Пируваткиназы ( PYK ) представляет собой фермент , который катализирует последнюю стадию в гликолиза, который включает в себя необратимый перенос фосфатной группы одной молекулы фосфоенолпирувата (PEP) к молекуле АДФ, что приводит к синтезу молекулы АТФ и другой пировиноградной кислоты или пирувата.
Полученный таким образом пируват впоследствии участвует в различных катаболических и анаболических (биосинтетических) путях: он может быть декарбоксилирован с образованием ацетил-КоА, карбоксилирован с образованием оксалоацетата, трансаминат - с образованием аланина, окислен с образованием молочной кислоты или может быть направлен на глюконеогенез для синтеза. глюкоза.
Реакция, катализируемая ферментом пируваткиназой (Источник: Ноа Зальцман через Wikimedia Commons)
Поскольку он участвует в гликолизе, этот фермент очень важен для углеводного обмена многих организмов, одноклеточных и многоклеточных, которые используют его как основной катаболический путь для получения энергии.
Примером клеток, строго зависящих от гликолиза для производства энергии, являются эритроциты млекопитающих, для которых дефицит любого из ферментов, участвующих в этом пути, может иметь значительные негативные последствия.
Структура
У млекопитающих описаны четыре изоформы фермента пируваткиназы:
- ПКМ1 , типичный для мышц
- PKM2 , только у плодов (оба продукта альтернативного процессинга одной и той же матричной РНК)
- ПКЛ , присутствующий в печени и
- PKR , присутствующая в эритроцитах (оба кодируются одним и тем же геном PKLR, но транскрибируются разными промоторами).
Однако анализы, проведенные на структуре различных ферментов пируваткиназы в природе (включая эти 4 фермента млекопитающих), показывают большое сходство в общей структуре, а также в отношении архитектуры активного сайта и регуляторных механизмов.
В общих чертах, это фермент с молекулярной массой 200 кДа, характеризующийся тетрамерной структурой, состоящей из 4 идентичных белковых единиц, более или менее 50 или 60 кДа, и каждая из которых имеет 4 домена, а именно:
- Небольшой спиральный домен на N-конце (отсутствует у бактериальных ферментов)
- Домен « A », идентифицируемый топологией из 8 свернутых β-листов и 8 α-спиралей.
- Домен « B », вставленный между свернутым бета-листом номер 3 и альфа-спиралью номер 3 домена «A»
- Область " C ", имеющая топологию α + β
Молекулярная структура фермента пируваткиназы (Источник: Джавахар Сваминатан и сотрудники MSD Европейского института биоинформатики через Wikimedia Commons)
В тетрамерах пируваткиназы различных организмов были обнаружены три сайта: активный сайт, эффекторный сайт и сайт связывания аминокислот. Активный сайт этих ферментов расположен между доменами A и B, вблизи «эффекторного сайта», который принадлежит домену C.
В тетрамере домены C образуют «маленький» интерфейс, а домены A образуют более крупный интерфейс.
Функция
Как уже обсуждалось, пируваткиназа катализирует последнюю стадию гликолитического пути, то есть перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата (PEP) к молекуле ADP с образованием АТФ и молекулы пирувата или пировиноградной кислоты.
Продукты реакции, катализируемой этим ферментом, имеют огромное значение для различных метаболических контекстов. Пируват можно использовать по-разному:
- В аэробных условиях, то есть в присутствии кислорода, его можно использовать в качестве субстрата для фермента, известного как комплекс пируватдегидрогеназы, который декарбоксилируется и превращается в ацетил-КоА, молекулу, которая может войти в цикл Кребса в митохондриях. или участвовать в других анаболических путях, таких как, например, биосинтез жирных кислот.
- При отсутствии кислорода или анаэробиоза пируват может использоваться ферментом лактатдегидрогеназой для производства молочной кислоты (окисление) посредством процесса, известного как «молочная ферментация».
- Кроме того, пируват может быть преобразован в глюкозу посредством глюконеогенеза, в аланин посредством аланинтрансаминазы, в оксалоацетат через пируваткарбоксилазу и т. Д.
Важно помнить, что в реакции, катализируемой этим ферментом, также происходит чистый синтез АТФ, который учитывается в гликолизе, с образованием 2 молекул пирувата и 2 молекул АТФ для каждой молекулы глюкозы.
Таким образом, с этой точки зрения фермент пируваткиназа играет фундаментальную роль во многих аспектах клеточного метаболизма, настолько, что он используется в качестве терапевтической мишени для многих патогенов человека, среди которых выделяются различные простейшие.
Регулирование
Пируваткиназа является чрезвычайно важным ферментом с точки зрения клеточного метаболизма, поскольку именно он образует последнее соединение, образующееся в результате пути катаболизма глюкозы: пируват.
Помимо того, что пируваткиназа является одним из трех наиболее регулируемых ферментов всего гликолитического пути (двумя другими являются гексокиназа (HK) и фосфофруктокиназа (PFK)), она является очень важным ферментом для контроля метаболического потока и производства. АТФ посредством гликолиза.
Он активируется фосфоенолпируватом, одним из его субстратов (гомотропная регуляция), а также другими моно- и дифосфорилированными сахарами, хотя его регуляция зависит от типа рассматриваемого изофермента.
Некоторые научные тексты предполагают, что регуляция этого фермента также зависит от его «многодоменной» архитектуры, поскольку его активация, по-видимому, зависит от некоторых вращений в доменах субъединиц и от изменений в геометрии активного сайта.
Для многих организмов аллостерическая активация пируваткиназы зависит от фруктозо-1,6-бисфосфата (F16BP), но это не относится к растительным ферментам. Другие ферменты также активируются циклическим АМФ и глюкозо-6-фосфатом.
Кроме того, было показано, что активность большинства изученных пируваткиназ сильно зависит от присутствия одновалентных ионов, таких как калий (K +), и двухвалентных ионов, таких как магний (Mg + 2) и марганец (Mn + 2). ).
Торможение
Пируваткиназа в основном ингибируется физиологическими аллостерическими эффекторами, поэтому эти процессы значительно различаются у разных видов и даже между типами клеток и тканей одного и того же организма.
У многих млекопитающих глюкагон, адреналин и цАМФ оказывают ингибирующее действие на активность пируваткиназы, эффекты, которым может противодействовать инсулин.
Кроме того, было показано, что некоторые аминокислоты, такие как фенилаланин, могут действовать как конкурентные ингибиторы этого фермента в мозге.
Ссылки
- Морган, HP, Чжун, В., МакНей, И.В., Мичелс, Пенсильвания, Фотергилл-Гилмор, Лос-Анджелес, и Уолкиншоу, Мэриленд (2014). Структуры пируваткиназ демонстрируют эволюционно расходящиеся аллостерические стратегии. Королевское общество открытой науки, 1 (1), 140120.
- Шорманн Н., Хайден К.Л., Ли П., Банерджи С. и Чаттопадхьяй Д. (2019). Обзор структуры, функции и регуляции пируваткиназ. Белковая наука.
- Валентини, Г., Кьярелли, Л., Фортин, Р., Сперанца, М.Л., Галицци, А., и Маттеви, А. (2000). Аллостерическая регуляция сайт-направленного мутагенеза пируваткиназы А. Журнал биологической химии, 275 (24), 18145-18152.
- Валентини, Г., Кьярелли, Л.Р., Фортин, Р., Долзан, М., Галицци, А., Абрахам, Д.Д.,… и Маттеви, А. (2002). Структура и функция пируваткиназы эритроцитов человека. Молекулярные основы несфероцитарной гемолитической анемии. Журнал биологической химии, 277 (26), 23807-23814.
- Израэльсен, WJ, и Вандер Хайден, MG (2015, июль). Пируваткиназа: функция, регуляция и роль в развитии рака. В семинарах по клеточной биологии и биологии развития (том 43, стр. 43-51). Академическая пресса.