Pyruvatkinas - Pyruvate kinase

Pyruvatkinas
Pyruvat kinas protein domäner.png
3D -struktur av pyruvatkinas ( 1PKN )
Identifierare
EG -nr. 2.7.1.40
CAS -nr. 9001-59-6
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

Pyruvatkinas är enzymet som är involverat i det sista steget av glykolys . Det katalyserar överföringen av en fosfatgrupp från fosfoenolpyruvat (PEP) till adenosindifosfat (ADP), vilket ger en molekyl pyruvat och en molekyl ATP . Pyruvatkinas fick ett olämpligt namn (inkonsekvent med ett konventionellt kinas ) innan det insåg att det inte direkt katalyserade fosforylering av pyruvat , vilket inte sker under fysiologiska förhållanden. Pyruvatkinas finns i fyra distinkta, vävnadsspecifika isozymer hos djur, var och en bestående av särskilda kinetiska egenskaper som är nödvändiga för att tillgodose variationerna i metaboliska krav hos olika vävnader.

Isozymer hos ryggradsdjur

Fyra isozymer av pyruvatkinas uttryckt i ryggradsdjur: L (lever), R (erytrocyter), M1 (muskel och hjärna) och M2 (tidig fostervävnad och de flesta vuxna vävnader). L- och R -isozymerna uttrycks av genen PKLR , medan M1- och M2 -isozymerna uttrycks av genen PKM2 . R- och L -isozymerna skiljer sig från M1 och M2 genom att de är allosteriskt reglerade. Kinetiskt har R- och L -isozymerna i pyruvatkinas två olika konformationstillstånd; en med hög substrataffinitet och en med låg substrataffinitet. R-tillståndet, kännetecknat av hög substrataffinitet, fungerar som den aktiverade formen av pyruvatkinas och stabiliseras av PEP och fruktos 1,6-bisfosfat (FBP), vilket främjar den glykolytiska vägen. T-tillståndet, kännetecknat av låg substrataffinitet, fungerar som den inaktiverade formen av pyruvatkinas, bunden och stabiliserad av ATP och alanin , vilket orsakar fosforylering av pyruvatkinas och hämning av glykolys. M2 -isozymet av pyruvatkinas kan bilda tetramerer eller dimerer. Tetramerer har en hög affinitet för PEP, medan dimerer har en låg affinitet för PEP. Enzymatisk aktivitet kan regleras genom att fosforylera högaktiva tetramerer av PKM2 till inaktiva dimerer.

PKM -genen består av 12 exoner och 11 introner . PKM1 och PKM2 är olika skarvningsprodukter av M-genen (PKM1 innehåller exon 9 medan PKM2 innehåller exon 10) och skiljer sig endast i 23 aminosyror inom en 56-aminosyrasträcka (aa 378-434) vid deras karboxiterminal . PKM -genen regleras genom heterogena ribonukleotidproteiner som hnRNPA1 och hnRNPA2. Human PKM2 -monomer har 531 aminosyror och är en enda kedja uppdelad i A-, B- och C -domäner. Skillnaden i aminosyrasekvens mellan PKM1 och PKM2 gör att PKM2 kan allosteriskt regleras av FBP och för att den kan bilda dimerer och tetramerer medan PKM1 endast kan bilda tetramerer.

Isozymer i bakterier

Många Enterobacteriaceae, inklusive E. coli , har två isoformer av pyruvatkinas, PykA och PykF, som är 37% identiska i E. coli (Uniprot: PykA , PykF ). De katalyserar samma reaktion som i eukaryoter, nämligen generering av ATP från ADP och PEP, det sista steget i glykolys , ett steg som är irreversibelt under fysiologiska förhållanden. PykF regleras allosteriskt av FBP som återspeglar PykF: s centrala position i cellulär metabolism. PykF -transkription i E. coli regleras av den globala transkriptionella regulatorn Cra (FruR). PfkB visade sig hämmas av MgATP vid låga koncentrationer av Fru-6P, och denna reglering är viktig för glukoneogenes .

Reaktion

Glykolys

Det finns två steg i pyruvatkinasreaktionen vid glykolys. Först överför PEP en fosfatgrupp till ADP, vilket producerar ATP och enolatet av pyruvat. För det andra måste en proton tillsättas till enolatet av pyruvat för att producera den funktionella formen av pyruvat som cellen kräver. Eftersom substratet för pyruvatkinas är ett enkelt fosfosocker och produkten är en ATP är pyruvatkinas ett möjligt grundenzym för utvecklingen av glykolyscykeln och kan vara ett av de äldsta enzymerna i allt jordbaserat liv . Fosfoenolpyruvat kan ha funnits abiotiskt och har visat sig produceras med högt utbyte i en primitiv trioglykolysväg.

Ett enkelt diagram som visar det sista steget i glykolys, överföringen av en fosfatgrupp från fosfoenolpyruvat (PEP) till adenosindifosfat (ADP) med pyruvatkinas, vilket ger en molekyl pyruvat och en molekyl ATP .

I jästceller befanns interaktionen mellan jästpyruvatkinas (YPK) och PEP och dess allosteriska effektor fruktos 1,6-bisfosfat (FBP,) förbättras genom närvaron av Mg 2+ . Därför drogs slutsatsen att Mg 2+ var en viktig kofaktor vid katalys av PEP till pyruvat av pyruvatkinas. Vidare visade sig att metalljonen Mn 2+ har en liknande, men starkare effekt på YPK än Mg 2+ . Bindningen av metalljoner till metallbindningsställena på pyruvatkinas ökar reaktionshastigheten.

Reaktionen katalyserad av pyruvatkinas är det sista steget i glykolys. Det är ett av tre hastighetsbegränsande steg i denna väg. Hastighetsbegränsande steg är de långsammare, reglerade stegen i en väg och bestämmer därmed den totala hastigheten för vägen. Vid glykolys är de hastighetsbegränsande stegen kopplade till antingen hydrolys av ATP eller fosforylering av ADP, vilket gör att vägen blir energiskt gynnsam och väsentligen irreversibel i celler. Detta sista steg är mycket reglerat och avsiktligt irreversibelt eftersom pyruvat är en avgörande mellanliggande byggsten för ytterligare metaboliska vägar. När väl pyruvat har producerats går det antingen in i TCA -cykeln för vidare produktion av ATP under aeroba förhållanden, eller omvandlas till mjölksyra eller etanol under anaeroba förhållanden.

Glukoneogenes: omvänd reaktion

Pyruvatkinas fungerar också som ett reglerande enzym för glukoneogenes , en biokemisk väg där levern genererar glukos från pyruvat och andra substrat. Glukoneogenes använder icke -kolhydratkällor för att ge glukos till hjärnan och röda blodkroppar vid svält när direkta glukosreserver är slut. Under fastande tillstånd inhiberas pyruvatkinas, vilket förhindrar att "läckage" av fosfoenolpyruvat kan omvandlas till pyruvat; i stället omvandlas fosfoenolpyruvat till glukos via en kaskad av glukoneogenesreaktioner . Även om det använder liknande enzymer, är glukoneogenes inte det motsatta av glykolys. Det är istället en väg som kringgår glykolysens irreversibla steg. Vidare förekommer inte glukoneogenes och glykolys samtidigt i cellen vid ett givet tillfälle, eftersom de är ömsesidigt reglerade av cellsignalering. När glukoneogenesvägen är klar utvisas den producerade glukosen från levern, vilket ger energi till vitala vävnader i fastande tillstånd.

Förordning

Glykolys är starkt reglerad vid tre av dess katalytiska steg: fosforylering av glukos med hexokinas , fosforylering av fruktos-6-fosfat med fosfofruktokinas och överföring av fosfat från PEP till ADP med pyruvatkinas. Under vildtypsförhållanden är alla dessa tre reaktioner irreversibla, har en stor negativ fri energi och är ansvariga för regleringen av denna väg. Pyruvatkinasaktivitet regleras mest av allosteriska effektorer, kovalenta modifierare och hormonell kontroll. Den mest signifikanta pyruvatkinasregulatorn är emellertid fruktos-1,6-bisfosfat (FBP), som fungerar som en allosterisk effektor för enzymet.

Allosteriska effektorer

Allosterisk reglering är bindningen av en effektor till en plats på proteinet annat än det aktiva stället, vilket orsakar en konformationsförändring och förändrar aktiviteten hos det givna proteinet eller enzymet. Pyruvatkinas har befunnits vara allosteriskt aktiverat av FBP och inaktiverat allosteriskt av ATP och alanin. Pyruvatkinas tetramerisering främjas av FBP och Serine medan tetramerdissociation främjas av L-Cystein.

Fruktos-1,6-bisfosfat

FBP är den viktigaste regleringskällan eftersom den kommer inifrån glykolysvägen. FBP är en glykolytisk mellanprodukt framställd genom fosforylering av fruktos 6-fosfat . FBP binder till det allosteriska bindningsstället på domän C för pyruvatkinas och ändrar enzymets konformation, vilket orsakar aktivering av pyruvatkinasaktivitet. Som en mellanprodukt närvarande inom den glykolytiska vägen, ger FBP feed -forward stimulering eftersom ju högre koncentrationen av FBP, desto större är allosterisk aktivering och storlek av pyruvatkinasaktivitet. Pyruvatkinas är mest känsligt för effekterna av FBP. Som ett resultat fungerar resten av regleringsmekanismerna som sekundär modifiering.

Kovalenta modifierare

Kovalenta modifierare fungerar som indirekta regulatorer genom att kontrollera fosforylering, defosforylering, acetylering, succinylering och oxidation av enzymer, vilket resulterar i aktivering och hämning av enzymatisk aktivitet. I levern aktiverar glukagon och adrenalin proteinkinas A , som fungerar som en kovalent modifierare genom fosforylering och avaktivering av pyruvatkinas. Däremot aktiverar utsöndringen av insulin som svar på förhöjt blodsocker fosfoproteinfosfatas I, vilket leder till att defosforylering och aktivering av pyruvatkinas ökar glykolysen. Samma kovalenta modifiering har motsatt effekt på glukoneogenesenzymer. Detta regleringssystem är ansvarigt för att undvika en meningslös cykel genom att förhindra samtidig aktivering av pyruvatkinas och enzymer som katalyserar glukoneogenes.

Kolhydratresponselementbindande protein (ChREBP)

ChREBP har visat sig vara ett väsentligt protein vid gentranskription av L -isozymet av pyruvatkinas. ChREBP -domänerna är målplatser för reglering av pyruvatkinas med glukos och cAMP. Specifikt aktiveras ChREBP av en hög koncentration av glukos och hämmas av cAMP. Glukos och cAMP fungerar i motsats till varandra genom kovalent modifieringsreglering. Medan cAMP binder till Ser196 och Thr666 bindningsställen för ChREBP, vilket orsakar fosforylering och inaktivering av pyruvatkinas; glukos binder till Ser196 och Thr666 bindningsställen för ChREBP, vilket orsakar defosforylering och aktivering av pyruvatkinas. Som ett resultat har cAMP och överskott av kolhydrater visat sig spela en indirekt roll i regleringen av pyruvatkinas.

Hormonell kontroll

För att förhindra en meningslös cykel regleras glykolys och glukoneogenes kraftigt för att säkerställa att de aldrig fungerar i cellen samtidigt. Som ett resultat stänger hämningen av pyruvatkinas av glukagon, cyklisk AMP och epinefrin inte bara glykolys, utan stimulerar också glukoneogenes. Alternativt stör insulin effekten av glukagon, cykliskt AMP och epinefrin, vilket gör att pyruvatkinas fungerar normalt och glukoneogenes stängs av. Vidare befanns glukos hämma och störa glukoneogenes, vilket lämnade pyruvatkinasaktivitet och glykolys opåverkad. Sammantaget spelar interaktionen mellan hormoner en nyckelroll i funktionen och regleringen av glykolys och glukoneogenes i cellen.

Hämmande effekt av metformin

Metformin, eller dimetylbiguanid , är den primära behandlingen som används för typ 2 -diabetes. Metformin har visat sig indirekt påverka pyruvatkinas genom hämning av glukoneogenes. Specifikt är tillsatsen av metformin kopplad till en markant minskning av glukosflöde och ökning av laktat/pyruvatflöde från olika metaboliska vägar. Även om metformin inte direkt påverkar pyruvatkinasaktivitet, orsakar det en minskning av koncentrationen av ATP. På grund av de allosteriska inhiberande effekterna av ATP på pyruvatkinas resulterar en minskning av ATP i minskad hämning och efterföljande stimulering av pyruvatkinas. Följaktligen styr ökningen av pyruvatkinasaktivitet metaboliskt flöde genom glykolys snarare än glukoneogenes.

Genreglering

Heterogena ribonukleotidproteiner (hnRNP) kan verka på PKM -genen för att reglera uttrycket av M1- och M2 -isoformer. PKM1 och PKM2 isoformer är skarvvarianter av PKM -genen som skiljer sig åt med ett enda exon. Olika typer av hnRNP, såsom hnRNPA1 och hnRNPA2, kommer in i kärnan under hypoxi-förhållanden och modulerar uttryck så att PKM2 uppregleras. Hormoner som insulin uppreglerar uttryck av PKM2 medan hormoner som tri-jodtyronin (T3) och glukagon hjälper till att reglera ned PKM2.

Kliniska tillämpningar

Brist

Genetiska defekter hos detta enzym orsakar sjukdomen känd som brist på pyruvatkinas . I detta tillstånd bromsar brist på pyruvatkinas processen med glykolys. Denna effekt är särskilt förödande i celler som saknar mitokondrier , eftersom dessa celler måste använda anaerob glykolys som sin enda energikälla eftersom TCA -cykeln inte är tillgänglig. Till exempel blir röda blodkroppar , som i ett tillstånd av pyruvatkinasbrist, snabbt brist på ATP och kan genomgå hemolys . Därför kan pyruvatkinasbrist orsaka kronisk icke -sfärocytisk hemolytisk anemi (CNSHA).

PK-LR-genmutation

Pyruvatkinasbrist orsakas av ett autosomalt recessivt drag. Däggdjur har två pyruvatkinasgener, PK-LR (som kodar för pyruvatkinas isozymer L och R) och PK-M (som kodar för pyruvatkinas isozym M1), men endast PKLR kodar för röda blodisozymet som påverkar pyruvatkinasbrist. Över 250 PK-LR-genmutationer har identifierats och associerats med pyruvatkinasbrist. DNA -test har väglett upptäckten av PKLR: s lokalisering på kromosom 1 och utvecklingen av direkta gensekvenseringstester för att molekylärt diagnostisera pyruvatkinasbrist.

Tillämpningar av pyruvatkinashämning

Hämning av reaktiva syrearter (ROS)

Reaktiva syrearter (ROS) är kemiskt reaktiva syreformer. I humana lungceller har ROS visat sig hämma M2 -isozymet av pyruvatkinas (PKM2). ROS uppnår denna hämning genom att oxidera Cys358 och inaktivera PKM2. Som ett resultat av PKM2 -inaktivering omvandlas glukosflödet inte längre till pyruvat utan används istället i pentosfosfatvägen, vilket resulterar i minskning och avgiftning av ROS. På detta sätt ökar de skadliga effekterna av ROS och orsakar större oxidativ stress på lungcellerna, vilket leder till potentiell tumörbildning. Denna hämmande mekanism är viktig eftersom den kan föreslå att regleringsmekanismerna i PKM2 är ansvariga för att hjälpa cancercellsresistens mot oxidativ stress och förbättrad tumörgenes.

Fenylalaninhämning

Fenylalanin har visat sig fungera som en konkurrerande hämmare av pyruvatkinas i hjärnan. Även om graden av fenylalaninhämmande aktivitet är liknande i både foster- och vuxna celler, är enzymerna i fosterets hjärnceller betydligt mer sårbara för hämning än de hos vuxna hjärnceller. En studie av PKM2 hos spädbarn med den genetiska hjärnsjukdomen fenylketonurika (PKU) visade förhöjda nivåer av fenylalanin och minskad effektivitet av PKM2. Denna hämmande mekanism ger insikt i pyruvatkinas roll i hjärncellskador.

Pyruvatkinas vid cancer

Cancerceller har karakteristiskt accelererade metaboliska maskiner och Pyruvat Kinase antas ha en roll vid cancer. Jämfört med friska celler har cancerceller förhöjda nivåer av PKM2 -isoformen, speciellt dimer med låg aktivitet. Därför används PKM2 -serumnivåer som markörer för cancer. Dimer med låg aktivitet möjliggör uppbyggnad av fosfoenolpyruvat (PEP) och lämnar stora koncentrationer av glykolytiska mellanprodukter för syntes av biomolekyler som så småningom kommer att användas av cancerceller. Fosforylering av PKM2 med mitogenaktiverat proteinkinas 1 (ERK2) orsakar konformationsförändringar som gör att PKM2 kan komma in i kärnan och reglera glykolytiskt genuttryck som krävs för tumörutveckling. Vissa studier säger att det sker en förändring av uttrycket från PKM1 till PKM2 under cancerframkallande. Tumörmikromiljöer som hypoxi aktiverar transkriptionsfaktorer som den hypoxia-inducerbara faktorn för att främja transkriptionen av PKM2, som bildar en positiv återkopplingsslinga för att förbättra sin egen transkription.

Distribution av röda blodkroppsavvikelser över hela världen

Alternativ

Ett reversibelt enzym med liknande funktion, pyruvatfosfatdikinas (PPDK), finns i vissa bakterier och har överförts till ett antal anaeroba eukaryotgrupper (till exempel Streblomastix , Giardia , Entamoeba och Trichomonas ), det verkar via horisontell gen överföring vid två eller flera tillfällen. I vissa fall kommer samma organism att ha både pyruvatkinas och PPDK.

Referenser

externa länkar


Glykolys metabolisk väg