Den pyruvat kinase ( PYK ) er enzymet som katalyserer det siste trinnet i glykolysen, som innebærer irreversible overføring av fosfatgruppen av ett molekyl av fosfoenolpyruvat (PEP) til et molekyl av ADP, noe som resulterer i syntese av et molekyl av ATP og en annen av pyruvinsyre eller pyruvat.
Det således produserte pyruvatet deltar deretter i forskjellige kataboliske og anabolske (biosyntetiske) veier: det kan dekarboksyleres for å produsere acetyl-CoA, karboksylert for å produsere oksaloacetat, transaminert for å produsere alanin, oksidert for å produsere melkesyre eller det kan rettes mot glukoneogenese for syntese glukose.
Reaksjon katalysert av enzymet pyruvat kinase (Kilde: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Siden det deltar i glykolyse, er dette enzymet veldig viktig for karbohydratmetabolismen til mange organismer, encellede og flercellede, som bruker dette som den viktigste katabolske ruten for å få energi.
Et eksempel på celler som er strengt avhengig av glykolyse for energiproduksjon, er det fra pattedyr erytrocytter, for hvilken en mangel i noen av enzymene som er involvert i denne veien, kan ha betydelig negative effekter.
Struktur
Fire isoformer av pyruvat-kinase-enzymet er blitt beskrevet hos pattedyr:
- PKM1 , typisk i muskler
- PKM2 , bare hos fostre (begge produktene av alternativ prosessering av samme messenger RNA)
- PKL , tilstede i leveren og
- PKR , til stede i erytrocytter (begge kodet av det samme genet, PKLR, men transkribert av forskjellige promotorer).
Imidlertid viser analysene utført på strukturen til de forskjellige pyruvat-kinase-enzymer i naturen (inkludert disse 4 fra pattedyr) en stor likhet i den generelle strukturen, så vel som med hensyn til arkitekturen til det aktive stedet og reguleringsmekanismene.
Generelt er det et enzym med en molekylvekt på 200 kDa, karakterisert av en tetramerisk struktur sammensatt av 4 identiske proteinenheter, på mer eller mindre 50 eller 60 kDa, og hver med 4 domener, nemlig:
- Et lite spiralformet domene i den N-terminale enden (fraværende i bakterieenzymer)
- Et " A " domene , identifisert av en topologi med 8 brettede β-ark og 8 α helices
- Et " B " -domen , satt inn mellom brettet beta-ark nummer 3 og alfa-helix nummer 3 i domenet "A"
- Et " C " domene , som har en α + ß topologi
Molekylær struktur av pyruvat-kinase-enzymet (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-ansatte ved European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Tre steder er blitt påvist i pyruvat-kinasetetramere fra forskjellige organismer: det aktive setet, effektorstedet og aminosyrebindingssetet. Det aktive setet for disse enzymene er lokalisert mellom domenene A og B, i nærheten av "effektorstedet", som tilhører domene C.
I tetramer danner C-domenene et "lite" grensesnitt, mens A-domenene danner et større grensesnitt.
Funksjon
Som allerede diskutert, katalyserer pyruvatkinase det siste trinnet i den glykolytiske banen, det vil si overføringen av en fosfatgruppe fra fosfoenolpyruvat (PEP) til et ADP-molekyl for å produsere ATP og et pyruvat- eller pyruvinsyremolekyl.
Produktene fra reaksjonen katalysert av dette enzymet er av største betydning for forskjellige metabolske sammenhenger. Pyruvat kan brukes på forskjellige måter:
- Under aerobe forhold, det vil si i nærvær av oksygen, kan dette brukes som et underlag for et enzym kjent som pyruvatdehydrogenase-komplekset, som skal dekarboksyleres og omdannes til acetyl-CoA, et molekyl som kan gå inn i Krebs-syklusen i mitokondriene. eller delta i andre anabolske veier, for eksempel fettsyrebiosyntese, for eksempel.
- I mangel av oksygen eller anaerobiose, kan pyruvat brukes av enzymet laktatdehydrogenase til å produsere melkesyre (oksidasjon) gjennom en prosess kjent som "melkesyregjæring".
- I tillegg kan pyruvat omdannes til glukose gjennom glukoneogenese, til alanin gjennom alanintransaminase, til oksaloacetat gjennom pyruvatkarboksylase, etc.
Det er viktig å huske at i reaksjonen som er katalysert av dette enzymet, skjer også nettosyntese av ATP, noe som står for glykolyse, og produserer 2 pyruvatmolekyler og 2 ATP-molekyler for hvert glukosemolekyl.
Fra dette perspektivet spiller pyruvatkinase-enzymet således en grunnleggende rolle i mange aspekter av cellulær metabolisme, så mye at det brukes som et terapeutisk mål for mange humane patogener, der flere protozoer skiller seg ut.
Regulering
Pyruvatkinase er et ekstremt viktig enzym med tanke på cellulær metabolisme, siden det er den som danner den siste forbindelsen som er en følge av glukosekatabolisme: pyruvat.
I tillegg til å være en av de tre mest regulerte enzymer i hele den glykolytiske banen (de to andre er heksokinase (HK) og fosfofruktokinase (PFK)), er pyruvatkinase et veldig viktig enzym for kontroll av metabolsk strømning og produksjon av ATP gjennom glykolyse.
Det aktiveres av fosfoenolpyruvat, et av dets underlag (homotropisk regulering), så vel som av andre mono- og difosforylerte sukkerarter, selv om reguleringen avhenger av typen isoenzym som vurderes.
Noen vitenskapelige tekster antyder at reguleringen av dette enzymet også avhenger av dets "multidomain" -arkitektur, siden aktivering av det ser ut til å avhenge av noen rotasjoner i domenene til underenhetene og av endringer i geometrien til det aktive nettstedet.
For mange organismer er allosterisk aktivering av pyruvatkinase avhengig av fruktose 1,6-bisfosfat (F16BP), men dette er ikke sant for planteenzymer. Andre enzymer aktiveres også av syklisk AMP og glukose 6-fosfat.
Videre er det vist at aktiviteten til de fleste av de studerte pyruvatkinasene er svært avhengig av tilstedeværelsen av monovalente ioner som kalium (K +) og divalente ioner så som magnesium (Mg + 2) og mangan (Mn + 2). ).
hemming
Pyruvatkinase blir hovedsakelig hemmet av fysiologiske allosteriske effektorer, så disse prosessene varierer betydelig mellom forskjellige arter og til og med mellom celler og vev av samme organisme.
Hos mange pattedyr har glukagon, epinefrin og cAMP hemmende effekter på pyruvatkinaseaktivitet, effekter som kan motvirkes av insulin.
Videre er det bevist at noen aminosyrer, som fenylalanin, kan fungere som konkurrerende hemmere for dette enzymet i hjernen.
referanser
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Strukturer av pyruvatkinaser viser evolusjonært avvikende allosteriske strategier. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). En oversikt over struktur, funksjon og regulering av Pyruvat-kinaser. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Allosterisk regulering av pyruvatkinase En stedsrettet mutagenesestudie. Journal of Biologisk kjemi, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ, … & Mattevi, A. (2002). Struktur og funksjon av human erytrocytt pyruvat kinase Molekylær basis av ikke-ferocytisk hemolytisk anemi. Journal of Biologisk kjemi, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, juli). Pyruvat kinase: funksjon, regulering og rolle i kreft. I seminarer i celle- og utviklingsbiologi (bind 43, s. 43-51). Academic Press.