Glykogenfosforylas - Glycogen phosphorylase

Fosforylas
Kristallstrukturen för kaninmuskelglykogenfosforylas-AMP-komplexet. AMP allosteriskt ställe (gult), fosforylerat Ser14 (orange), glykogenbindningsställe (blått), katalytiskt ställe (rött).
Identifierare
EG -nr.	2.4.1.1
CAS -nr.	9035-74-9
Databaser
IntEnz	IntEnz -vy
BRENDA	BRENDA -inträde
ExPASy	NiceZyme -vy
KEGG	KEGG -post
MetaCyc	Metabolisk väg
PRIAM	profil
PDB -strukturer	RCSB PDB PDBe PDBsum
Genontologi	AmiGO / QuickGO
Sök PMC artiklar PubMed artiklar NCBI proteiner

Glykogenfosforylas är en av de fosforylas enzymer ( EC 2.4.1.1 ). Glykogenfosforylas katalyserar det hastighetsbegränsande steget i glykogenolys hos djur genom att frigöra glukos-1-fosfat från den terminala alfa-1,4-glykosidbindningen. Glykogenfosforylas studeras också som ett modellprotein som regleras av både reversibel fosforylering och allosteriska effekter.

Mekanism

Glykogenfosforylas bryter upp glykogen i glukosunderenheter (se även figuren nedan):

(α-1,4 glykogenkedja) _n + Pi ⇌ (α-1,4 glykogenkedja) _n-1 + α-D-glukos-1-fosfat.

Glykogen är kvar med en färre glukosmolekyl , och den fria glukosmolekyl är i form av glukos-1-fosfat . För att kunna användas för metabolism måste den omvandlas till glukos-6-fosfat av enzymet fosfoglukomutas .

Även om reaktionen är reversibel in vitro , fungerar enzymet i cellen endast i riktning framåt som visas nedan eftersom koncentrationen av oorganiskt fosfat är mycket högre än för glukos-1-fosfat.

Glykogenfosforylas kan endast verka på linjära kedjor av glykogen (α1-4 glykosidbindning). Dess arbete kommer omedelbart att stoppa fyra rester från α1-6- grenen (som är mycket vanliga i glykogen). I dessa situationer är avgreningsenzymet nödvändigt, vilket kommer att räta ut kedjan i det området. Dessutom skiftar enzymet transferas ett block av 3 glukosylrester från den yttre grenen till den andra änden, och sedan en α1-6 glukosidas enzym erfordras för att bryta den återstående (enkel glukos) α1-6 rest som förblir i den nya linjära kedja. När allt detta är gjort kan glykogenfosforylas fortsätta. Enzymet är specifikt för a1-4-kedjor, eftersom molekylen innehåller en 30 ångström lång spricka med samma radie som spiralen som bildas av glykogenkedjan; detta rymmer 4-5 glukosylrester, men är för smalt för grenar. Denna spricka förbinder glykogenlagringsplatsen med den aktiva, katalytiska platsen.

Glykogenfosforylas har en pyridoxalfosfat (PLP, som härrör från vitamin B ₆ ) vid varje katalytiskt ställe. Pyridoxalfosfat länkar till basiska rester (i detta fall Lys680) och bildar kovalent en Schiff -bas . När väl Schiff-baslänken bildats och håller PLP-molekylen i det aktiva stället, donerar fosfatgruppen på PLP lätt en proton till en oorganisk fosfatmolekyl, vilket gör att det oorganiska fosfatet i sin tur kan deprotoneras av syret som bildar α-1 , 4 glykosidbindning. PLP deprotoneras lätt eftersom dess negativa laddning inte bara stabiliseras inom fosfatgruppen, utan också i pyridinringen, så att konjugatbasen till följd av deprotonering av PLP är ganska stabil. Den protonerade syret utgör nu en bra lämnande grupp , och glykogen kedjan separeras från terminalen glykogen i en S _N 1 mode, vilket resulterar i bildningen av en glukosmolekyl med en sekundär karbokatjon vid en position. Slutligen fungerar det deprotoniserade oorganiska fosfatet som en nukleofil och binder till karbokationen, vilket resulterar i bildandet av glukos-1-fosfat och en glykogenkedja förkortad med en glukosmolekyl.

Det finns också en alternativ föreslagen mekanism som innefattar ett positivt laddat syre i en halvstolskonformation.

Strukturera

Glykogenfosforylasmonomeren är ett stort protein, bestående av 842 aminosyror med en massa på 97,434 kDa i muskelceller. Även om enzymet kan existera som en inaktiv monomer eller tetramer, är det biologiskt aktivt som en dimer av två identiska subenheter.

R- och T -tillstånd för glykogenfosforylas b Tower Helices, till vänster respektive höger. Notera den relativa placeringen av de centrala tornhylsorna, liksom de ökade interaktionerna mellan subenheter i R -tillståndet. PDB3CEH, PDB3E3O

Hos däggdjur finns de viktigaste isozymerna av glykogenfosforylas i muskler, lever och hjärnor. Hjärntypen är dominerande i vuxna hjärnor och embryonala vävnader, medan levern och muskeltyperna är dominerande i vuxen lever respektive skelettmuskel.

Glykogenfosforylasdimeren har många regioner av biologisk betydelse, inklusive katalytiska platser, glykogenbindningsställen, allosteriska platser och en reversibelt fosforylerad serinrest. Först är de katalytiska platserna relativt nedgrävda, 15Å från proteinets yta och från subenhetens gränssnitt. Denna brist på enkel åtkomst av det katalytiska stället till ytan är signifikant genom att det gör proteinaktiviteten mycket mottaglig för reglering, eftersom små allosteriska effekter kraftigt kan öka den relativa åtkomsten av glykogen till platsen.

Den kanske viktigaste regleringsplatsen är Ser14, platsen för reversibel fosforylering mycket nära subenhetsgränssnittet. Den strukturella förändring som är förknippad med fosforylering och med omvandlingen av fosforylas b till fosforylas a är arrangemanget av de ursprungligen störda resterna 10 till 22 till a -spiraler. Denna förändring ökar fosforylasaktiviteten upp till 25% även i avsaknad av AMP, och förbättrar AMP -aktiveringen ytterligare.

Det allosteriska stället för AMP -bindning på muskelisoformer av glykogenfosforylas ligger nära subenhetsgränssnittet precis som Ser14. Bindning av AMP på denna plats, motsvarande i en förändring från enzymets T -tillstånd till R -tillståndet, resulterar i små förändringar i tertiär struktur vid subenhetsgränssnittet som leder till stora förändringar i kvartärstruktur. AMP-bindning roterar tornhylsorna (resterna 262-278) hos de två subenheterna 50˚ i förhållande till varandra genom större organisation och intersubenhetsinteraktioner. Denna rotation av tornhylsorna leder till en rotation av de två underenheterna med 10˚ i förhållande till varandra, och ännu viktigare stör rester 282-286 (280-slingan) som blockerar åtkomst till den katalytiska platsen i T-tillståndet men inte i R -staten.

Den sista, kanske mest nyfikna platsen på glykogenfosforylasproteinet är den så kallade glykogenlagringsplatsen. Rester 397-437 bildar denna struktur, vilket gör att proteinet kovalent binder till glykogenkedjan hela 30 Å från det katalytiska stället. Denna plats är troligen den plats vid vilken enzymet binder till glykogengranuler innan klyvning av terminala glukosmolekyler initieras. Faktum är att 70% av dimeriskt fosforylas i cellen existerar som bunden till glykogengranuler snarare än fritt flytande.

Klinisk signifikans

Inhiberingen av glykogenfosforylas har föreslagits som en metod för behandling av typ 2 -diabetes . Eftersom glukosproduktionen i levern har visat sig öka hos patienter med diabetes typ 2 verkar det vara ett giltigt tillvägagångssätt att hämma frisättningen av glukos från leverens glykogentillförsel. Kloningen av humant leverglykogenfosforylas (HLGP) avslöjade ett nytt allosteriskt bindningsställe nära subenhetsgränssnittet som inte finns i kaninmuskelglykogenfosforylaset (RMGP) som normalt används i studier. Denna plats var inte känslig för samma hämmare som de på AMP-allosteriska stället, och mest framgång har gjorts med att syntetisera nya hämmare som efterliknar glukosstrukturen, eftersom glukos-6-fosfat är en känd hämmare av HLGP och stabiliserar de mindre aktiva T-tillstånd. Dessa glukosderivat har haft viss framgång med att hämma HLGP, med förutspådda Ki -värden så låga som 0,016 mM.

Mutationer i muskelisoformen av glykogenfosforylas (PYGM) är associerade med glykogenlagringssjukdom typ V (GSD V, McArdle's Disease). Mer än 65 mutationer i PYGM -genen som leder till McArdle -sjukdomen har hittats hittills. Symtom på McArdle -sjukdom inkluderar muskelsvaghet, myalgi och brist på uthållighet, allt som härrör från låga glukosnivåer i muskelvävnad.

Mutationer i leverisoformen av glykogenfosforylas (PYGL) är associerade med Hers 'Disease ( glykogenlagringssjukdom typ VI ). Hennes sjukdom är ofta förknippad med milda symtom som normalt är begränsade till hypoglykemi och är ibland svåra att diagnostisera på grund av kvarvarande enzymaktivitet.

Hjärnans isoform av glykogenfosforylas (PYGB) har föreslagits som en biomarkör för magcancer .

Förordning

Glykogenfosforylas regleras genom allosterisk kontroll och genom fosforylering . Fosforylas a och fosforylas b förekommer var och en i två former ett T (spänt) inaktivt tillstånd och R (avslappnat) tillstånd. Fosforylas b är normalt i T -tillståndet, inaktivt på grund av den fysiologiska närvaron av ATP och glukos 6 -fosfat, och fosforylas a är normalt i R -tillståndet (aktivt). Ett isoenzym av glykogenfosforylas finns i levern som är känslig för glukoskoncentration, eftersom levern fungerar som en glukosexportör. I grund och botten reagerar leverfosforylas på glukos, vilket orsakar en mycket lyhörd övergång från R till T -formen, vilket inaktiverar den; leverfosforylas är dessutom okänsligt för AMP.

Hormoner som epinefrin , insulin och glukagon reglerar glykogenfosforylas med hjälp av andra budbärarförstärkningssystem kopplade till G -proteiner . Glukagon aktiverar adenylatcyklas genom en G-proteinkopplade receptorer (GPCR) som är kopplad till G _s som i sin tur aktiverar adenylatcyklas för att öka intracellulära koncentrationer av cAMP. cAMP binder till och aktiverar proteinkinas A (PKA). PKA fosforylerar fosforylas -kinas , som i sin tur fosforylerar glykogenfosforylas b vid Ser14, omvandlar det till det aktiva glykogenfosforylaset a.

I levern aktiverar glukagon också en annan GPCR som utlöser en annan kaskad, vilket resulterar i aktivering av fosfolipas C (PLC). PLC orsakar indirekt frisättning av kalcium från hepatocyternas endoplasmatiska retikulum i cytosolen. Den ökade kalciumtillgängligheten binder till calmodulin -subenheten och aktiverar glykogenfosforylas -kinas. Glykogenfosforylas -kinas aktiverar glykogenfosforylas på samma sätt som nämnts tidigare.

Glykogenfosforylas b är inte alltid inaktiv i muskler, eftersom det kan aktiveras allosteriskt av AMP. En ökning av AMP -koncentrationen, som uppstår under ansträngande träning, signalerar energibehov. AMP aktiverar glykogenfosforylas b genom att ändra dess form från en spänd till en avslappnad form. Denna avslappnade form har liknande enzymatiska egenskaper som det fosforylerade enzymet. En ökning av ATP -koncentrationen motsätter sig denna aktivering genom att förskjuta AMP från nukleotidbindningsstället, vilket indikerar tillräckliga energilager.

När du äter en måltid, frigörs insulin , vilket signalerar glukos tillgänglighet i blodet. Insulin aktiverar indirekt proteinfosfatas 1 (PP1) och fosfodiesteras via en signaltransduktionskaskad. PP1 defosforylerar glykogenfosforylas a, reformerar det inaktiva glykogenfosforylaset b. Fosfodiesteraset omvandlar cAMP till AMP. Tillsammans minskar de koncentrationen av cAMP och hämmar PKA. Som ett resultat kan PKA inte längre initiera fosforyleringskaskaden som slutar med bildandet av (aktivt) glykogenfosforylas a. Sammantaget minskar insulinsignalering glykogenolys för att bevara glykogenlager i cellen och utlöser glykogenes .

Historisk betydelse

Glykogenfosforylas var det första allosteriska enzymet som upptäcktes. Det isolerades och dess aktivitet karakteriserades i detalj av Carl F. Cori , Gerhard Schmidt och Gerty T. Cory . Arda Green och Gerty Cori kristalliserade det för första gången 1943 och illustrerade att glykogenfosforylas existerade i antingen a- eller b -formerna beroende på dess fosforyleringstillstånd, liksom i R- eller T -tillstånden baserat på närvaron av AMP.

Se även

• Glykogenolys

Referenser

Vidare läsning

externa länkar

• GeneReviews/NCBI/NIH/UW -post om glykogenlagringssjukdom typ VI - Hennes sjukdom
• Glykogen+fosforylas vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• Översikt över all strukturinformation som finns tillgänglig i PDB för UniProt : P11217 (Human muscle Glycogen phosphorylase) på PDBe-KB .
• Översikt över all strukturinformation som finns tillgänglig i PDB för UniProt : P06737 (Human liver Glycogen phosphorylase) på PDBe-KB .
• Översikt över all strukturinformation som finns tillgänglig i PDB för UniProt : P11216 (Human brain Glycogen phosphorylase) på PDBe-KB .