Фосфоглицераткиназа ( EC 2.7.2.3) (PGK 1) — это фермент , который катализирует обратимый перенос фосфатной группы от 1,3-бисфосфоглицерата (1,3-BPG) к АДФ с образованием 3-фосфоглицерата (3-PG) и АТФ :
Как и все киназы , это трансфераза . PGK является основным ферментом, используемым в гликолизе , на первом этапе гликолитического пути, генерирующем АТФ. При глюконеогенезе реакция, катализируемая PGK, протекает в противоположном направлении, генерируя АДФ и 1,3-БФГ.
У людей на данный момент идентифицированы два изофермента PGK, PGK1 и PGK2. Изоферменты имеют 87-88% идентичности аминокислотной последовательности, и хотя они структурно и функционально схожи, они имеют различную локализацию: PGK2, кодируемый аутосомным геном, уникален для мейотических и постмейотических сперматогенных клеток, тогда как PGK1, кодируемый на X-хромосоме , повсеместно экспрессируется во всех клетках. [2]
PGK присутствует во всех живых организмах как один из двух ферментов, генерирующих АТФ в гликолизе. В глюконеогенном пути PGK катализирует обратную реакцию. В стандартных биохимических условиях предпочтительным является гликолитическое направление. [1]
В цикле Кальвина в фотосинтезирующих организмах ФГК катализирует фосфорилирование 3-ПГ с образованием 1,3-БФГ и АДФ в рамках реакций, в результате которых восстанавливается рибулозо-1,5-бисфосфат .
Сообщалось, что PGK проявляет активность тиолредуктазы на плазмине , что приводит к образованию ангиостатина , который ингибирует ангиогенез и рост опухолей . Также было показано, что фермент участвует в репликации и восстановлении ДНК в ядрах клеток млекопитающих . [3]
Было показано, что человеческий изофермент PGK2, который экспрессируется только во время сперматогенеза, необходим для функционирования сперматозоидов у мышей. [4]
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
PGK встречается во всех живых организмах, и его последовательность была высококонсервативной на протяжении всей эволюции. Фермент существует как мономер из 415 остатков , содержащий два почти одинакового размера домена, которые соответствуют N- и C-концам белка. [5] 3-фосфоглицерат (3-PG) связывается с N-концом, в то время как нуклеотидные субстраты, MgATP или MgADP, связываются с C-концевым доменом фермента. Эта расширенная двухдоменная структура связана с крупномасштабными конформационными изменениями «шарнирного изгиба», аналогичными тем, которые обнаружены в гексокиназе . [6] Два домена белка разделены щелью и связаны двумя альфа-спиралями . [2] В основе каждого домена находится 6-цепочечный параллельный бета-лист, окруженный альфа-спиралями. Две доли способны складываться независимо, что согласуется с наличием промежуточных продуктов на пути складывания с одним свернутым доменом. [7] [8] Хотя связывание любого субстрата вызывает конформационное изменение , только посредством связывания обоих субстратов происходит закрытие домена, что приводит к переносу фосфатной группы. [2]
Фермент имеет тенденцию существовать в открытой конформации с короткими периодами закрытия и катализа, что обеспечивает быструю диффузию субстрата и продуктов через сайты связывания; открытая конформация PGK более конформационно стабильна из-за раскрытия гидрофобной области белка при закрытии домена. [7]
Ионы магния обычно образуют комплексы с фосфатными группами нуклеотидных субстратов PGK. Известно, что в отсутствие магния ферментативная активность не проявляется. [9] Двухвалентный металл помогает лигандам фермента экранировать отрицательные заряды связанной фосфатной группы, позволяя происходить нуклеофильной атаке ; эта стабилизация заряда является типичной характеристикой реакции переноса фосфора. [10] Предполагается, что ион также может способствовать закрытию домена, когда PGK связал оба субстрата. [ 9]
Без какого-либо связанного субстрата PGK существует в «открытой» конформации . После того, как и триозный, и нуклеотидный субстраты связаны с N- и C-концевыми доменами соответственно, происходит обширное шарнирно-изгибающее движение, приводящее домены и связанные с ними субстраты в тесную близость и приводящее к «закрытой» конформации. [11] Затем, в случае прямой гликолитической реакции, бета-фосфат АДФ инициирует нуклеофильную атаку на 1-фосфат 1,3-БФГ. Lys219 на ферменте направляет фосфатную группу к субстрату.
PGK проходит через стабилизированное зарядом переходное состояние , которое предпочтительнее расположения связанного субстрата в закрытом ферменте, поскольку в переходном состоянии все три фосфатных кислорода стабилизированы лигандами , в отличие от только двух стабилизированных кислородов в исходном связанном состоянии. [12]
В гликолитическом пути 1,3-БФГ является донором фосфата и имеет высокий потенциал переноса фосфорила. Катализируемый PGK перенос фосфатной группы от 1,3-БФГ к АДФ с получением АТФ может питать [ необходимо уточнение ] реакцию окисления углерода предыдущего гликолитического шага (превращая глицеральдегид-3-фосфат в 3-фосфоглицерат ). [ необходима цитата ]
Фермент активируется низкими концентрациями различных многовалентных анионов, таких как пирофосфат, сульфат, фосфат и цитрат. Высокие концентрации MgATP и 3-PG активируют PGK, тогда как Mg2+ в высоких концентрациях неконкурентно ингибирует фермент. [13]
PGK проявляет широкую специфичность к нуклеотидным субстратам. [14] Его активность ингибируется салицилатами, которые, по-видимому, имитируют нуклеотидный субстрат фермента. [15]
Было показано, что макромолекулярное скопление увеличивает активность PGK как в компьютерном моделировании, так и в условиях in vitro , имитирующих внутреннюю часть клетки; в результате скопления фермент становится более ферментативно активным и более компактным. [5]
Дефицит фосфоглицераткиназы (PGK) является сцепленным с Х-хромосомой рецессивным признаком, связанным с гемолитической анемией , психическими расстройствами и миопатией у людей, [16] [17] в зависимости от формы - существует гемолитическая форма и миопатическая форма. [18] Поскольку признак сцеплен с Х-хромосомой, он обычно полностью выражен у мужчин, у которых есть одна Х-хромосома; затронутые женщины, как правило, не имеют симптомов. [2] [17] Состояние является результатом мутаций в Pgk1, гене, кодирующем PGK1, и было идентифицировано двадцать мутаций. [17] [2] На молекулярном уровне мутация в Pgk1 нарушает термостабильность и подавляет каталитическую активность фермента. [2] PGK является единственным ферментом в непосредственном гликолитическом пути, кодируемым геном, сцепленным с Х-хромосомой. В случае гемолитической анемии дефицит PGK возникает в эритроцитах . В настоящее время не существует окончательного лечения дефицита PGK. [19]
Повышенная экспрессия PGK1 связана с раком желудка и, как было обнаружено, увеличивает инвазивность клеток рака желудка in vitro . [20] Фермент секретируется опухолевыми клетками и участвует в ангиогенном процессе, что приводит к высвобождению ангиостатина и ингибированию роста кровеносных сосудов опухоли. [3]
Известно, что благодаря своей широкой специфичности к нуклеотидным субстратам PGK участвует в фосфорилировании и активации антиретровирусных препаратов против ВИЧ , которые основаны на нуклеотидах. [14] [21]
