Карбоксилазы: ферменты присоединения углекислого газа¶

Карбоксилазы — класс ферментов (КФ 6.4.1.x), катализирующих присоединение молекулы углекислого газа (CO₂) к органическому субстрату с образованием новой углерод-углеродной связи. Реакция требует энергии, которую поставляют молекулы АТФ, поэтому большинство карбоксилаз относятся к лигазам и используют биотин в качестве кофактора. Эти ферменты играют ключевую роль в метаболизме — от фиксации углерода при фотосинтезе до синтеза жирных кислот и глюконеогенеза.

¶Общая характеристика

Карбоксилазы катализируют реакцию:

Субстрат + CO₂ + АТФ → Карбоксилированный продукт + АДФ + Фосфат

Механизм реакции у биотинзависимых ферментов включает два этапа. Сначала биотинкарбоксилаза присоединяет CO₂ к биотину с затратой АТФ, образуя карбоксибиотин. Затем карбоксильная группа переносится на субстрат. Биотин связан с белком ковалентной связью через остаток лизина.

Некоторые карбоксилазы (например, рибулозобисфосфаткарбоксилаза) не используют биотин и работают по иному механизму.

¶Основные представители

¶Рибулозобисфосфаткарбоксилаза (Рубиско)

Рубиско (КФ 4.1.1.39) — наиболее распространённый белок на Земле. Катализирует присоединение CO₂ к рибулозо-1,5-бисфосфату в цикле Кальвина — ключевой реакции фотосинтеза. Фермент обладает низкой каталитической эффективностью и побочной оксигеназной активностью, что снижает продуктивность растений. У высших растений состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц.

¶Пируваткарбоксилаза

Пируваткарбоксилаза (КФ 6.4.1.1) локализована в митохондриях. Превращает пируват в оксалоацетат, пополняя цикл трикарбоновых кислот и обеспечивая субстрат для глюконеогенеза. Активируется ацетил-КоА. Дефицит фермента вызывает лактатацидоз и неврологические нарушения.

¶Ацетил-КоА-карбоксилаза

Ацетил-КоА-карбоксилаза (КФ 6.4.1.2) катализирует превращение ацетил-КоА в малонил-КоА — первый и лимитирующий этап синтеза жирных кислот. Регулируется аллостерически и гормонально (инсулин активирует, глюкагон ингибирует). Существует в двух изоформах: цитозольной (синтез жирных кислот) и митохондриальной (регуляция окисления).

¶Пропионил-КоА-карбоксилаза

Пропионил-КоА-карбоксилаза (КФ 6.4.1.3) участвует в метаболизме нечётных жирных кислот и аминокислот. Превращает пропионил-КоА в метилмалонил-КоА. Нарушения приводят к пропионовой ацидемии.

¶Фосфоенолпируваткарбоксилаза

Фермент (КФ 4.1.1.31) катализирует превращение фосфоенолпирувата в оксалоацетат у растений и бактерий. Участвует в C4- и CAM-фотосинтезе, обеспечивая первичную фиксацию CO₂.

¶Классификация

¶Биологическое значение

Карбоксилазы выполняют фундаментальные функции:

• Фиксация углерода. Рубиско и фосфоенолпируваткарбоксилаза обеспечивают включение неорганического углерода в органические соединения, лежащее в основе пищевых цепей.
• Глюконеогенез. Пируваткарбоксилаза — обязательный участник синтеза глюкозы из лактата, аминокислот и глицерина.
• Липогенез. Ацетил-КоА-карбоксилаза контролирует скорость синтеза жирных кислот.
• Анаплероз. Карбоксилирование пополняет intermediates цикла Кребса.

¶Медицинское и биотехнологическое значение

Нарушения работы карбоксилаз связаны с наследственными заболеваниями. Дефицит пируваткарбоксилазы проявляется тяжёлым лактатацидозом; дефицит пропионил-КоА-карбоксилазы — пропионовой ацидемией; дефицит ацетил-КоА-карбоксилазы — метаболическими расстройствами.

Ингибиторы ацетил-КоА-карбоксилазы рассматриваются как потенциальные средства для лечения ожирения и диабета 2 типа. В биотехнологии карбоксилазы применяются для производства биотоплива и химических соединений из CO₂. Исследования направлены на повышение эффективности Рубиско для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.