Piruvat kinaze (PYK) je enzim koji katalizira posljednji korak u putu glikolize, koji uključuje nepovratni prijenos fosfatne grupe jedne molekule fosfoenolpiruvata (PEP) na molekulu ADP, što je rezultiralo u sintezi molekule ATP-a i druge piruične kiseline ili piruvata.
Tako proizveden piruvat sudjeluje u raznim kataboličkim i anaboličkim (biosintetskim) putevima: može se dekarboksilirati da se dobije acetil-CoA, karboksilirati da se dobije oksaloacetat, transaminirati da se proizvede alanin, oksidirati da se dobije mliječna kiselina ili se može usmjeriti prema glukoneogenezi za sintezu glukoza.
Reakcija katalizirana enzimom piruvat kinaza (Izvor: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Budući da sudjeluje u glikolizi, ovaj enzim je vrlo važan za metabolizam ugljikohidrata mnogih organizama, jednoćelijskih i višećelijskih, koji to koriste kao glavni katabolički put za dobivanje energije.
Primjer stanica koje strogo ovise o glikolizi za proizvodnju energije su svinjski eritrociti za koje manjak bilo kojeg enzima koji su uključeni u taj put može imati znatno negativne učinke.
Struktura
U sisavaca su opisane četiri izoforme enzima piruvat kinaza:
- PKM1, tipičan za mišiće
- PKM2, samo u fetusa (oba proizvoda alternativne obrade iste RNA poruke)
- PKL, prisutan u jetri i
- PKR, prisutan u eritrocitima (oba kodirana istim genom, PKLR, ali prepisana od strane različitih promotora).
Međutim, analize provedene na strukturi različitih enzima piruvat kinaze u prirodi (uključujući ova 4 od sisavaca) pokazuju veliku sličnost u općoj strukturi, kao i u pogledu arhitekture aktivnog mjesta i regulatornih mehanizama.
Općenito govoreći, riječ je o enzimu molekularne mase 200 kDa, kojeg karakterizira tetramerna struktura sastavljena od 4 identične proteinske jedinice, više ili manje od 50 ili 60 kDa, i svaka s 4 domene, naime:
- Mala spiralna domena na N-terminalnom kraju (odsutna u bakterijskim enzimima)
- Domena " A ", identificirana topologijom 8 presavijenih β listova i 8 α helikopterima
- Domena " B ", umetnuta između presavijenog beta lista broj 3 i alfa helix broja 3 domene "A"
- Domena " C ", koja ima α + β topologiju
Molekularna struktura enzima piruvat kinaza (Izvor: Jawahar Swaminathan i osoblje MSD-a u Europskom institutu za bioinformatiku putem Wikimedia Commonsa)
Otkrivena su tri mjesta u tetramerama piruvat kinaze iz različitih organizama: aktivno mjesto, mjesto efektora i mjesto vezivanja aminokiselina. Aktivno mjesto ovih enzima nalazi se između domena A i B, u blizini "efektorskog mjesta", koje pripada domeni C.
U tetrameru C domene tvore "malo" sučelje, dok A domene tvore veće sučelje.
Funkcija
Kao što je već diskutirano, piruvat kinaza katalizira posljednji korak glikolitičkog puta, odnosno prijenos fosfatne skupine s fosfoenolpiruvata (PEP) u molekulu ADP da bi se stvorio ATP i molekula piruvata ili piruične kiseline.
Produkti reakcije katalizirane ovim enzimom od najveće su važnosti u različitim metaboličkim kontekstima. Piruvat se može koristiti na različite načine:
- U aerobnim uvjetima, odnosno u prisutnosti kisika, ovo se može koristiti kao supstrat enzima poznatog kao kompleks piruvat dehidrogenaze, koji se dekarboksilira i pretvara u acetil-CoA, molekulu koja može ući u Krebsov ciklus u mitohondrijima ili sudjeluju u drugim anaboličkim putevima, na primjer, biosinteza masnih kiselina.
- U nedostatku kisika ili anaerobioze, piruvat se može koristiti enzimom laktat dehidrogenazom za proizvodnju mliječne kiseline (oksidacija) postupkom poznatim kao "mliječna fermentacija".
- Uz to, piruvat se može pretvoriti u glukozu putem glukoneogeneze, u alanin preko alanin transaminaze, u oksaloacetat preko piruvat karboksilaze, itd.
Važno je zapamtiti da se u reakciji kataliziranoj ovim enzimom događa i neto sinteza ATP-a, koji se uzima u obzir za glikolizu, stvarajući 2 molekule piruvata i 2 molekule ATP-a za svaku molekulu glukoze.
Stoga, iz ove perspektive, enzim piruvat kinaza igra temeljnu ulogu u mnogim aspektima staničnog metabolizma, toliko da se koristi kao terapijski cilj za mnoge ljudske patogene, među kojima se ističe nekoliko protozoa.
regulacija
Piruvat kinaza je izuzetno važan enzim sa stajališta staničnog metabolizma, jer je onaj koji tvori posljednji spoj koji je posljedica puta katabolizma glukoze: piruvat.
Osim što je jedan od tri regulirana enzima u cijelom glikolitičkom putu (druga dva su heksokinaza (HK) i foshofruktokinaza (PFK)), piruvat kinaza je vrlo važan enzim za kontrolu metaboličkog protoka i proizvodnje ATP-a putem glikolize.
Aktivira se fosfoenolpiruvatom, jednim od njegovih supstrata (homotropna regulacija), kao i drugim mono- i difosforiliranim šećerima, iako njegova regulacija ovisi o tipu izoenzima koji se razmatra.
Neki znanstveni tekstovi sugeriraju da regulacija ovog enzima ovisi i o njegovoj "višedomačnoj" arhitekturi, jer čini se da njegova aktivacija ovisi o nekim rotacijama u domenama podjedinica i o promjenama u geometriji aktivnog mjesta.
Za mnoge organizme alosterična aktivacija piruvat kinaze ovisi o fruktozi 1,6-bisfosfatu (F16BP), ali to nije točno za biljne enzime. Ostali enzimi također se aktiviraju cikličkim AMP i glukoznim 6-fosfatom.
Nadalje, pokazano je da aktivnost većine ispitivanih piruvat kinaza visoko ovisi o prisutnosti jednovalentnih iona poput kalija (K +) i dvovalentnih iona poput magnezija (Mg + 2) i mangana (Mn + 2).).
Inhibicija
Piruvat kinazu uglavnom inhibiraju fiziološki alosterični efektori, tako da se ti procesi značajno razlikuju između različitih vrsta, pa čak i između vrsta stanica i tkiva istog organizma.
U mnogih sisavaca glukagon, epinefrin i cAMP imaju inhibitorne učinke na aktivnost piruvat kinaze, učinke kojima se može suzbiti inzulin.
Nadalje, dokazano je da neke aminokiseline, poput fenilalanina, mogu djelovati kao konkurentski inhibitori ovog enzima u mozgu.
Reference
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, i Walkinshaw, MD (2014). Strukture piruvat kinaza prikazuju evolucijski različite alosterične strategije. Otvorena znanost Kraljevskog društva, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., i Chattopadhyay, D. (2019). Pregled strukture, djelovanja i regulacije piruvat kinaza. Znanost o proteinima.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., i Mattevi, A. (2000). Alosterična regulacija piruvat kinaze Studija mutageneze usmjerena na mjesto. Časopis za biološku kemiju, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Struktura i funkcija humane eritrocitne piruvat kinaze Molekularna osnova nesferocitne hemolitičke anemije. Časopis za biološku kemiju, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, i Vander Heiden, MG (2015, srpanj). Piruvat kinaza: funkcija, regulacija i uloga u raku. Na seminarima iz stanične i razvojne biologije (Vol. 43, str. 43-51). Akademska štampa.