Pyruvátkináza (PYK) je enzym, který katalyzuje poslední krok v glykolytické dráhy, který zahrnuje nevratné přenos fosfátové skupiny z jedné molekuly fosfoenolpyruvát (PEP) na molekulu ADP, což vede k syntéze molekuly ATP a další kyseliny pyruvové nebo pyruvátu.
Takto vyrobený pyruvát se následně účastní různých katabolických a anabolických (biosyntetických) cest: může být dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA, karboxylovaný za vzniku oxaloacetátu, transaminován za vzniku alaninu, oxidován za vzniku kyseliny mléčné nebo může být směrován k glukoneogenezi pro syntézu glukóza.
Reakce katalyzovaná enzymem pyruvát kinázy (Zdroj: Noah Salzman přes Wikimedia Commons)
Protože se podílí na glykolýze, je tento enzym velmi důležitý pro metabolismus uhlohydrátů mnoha organismů, jednobuněčných a mnohobuněčných, které jej využívají jako hlavní katabolickou cestu pro získávání energie.
Příkladem buněk, které jsou přísně závislé na glykolýze pro produkci energie, jsou buňky savčích erytrocytů, u kterých může mít nedostatek v kterémkoli z enzymů zapojených do této cesty výrazně negativní účinky.
Struktura
U savců byly popsány čtyři isoformy pyruvát kinázového enzymu:
- PKM1, typické pro svaly
- PKM2, pouze u plodů (oba produkty alternativního zpracování stejné messengerové RNA)
- PKL, přítomný v játrech a
- PKR, přítomný v erytrocytech (oba kódované stejným genem, PKLR, ale přepisovány různými promotory).
Analýzy provedené na struktuře různých enzymů pyruvát kinázy v přírodě (včetně těchto 4 od savců) však vykazují velkou podobnost v obecné struktuře, jakož i s ohledem na architekturu aktivního místa a regulační mechanismy.
Obecně se jedná o enzym s molekulovou hmotností 200 kDa, vyznačující se tetramerickou strukturou složenou ze 4 identických proteinových jednotek, s více nebo méně 50 nebo 60 kDa, a každá z nich se 4 doménami, konkrétně:
- Malá spirálová doména na N-terminálním konci (chybí v bakteriálních enzymech)
- „ A “ doména, identifikovaná topologií 8 složených β listů a 8 α helixů
- doména " B ", vložená mezi složený beta list číslo 3 a alfa helix číslo 3 domény "A"
- „ C “ doména, která má a + β topologii
Molekulární struktura enzymu pyruvát kinázy (Zdroj: pracovníci Jawahar Swaminathan a MSD v Evropském institutu bioinformatiky prostřednictvím Wikimedia Commons)
V tetrameru pyruvát kinázy z různých organismů byla detekována tři místa: aktivní místo, místo efektoru a vazebné místo pro aminokyselinu. Aktivní místo těchto enzymů se nachází mezi doménami A a B v blízkosti „efektorového místa“, které patří do domény C.
V tetrameru tvoří domény C „malé“ rozhraní, zatímco domény A tvoří větší rozhraní.
Funkce
Jak již bylo diskutováno, pyruvát kináza katalyzuje poslední krok v glykolytické dráze, tj. Přenos fosfátové skupiny z fosfoenolpyruvátu (PEP) na molekulu ADP za vzniku ATP a molekuly pyruvátu nebo kyseliny pyruvové.
Produkty reakce katalyzované tímto enzymem jsou nanejvýš důležité pro různé metabolické kontexty. Pyruvate lze použít různými způsoby:
- Za aerobních podmínek, tj. V přítomnosti kyslíku, se může použít jako substrát pro enzym známý jako komplex pyruvátdehydrogenázy, který se dekarboxyluje a převede na acetyl-CoA, molekulu, která může v mitochondriích vstoupit do Krebsova cyklu. nebo se účastní dalších anabolických drah, jako je například biosyntéza mastných kyselin.
- Při absenci kyslíku nebo anaerobiózy může být pyruvát enzymem laktátdehydrogenázy použit k produkci kyseliny mléčné (oxidace) procesem známým jako „mléčná fermentace“.
- Kromě toho lze pyruvát přeměnit na glukózu prostřednictvím glukoneogeneze, na alanin prostřednictvím alanin-transaminázy, na oxaloacetát prostřednictvím pyruvátkarboxylázy atd.
Je důležité si uvědomit, že v reakci katalyzované tímto enzymem dochází také k čisté syntéze ATP, která je zodpovědná za glykolýzu, čímž se pro každou molekulu glukózy produkují 2 molekuly pyruvátu a 2 molekuly ATP.
Z tohoto pohledu tedy enzym pyruvát kinázy hraje zásadní roli v mnoha aspektech buněčného metabolismu, a to natolik, že se používá jako terapeutický cíl pro mnoho lidských patogenů, mezi nimiž vyniká několik prvoků.
Nařízení
Pyruvát kináza je z hlediska buněčného metabolismu nesmírně důležitým enzymem, protože je to ta, která tvoří poslední sloučeninu, která je výsledkem dráhy glukózového katabolismu: pyruvát.
Kromě toho, že je jedním ze tří nejvíce regulovaných enzymů celé glykolytické dráhy (další dva jsou hexokináza (HK) a fosfhofructokináza (PFK)), je pyruvát kináza velmi důležitým enzymem pro řízení metabolického toku a produkce ATP prostřednictvím glykolýzy.
Je aktivován fosfoenolpyruvátem, jedním ze svých substrátů (homotropní regulace), jakož i jinými mono- a difosforylovanými cukry, i když jeho regulace závisí na typu uvažovaného isoenzymu.
Některé vědecké texty naznačují, že regulace tohoto enzymu závisí také na jeho architektuře „multidomén“, protože jeho aktivace zřejmě závisí na některých rotacích v doménách podjednotek a na změnách v geometrii aktivního místa.
Pro mnoho organismů je alosterická aktivace pyruvátkinázy závislá na fruktózo 1,6-bisfosfátu (F16BP), ale to neplatí pro rostlinné enzymy. Další enzymy jsou také aktivovány cyklickým AMP a 6-fosfátem glukózy.
Dále bylo ukázáno, že aktivita většiny studovaných pyruvát kináz je vysoce závislá na přítomnosti monovalentních iontů, jako je draslík (K +) a dvojmocných iontů, jako je hořčík (Mg + 2) a mangan (Mn + 2).).
Inhibice
Pyruvát kináza je inhibována hlavně fyziologickými alosterickými efektory, takže se tyto procesy značně liší mezi různými druhy a dokonce i mezi typy buněk a tkání stejného organismu.
U mnoha savců mají glukagon, epinefrin a cAMP inhibiční účinky na aktivitu pyruvát kinázy, což je účinek, který lze potlačit inzulinem.
Dále bylo prokázáno, že některé aminokyseliny, jako je fenylalanin, mohou působit jako kompetitivní inhibitory pro tento enzym v mozku.
Reference
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA a Walkinshaw, MD (2014). Struktury pyruvát kináz vykazují evolučně odlišné alosterické strategie. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S. a Chattopadhyay, D. (2019). Přehled struktury, funkce a regulace pyruvát kináz. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Alosterická regulace pyruvátkinázy A zaměřená na mutagenezní studii. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Struktura a funkce pyruvátkinázy lidského erytrocytů Molekulární základ nefosfocytární hemolytické anémie. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ a Vander Heiden, MG (2015, červenec). Pyruvát kináza: funkce, regulace a role v rakovině. Na seminářích v buněčné a vývojové biologii (svazek 43, str. 43-51). Academic Press.