В пируват киназа (РуК) е ензим, който катализира последния етап на гликолитичен път, който включва необратимо прехвърлянето на фосфатната група на една молекула на фосфоенолпируват (PEP) с молекула на ADP, което води до синтез на молекула от АТФ и друг от пирувинова киселина или пируват.
Така полученият пируват впоследствие участва в различни катаболни и анаболни (биосинтетични) пътища: може да бъде декарбоксилиран за получаване на ацетил-КоА, карбоксилиран за получаване на оксалоацетат, трансаминиран за получаване на аланин, окислен до получаване на млечна киселина или може да бъде насочен към глюконеогенеза за синтез глюкоза.
Реакция, катализирана от ензима пируват киназа (Източник: Ноа Залцман чрез Wikimedia Commons)
Тъй като участва в гликолизата, този ензим е много важен за въглехидратния метаболизъм на много организми, едноклетъчни и многоклетъчни, които използват това като основен катаболен път за получаване на енергия.
Пример за клетки, строго зависими от гликолизата за производството на енергия, е този на еритроцитите от бозайници, за които дефицитът на някой от ензимите, участващи в този път, може да има значително отрицателни ефекти.
структура
Описани са четири изоформи на ензима пируват киназа при бозайници:
- PKM1, типичен за мускулите
- PKM2, само при фетуси (и двата продукта на алтернативна обработка на една и съща РНК на съобщението)
- PKL, присъстващ в черния дроб и
- PKR, присъстващ в еритроцитите (и двете кодирани от един и същ ген, PKLR, но транскрибирани от различни промотори).
Въпреки това, извършените анализи върху структурата на различните ензими пируват киназа в природата (включително тези 4 от бозайници) показват голямо сходство в общата структура, както и по отношение на архитектурата на активния сайт и регулаторните механизми.
Най-общо, това е ензим с молекулно тегло 200 kDa, характеризиращ се с тетрамерна структура, съставена от 4 еднакви протеинови единици, с повече или по-малко 50 или 60 kDa, и всяка от тях с 4 домена, а именно:
- Малък спирален домейн в N-крайния край (отсъства в бактериалните ензими)
- Домен „ A “, идентифициран чрез топология от 8 сгънати β листа и 8 α спирали
- домейн " B ", вмъкнат между сгънат бета лист номер 3 и алфа спирала номер 3 на домейн "A"
- Домен " C ", който има α + β топология
Молекулна структура на ензима пируват киназа (Източник: Jawahar Swaminathan и MSD персонал в Европейския институт по биоинформатика чрез Wikimedia Commons)
Открити са три места в тетрамерите пируват киназа от различни организми: активният сайт, ефекторното място и мястото на свързване на аминокиселините. Активният сайт на тези ензими е разположен между домейни А и В, в близост до "ефекторния сайт", който принадлежи на домейн С.
В тетрамера C домейните образуват "малък" интерфейс, докато A домейните образуват по-голям интерфейс.
функция
Както вече беше обсъдено, пируваткиназата катализира последния етап от гликолитичния път, тоест прехвърлянето на фосфатна група от фосфоенолпируват (PEP) към молекула ADP за получаване на АТФ и молекула на пируват или пирувинова киселина.
Продуктите от реакцията, катализирана от този ензим, са от изключително значение за различни метаболитни условия. Пируват може да се използва по различни начини:
- При аеробни условия, тоест при наличие на кислород, това може да се използва като субстрат за ензим, известен като пируват дехидрогеназен комплекс, който да бъде декарбоксилиран и превърнат в ацетил-КоА, молекула, която може да влезе в цикъла на Кребс в митохондриите или участват в други анаболни пътища, например биосинтеза на мастни киселини, например.
- При липса на кислород или анаеробиоза, пируватът може да се използва от ензима лактат дехидрогеназа за получаване на млечна киселина (окисляване) чрез процес, известен като "млечна ферментация".
- В допълнение, пируватът може да се превърне в глюкоза чрез глюконеогенеза, в аланин чрез аланин трансаминаза, в оксалоацетат чрез пируват карбоксилаза и др.
Важно е да запомните, че в реакцията, катализирана от този ензим, се осъществява и нетният синтез на АТФ, който се отчита за гликолизата, произвеждайки 2 молекули пируват и 2 молекули АТФ за всяка глюкозна молекула.
По този начин, от тази гледна точка, ензимът пируват киназа играе основна роля в много аспекти на клетъчния метаболизъм, дотолкова, че се използва като терапевтична мишена за много човешки патогени, сред които се открояват няколко протозои.
регулиране
Пируват киназата е изключително важен ензим от гледна точка на клетъчния метаболизъм, тъй като тя е тази, която образува последното съединение в резултат на пътя на катаболизма на глюкозата: пируват.
Освен че е един от трите най-регулирани ензими в целия гликолитичен път (другите два са хексокиназа (HK) и фосфофруктокиназа (PFK)), пируват киназата е много важен ензим за контрол на метаболитния поток и производството на АТФ чрез гликолиза.
Активира се от фосфоенолпируват, един от неговите субстрати (хомотропна регулация), както и от други моно- и дифосфорилирани захари, въпреки че регулирането му зависи от вида на разглеждания изоензим.
Някои научни текстове предполагат, че регулирането на този ензим също зависи от неговата "многодоменна" архитектура, тъй като изглежда, че неговото активиране зависи от някои ротации в домейните на субединиците и от промени в геометрията на активния сайт.
За много организми алостеричното активиране на пируват киназа зависи от фруктозата 1,6-бисфосфат (F16BP), но това не е вярно за растителните ензими. Други ензими също се активират от цикличен AMP и глюкозен 6-фосфат.
Освен това е показано, че активността на повечето от изследваните пируват кинази е силно зависима от наличието на едновалентни йони като калий (К +) и двувалентни йони като магнезий (Mg + 2) и манган (Mn + 2).).
инхибиране
Пируват киназата се инхибира главно от физиологични алостерични ефектори, така че тези процеси варират значително между различните видове и дори между видовете клетки и тъкани на един и същи организъм.
При много бозайници глюкагон, епинефрин и сАМФ имат инхибиторни ефекти върху активността на пируват киназа, ефекти, които могат да бъдат противодействани на инсулин.
Освен това е доказано, че някои аминокиселини, като фенилаланин, могат да действат като конкурентни инхибитори на този ензим в мозъка.
Препратки
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Структурите на пируват кинази показват еволюционно различаващи се алостерични стратегии. Отворена наука на Кралското общество, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Преглед на структурата, функционирането и регулирането на пируват кинази. Протеин наука.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Алостеричната регулация на пируват киназа Изследване на мутагенеза, насочено към място. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Структура и функция на човешката еритроцитна пируват киназа Молекулярна основа на несфероцитна хемолитична анемия. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, юли). Пируват киназа: функция, регулация и роля при рак. На семинари по клетъчна и развитие на биологията (том 43, стр. 43-51). Академична преса.