Piruvato carbossilasi - biochimica

La piruvato carbossilasi è un enzima presente nel mitocondrio degli eucarioti che catalizza la reazione irreversibile di carbossilazione del piruvato per la formazione di ossalacetato. È un enzima che richiede, come cofattore, la biotina. Il cofattore assume un ruolo di primaria importanza per la crescita di alcuni batteri; terreni di coltura ricchi di biotina servono per aumentare la velocità di crescita batterica poiché l'enzima è importante nel metabolismo cellulare.

L'enzima fu, inizialmente, associato a una esclusiva attività nel ciclo di Krebs; successivamente si comprese che la piruvato carbossilasi è un enzima che interviene in numerosi percorsi metabolici, tra cui il già citato ciclo degli acidi tricarbossilici, nella gluconeogenesi e nella biosintesi degli acidi grassi.

Struttura

In molte specie, tra cui la maggior parte dei procarioti, i lieviti e gli eucarioti,  la piruvato carbossilasi è un omotetramero formato da quattro subunità identiche, dalla dimensione molecolare di circa 120kDa. L'analisi attraverso la cristallografia a raggi X, ha permesso d'individuare una forma regolare, con una disposizione simmetrica delle quattro subunità. Altre specie, tra cui Pseudomonas citronellosis presentano una piruvato carbossilasi formata dall'associazione di due catene differenti, formanti una singola subunità, che - in misura di quattro - formano il complesso enzimatico.

Isoenzimi

La piruvato carbossilasi, nella maggior parte delle cellule, non sembra avere isoenzimi. In Saccharomyces cerevisiae, tuttavia, sono presenti due forme isoenzimatiche della proteina.

Reazione

La reazione globale caratterizzata dalla piruvato carbossilasi prevede l'addizione di uno ione bicarbonato al substrato piruvato:

Nella reazione interviene la biotina e l'acetil-coenzima-A.

Meccanismo di reazione

Il meccanismo di reazione ipotizzato prevede due tappe: nella prima tappa si forma un sistema enzima-biotina, con la formazione di una carbossibiotina legata all'enzima. La seconda tappa prevede il trasferimento del carbossile dalla biotina al piruvato per la formazione dell'ossalacetato.

Meccanismo anaplerotico

La piruvato carbossilasi è un enzima chiave per il mantenimento della concentrazione di ossalacetato nella cellula, per questo motivo è un enzima che catalizza una reazione anaplerotica poiché rifornisce di un importante intermedio il ciclo di Krebs. Nei lieviti, e in alcuni microrganismi, l'ossalacetato è anche prodotto dal ciclo del gliossilato, tuttavia quando le cellule di lievito crescono sfruttando il glucosio come substrato energetico il ciclo del gliossilato è inibito, e la piruvato carbossilasi rappresenta la via enzimatica di produzione di ossalacetato.

Ruolo metabolico

L'enzima ha un importante ruolo nel ciclo di Krebs, giacché forma l'ossalacetato; la complessa rete di "scambio" e "interazione" degli intermedi nei differenti cicli metabolici rende la piruvato carbossilasi un enzima importante per la gluconeogenesi e per la biosintesi degli acidi grassi. Durante la gluconeogenesi, quando il glucosio è sintetizzato ex-novo da altre fonti si rilevano elevate concentrazioni dell'enzima, che suggeriscono un ruolo importante nel metabolismo della formazione di glucosio. Il ruolo chiave nella sintesi degli acidi grassi è duplice, giacché fornisce l'intermedio citrato che, dal mitocondrio, è trasportato al citoplasma. Il citrato serve sia per la sintesi di acetil-coenzima-A, che è coinvolto nella sintesi degli acidi grassi, sia perché - attraverso l'enzima malico - è adoperato per la biosintesi di equivalenti di riduzione sotto forma di NADP.