Piruvat kinaze ( PYK ) je encim, ki katalizira zadnjo stopnjo v glikolitične poti, ki vključuje nepovratno prenos fosfatne skupine eno molekulo fosfoenolpiruvat (PEP) na molekulo ADP, kar ima za posledico sintezo molekule ATP in druge pirovične kisline ali piruvata.
Tako proizveden piruvat sodeluje na različnih kataboličnih in anaboličnih (biosintetskih) poteh: lahko ga dekarboksiliramo, da dobimo acetil-CoA, karboksiliramo, da dobimo oksaloacetat, preamočimo v proizvodnjo alanina, oksidiramo, da dobimo mlečno kislino ali pa ga usmerimo v glukoneogenezo za sintezo glukoza.
Reakcija katalizirana z encimom piruvat kinaza (Vir: Noah Salzman prek Wikimedia Commons)
Ker sodeluje pri glikolizi, je ta encim zelo pomemben za presnovo ogljikovih hidratov mnogih organizmov, enoceličnih in večceličnih, ki to uporabljajo kot glavno katabolično pot za pridobivanje energije.
Primer celic, ki so strogo odvisne od glikolize za proizvodnjo energije, so eritrociti sesalcev, pri katerih ima lahko pomanjkanje katerega od encimov, vključenih v to pot, znatno negativne učinke.
Struktura
Opisani so bili štirje izoformi encima piruvat kinaza pri sesalcih:
- PKM1 , značilen za mišice
- PKM2 , samo pri plodovih (oba izdelka alternativne obdelave istega RNS-a za sporočila)
- PKL , prisotna v jetrih in
- PKR , prisoten v eritrocitih (oba sta kodirana z istim genom, PKLR, vendar jih prepisujejo različni promotorji).
Vendar analize, izvedene na strukturi različnih encimov piruvat kinaze v naravi (vključno s temi 4 pri sesalcih), kažejo veliko podobnost v splošni strukturi, pa tudi glede arhitekture aktivnega mesta in regulativnih mehanizmov.
Na splošno gre za encim z molekulsko maso 200 kDa, za katerega je značilna tetramerna struktura, sestavljena iz 4 enakih beljakovinskih enot, večjih ali manjših 50 ali 60 kDa, in vsaka s 4 domena, in sicer:
- Majhna spiralna domena na N-končnem koncu (odsotna v bakterijskih encimih)
- Domena " A ", prepoznana po topologiji 8 zložljivih listov β in 8 α vijačnic
- Domena " B ", vstavljena med prepognjeno številko beta lista 3 in alfa vijačnico številka 3 domene "A"
- Domena " C ", ki ima α + β topologijo
Molekularna struktura encima piruvat kinaza (Vir: Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko prek Wikimedia Commons)
V tetramerih piruvat kinaze so bili odkriti tri mesta različnih organizmov: aktivno mesto, mesto efektorja in vezno mesto aminokislin. Aktivno mesto teh encimov se nahaja med domenoma A in B, v bližini "mesta efektorjev", ki spada v domeno C.
V tetrameru C domene tvorijo "majhen" vmesnik, medtem ko A domene tvorijo večji vmesnik.
Funkcija
Kot smo že razpravljali, piruvat kinaza katalizira zadnji korak glikolitične poti, to je prenos fosfatne skupine iz fosfoenolpiruvata (PEP) v molekulo ADP, da nastane ATP in molekula piruvata ali piruvične kisline.
Produkti reakcije, ki jo katalizira ta encim, so izjemnega pomena za različne presnovne okoliščine. Pyruvate lahko uporabljamo na različne načine:
- V aerobnih pogojih, torej v prisotnosti kisika, lahko to uporabimo kot substrat za encim, znan kot kompleks piruvat dehidrogenaze, ki ga dekarboksiliramo in pretvorimo v acetil-CoA, molekulo, ki lahko v mitohondriji vstopi v Krebsov cikel ali sodelujejo pri drugih anaboličnih poteh, kot je na primer biosinteza maščobnih kislin.
- Ker kisika ali anaerobioze ni, kisik lahko encim laktat dehidrogenazo uporabi za proizvodnjo mlečne kisline (oksidacija) s postopkom, znanim kot "mlečna fermentacija".
- Poleg tega se lahko piruvat s pomočjo glukoneogeneze pretvori v glukozo, v alanin preko alanin transaminaze, v oksaloacetat prek piruvat karboksilaze itd.
Pomembno si je zapomniti, da pri reakciji, ki jo katalizira ta encim, pride tudi do sinteze ATP, ki nastane zaradi glikolize, pri čemer nastaneta 2 molekuli piruvata in 2 molekuli ATP za vsako molekulo glukoze.
Tako s tega vidika igra encim piruvat kinaza temeljno vlogo pri številnih vidikih celičnega metabolizma, in sicer tako, da se uporablja kot terapevtska tarča za številne človeške patogene, med katerimi izstopa več protozojev.
Uredba
Piruvatkinaza je z vidika celičnega metabolizma izjemno pomemben encim, saj je tisti, ki tvori zadnjo spojino, ki izhaja iz poti katabolizma glukoze: piruvat.
Poleg tega, da je eden od treh najbolj reguliranih encimov v celotni glikolitični poti (druga dva sta hekokinaza (HK) in foshofruktokinaza (PFK)), je piruvat kinaza zelo pomemben encim za nadzor presnovnega pretoka in proizvodnje ATP z glikolizo.
Aktivira ga fosfoenolpiruvat, eden od njegovih substratov (homotropna regulacija), pa tudi drugi mono- in difosforilirani sladkorji, čeprav je njegova regulacija odvisna od vrste obravnavanega izoencima.
Nekatera znanstvena besedila kažejo, da je regulacija tega encima odvisna tudi od njegove "večdomenske" arhitekture, saj se zdi, da je njegova aktivacija odvisna od nekaterih rotacij v domenah podenot in od sprememb v geometriji aktivnega mesta.
Za številne organizme je allosterična aktivacija piruvat kinaze odvisna od fruktoze 1,6-bisfosfata (F16BP), vendar to ne velja za rastlinske encime. Ostali encimi se aktivirajo tudi s cikličnim AMP in glukoznim 6-fosfatom.
Poleg tega se je pokazalo, da je aktivnost večine preučenih piruvat kinaz močno odvisna od prisotnosti monovalentnih ionov, kot so kalijev (K +) in dvovalentni ioni, kot sta magnezij (Mg + 2) in mangan (Mn + 2). ).
Inhibicija
Piruvat kinazo v glavnem zavirajo fiziološki alosterni efektorji, zato se ti procesi med različnimi vrstami in celo med vrstami celic in tkiv istega organizma močno razlikujejo.
Pri mnogih sesalcih imajo glukagon, epinefrin in cAMP zaviralne učinke na aktivnost piruvat kinaze, učinke, ki jim lahko prepreči inzulin.
Poleg tega je bilo dokazano, da lahko nekatere aminokisline, kot je fenilalanin, delujejo kot konkurenčni zaviralci tega encima v možganih.
Reference
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Strukture piruvat kinaz prikazujejo evolucijsko različne alosterne strategije. Odprta znanost Royal Society, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Pregled strukture, delovanja in regulacije piruvat kinaz. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Alosterična regulacija piruvat kinaze Študija mutageneze, usmerjena na mesto. Časopis za biološko kemijo, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Zgradba in funkcija človeške eritrocitne piruvat kinaze Molekularna osnova nesferocitne hemolitične anemije. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, in Vander Heiden, MG (2015, julij). Piruvat kinaza: delovanje, regulacija in vloga pri raku. Na seminarjih iz celične in razvojne biologije (Vol. 43, str. 43-51). Akademski tisk.