Karboksylaasinentsyymien

Karboksylaasinentsyymit ovat entsyymejä, jotka katalysoivat karboksylaatioreaktiota: hiilidioksidin (CO2) liittämistä erilaisiin substraatteihin. Useimmat näistä entsyymeistä ovat biotiiniriippuvaisia ja osallistuvat keskeisiin metabolisiin reitteihin, kuten energian tuotantoon ja biosynteesiin. Niiden toiminta on usein paikallinen solukohdassa, kuten maksassa, lihaksissa, soluissa tai kasvien kloroplastissa.

Keskeisiä esimerkkejä ovat pyruvaattikarboksylaasi (pyruvate carboxylase, PC), asetyyli-CoA-karboksylaasi (acetyl-CoA carboxylase, ACC), propionyyl-CoA-karboksylaasi sekä metyylikrotonyyli-CoA-karboksylaasi. PC katalysoi pyruvaatin muuntamisen oksaloasetaatiksi ja toimii anaplerotisesti TCA-sykliin. ACC tuottaa malonyylikoavan sekä rasvahapposynteesin säätelyyn liittyvän ensimmäisen tuotteen. Propionyyl-CoA- ja metyylikrotonyyli-CoA -carboksylaasit osallistuvat aminohappojen ja rasvahappojen hajotukseen, ja ne ovat biotiiniriippuvaisia entsyymejä, joita esiintyy muun muassa mitokondrioissa. Kasveissa RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) toimii fotosynteesin CO2-fiksaation keskuksena, vaikka se myös hapetoi osittain vaikutuksensa kautta; se ei välttämättä ole biotiiniriippuvainen, mutta on keskeinen karboksylaatioreaktioiden esimerkki.

Mekanismi perustuu biotiinin prostettiseen ryhmään, joka siirtää CO2:n carboxyloidun karboksyliin biotiinista substraattiin. Usein tämä tapahtuu kahdessa vaiheessa: ATP:n avulla aktivoidaan bimbarbiinaatti (bikarbonaatti), ja lopulta CO2 siirretään substraattiin. Sääntely eroaa entsyymikohtaisesti: ACC:llä on allosteerisiä säätötekijöitä ja fosforylaatiomoduulaatiota, kun taas PC:llä ja MCC:llä on kudos- ja energiatasoon liittyviä kontrollimekanismeja.

Karboksylaasinentsyymien toiminta on keskeistä metabolisessa joustavuudessa, liittäen hiiltä pääasiassa CO2-muodossa katabolisista ja anabolisista prosesseista käyttökelpoisiksi metaboliittien rakennusaineiksi. Poikkeamina ja häiriöinä voivat esiintyä perinnölliset karboksylaasinpuutokset, jotka johtavat metabolisiin sairauksiin.