Het pyruvaatkinase ( PYK ) is het enzym dat de laatste stap in de glycolytische route katalyseert, wat de onomkeerbare overdracht van de fosfaatgroep van één molecuul fosfoenolpyruvaat (PEP) naar een molecuul ADP inhoudt, wat resulteert in de synthese van een molecuul van ATP en een ander van pyrodruivenzuur of pyruvaat.
Het aldus geproduceerde pyruvaat neemt vervolgens deel aan verschillende katabole en anabole (biosynthetische) routes: het kan worden gedecarboxyleerd om acetyl-CoA te produceren, gecarboxyleerd om oxaalacetaat te produceren, transaminaat om alanine te produceren, geoxideerd om melkzuur te produceren of het kan worden gericht op gluconeogenese voor synthese glucose.
Reactie gekatalyseerd door het enzym pyruvaatkinase (Bron: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Omdat het deelneemt aan glycolyse, is dit enzym erg belangrijk voor het koolhydraatmetabolisme van veel eencellige en meercellige organismen, die dit gebruiken als de belangrijkste katabole route voor het verkrijgen van energie.
Een voorbeeld van cellen die strikt afhankelijk zijn van glycolyse voor energieproductie is dat van zoogdiererytrocyten, waarvoor een tekort aan een van de enzymen die bij deze route betrokken zijn, aanzienlijk negatieve effecten kan hebben.
Structuur
Vier isovormen van het pyruvaatkinase-enzym zijn beschreven bij zoogdieren:
- PKM1 , typisch voor spieren
- PKM2 , alleen bij foetussen (beide producten van alternatieve verwerking van hetzelfde boodschapper-RNA)
- PKL , aanwezig in de lever en
- PKR , aanwezig in erytrocyten (beide gecodeerd door hetzelfde gen, PKLR, maar getranscribeerd door verschillende promotors).
De analyses die zijn uitgevoerd op de structuur van de verschillende pyruvaatkinase-enzymen in de natuur (inclusief deze 4 van zoogdieren) vertonen echter een grote gelijkenis in de algemene structuur, evenals met betrekking tot de architectuur van de actieve site en de regulerende mechanismen.
In algemene termen is het een enzym met een molecuulgewicht van 200 kDa, gekenmerkt door een tetramere structuur die is samengesteld uit 4 identieke eiwiteenheden, van min of meer 50 of 60 kDa, en elk met 4 domeinen, namelijk:
- Een klein helixdomein aan het N-terminale uiteinde (afwezig in bacteriële enzymen)
- Een " A " -domein , geïdentificeerd door een topologie van 8 gevouwen β-vellen en 8 α-helices
- Een " B " -domein , ingevoegd tussen gevouwen bètablad nummer 3 en alfa-helix nummer 3 van domein "A"
- Een " C " -domein met een α + β-topologie
Moleculaire structuur van het pyruvaatkinase-enzym (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-medewerkers van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Er zijn drie plaatsen gedetecteerd in pyruvaatkinase-tetrameren van verschillende organismen: de actieve plaats, de effectorplaats en de aminozuurbindingsplaats. De actieve site van deze enzymen bevindt zich tussen domeinen A en B, in de buurt van de "effector site", die behoort tot domein C.
In de tetrameer vormen de C-domeinen een "kleine" interface, terwijl de A-domeinen een grotere interface vormen.
Functie
Zoals reeds vermeld, katalyseert pyruvaatkinase de laatste stap in de glycolytische route, dat wil zeggen de overdracht van een fosfaatgroep van fosfoenolpyruvaat (PEP) naar een ADP-molecuul om ATP en een pyruvaat- of pyrodruivenzuurmolecuul te produceren.
De producten van de reactie die door dit enzym worden gekatalyseerd, zijn van het grootste belang voor verschillende metabole contexten. Pyruvate kan op verschillende manieren worden gebruikt:
- Onder aërobe omstandigheden, d.w.z. in aanwezigheid van zuurstof, kan dit worden gebruikt als substraat voor een enzym dat bekend staat als het pyruvaatdehydrogenase-complex, om te worden gedecarboxyleerd en omgezet in acetyl-CoA, een molecuul dat de Krebs-cyclus in de mitochondriën kan binnendringen of deelnemen aan andere anabole routes zoals bijvoorbeeld de biosynthese van vetzuren.
- Bij afwezigheid van zuurstof of anaerobiose kan pyruvaat worden gebruikt door het enzym lactaatdehydrogenase om melkzuur te produceren (oxidatie) via een proces dat bekend staat als "melkzuurfermentatie".
- Bovendien kan pyruvaat worden omgezet in glucose via gluconeogenese, in alanine via alaninetransaminase, in oxaalacetaat via pyruvaatcarboxylase, enz.
Het is belangrijk om te onthouden dat in de reactie die wordt gekatalyseerd door dit enzym, ook de netto synthese van ATP plaatsvindt, die verantwoordelijk is voor glycolyse, waarbij 2 moleculen pyruvaat en 2 moleculen ATP voor elk molecuul glucose worden geproduceerd.
Vanuit dit perspectief speelt het pyruvaatkinase-enzym dus een fundamentele rol in veel aspecten van cellulair metabolisme, zozeer zelfs dat het wordt gebruikt als een therapeutisch doelwit voor veel menselijke pathogenen, waaronder verschillende protozoa.
Regulatie
Pyruvaatkinase is een uiterst belangrijk enzym vanuit het oogpunt van cellulair metabolisme, aangezien het de laatste verbinding vormt die het resultaat is van de glucosekatabolismeweg: pyruvaat.
Naast dat het een van de drie meest gereguleerde enzymen in de gehele glycolytische route is (de andere twee zijn hexokinase (HK) en fosfofructokinase (PFK)), is pyruvaatkinase een zeer belangrijk enzym voor de controle van de metabolische stroom en productie. van ATP door glycolyse.
Het wordt geactiveerd door fosfo-enolpyruvaat, een van zijn substraten (homotrope regulatie), evenals door andere mono- en difosforyleerde suikers, hoewel de regulatie ervan afhangt van het type iso-enzym dat wordt overwogen.
Sommige wetenschappelijke teksten suggereren dat de regulering van dit enzym ook afhangt van zijn "multidomein" -architectuur, aangezien de activering ervan afhangt van enkele rotaties in de domeinen van de subeenheden en van veranderingen in de geometrie van de actieve site.
Voor veel organismen is allostere activering van pyruvaatkinase afhankelijk van fructose-1,6-bisfosfaat (F16BP), maar dit geldt niet voor plantenenzymen. Andere enzymen worden ook geactiveerd door cyclisch AMP en glucose-6-fosfaat.
Verder is aangetoond dat de activiteit van de meeste van de onderzochte pyruvaatkinasen sterk afhankelijk is van de aanwezigheid van eenwaardige ionen zoals kalium (K +) en tweewaardige ionen zoals magnesium (Mg + 2) en mangaan (Mn + 2). ).
Remming
Pyruvaatkinase wordt voornamelijk geremd door fysiologische allostere effectoren, dus deze processen variëren aanzienlijk tussen verschillende soorten en zelfs tussen soorten cellen en weefsels van hetzelfde organisme.
Bij veel zoogdieren hebben glucagon, epinefrine en cAMP remmende effecten op de pyruvaatkinase-activiteit, effecten die kunnen worden tegengegaan door insuline.
Bovendien is bewezen dat sommige aminozuren, zoals fenylalanine, kunnen werken als competitieve remmers voor dit enzym in de hersenen.
Referenties
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, en Walkinshaw, MD (2014). Structuren van pyruvaatkinases vertonen evolutionair uiteenlopende allosterische strategieën. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., en Chattopadhyay, D. (2019). Een overzicht van structuur, functie en regulering van pyruvaatkinasen. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). De allosterische regulatie van pyruvaatkinase Een plaatsgerichte mutagenesestudie. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Structuur en functie van menselijke erytrocytpyruvaatkinase Moleculaire basis van niet-sferocytische hemolytische anemie. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, juli). Pyruvaatkinase: functie, regulatie en rol bij kanker. In Seminars in cel- en ontwikkelingsbiologie (Vol. 43, pp. 43-51). Academische pers.