Den pyruvatkinase (PYK) er det enzym, der katalyserer det sidste trin i den glycolytiske vej, hvilket indebærer irreversibel overdragelse af phosphatgruppen af et molekyle af phosphoenolpyruvat (PEP) til et molekyle ADP, hvilket resulterer i syntesen af et molekyle af ATP og en anden af pyruvinsyre eller pyruvat.
Det således producerede pyruvat deltager derefter i forskellige katabolske og anabolske (biosyntetiske) veje: det kan dekarboxyleres for at producere acetyl-CoA, carboxyleres til at producere oxaloacetat, transaminere for at producere alanin, oxideres for at producere mælkesyre eller det kan rettes mod glukoneogenese til syntese glucose.
Reaktion katalyseret af enzymet pyruvat kinase (Kilde: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Da det deltager i glykolyse, er dette enzym meget vigtigt for kulhydratmetabolismen i mange organismer, unicellulære og multicellulære, der bruger dette som den vigtigste kataboliske vej til opnåelse af energi.
Et eksempel på celler, der er strengt afhængige af glykolyse til energiproduktion, er det fra pattedyrs erytrocytter, for hvilke en mangel på en af de enzymer, der er involveret i denne vej, kan have betydelig negativ virkning.
Struktur
Fire isoformer af pyruvat-kinase-enzymet er beskrevet i pattedyr:
- PKM1, typisk i muskler
- PKM2, kun i fostre (begge produkter af alternativ behandling af samme messenger RNA)
- PKL, til stede i leveren og
- PKR, til stede i erythrocytter (begge kodes af det samme gen, PKLR, men transkriberes af forskellige promotorer).
Imidlertid viser analyserne udført på strukturen af de forskellige pyruvat-kinaseenzymer i naturen (inklusive disse 4 fra pattedyr) en stor lighed i den generelle struktur såvel som med hensyn til arkitekturen af det aktive sted og de regulerende mekanismer.
Generelt er det et enzym med en molekylvægt på 200 kDa, kendetegnet ved en tetramerisk struktur sammensat af 4 identiske proteinenheder, på mere eller mindre 50 eller 60 kDa, og hver med 4 domæner, nemlig:
- Et lille spiralformet domæne i den N-terminale ende (fraværende i bakterieenzymer)
- Et " A " domæne, der er identificeret ved en topologi på 8 foldede β-ark og 8 α helices
- Et " B " -domæne, indsat mellem foldet betaark nummer 3 og alpha helix nummer 3 i domæne "A"
- Et " C " domæne, som har en α + ß topologi
Molekylstruktur af pyruvat-kinase-enzymet (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-personale ved Det Europæiske Bioinformatikinstitut via Wikimedia Commons)
Der er påvist tre steder i pyruvat-kinasetetramere fra forskellige organismer: det aktive sted, effektorstedet og aminosyrebindingsstedet. Det aktive sted for disse enzymer er placeret mellem domæner A og B i nærheden af "effektorstedet", der hører til domæne C.
I tetramer danner C-domænerne en "lille" grænseflade, mens A-domænerne danner en større grænseflade.
Fungere
Som allerede diskuteret katalyserer pyruvatkinase det sidste trin i den glykolytiske bane, det vil sige overførslen af en phosphatgruppe fra phosphoenolpyruvat (PEP) til et ADP-molekyle til fremstilling af ATP og et pyruvat eller pyruvinsyremolekyle.
Produkterne fra reaktionen, der katalyseres af dette enzym, er af største betydning for forskellige metaboliske sammenhænge. Pyruvat kan bruges på forskellige måder:
- Under aerobe forhold, det vil sige i nærvær af ilt, kan dette bruges som et underlag til et enzym kendt som pyruvatdehydrogenase-komplekset, der skal dekarboxyleres og omdannes til acetyl-CoA, et molekyle, der kan gå ind i Krebs-cyklussen i mitokondrierne eller deltage i andre anabolske veje, f.eks. fedtsyrebiosyntese.
- I fravær af ilt eller anaerobiose kan pyruvat bruges af enzymet lactatdehydrogenase til at producere mælkesyre (oxidation) gennem en proces, der kaldes "mælkefermentering".
- Derudover kan pyruvat omdannes til glucose gennem glukoneogenese, til alanin gennem alanintransaminase, til oxaloacetat gennem pyruvatcarboxylase osv.
Det er vigtigt at huske, at i reaktionen, der katalyseres af dette enzym, forekommer også nettesyntesen af ATP, der er tegnet for glycolyse, hvilket producerer 2 molekyler pyruvat og 2 molekyler af ATP for hvert molekyle glukose.
Set fra dette perspektiv spiller pyruvat-kinase-enzymet således en grundlæggende rolle i mange aspekter af cellulær metabolisme, så meget, at det bruges som et terapeutisk mål for mange humane patogener, blandt hvilke adskillige protozoer skiller sig ud.
Regulering
Pyruvatkinase er et ekstremt vigtigt enzym med hensyn til cellulær metabolisme, da det er den, der danner den sidste forbindelse, der er resultatet af glukosekatabolismebanen: pyruvat.
Udover at være en af de tre mest regulerede enzymer i hele den glykolytiske vej (de to andre er hexokinase (HK) og phosphofructokinase (PFK)) er pyruvatkinase et meget vigtigt enzym til styring af metabolisk strømning og produktion af ATP gennem glykolyse.
Det aktiveres af phosphoenolpyruvat, et af dets underlag (homotropisk regulering) såvel som af andre mono- og diphosforylerede sukkerarter, skønt dens regulering afhænger af den betragtede isoenzym.
Nogle videnskabelige tekster antyder, at reguleringen af dette enzym også afhænger af dets "multidomain" -arkitektur, da dets aktivering ser ud til at afhænge af nogle rotationer i domænerne til underenhederne og af ændringer i geometrien på det aktive sted.
For mange organismer er allosterisk aktivering af pyruvatkinase afhængig af fruktose 1,6-bisphosphat (F16BP), men dette er ikke tilfældet for planteenzymer. Andre enzymer aktiveres også af cyklisk AMP og glukose 6-phosphat.
Derudover er det vist, at aktiviteten af de fleste af de studerede pyruvat-kinaser er meget afhængig af tilstedeværelsen af monovalente ioner, såsom kalium (K +) og divalente ioner, såsom magnesium (Mg + 2) og mangan (Mn + 2).).
Hæmning
Pyruvatkinase inhiberes hovedsageligt af fysiologiske allosteriske effekter, så disse processer varierer betydeligt mellem forskellige arter og endda mellem celler og væv af den samme organisme.
Hos mange pattedyr har glukagon, epinephrin og cAMP hæmmende virkninger på pyruvatkinaseaktivitet, virkninger, der kan modvirkes med insulin.
Det er endvidere bevist, at nogle aminosyrer, såsom phenylalanin, kan fungere som konkurrencedygtige hæmmere for dette enzym i hjernen.
Referencer
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Strukturer af pyruvatkinaser viser evolutionært divergerende allosteriske strategier. Royal Society åben videnskab, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). En oversigt over struktur, funktion og regulering af Pyruvat-kinaser. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Den allosteriske regulering af pyruvatkinase Et stedrettet mutagenesestudie. Journal of Biologisk Kemi, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Struktur og funktion af human erytrocyt pyruvat kinase Molekylær basis af ikke-sfærocytisk hemolytisk anæmi. Journal of Biologisk Kemi, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, juli). Pyruvat-kinase: funktion, regulering og rolle i kræft. I seminarer i celle- og udviklingsbiologi (bind 43, s. 43-51). Academic Press.