Kinazy pirogronianowej ( pyk ) jest enzymem, który katalizuje ostatni etap w szlaku glikolitycznym, który wiąże się z nieodwracalną przenoszenie grupy fosforanowej z jedną cząsteczką fosfoenolopirogronianu (PEP) na cząsteczkę ADP, w wyniku syntezy cząsteczek ATP i inny kwas pirogronowy lub pirogronian.
Powstały w ten sposób pirogronian następnie uczestniczy w różnych szlakach katabolicznych i anabolicznych (biosyntetycznych): można go dekarboksylować z wytworzeniem acetylo-CoA, karboksylować w celu wytworzenia szczawiooctanu, transaminować w celu wytworzenia alaniny, utlenić w celu wytworzenia kwasu mlekowego lub skierować w kierunku glukoneogenezy do syntezy glukoza.
Reakcja katalizowana przez enzym kinazę pirogronianową (źródło: Noah Salzman przez Wikimedia Commons)
Ponieważ uczestniczy w glikolizie, enzym ten jest bardzo ważny dla metabolizmu węglowodanów wielu organizmów, jednokomórkowych i wielokomórkowych, które wykorzystują go jako główną drogę kataboliczną do pozyskiwania energii.
Przykładem komórek ściśle zależnych od glikolizy do produkcji energii są erytrocyty ssaków, dla których niedobór któregokolwiek z enzymów zaangażowanych w ten szlak może mieć znacznie negatywne skutki.
Struktura
U ssaków opisano cztery izoformy enzymu kinazy pirogronianowej:
- PKM1 , typowy dla mięśni
- PKM2 , tylko u płodów (oba produkty alternatywnego przetwarzania tego samego informacyjnego RNA)
- PKL , obecny w wątrobie i
- PKR , obecny w erytrocytach (oba kodowane przez ten sam gen PKLR, ale transkrybowane przez różne promotory).
Jednak analizy przeprowadzone na strukturze różnych enzymów kinaz pirogronianowych występujących w przyrodzie (w tym tych 4 ze ssaków) wykazują duże podobieństwo w ogólnej strukturze, a także pod względem architektury miejsca aktywnego i mechanizmów regulacyjnych.
Ogólnie jest to enzym o masie cząsteczkowej 200 kDa, charakteryzujący się strukturą tetrameryczną złożoną z 4 identycznych jednostek białkowych, mniej więcej 50 lub 60 kDa, a każda z 4 domenami, a mianowicie:
- Mała helikalna domena na końcu N (nieobecna w enzymach bakteryjnych)
- Domena „ A ”, identyfikowana przez topologię 8 złożonych arkuszy β i 8 helis α
- Domena „ B ”, umieszczona pomiędzy złożonym beta arkuszem numer 3 a alfa helisą numer 3 domeny „A”
- Domena „ C ”, która ma topologię α + β
Struktura molekularna enzymu kinazy pirogronianowej (źródło: Jawahar Swaminathan i pracownicy MSD w Europejskim Instytucie Bioinformatyki za pośrednictwem Wikimedia Commons)
W tetramerach kinazy pirogronianowej z różnych organizmów wykryto trzy miejsca: miejsce aktywne, miejsce efektorowe i miejsce wiązania aminokwasu. Miejsce aktywne tych enzymów jest zlokalizowane pomiędzy domenami A i B, w pobliżu „miejsca efektorowego”, które należy do domeny C.
W tetramerze domeny C tworzą „mały” interfejs, podczas gdy domeny A tworzą większy interfejs.
Funkcjonować
Jak już omówiono, kinaza pirogronianowa katalizuje ostatni etap szlaku glikolitycznego, to znaczy przeniesienie grupy fosforanowej z fosfoenolopirogronianu (PEP) do cząsteczki ADP w celu wytworzenia ATP i cząsteczki pirogronianu lub kwasu pirogronowego.
Produkty reakcji katalizowane przez ten enzym mają ogromne znaczenie w różnych kontekstach metabolicznych. Pirogronian można stosować na różne sposoby:
- W warunkach tlenowych, to znaczy w obecności tlenu, można go użyć jako substratu dla enzymu znanego jako kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, który ma być dekarboksylowany i przekształcany w acetylo-CoA, cząsteczkę, która może wejść w cykl Krebsa w mitochondriach lub uczestniczyć w innych szlakach anabolicznych, takich jak na przykład biosynteza kwasów tłuszczowych.
- W przypadku braku tlenu lub beztlenowców pirogronian może być wykorzystany przez enzym dehydrogenazę mleczanową do produkcji kwasu mlekowego (utlenianie) w procesie znanym jako „fermentacja mlekowa”.
- Ponadto pirogronian można przekształcić w glukozę poprzez glukoneogenezę, w alaninę przez transaminazę alaninową, w szczawiooctan przez karboksylazę pirogronianową itp.
Należy pamiętać, że w reakcji katalizowanej przez ten enzym zachodzi również synteza netto ATP, która jest odpowiedzialna za glikolizę, wytwarzając 2 cząsteczki pirogronianu i 2 cząsteczki ATP na każdą cząsteczkę glukozy.
Zatem z tej perspektywy enzym kinaza pirogronianowa odgrywa fundamentalną rolę w wielu aspektach metabolizmu komórkowego, do tego stopnia, że jest stosowany jako cel terapeutyczny dla wielu ludzkich patogenów, wśród których wyróżnia się kilka pierwotniaków.
Rozporządzenie
Kinaza pirogronianowa jest enzymem niezwykle ważnym z punktu widzenia metabolizmu komórkowego, ponieważ to ona tworzy ostatni związek powstający na szlaku katabolizmu glukozy: pirogronian.
Oprócz tego, że jest jednym z trzech najbardziej regulowanych enzymów całego szlaku glikolitycznego (pozostałe dwa to heksokinaza (HK) i fosfofruktokinaza (PFK)), kinaza pirogronianowa jest bardzo ważnym enzymem kontrolującym przepływ metaboliczny i produkcję ATP poprzez glikolizę.
Jest aktywowany przez fosfoenolopirogronian, jeden z jego substratów (regulacja homotropowa), a także przez inne cukry mono- i difosforylowane, chociaż jego regulacja zależy od rodzaju rozważanego izoenzymu.
Niektóre teksty naukowe sugerują, że regulacja tego enzymu zależy również od jego architektury „wielodomenowej”, ponieważ jego aktywacja wydaje się zależeć od pewnych rotacji w domenach podjednostek i zmian w geometrii miejsca aktywnego.
W przypadku wielu organizmów allosteryczna aktywacja kinazy pirogronianowej zależy od 1,6-bisfosforanu fruktozy (F16BP), ale nie dotyczy to enzymów roślinnych. Inne enzymy są również aktywowane przez cykliczny AMP i 6-fosforan glukozy.
Ponadto wykazano, że aktywność większości badanych kinaz pirogronianowych jest silnie zależna od obecności jonów jednowartościowych, takich jak jony potasu (K +) i dwuwartościowe, takie jak magnez (Mg + 2) i mangan (Mn + 2). ).
Zahamowanie
Kinaza pirogronianowa jest hamowana głównie przez fizjologiczne allosteryczne efektory, więc procesy te różnią się znacznie między różnymi gatunkami, a nawet między komórkami i typami tkanek tego samego organizmu.
U wielu ssaków glukagon, epinefryna i cAMP mają działanie hamujące na aktywność kinazy pirogronianowej, czemu może przeciwdziałać insulina.
Ponadto udowodniono, że niektóre aminokwasy, takie jak fenyloalanina, mogą działać jako konkurencyjne inhibitory tego enzymu w mózgu.
Bibliografia
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA i Walkinshaw, MD (2014). Struktury kinaz pirogronianowych wykazują ewolucyjnie rozbieżne strategie allosteryczne. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Przegląd struktury, funkcji i regulacji kinaz pirogronianowych. Nauka o białkach.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Allosteryczna regulacja kinazy pirogronianowej A badanie ukierunkowanej mutagenezy. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Budowa i funkcja kinazy pirogronianowej ludzkich erytrocytów Molekularne podłoże nieferocytarnej niedokrwistości hemolitycznej. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ i Vander Heiden, MG (2015, lipiec). Kinaza pirogronianowa: funkcja, regulacja i rola w raku. W Seminars in cell & developmental biology (Vol. 43, str. 43-51). Academic Press.