Ang pyruvate kinase ( PYK ) ay ang enzyme na catalyzes ang huling hakbang sa glycolytic pathway, na nagsasangkot sa hindi maibabalik na paglipat ng pangkat na pospeyt ng isang molekula ng phosphoenolpyruvate (PEP) sa isang molekula ng ADP, na nagreresulta sa synthesis ng isang molekula ng ATP at isa pang pyruvic acid o pyruvate.
Ang pyruvate na ginawang kasunod ay nakikilahok sa iba't ibang mga landas ng catabolic at anabolic (biosynthetic): maaari itong ma-decarboxylated upang makagawa ng acetyl-CoA, carboxylated upang makagawa ng oxaloacetate, transaminate upang makabuo ng alanine, na-oxidized upang makabuo ng lactic acid o maaari itong ituro patungo sa gluconeogenesis para synt synthes. glucose.
Ang reaksyon ay na-catalyzed ng enzyme pyruvate kinase (Pinagmulan: Noah Salzman sa pamamagitan ng Wikimedia Commons)
Dahil nakikilahok ito sa glycolysis, ang enzyme na ito ay napakahalaga para sa metabolismo ng karbohidrat ng maraming mga organismo, unicellular at multicellular, na ginagamit ito bilang pangunahing ruta ng catabolic para sa pagkuha ng enerhiya.
Ang isang halimbawa ng mga cell na mahigpit na nakasalalay sa glycolysis para sa paggawa ng enerhiya ay ng mammalian erythrocytes, kung saan ang isang kakulangan sa alinman sa mga enzymes na kasangkot sa daang ito ay maaaring magkaroon ng malaking negatibong epekto.
Istraktura
Apat na isoform ng pyruvate kinase enzyme ay inilarawan sa mga mammal:
- PKM1 , tipikal sa mga kalamnan
- PKM2 , lamang sa mga fetus (parehong mga produkto ng alternatibong pagproseso ng parehong messenger RNA)
- PKL , naroroon sa atay at
- Ang PKR , na naroroon sa mga erythrocytes (parehong naka-encode ng parehong gene, PKLR, ngunit na-transcribe ng iba't ibang mga promotor).
Gayunpaman, ang mga pag-aaral na isinasagawa sa istraktura ng iba't ibang mga pyruvate kinase enzymes sa kalikasan (kabilang ang mga 4 mula sa mga mammal) ay nagpapakita ng isang mahusay na pagkakapareho sa pangkalahatang istraktura, pati na rin tungkol sa arkitektura ng aktibong site at ang mga mekanismo ng regulasyon.
Sa pangkalahatang mga term, ito ay isang enzyme na may isang molekular na bigat ng 200 kDa, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang tetrameric na istraktura na binubuo ng 4 magkaparehong mga yunit ng protina, ng higit pa o mas mababa sa 50 o 60 kDa, at ang bawat isa na may 4 na mga domain, lalo na:
- Isang maliit na helical domain sa N-terminal end (wala sa mga bakterya na enzymes)
- Isang " A " domain , na kinilala sa pamamagitan ng isang topology ng 8 na nakatiklop na mga sheet at 8 α helice
- Isang domain na " B ", na nakalagay sa pagitan ng nakatiklop na beta sheet number 3 at alpha helix number 3 ng domain na "A"
- Isang domain na " C ", na mayroong topology na α + β
Molekular na istraktura ng pyruvate kinase enzyme (Pinagmulan: Jawahar Swaminathan at kawani ng MSD sa European Bioinformatics Institute sa pamamagitan ng Wikimedia Commons)
Ang tatlong mga site ay nakita sa pyruvate kinase tetramers mula sa iba't ibang mga organismo: ang aktibong site, ang effector site, at ang amino acid na nagbubuklod na site. Ang aktibong site ng mga enzymes na ito ay matatagpuan sa pagitan ng mga domain A at B, sa paligid ng "effector site", na kabilang sa domain C.
Sa tetramer, ang mga domain ng C ay bumubuo ng isang "maliit" na interface, habang ang A domain ay bumubuo ng isang mas malaking interface.
Pag-andar
Tulad ng napag-usapan na, pyruvate kinase catalyzes ang huling hakbang sa glycolytic pathway, iyon ay, ang paglipat ng isang grupo ng pospeyt mula sa phosphoenolpyruvate (PEP) sa isang molekulang ADP upang makabuo ng ATP at isang pyruvate o pyruvic acid molekula.
Ang mga produkto ng reaksyon na naparalisa ng enzim na ito ay pinakamahalaga sa iba't ibang mga metabolic na konteksto. Ang Pyruvate ay maaaring magamit sa iba't ibang paraan:
- Sa ilalim ng mga kondisyon ng aerobic, iyon ay, sa pagkakaroon ng oxygen, maaari itong magamit bilang isang substrate para sa isang enzyme na kilala bilang pyruvate dehydrogenase complex, upang ma-decarboxylated at ma-convert sa acetyl-CoA, isang molekula na maaaring makapasok sa siklo ng Krebs sa mitochondria o makilahok sa iba pang mga daang anabolic tulad ng fatty acid biosynthesis, halimbawa.
- Sa kawalan ng oxygen o anaerobiosis, ang pyruvate ay maaaring magamit ng enzyme lactate dehydrogenase upang makagawa ng lactic acid (oksihenasyon) sa pamamagitan ng isang proseso na kilala bilang "lactic fermentation".
- Bilang karagdagan, ang pyruvate ay maaaring ma-convert sa glucose sa pamamagitan ng gluconeogenesis, sa alanine sa pamamagitan ng alanine transaminase, sa oxaloacetate sa pamamagitan ng pyruvate carboxylase, atbp.
Mahalagang tandaan na sa reaksyon na nabalisa ng enzyme na ito, ang net synthesis ng ATP ay nangyayari rin, na kung saan ay accounted para sa glycolysis, na gumagawa ng 2 mga molekula ng pyruvate at 2 molekula ng ATP para sa bawat molekula ng glucose.
Kaya, mula sa pananaw na ito, ang pyruvate kinase enzyme ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa maraming aspeto ng cellular metabolism, kaya't ito ay ginagamit bilang isang therapeutic target para sa maraming mga pathogens ng tao, na kung saan ang ilang mga protozoa ay nakatayo.
Regulasyon
Ang pyruvate kinase ay isang napakahalagang enzyme mula sa punto ng view ng cellular metabolism, dahil ito ang isa na bumubuo sa huling tambalang nagreresulta mula sa pathway ng glucose na catabolismo: pyruvate.
Bilang karagdagan sa pagiging isa sa tatlong pinaka regulated enzymes sa buong glycolytic pathway (ang dalawa pang pagiging hexokinase (HK) at phosphofructokinase (PFK)), ang pyruvate kinase ay isang napakahalagang enzyme para sa kontrol ng metabolic flow at produksiyon ng ATP sa pamamagitan ng glycolysis.
Ito ay isinaaktibo ng phosphoenolpyruvate, isa sa mga substrate nito (regulasyon ng homotropic), pati na rin ng iba pang mga asukal na mono- at diphosphorylated, bagaman ang regulasyon nito ay nakasalalay sa uri ng isoenzyme na isinasaalang-alang.
Ang ilang mga tekstong pang-agham ay nagmumungkahi na ang regulasyon ng enzim na ito ay nakasalalay din sa "multidomain" na arkitektura, dahil ang pag-activate nito ay tila nakasalalay sa ilang mga pag-ikot sa mga domain ng mga subunits at sa mga pagbabago sa geometry ng aktibong site.
Para sa maraming mga organismo, ang allosteric activation ng pyruvate kinase ay nakasalalay sa fructose 1,6-bisphosphate (F16BP), ngunit hindi ito totoo para sa mga enzymes ng halaman. Ang iba pang mga enzyme ay naisaaktibo din ng paikot na AMP at glucose 6-phosphate.
Bilang karagdagan, ipinakita na ang aktibidad ng karamihan ng mga pyruvate kinases na pinag-aralan ay lubos na nakasalalay sa pagkakaroon ng mga monovalent na mga ion tulad ng potassium (K +) at mga divalent na mga ion tulad ng magnesium (Mg + 2) at mangganeso (Mn + 2). ).
Paglalahad
Ang pyruvate kinase ay higit sa lahat ay hinarang ng mga physiological allosteric effects, kaya ang mga prosesong ito ay nag-iiba nang malaki sa pagitan ng iba't ibang mga species at kahit sa pagitan ng mga uri ng mga cell at tisyu ng parehong organismo.
Sa maraming mga mammal, glucagon, epinephrine, at cAMP ay may mga epekto sa pagbawalan sa aktibidad ng pyruvate kinase, ang mga epekto na maaaring maikontra ng insulin.
Bukod dito, napatunayan na ang ilang mga amino acid, tulad ng phenylalanine, ay maaaring kumilos bilang mga mapagkumpitensyang inhibitor para sa enzyme na ito sa utak.
Mga Sanggunian
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Ang mga istruktura ng pyruvate kinases ay nagpapakita ng evolutionarily na naiiba ang mga diskarte sa allosteric. Buksan ang Royal Society, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Isang Pangkalahatang-ideya ng Istraktura, Pag-andar at Regulasyon ng Pyruvate Kinases. Science Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Ang allosteric regulasyon ng pyruvate kinase Isang pag-aaral na nakadirekta sa site na mutagenesis. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ, … & Mattevi, A. (2002). Istraktura at pag-andar ng tao erythrocyte pyruvate kinase Molekular na batayan ng nonspherocytic hemolytic anemia. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, Hulyo). Pyruvate kinase: function, regulasyon at papel sa cancer. Sa mga seminar sa cell & development biology (Vol. 43, p. 43-51). Akademikong Press.