Піруваткінази ( PYK ) являє собою фермент , який каталізує останню стадію в гліколізу, який включає в себе незворотний перенесення фосфатної групи однієї молекули фосфоенолпіруват (PEP) до молекули АДФ, що призводить до синтезу молекули АТФ та іншої піровиноградної кислоти або пірувату.
Піруват, отриманий таким чином, згодом бере участь у різних катаболічних та анаболічних (біосинтетичних) шляхах: його можна декарбоксилювати за допомогою ацетил-КоА, карбоксилювати, отримувати оксалоацетат, окиснювати для отримання аланіну, окислювати, утворюючи молочну кислоту, або направляти на глюконеогенез для синтезу глюкоза.
Реакція, що каталізується ферментом піруваткінази (Джерело: Ной Зальцман через Wikimedia Commons)
Оскільки він бере участь у гліколізі, цей фермент є дуже важливим для вуглеводного обміну багатьох організмів, одноклітинних та багатоклітинних, які використовують це як основний катаболічний шлях отримання енергії.
Прикладом клітин, строго залежних від гліколізу для отримання енергії, є еритроцити ссавців, для яких дефіцит будь-якого з ферментів, що беруть участь у цьому шляху, може мати суттєво негативний вплив.
Будова
У ссавців були описані чотири ізоформи ферменту піруваткінази:
- ПКМ1 , типовий для м’язів
- PKM2 , лише у плодів (обидва продукти альтернативної обробки однієї і тієї ж месенджерної РНК)
- ПКЛ , присутні в печінці та
- ПКР , присутні в еритроцитах (обидва кодуються одним і тим же геном, PKLR, але транскрибуються різними промоторами).
Однак проведені аналізи на структуру різних ферментів піруваткінази в природі (включаючи ці 4 від ссавців) показують велику схожість у загальній структурі, а також щодо архітектури активного ділянки та регуляторних механізмів.
Загалом, це фермент з молекулярною масою 200 кДа, який характеризується тетрамерною структурою, що складається з 4 однакових білкових одиниць, більше або менше 50 або 60 кДа, і кожен з 4 доменами, а саме:
- Невеликий спіральний домен на N-кінцевому кінці (відсутній у бактеріальних ферментах)
- Домен " A ", ідентифікований за допомогою топології 8 складених β аркушів та 8 α спіралей
- Домен " B ", вставлений між складеним бета-аркушем № 3 та альфа-спіраллю номер 3 домену "A"
- Домен " C ", який має α + β топологію
Молекулярна структура ферменту піруваткінази (Джерело: Jawahar Swaminathan та співробітники MSD Європейського інституту біоінформатики через Wikimedia Commons)
У тетрамерах піруваткінази у різних організмів було виявлено три ділянки: активний сайт, ефектний сайт та сайт зв'язування амінокислот. Активний сайт цих ферментів розташований між доменами А і В, поблизу від "ефекторного сайту", який належить домену С.
У тетрамері домени C утворюють "малий" інтерфейс, тоді як домени A утворюють більший інтерфейс.
Функція
Як уже обговорювалося, піруваткіназа каталізує останню стадію гліколітичного шляху, тобто перенесення фосфатної групи з фосфоенолпірувату (PEP) в молекулу АДФ для отримання АТФ і молекули пірувату або піровиноградної кислоти.
Продукти реакції, каталізованої цим ферментом, мають надзвичайно важливе значення для різних метаболічних контекстів. Піруват можна використовувати різними способами:
- В аеробних умовах, тобто в присутності кисню, це може бути використане як субстрат для ферменту, відомого як комплекс піруватдегідрогенази, декарбоксильований і перетворений в ацетил-КоА, молекулу, яка може входити в цикл Кребса в мітохондріях або брати участь в інших анаболічних шляхах, таких як біосинтез жирних кислот, наприклад.
- За відсутності кисню або анаеробіозу піруват може використовуватися ферментом лактатдегідрогенази для отримання молочної кислоти (окислення) шляхом процесу, відомого як "молочна ферментація".
- Крім того, піруват може перетворюватися в глюкозу за допомогою глюконеогенезу, в аланін через аланін трансаміназу, в оксалоацетат через піруват карбоксилазу тощо.
Важливо пам’ятати, що в реакції, катализируемой цим ферментом, також відбувається чистий синтез АТФ, який припадає на гліколіз, виробляючи 2 молекули пірувату та 2 молекули АТФ для кожної молекули глюкози.
Таким чином, з цієї точки зору, фермент піруваткінази відіграє фундаментальну роль у багатьох аспектах клітинного метаболізму, настільки, що його використовують як терапевтичну мішень для багатьох патогенів людини, серед яких виділяється кілька найпростіших.
Регулювання
Піруваткіназа - надзвичайно важливий фермент з точки зору клітинного метаболізму, оскільки саме він утворює останню сполуку, що виникає в результаті катаболізму глюкози: піруват.
Окрім того, що є одним із трьох найбільш регульованих ферментів у всьому гліколітичному шляху (інші два - гексокіназа (HK) та фосфофруктокіназа (PFK)), піруваткіназа є дуже важливим ферментом для контролю метаболічного потоку та виробництва АТФ через гліколіз.
Він активується фосфоенолпіруватом, одним із його субстратів (гомотропна регуляція), а також іншими моно- та дифосфорильованими цукрами, хоча його регуляція залежить від розглянутого типу ізоензиму.
Деякі наукові тексти припускають, що регуляція цього ферменту також залежить від його "багатодоменної" архітектури, оскільки його активація, здається, залежить від деяких обертань в областях субодиниць та від змін в геометрії активного сайту.
Для багатьох організмів аллостерична активація піруваткінази залежить від фруктози 1,6-бісфосфату (F16BP), але це не стосується рослинних ферментів. Інші ферменти також активуються циклічним AMP та 6-фосфатом глюкози.
Крім того, було показано, що активність більшості досліджених піруваткіназ сильно залежить від наявності одновалентних іонів, таких як калій (К +) та двовалентних іонів, таких як магній (Mg + 2) та марганець (Mn + 2). ).
Гальмування
Піруваткіназа переважно інгібується фізіологічними алостеричними ефекторами, тому ці процеси значно відрізняються між різними видами і навіть між типами клітин і тканин одного організму.
У багатьох ссавців глюкагон, епінефрин та цАМФ мають інгібіторну дію на активність піруваткінази, ефекти, які можуть протидіяти інсуліну.
Крім того, було доведено, що деякі амінокислоти, такі як фенілаланін, можуть діяти як конкурентні інгібітори цього ферменту в мозку.
Список літератури
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Структури піруваткіназ демонструють еволюційно розбіжні аллостеричні стратегії. Відкрита наука Королівського товариства, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Огляд структури, функції та регулювання піруваткіназ. Білкова наука.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Аллостерична регуляція піруваткінази. Місцеве дослідження мутагенезу, спрямованого на сайт. Журнал біологічної хімії, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Будова та функції пируваткінази еритроцитів людини Молекулярна основа несфероцитарної гемолітичної анемії. Журнал біологічної хімії, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, і Vander Heiden, MG (2015, липень). Піруваткіназа: функція, регуляція та роль у раку. На семінарах з клітинної та розвитку біології (т. 43, с. 43-51). Академічна преса.