The pyruvate kinase ( PYK ) adalah enzim yang memangkinkan langkah terakhir di jalan glycolytic, yang melibatkan pemindahan tidak boleh pulih kumpulan fosfat daripada satu molekul phosphoenolpyruvate (PEP) kepada molekul ADP, menyebabkan sintesis molekul ATP dan satu lagi asid piruvat atau piruvat.
Piruvat yang dihasilkan kemudiannya mengambil bahagian dalam pelbagai jalur katabolik dan anabolik (biosintetik): ia dapat di-dekarboksilasi untuk menghasilkan asetil-CoA, karboksilasi untuk menghasilkan oksaloasetat, transaminat untuk menghasilkan alanin, dioksidasi untuk menghasilkan asid laktik atau ia boleh diarahkan ke glukoneogenesis untuk sintesis glukosa.
Reaksi dikatalisis oleh enzim piruvate kinase (Sumber: Noah Salzman melalui Wikimedia Commons)
Oleh kerana ia mengambil bahagian dalam glikolisis, enzim ini sangat penting untuk metabolisme karbohidrat banyak organisma, uniselular dan multiselular, yang menggunakan ini sebagai laluan katabolik utama untuk mendapatkan tenaga.
Contoh sel yang sangat bergantung pada glikolisis untuk penghasilan tenaga adalah dari eritrosit mamalia, yang mana kekurangan enzim yang terlibat dalam jalur ini boleh memberi kesan yang sangat negatif.
Struktur
Empat isoform enzim piruvat kinase telah dijelaskan pada mamalia:
- PKM1 , khas pada otot
- PKM2 , hanya pada janin (kedua-dua produk pemprosesan alternatif RNA utusan yang sama)
- PKL , terdapat di hati dan
- PKR , terdapat dalam eritrosit (keduanya dikodkan oleh gen yang sama, PKLR, tetapi ditranskripsikan oleh penganjur yang berbeza).
Walau bagaimanapun, analisis yang dilakukan pada struktur enzim piruvat kinase yang berbeza (termasuk 4 dari mamalia) menunjukkan persamaan yang besar dalam struktur umum, serta berkenaan dengan seni bina tapak aktif dan mekanisme pengawalseliaan.
Secara umum, ini adalah enzim dengan berat molekul 200 kDa, yang dicirikan oleh struktur tetramerik yang terdiri daripada 4 unit protein yang sama, lebih kurang 50 atau 60 kDa, dan masing-masing dengan 4 domain, yaitu:
- Domain heliks kecil di hujung terminal N (tidak ada enzim bakteria)
- Domain " A ", dikenal pasti oleh topologi 8 helai β dilipat dan 8 heliks α
- Domain " B ", dimasukkan antara helaian beta dilipat nombor 3 dan heliks alpha nombor 3 domain "A"
- Domain " C ", yang mempunyai topologi α + β
Struktur molekul enzim piruvat kinase (Sumber: Jawahar Swaminathan dan kakitangan MSD di Institut Bioinformatika Eropah melalui Wikimedia Commons)
Tiga laman web telah dikesan dalam tetramer piruvat kinase dari organisma yang berbeza: tapak aktif, tapak efektor, dan laman pengikat asid amino. Tapak aktif enzim ini terletak di antara domain A dan B, di sekitar "laman penguat", yang termasuk dalam domain C.
Dalam tetramer, domain C membentuk antara muka "kecil", sementara domain A membentuk antara muka yang lebih besar.
Fungsi
Seperti yang telah dibincangkan, piruvat kinase mengkatalisis langkah terakhir dalam jalur glikolitik, iaitu, pemindahan kumpulan fosfat dari phosphoenolpyruvate (PEP) ke molekul ADP untuk menghasilkan ATP dan molekul asid piruvat atau piruvat.
Produk tindak balas yang dikatalisis oleh enzim ini sangat penting untuk konteks metabolik yang berbeza. Pyruvate boleh digunakan dengan cara yang berbeza:
- Dalam keadaan aerobik, dengan adanya oksigen, ini dapat digunakan sebagai substrat untuk enzim yang dikenal sebagai kompleks piruvat dehidrogenase, untuk di-dekarboksilasi dan diubah menjadi asetil-CoA, molekul yang dapat memasuki kitaran Krebs dalam mitokondria atau mengambil bahagian dalam laluan anabolik lain seperti biosintesis asid lemak, misalnya.
- Dengan ketiadaan oksigen atau anaerobiosis, piruvat dapat digunakan oleh enzim laktat dehidrogenase untuk menghasilkan asid laktat (pengoksidaan) melalui proses yang dikenali sebagai "laktik fermentasi".
- Selain itu, piruvat dapat diubah menjadi glukosa melalui glukoneogenesis, menjadi alanin melalui transaminase alanin, menjadi oksaloasetat melalui karboksilat piruvat, dll.
Penting untuk diingat bahawa dalam reaksi yang dikatalisis oleh enzim ini, sintesis bersih ATP juga terjadi, yang diperhitungkan untuk glikolisis, menghasilkan 2 molekul piruvat dan 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.
Oleh itu, dari perspektif ini, enzim piruvate kinase memainkan peranan penting dalam banyak aspek metabolisme sel, sehingga digunakan sebagai sasaran terapi untuk banyak patogen manusia, di antaranya beberapa protozoa menonjol.
Peraturan
Pyruvate kinase adalah enzim yang sangat penting dari sudut pandang metabolisme sel, kerana ia adalah yang membentuk sebatian terakhir yang dihasilkan dari jalur katabolisme glukosa: piruvat.
Selain menjadi salah satu daripada tiga enzim yang paling terkawal dari keseluruhan jalur glikolitik (dua yang lain adalah heksokinase (HK) dan fosfofruktokinase (PFK)), piruvat kinase adalah enzim yang sangat penting untuk kawalan aliran dan pengeluaran metabolik ATP melalui glikolisis.
Ia diaktifkan oleh phosphoenolpyruvate, salah satu substratnya (peraturan homotropik), serta oleh gula mono- dan difosforilasi lain, walaupun peraturannya bergantung pada jenis isoenzim yang dipertimbangkan.
Beberapa teks ilmiah menunjukkan bahawa pengawalseliaan enzim ini juga bergantung pada seni bina "multidomain", kerana pengaktifannya sepertinya bergantung pada beberapa putaran dalam domain subunit dan pada perubahan dalam geometri laman aktif.
Bagi banyak organisma, pengaktifan alosterik piruvat kinase bergantung pada fruktosa 1,6-bifosfat (F16BP), tetapi ini tidak berlaku untuk enzim tumbuhan. Enzim lain juga diaktifkan oleh AMP siklik dan glukosa 6-fosfat.
Di samping itu, telah ditunjukkan bahawa aktiviti sebahagian besar piruvat kinase yang dikaji sangat bergantung pada kehadiran ion monovalen seperti kalium (K +) dan ion divalen seperti magnesium (Mg + 2) dan mangan (Mn + 2). ).
Perencatan
Pyruvate kinase terutamanya dihambat oleh efektor allosteric fisiologi, jadi proses ini sangat berbeza antara spesies yang berbeza dan bahkan antara jenis sel dan tisu organisma yang sama.
Di banyak mamalia, glukagon, epinefrin, dan cAMP mempunyai kesan penghambatan terhadap aktiviti piruvat kinase, kesan yang dapat ditangani oleh insulin.
Selanjutnya, telah terbukti bahawa beberapa asid amino, seperti fenilalanin, dapat bertindak sebagai penghambat kompetitif untuk enzim ini di otak.
Rujukan
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Struktur kinase piruvat menunjukkan strategi alosterik yang berbeza secara evolusi. Ilmu terbuka Royal Society, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Gambaran Keseluruhan Struktur, Fungsi dan Peraturan Pyruvate Kinases. Sains Protein.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Peraturan alosterik piruvat kinase A kajian mutagenesis yang diarahkan di lokasi. Jurnal Kimia Biologi, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Struktur dan fungsi eritrosit manusia piruvat kinase Asas molekul anemia hemolitik nonspherositik. Jurnal Kimia Biologi, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, Julai). Piruvate kinase: fungsi, peraturan dan peranan dalam barah. Dalam Seminar dalam sel & biologi perkembangan (Jilid 43, hlm. 43-51). Akhbar Akademik.