 질소 N1' 및 티아민 피로인산의 4'-아미노기는 효소-티아민 피로인산 복합체의 촉매 기능에 필수적이다.[12]

3. 메커니즘

효소는 피루브산을 이산화 탄소와 아세트알데하이드로 분해한다.[14][6] 반응은 티아민 피로인산(TPP)의 일리드 형태의 친핵성 티아졸 탄소가 케토기를 공격하면서 시작된다. 그 후 중간생성물이 비가역적인 단계에서 이산화 탄소를 잃고 엔올을 생성한다. 이어서 유리 알데하이드가 방출되고 티아민 피로인산이 재생된다.[14]

피루브산

4. 효모에서의 역할

효모에서 피루브산 탈카복실화효소는 혐기성 발효 동안 독립적으로 작용하여 피루브산을 아세트알데하이드와 이산화 탄소로 분해한다.[15] 피루브산 탈카복실화효소는 세포가 제거하는 CO2 제거 수단을 생성한다.[15][7] 피루브산 탈카복실화효소는 또한 경쟁하는 생물체를 제거하기 위한 항생제로 사용되는 에탄올을 생성하는 수단이기도 하다.[15] 피루브산 탈카복실화효소는 전이 상태에서 카보닐 탄소 원자에서 일어나는 음전하의 축적 때문에 α-케토산의 탈카복실화를 돕는 데 필요하다. 따라서 효소는 티아민 피로인산(TPP)과 α-케토산(피루브산)이 만나기에 적합한 환경을 제공한다.[15][7]

5. 성질

보조 인자로서 티아민 피로인산과 마그네슘 이온을 요구한다.

참조

[1] 웹사이트 NiceZyme View of ENZYME: EC 4.1.1.1. http://us.expasy.org[...] ExPASy Proteomics Server
[2] 서적 Surviving Hypoxia CRC Press 1993
[3] 서적 The organic chemistry of biological pathways Roberts and Co. Publishers
[4] 논문 Pyruvate Decarboxylase: A Molecular Modeling Study of Pyruvate Decarboxylation and Acyloin Formation
[5] 논문 Reactivity at the substrate activation site of yeast pyruvate decarboxylase: inhibition by distortion of domain interactions 1998-02
[6] 서적 Biochemistry Brooks/Cole, Cengage Learning 2013
[7] 논문 Catalytic centers in the thiamin diphosphate dependent enzyme pyruvate decarboxylase at 2.4-A resolution 1993-06
[8] 논문 Catalytic centers in the thiamin diphosphate dependent enzyme pyruvate decarboxylase at 2.4-A resolution 1993-06
[9] 웹인용 NiceZyme View of ENZYME: EC 4.1.1.1. http://us.expasy.org[...] ExPASy Proteomics Server 2023-06-26
[10] 서적 Surviving Hypoxia https://archive.org/[...] 1993
[11] 서적 The organic chemistry of biological pathways https://archive.org/[...] Roberts and Co. Publishers
[12] 논문 Pyruvate Decarboxylase: A Molecular Modeling Study of Pyruvate Decarboxylation and Acyloin Formation
[13] 논문 Reactivity at the substrate activation site of yeast pyruvate decarboxylase: inhibition by distortion of domain interactions 1998-02
[14] 서적 Biochemistry Brooks/Cole, Cengage Learning 2013
[15] 논문 Catalytic centers in the thiamin diphosphate dependent enzyme pyruvate decarboxylase at 2.4-A resolution 1993-06


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