stringtranslate.com

Фосфофруктокиназа 1

Фосфофруктокиназа-1 ( PFK-1 ) является одним из важнейших регуляторных ферментов ( EC 2.7.1.11) гликолиза . Это аллостерический фермент , состоящий из 4 субъединиц и контролируемый многими активаторами и ингибиторами . PFK-1 катализирует важный «комитетный» этап гликолиза, превращение фруктозо-6-фосфата и АТФ в фруктозо-1,6-бисфосфат и АДФ . Гликолиз является основой дыхания, как анаэробного, так и аэробного. Поскольку фосфофруктокиназа (PFK) катализирует АТФ-зависимое фосфорилирование для превращения фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат и АДФ, это один из ключевых регуляторных этапов гликолиза. [1] PFK способен регулировать гликолиз посредством аллостерического ингибирования, и таким образом клетка может увеличивать или уменьшать скорость гликолиза в ответ на энергетические потребности клетки. Например, высокое отношение АТФ к АДФ будет ингибировать PFK и гликолиз. Ключевое различие между регуляцией PFK у эукариот и прокариот заключается в том, что у эукариот PFK активируется фруктозо-2,6-бисфосфатом. Цель фруктозо-2,6-бисфосфата — заменить ингибирование АТФ, тем самым позволяя эукариотам иметь большую чувствительность к регуляции гормонами, такими как глюкагон и инсулин. [2]


Структура

Млекопитающий PFK1 представляет собой тетрамер 340kd [3], состоящий из различных комбинаций трех типов субъединиц: мышечной (M), печеночной (L) и тромбоцитарной (P). Состав тетрамера PFK1 различается в зависимости от типа ткани, в которой он присутствует. Например, зрелая мышца экспрессирует только изофермент M , поэтому мышечный PFK1 состоит исключительно из гомотетрамеров M4. Печень и почки экспрессируют преимущественно изоформу L. В эритроцитах субъединицы M и L случайным образом тетрамеризуются, образуя M4, L4 и три гибридные формы фермента (ML3, M2L2, M3L). В результате кинетические и регуляторные свойства различных пулов изоферментов зависят от состава субъединиц. Тканеспецифические изменения активности и изоферментного состава PFK вносят значительный вклад в разнообразие скоростей гликолиза и глюконеогенеза , которые наблюдаются для различных тканей. [4]

PFK1 является аллостерическим ферментом и имеет структуру, похожую на структуру гемоглобина , поскольку он является димером димера. [5] Одна половина каждого димера содержит сайт связывания АТФ, тогда как другая половина — сайт связывания субстрата (фруктозо-6-фосфата или (F6P)), а также отдельный аллостерический сайт связывания. [6]

Каждая субъединица тетрамера состоит из 319 аминокислот и состоит из двух доменов: один связывает субстрат АТФ, а другой связывает фруктозо-6-фосфат. Каждый домен представляет собой бета-бочку и имеет цилиндрический бета-слой, окруженный альфа-спиралями.

На противоположной стороне каждой субъединицы от каждого активного участка находится аллостерический участок, на границе между субъединицами в димере. АТФ и АМФ конкурируют за этот участок. N-концевой домен играет каталитическую роль, связывая АТФ, а C-концевой домен играет регуляторную роль [7]

Механизм

PFK1 является аллостерическим ферментом, активность которого можно описать с помощью симметрийной модели аллостеризма [8] , в которой происходит согласованный переход из ферментативно неактивного T-состояния в активное R-состояние. F6P связывается с высоким сродством с R-состоянием, но не с ферментом T-состояния. Для каждой молекулы F6P, которая связывается с PFK1, фермент постепенно переходит из T-состояния в R-состояние. Таким образом, график, отображающий активность PFK1 в зависимости от увеличивающихся концентраций F6P, будет иметь форму сигмоидальной кривой, традиционно ассоциируемой с аллостерическими ферментами.

PFK1 принадлежит к семейству фосфотрансфераз и катализирует перенос γ-фосфата от АТФ к фруктозо-6-фосфату. Активный сайт PFK1 включает как сайты связывания АТФ-Mg2+, так и сайты связывания F6P. Некоторые предложенные остатки, участвующие в связывании субстрата в E. coli PFK1, включают Asp127 и Arg171 . [9] В B. stearothermophilus PFK1 положительно заряженная боковая цепь остатка Arg162 образует водородно-связанный солевой мостик с отрицательно заряженной фосфатной группой F6P, взаимодействие, которое стабилизирует состояние R относительно состояния T и частично отвечает за гомотропный эффект связывания F6P. В состоянии T конформация фермента слегка смещается таким образом, что пространство, ранее занимаемое Arg162, заменяется Glu161 . Этот обмен позициями между соседними аминокислотными остатками ингибирует способность F6P связывать фермент.

Аллостерические активаторы, такие как AMP и ADP, связываются с аллостерическим сайтом, чтобы способствовать образованию состояния R, вызывая структурные изменения в ферменте. Аналогично, ингибиторы, такие как АТФ и PEP, связываются с тем же аллостерическим сайтом и способствуют образованию состояния T, тем самым ингибируя активность фермента.

Гидроксильный кислород углерода 1 осуществляет нуклеофильную атаку на бета-фосфат АТФ. Эти электроны выталкиваются к ангидридному кислороду между бета- и гамма-фосфатами АТФ. [10] [11]

Механизм действия фосфофруктокиназы 1

Регулирование

PFK1 является наиболее важным местом контроля в гликолитическом пути млекопитающих. Этот шаг подлежит обширной регуляции, поскольку он не только высоко экзергонический в физиологических условиях , но и потому, что это предопределенный шаг – первая необратимая реакция, уникальная для гликолитического пути. Это приводит к точному контролю глюкозы и других моносахаридов галактозы и фруктозы, проходящих по гликолитическому пути. Перед реакцией этого фермента глюкозо-6-фосфат потенциально может перемещаться по пентозофосфатному пути или преобразовываться в глюкозо-1-фосфат для гликогенеза .

PFK1 аллостерически ингибируется высокими уровнями АТФ , но AMP обращает ингибирующее действие АТФ. Таким образом, активность фермента увеличивается, когда клеточное соотношение АТФ/АМФ снижается. Таким образом, гликолиз стимулируется, когда энергетический заряд падает. PFK1 имеет два участка с различным сродством к АТФ, который является как субстратом, так и ингибитором. [3]

PFK1 также ингибируется низким уровнем pH, что усиливает ингибирующий эффект АТФ. pH падает, когда мышца функционирует анаэробно и производит избыточное количество молочной кислоты (хотя молочная кислота сама по себе не является причиной снижения pH [12] ). Этот ингибирующий эффект служит для защиты мышцы от повреждения, которое может возникнуть в результате накопления слишком большого количества кислоты. [3]

Наконец, PFK1 аллостерически ингибируется PEP , цитратом и АТФ. Фосфоенолпировиноградная кислота является продуктом, который находится ниже по течению гликолитического пути. Хотя цитрат действительно накапливается, когда ферменты цикла Кребса достигают своей максимальной скорости, сомнительно, накапливается ли цитрат до достаточной концентрации, чтобы ингибировать PFK-1 в нормальных физиологических условиях [ необходима цитата ] . Накопление концентрации АТФ указывает на избыток энергии и имеет аллостерический участок модуляции на PFK1, где он снижает сродство PFK1 к своему субстрату.

PFK1 аллостерически активируется высокой концентрацией AMP , но наиболее мощным активатором является фруктозо-2,6-бисфосфат , который также производится из фруктозо-6-фосфата PFK2 . Следовательно, обилие F6P приводит к более высокой концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата (F-2,6-BP). Связывание F-2,6-BP увеличивает сродство PFK1 к F6P и уменьшает ингибирующий эффект АТФ. Это пример прямой стимуляции, поскольку гликолиз ускоряется при обилии глюкозы. [3]

Активность PFK снижается посредством подавления синтеза глюкагоном . Глюкагон активирует протеинкиназу A , которая, в свою очередь, отключает киназную активность PFK2 . Это обращает вспять любой синтез F-2,6-BP из F6P и, таким образом, дезактивирует PFK1.

Точная регуляция PFK1 предотвращает одновременное протекание гликолиза и глюконеогенеза . Однако существует цикл субстрата между F6P и F-1,6-BP. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза (FBPase) катализирует гидролиз F-1,6-BP обратно в F6P, обратную реакцию, катализируемую PFK1. Во время гликолиза наблюдается небольшая активность FBPase, а во время глюконеогенеза — некоторая активность PFK1. Этот цикл позволяет усиливать метаболические сигналы, а также вырабатывать тепло путем гидролиза АТФ.

Серотонин (5-HT) увеличивает PFK, связываясь с рецептором 5-HT(2A), вызывая фосфорилирование остатка тирозина PFK через фосфолипазу C. Это, в свою очередь, перераспределяет PFK в клетках скелетных мышц. Поскольку PFK регулирует гликолитический поток, серотонин играет регуляторную роль в гликолизе [13]

Гены

У человека имеется три гена фосфофруктокиназы:

Клиническое значение

Генетическая мутация в гене PFKM приводит к болезни Таруи , которая представляет собой заболевание, связанное с накоплением гликогена, при котором нарушается способность определенных типов клеток использовать углеводы в качестве источника энергии. [14]

Болезнь Таруи — это болезнь накопления гликогена с симптомами, включающими мышечную слабость (миопатию) и спазмы и спазмы, вызванные физическими упражнениями, миоглобинурию (наличие миоглобина в моче, что указывает на разрушение мышц) и компенсированный гемолиз. АТФ является естественным аллостерическим ингибитором PFK, предотвращающим ненужное производство АТФ посредством гликолиза. Однако мутация в Asp(543)Ala может привести к тому, что АТФ будет иметь более сильный ингибирующий эффект (из-за повышенного связывания с ингибирующим аллостерическим сайтом связывания PFK). [15] [16]

Мутация фосфофруктокиназы и рак: Для того чтобы раковые клетки могли удовлетворить свои энергетические потребности из-за быстрого роста и деления клеток, они выживают более эффективно, если у них есть гиперактивный фермент фосфофруктокиназа 1. [17] [18] Когда раковые клетки растут и делятся быстро, у них изначально не так много кровоснабжения, и поэтому они могут испытывать гипоксию (недостаток кислорода), и это запускает O-GlcNAcylation на серине 529 PFK. Эта модификация подавляет активность PFK1 и поддерживает пролиферацию рака, в отличие от мнения, что высокая активность PFK1 необходима для рака. Это может быть связано с перенаправлением потока глюкозы в сторону пентозофосфатного пути для генерации НАДФН для детоксикации активных форм кислорода. [19]

Herpes simplex тип 1 и фосфофруктокиназа: некоторые вирусы, включая ВИЧ, HCMV и Mayaro, влияют на клеточные метаболические пути, такие как гликолиз, посредством MOI-зависимого увеличения активности PFK. Механизм, с помощью которого Herpes увеличивает активность PFK, заключается в фосфорилировании фермента по остаткам серина. Вызванный HSV-1 гликолиз увеличивает содержание АТФ, что имеет решающее значение для репликации вируса. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Walker, LR; Simcock, DC; Pedley, KC; Simpson, HV ; Brown, S. (апрель 2012 г.). «Кинетика и регуляция фосфофруктокиназы из Teladorsagia circumcincta». Experimental Parasitology . 130 (4): 348–353. doi :10.1016/j.exppara.2012.02.011. ISSN  0014-4894. PMID  22402411.
  2. ^ Usenik A, Legiša M (ноябрь 2010 г.). Kobe B (ред.). «Эволюция аллостерических участков связывания цитрата на 6-фосфофрукто-1-киназе». PLOS ONE . ​​5 (11): 677–683. Bibcode :2010PLoSO...515447U. doi : 10.1371/journal.pone.0015447 . PMC 2990764 . PMID  21124851. 
  3. ^ abcd Страйер Л., Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. (2007). Биохимия (Шестое изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  4. ^ Dunaway GA, Kasten TP, Sebo T, Trapp R (май 1988). «Анализ субъединиц и изоферментов фосфофруктокиназы в тканях человека». Biochem. J . 251 (3): 677–83. doi :10.1042/bj2510677. PMC 1149058 . PMID  2970843. 
  5. ^ PDB : 4pfk ​; Evans PR, Farrants GW, Hudson PJ (июнь 1981). «Фосфофруктокиназа: структура и контроль». Philosophical Transactions of the Royal Society B . 293 (1063): 53–62. Bibcode :1981RSPTB.293...53E. doi : 10.1098/rstb.1981.0059 . PMID  6115424.
    • "Гликолитические ферменты". Protein Data Bank . Архивировано из оригинала 2010-12-12.
  6. ^ Shirakihara Y, Evans PR (декабрь 1988 г.). «Кристаллическая структура комплекса фосфофруктокиназы из Escherichia coli с продуктами ее реакции». J. Mol. Biol . 204 (4): 973–94. doi :10.1016/0022-2836(88)90056-3. PMID  2975709.
  7. ^ Banaszak K, Mechin I, Obmolova G, Oldham M, Chang SH, Ruiz T, Radermacher M, Kopperschläger G, Rypniewski W (март 2011 г.). «Кристаллические структуры эукариотических фосфофруктокиназ из пекарских дрожжей и скелетных мышц кролика». J Mol Biol . 407 (7): 284–97. doi :10.1016/j.jmb.2011.01.019. PMID  21241708.
  8. ^ Песков К, Горянин И, Демин О (август 2008). "Кинетическая модель фосфофруктокиназы-1 из Escherichia coli". J Bioinform Comput Biol . 6 (4): 843–67. doi :10.1142/S0219720008003643. PMID  18763746.
  9. ^ Hellinga HW, Evans PR (1987). «Мутации в активном центре фосфофруктокиназы Escherichia coli». Nature . 327 (6121): 437–9. doi :10.1038/327437a0. PMID  2953977. S2CID  4357039.
  10. ^ Phong WY, Lin W, Rao SP, Dick T, Alonso S, Pethe K (август 2013 г.). Parish T (ред.). «Характеристика активности фосфофруктокиназы в Mycobacterium tuberculosis показывает, что функциональный гликолитический поток углерода необходим для ограничения накопления токсичных метаболических промежуточных продуктов при гипоксии». PLOS ONE . ​​8 (2): 1198–206. Bibcode :2013PLoSO...856037P. doi : 10.1371/journal.pone.0056037 . PMC 3567006 . PMID  23409118. 
  11. ^ Пападжанни М., Аврамидис Н. (май 2012 г.). «Инженерия центральных путей в Lactococcus lactis: функциональная экспрессия генов фосфофруктокиназы (pfk) и альтернативной оксидазы (aox1) из Aspergillus niger в Lactococcus lactis способствует повышению скорости преобразования углерода в окислительных условиях». Enzyme and Microbial Technology . 51 (113): 125–30. doi :10.1016/j.enzmictec.2012.04.007. PMID  22759530.
  12. ^ Линдингер, Майкл И.; Ковальчук, Джон М.; Хайгенхаузер, Джордж Дж. Ф. (2005-09-01). «Применение физико-химических принципов к кислотно-щелочному статусу скелетных мышц». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 289 (3): R891–R894. doi :10.1152/ajpregu.00225.2005. ISSN  0363-6119. PMID  16105823.
  13. ^ Coelho WS, Sola-Penna M (январь 2013 г.). «Серотонин регулирует активность 6-фосфофрукто-1-киназы в сигнальном пути, зависящем от PLC-PKC-CaMK II и Janus kinase». Mol. Cell. Biochem . 372 (1–2): 211–20. doi :10.1007/s11010-012-1462-0. PMID  23010892. S2CID  14570273.
  14. ^ Nakajima H, Raben N, Hamaguchi T, Yamasaki T (март 2002 г.). «Дефицит фосфофруктокиназы; прошлое, настоящее и будущее». Curr. Mol. Med . 2 (2): 197–212. doi :10.2174/1566524024605734. PMID  11949936.
  15. ^ Bruser A, KirchbergerJ, Schoneberg T (октябрь 2012 г.). «Измененная аллостерическая регуляция мышечной 6-фосфофруктокиназы вызывает болезнь Таруи». Biochem Biophys Res Commun . 427 (1): 133–7. doi :10.1016/j.bbrc.2012.09.024. PMID  22995305.
  16. ^ Brüser A, Kirchberger J, Schöneberg T (октябрь 2012 г.). «Измененная аллостерическая регуляция мышечной 6-фосфофруктокиназы вызывает болезнь Таруи». Biochem. Biophys. Res. Commun . 427 (1): 133–7. doi :10.1016/j.bbrc.2012.09.024. PMID  22995305.
  17. ^ Гомес Л.С., Занкан П., Маркондес М.К., Рамос-Сантос Л., Мейер-Фернандес-младший, Сола-Пенна М., Да Силва Д. (февраль 2013 г.). «Ресвератрол снижает жизнеспособность клеток рака молочной железы и метаболизм глюкозы, ингибируя 6-фосфофрукто-1-киназу». Биохимия . 95 (6): 1336–43. дои : 10.1016/j.biochi.2013.02.013 . ПМИД  23454376.
  18. ^ Vaz CV, Alves MG, Marques R, Moreira PI, Oliveira PF, Maia CJ, Socorro S (февраль 2013 г.). «Андроген-чувствительные и нечувствительные клетки рака простаты представляют собой отчетливый профиль гликолитического метаболизма». Int J Biochem Cell Biol . 44 (11): 2077–84. doi :10.1016/j.biocel.2012.08.013. PMID  22964025.
  19. ^ Yi W, Clark PM, Mason DE, Keenan MC, Hill C, Goddard WA, Peters EC, Driggers EM, Hsieh-Wilson LC (август 2012 г.). «Гликозилирование фосфофруктокиназы 1 регулирует рост и метаболизм клеток». Science . 337 (6097): 975–80. Bibcode :2012Sci...337..975Y. doi :10.1126/science.1222278. PMC 3534962 . PMID  22923583. 
  20. ^ Abrantes JL, Alves CM, Costa J, Almeida FC, Sola-Penna M, Fontes CF, Souza TM (август 2012 г.). «Herpes simplex type 1 активирует гликолиз посредством вовлечения фермента 6-фосфофрукто-1-киназы (PFK-1)». Biochim Biophys Acta . 1822 (8): 1198–206. doi : 10.1016/j.bbadis.2012.04.011 . PMID  22542512.

Внешние ссылки