Pyruvátkináza ( PYK ) je enzým, ktorý katalyzuje posledný krok v glykolytickej dráhy, ktorý zahŕňa nevratné prenos fosfátové skupiny z jednej molekuly fosfoenolpyruvát (PEP) na molekulu ADP, čo vedie k syntéze molekuly ATP a iného z kyseliny pyrohroznovej alebo pyruvátu.
Takto vyrobený pyruvát sa následne zúčastňuje rôznych katabolických a anabolických (biosyntetických) dráh: môže byť dekarboxylovaný na výrobu acetyl-CoA, karboxylovaný na výrobu oxaloacetátu, transaminovaný na produkciu alanínu, oxidovaný na produkciu kyseliny mliečnej alebo môže byť nasmerovaný na glukoneogenézu pre syntézu glukózu.
Reakcia katalyzovaná enzýmom pyruvátkináza (Zdroj: Noah Salzman prostredníctvom Wikimedia Commons)
Pretože sa tento enzým zúčastňuje na glykolýze, je veľmi dôležitý pre metabolizmus uhľovodíkov v mnohých organizmoch, jednobunkových a viacbunkových, ktoré ho používajú ako hlavnú katabolickú cestu na získavanie energie.
Príkladom buniek, ktoré sú prísne závislé od glykolýzy na produkciu energie, sú bunky cicavčích erytrocytov, pre ktoré môže mať nedostatok ktoréhokoľvek z enzýmov zapojených do tejto dráhy značne negatívne účinky.
štruktúra
U cicavcov boli opísané štyri izoformy enzýmu pyruvátkinázy:
- PKM1 , typické pre svaly
- PKM2 , iba u plodov (oba produkty alternatívneho spracovania tej istej messengerovej RNA)
- PKL , prítomné v pečeni a
- PKR prítomný v erytrocytoch (obidve kódované rovnakým génom, PKLR, ale transkribované rôznymi promótormi).
Analýzy uskutočňované na štruktúre rôznych enzýmov pyruvátkinázy v prírode (vrátane týchto 4 od cicavcov) však ukazujú veľkú podobnosť vo všeobecnej štruktúre, ako aj s ohľadom na architektúru aktívneho miesta a regulačné mechanizmy.
Všeobecne sa jedná o enzým s molekulovou hmotnosťou 200 kDa, vyznačujúci sa tetramerickou štruktúrou zloženou zo 4 identických proteínových jednotiek, s viac alebo menej 50 alebo 60 kDa, a každá z nich so 4 doménami, konkrétne:
- Malá helikálna doména na N-terminálnom konci (v bakteriálnych enzýmoch chýba)
- doména „ A “ identifikovaná topológiou 8 zložených p listov a 8 α helixov
- doména " B " vložená medzi zloženú beta hárok číslo 3 a alfa helix číslo 3 domény "A"
- „ C “ doména , ktorá má a + β topológiu
Molekulárna štruktúra enzýmu pyruvátkinázy (Zdroj: Zamestnanci Jawahara Swaminathana a MSD v Európskom inštitúte pre bioinformatiku prostredníctvom Wikimedia Commons)
V tetraméroch pyruvátkinázy z rôznych organizmov boli zistené tri miesta: aktívne miesto, efektorové miesto a väzbové miesto pre aminokyselinu. Aktívne miesto týchto enzýmov sa nachádza medzi doménami A a B v blízkosti „efektorového miesta“, ktoré patrí do domény C.
V tetraméri tvoria domény C „malé“ rozhranie, zatiaľ čo domény A tvoria väčšie rozhranie.
funkcie
Ako už bolo uvedené, pyruvátkináza katalyzuje posledný krok v glykolytickej ceste, to znamená prenos fosfátovej skupiny z fosfoenolpyruvátu (PEP) na molekulu ADP za vzniku ATP a molekuly pyruvát alebo kyselina pyruvátová.
Produkty reakcie katalyzované týmto enzýmom sú nanajvýš dôležité pre rôzne metabolické kontexty. Pyruvát sa môže používať rôznymi spôsobmi:
- Za aeróbnych podmienok, to znamená v prítomnosti kyslíka, sa môže použiť ako substrát pre enzým známy ako komplex pyruvátdehydrogenázy, ktorý sa má dekarboxylovať a konvertovať na acetyl-CoA, molekulu, ktorá môže vstúpiť do Krebsovho cyklu v mitochondriách. alebo sa zúčastňujú iných anabolických ciest, ako je napríklad biosyntéza mastných kyselín.
- V neprítomnosti kyslíka alebo anaerobiózy sa môže pyruvát použiť enzýmom laktátdehydrogenáza na výrobu kyseliny mliečnej (oxidácia) procesom známym ako „laktátová fermentácia“.
- Okrem toho sa môže pyruvát premeniť na glukózu prostredníctvom glukoneogenézy, na alanín prostredníctvom alanín transaminázy, na oxaloacetát prostredníctvom pyruvátkarboxylázy atď.
Je dôležité si uvedomiť, že pri reakcii katalyzovanej týmto enzýmom dochádza tiež k čistej syntéze ATP, ktorá je zodpovedná za glykolýzu, pričom pre každú glukózovú molekulu vznikajú 2 molekuly pyruvátu a 2 ATP molekuly.
Z tohto hľadiska hrá teda pyruvátkinázový enzým zásadnú úlohu v mnohých aspektoch bunkového metabolizmu, a to natoľko, že sa používa ako terapeutický cieľ pre mnoho ľudských patogénov, medzi ktorými vyniká niekoľko prvokov.
predpis
Pyruvátkináza je mimoriadne dôležitý enzým z hľadiska bunkového metabolizmu, pretože je to ten, ktorý tvorí poslednú zlúčeninu, ktorá je výsledkom dráhy glukózového katabolizmu: pyruvát.
Okrem toho, že pyruvátkináza je jedným z troch najviac regulovaných enzýmov v celej glykolytickej dráhe (ďalšie dva sú hexokináza (HK) a fosfhofructokináza (PFK)), je veľmi dôležitým enzýmom na kontrolu metabolického toku a produkcie. ATP prostredníctvom glykolýzy.
Aktivuje sa fosfoenolpyruvát, jeden zo svojich substrátov (homotropná regulácia), ako aj ďalšie mono- a difosforylované cukry, hoci jeho regulácia závisí od druhu uvažovaného izoenzýmu.
Niektoré vedecké texty naznačujú, že regulácia tohto enzýmu závisí aj od architektúry „multidomény“, pretože jeho aktivácia pravdepodobne závisí od niektorých rotácií v doménach podjednotiek a od zmien v geometrii aktívneho miesta.
Pre mnoho organizmov je alosterická aktivácia pyruvátkinázy závislá od fruktózo-1,6-bisfosfátu (F16BP), ale to neplatí pre rastlinné enzýmy. Ostatné enzýmy sú tiež aktivované cyklickým AMP a 6-fosfátom glukózy.
Ďalej sa ukázalo, že aktivita väčšiny študovaných pyruvátkináz je vysoko závislá od prítomnosti monovalentných iónov, ako je draslík (K +) a dvojmocných iónov, ako je horčík (Mg + 2) a mangán (Mn + 2). ).
zábrana
Pyruvátkináza je inhibovaná hlavne fyziologickými alosterickými efektormi, takže tieto procesy sa medzi rôznymi druhmi a dokonca aj medzi typmi buniek a tkanív rovnakého organizmu značne líšia.
U mnohých cicavcov majú glukagón, adrenalín a cAMP inhibičné účinky na aktivitu pyruvátkinázy, čo je pôsobenie inzulínu.
Ďalej bolo dokázané, že niektoré aminokyseliny, ako je fenylalanín, môžu pôsobiť ako konkurenčné inhibítory tohto enzýmu v mozgu.
Referencie
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA a Walkinshaw, MD (2014). Štruktúry pyruvátkináz vykazujú evolučne odlišné alosterické stratégie. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S. a Chattopadhyay, D. (2019). Prehľad štruktúry, funkcie a regulácie pyruvátkináz. Proteínová veda.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Alosterická regulácia štúdie mutagenézy zameranej na pyruvát kinázu A. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Štruktúra a funkcia ľudskej erytrocytovej pyruvátkinázy Molekulárny základ nefosfocytovej hemolytickej anémie. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ a Vander Heiden, MG (2015, júl). Pyruvátkináza: funkcia, regulácia a úloha pri rakovine. Na seminároch v bunkovej a vývojovej biológii (zväzok 43, s. 43 - 51). Academic Press.