Pyruvate phosphate dikinase

La pyruvate, phosphate dikinase est une phosphotransférase qui catalyse la réaction :

ATP + pyruvate + P_i  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  AMP + phosphoénolpyruvate + PP_i.

Pyruvate, phosphate dikinase

Dimère de pyruvate phosphate dikinase de Clostridium symbosium (PDB 1KC7^[1])

Données clés

N° EC	EC 2.7.9.1
N° CAS	9027-40-1

Activité enzymatique

IUBMB	Entrée IUBMB
IntEnz	Vue IntEnz
BRENDA	Entrée BRENDA
KEGG	Entrée KEGG
MetaCyc	Voie métabolique
PRIAM	Profil
PDB	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
GO	AmiGO / EGO

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Cette enzyme a été étudiée essentiellement chez les plantes, ainsi que chez certaines bactéries^[2].

Le phosphoénolpyruvate formé est un substrat de la phosphoénolpyruvate carboxylase qui permet la fixation du dioxyde de carbone CO₂ sous forme d'ion bicarbonate HCO₃⁻ dans le cadre de la fixation du carbone en C₄.

Structure et mécanisme

La forme active de la pyruvate phosphate dikinase est un homotétramère d'environ 95 kDa^[3].

L'enzyme possède deux centres réactionnels distants d'environ 4,5 nm auxquels se lient des substrats différents^[4]. Le site de liaison au nucléotide (ATP) se situe du côté N-terminal, qui possède 240 résidus d'acides aminés et une configuration caractéristique des sites de liaison à l'ATP. Le site de liaison au pyruvate et au phosphoénolpyruvate se situe du côté C-terminal, constitué de 340 résidus d'acides aminés, et un repliement en hélices α et tonneau β. Il possède également un domaine central contenant le résidu d'His-455, qui joue un rôle central dans la catalyse de la réaction enzymatique. C'est en effet ce résidu qui joue le rôle d'accepteur et de donneur de groupe phosphoryle^[1]. La structure de l'enzyme suggère que le bras de l'His-455 pivote pour transporter le groupe phosphoryle d'une centre réactionnel à l'autre^[5]. Le domaine central pivote d'au moins 92° et se translate de 50 pm au cours de ce mouvement^[6].

Des études ont montré que les mécanismes de liaison de la pyruvate phosphate dikinase sont semblables à ceux de la D-alanine-D-alanine ligase (en) et de la pyruvate kinase^[5]. La pyruvate phosphate dikinase est notamment très semblable à la pyruvate kinase, qui catalyse également la conversion du phosphoénolpyruvate en pyruvate mais sans passer par un intermédiaire enzyme–phosphate^[1]. Bien que ces deux enzymes aient des séquences différentes, les résidus clés de la catalyse sont préservés dans les deux enzymes. Des expériences par mutation ponctuelle ont montré que les résidus d'Arg-561, d'Arg-617, de Glu-745, d'Asn-768 et de Cys-831 font partie de ces résidus conservés^[1].

Illustration du mécanisme réactionnel de la pyruvate phosphate dikinase.

Le mécanisme réactionnel fait intervenir trois réactions réversibles^[7] :

1. l'enzyme se lie à l'ATP et l'hydrolyse pour libérer l'AMP en donnant un complexe enzyme-pyrophosphate ;
2. le complexe enzyme-pyrophosphate réagit avec le phosphate inorganique pour former un complexe enzyme-phosphate en libérant le pyrophosphate inorganique ;
3. le complexe enzyme-phosphate réagit avec le pyruvate pour former le phosphoénolpyruvate en régénérant l'enzyme.

La réaction est semblable à celle catalysée par la pyruvate kinase, qui catalyse cependant une réaction irréversible dans l'autre sens^[1].

Fonction biologique et évolution

La pyruvate phosphate dikinase intervient dans la voie métabolique de fixation du carbone en C₄ en améliorant l'efficacité de la fixation du dioxyde de carbone CO₂. Ceci peut être réalisé au moyen d'un ensemble de réactions transportant le CO₂ des cellules du mésophylle (situées à l'extérieur des feuilles) aux cellules des gaines périvasculaires, situées à l'intérieur. Cette enzyme convertit le pyruvate en phosphoénolpyruvate, qui réagit avec le CO₂ pour produire de l'oxaloacétate. Lorsque le CO₂ dans les cellules des gaines périvasculaires, le pyruvate est régénéré et le cycle recommence.

Bien que la réaction catalysée par la pyruvate phosphate dikinase soit réversible, c'est la formation de phosphoénolpyruvate qui est privilégiée dans les conditions biologiques. Ceci est dû au pH basique dans le stroma des chloroplastes, où se déroule la réaction, ainsi qu'à la forte présence d'adénylate kinase et de pyrophosphatase (en). Dans la mesure où ces deux enzymes catalysent des réactions exergoniques impliquant respectivement l'AMP et le pyrophosphate, elles orientent les réactions catalysées par la pyruvate phosphate dikinase vers le PEP. Cependant, la pyruvate phosphate dikinase consomme de l'ATP, ce qui fait que les plantes en C₄ sont défavorisées dans les environnements faiblement éclairés, car alors la photosynthèse ne produit pas assez d'ATP.

La pyruvate phosphate dikinase est une enzyme très abondante dans les feuilles des plantes en C₄, où elles peuvent représenter jusqu'à 10 % du total des protéines^[8]. Des expériences par hybridation ont montré que les différences génétiques entre les différences génétiques entre enzymes de différentes origines sont corrélées au degré de prépondérance de la fixation du carbone en C₄ par rapport à la fixation du carbone en C₃^[9].

La pyruvate phosphate dikinase est présente en petites quantités dans les plantes en C₃, et l'histoire de l'évolution suggère qu'elle a pu jouer un rôle dans la glycolyse avant de finalement évoluer en se spécialisant dans la fixation du carbone en C₄^[8].

Régulation

Mécanisme de régulation de PPDK par la PDRP (en).

La pyruvate phosphate dikinase est régulée par la protéine de régulation de la pyruvate phosphate dikinase (en)^[3] (PDRP). Sous forte illumination, cette protéine déphosphoryle le résidu de Thr-456 de la pyruvate phosphate dikinase, ce qui a pour effet d'activer l'enzyme^[8] ; elle l'inactive par phosphorylation sur ce même résidu à partir de pyrophosphate inorganique. La PDRP est une protéine de régulation particulière en ce qu'elle catalyse à la fois l'activation et l'inactivation de la PPDK à travers deux mécanismes différents^[8].