Die Regulation der Pyruvat-Kinase in Euglena gracilis

Summary

• 1. With respect to metabolic relationships between chloroplast and cytoplasma, enzyme systems responsible for phosphoenolpyruvate and pyruvate are important. The activity of pyruvate kinase has been determined in the green alga Euglena gracilis and shown to vary considerably according to growth conditions and carbon compounds consumed by the cells. The data seem to indicate that pyruvate kinase is nutritionally induced by glucose as well as by substances produced during photosynthesis in the light.

• 2. When growing on acetate as sole carbon source, the level of pyruvate kinase in the cells is low. Addition of glucose to dark-grown acetate cells as well as illumination of the cultures induces pyruvate kinase formation. If cultures of Euglena were supplied with glucose plus acetate as carbon sources, the pyruvate kinase level was high. Once glucose was used up by the cells, the algae cells continued growing on the remaining acetate. These conditions led to induction of glyoxylate cycle enzymes and repression of some enzymes of the glycolytic metabolism, including pyruvate kinase.

• 3. Induction of pyruvate kinase by illumination or by addition of glucose could be prevented by cycloheximide. Chloramphenicol inhibited chloroplast development, and therefore prevented pyruvate kinase induction by illumination, but was not effecting pyruvate kinase induction by glucose.

• 4. Pyruvate kinase from Euglena exhibits a sigmoidal saturation curve for PEP, suggesting that more than one molecule of PEP was bound to the enzyme, and that these PEP-sites were interacting. The Hill-coefficient has been estimated to be n=4. This indicates 4 binding sites of the enzyme for PEP to be present. Strong allosteric activation of the enzyme was observed with FDP. A saturation curve for FDP at 0.5 mM PEP shows a sigmoidity with a Hill-coefficient of n=4, and with a value for half maximal velocity of 0.7 mM FDP.FDP markedly decreases the apparent K _m -value for PEP, transforming the sigmoidal saturation curve of PEP to a hyperbolic one without influence on V _max. In contrast to the yeast enzyme ATP inhibition could not be demonstrated with Euglena pyruvate kinase.

• 5. A rapid increase of FDP concentration upon illumination might lead to an allosteric transition with a strong increase of cctivity of Euglena pyruvate kinase.

• 6. Studies with cell free preparations of Lemna and Rhodopseudomonas show that activation of pyruvate kinase is not a general property of autotrophic cells.

Zusammenfassung

• 1. Für das Verständnis stoffwechselphysiologischer Beziehungen zwischen Chloroplasten und Cytoplasma sind die am Umsatz von PEP und Pyruvat beteiligten Enzyme von Bedeutung. Die Aktivität der Pyruvat-Kinase hängt in Euglena gracilis von den Wachstumsbedingungen und der C-Quelle ab. Das Enzym wird durch Glucose und durch Substanzen, die im Zuge der Photosynthese im Licht gebildet werden, induziert.

• 2. Bei Wachstum auf Acetat als einziger C-Quelle ist der Gehalt der Pyruvat-Kinase in den Zellen niedrig. Sowohl die Zugabe von Glucose wie die Belichtung der Kulturen löst einen Induktionsprozeß der Bildung von Pyruvat-Kinase aus. In Kulturen mit einer Mischung von Glucose und Acetat als C-Quellen ist die Aktivität der Pyruvat-Kinase hoch. Nach Erschöpfung der Glucose werden die Enzyme des Glyoxylat-Cyclus induziert, und die Aktivität einiger glykolytischer Enzyme, zu denen auch die Pyruvat-Kinase gehört, geht zurück.

• 3. Cycloheximid verhindert die Induktion der Pyruvat-Kinase durch Glucose wie durch Belichtung. Chloramphenicol verhindert nur die durch Licht ausgelöste Induktion, da es primär die Chloroplastendifferenzierung blockiert. Die Pyruvat-Kinase-Induktion durch Glucose wird durch Chloramphenicol nicht beeinflußt.

• 4. Pyruvat-Kinase aus Euglena zeigt eine sigmoide Substrat-Sättigungskurve für PEP. Der Hill-Koeffizient ist 4. Das Enzym wird durch FDP aktiviert. Die Sättigungskurve für den Effektor FDP ist ebenfalls sigmoid, der Hill-Koeffizient für FDP ist 4. Halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit wird bei 0,5 mM PEP durch 0,7 mM FDP erreicht. FDP führt zu einer Herabsetzung des apparenten K _m -Wertes für PEP und zu einer Transformation der sigmoiden Substratsättigungscharakteristik in eine hyperbolische, verändert jedoch nicht V _max. Im Gegensatz zur Pyruvat-Kinase aus Hefe konnte bei dem Enzym aus Euglena keine Hemmung durch ATP beobachtet werden.

• 5. Der bei Belichtung beobachtete rasche Anstieg der FDP-Konzentration kann in der Zelle die Aktivierung des Enzyms hervorrufen.

• 6. Die Aktivierung der Pyruvat-Kinase durch FDP ist keine allgemeine Eigenschaft autotropher Organismen. In Lemna und Rhodopseudomonas findet keine Aktivierung der Pyruvat-Kinase durch FDP statt.