Die Pyruvatkinase ( PYK ) ist das Enzym, das den letzten Schritt auf dem glykolytischen Weg katalysiert, bei dem die Phosphatgruppe eines Phosphoenolpyruvatmoleküls (PEP) irreversibel auf ein ADP-Molekül übertragen wird, wodurch ein Molekül synthetisiert wird von ATP und einem anderen von Brenztraubensäure oder Brenztraubensäure.
Das so hergestellte Pyruvat ist anschließend an verschiedenen katabolen und anabolen (Biosynthese-) Wegen beteiligt: Es kann decarboxyliert werden, um Acetyl-CoA zu produzieren, carboxyliert, um Oxalacetat zu produzieren, transaminiert, um Alanin zu produzieren, oxidiert, um Milchsäure zu produzieren, oder es kann zur Synthese auf Gluconeogenese gerichtet werden Glucose.
Durch das Enzym Pyruvatkinase katalysierte Reaktion (Quelle: Noah Salzman über Wikimedia Commons)
Da dieses Enzym an der Glykolyse beteiligt ist, ist es sehr wichtig für den Kohlenhydratstoffwechsel vieler einzelliger und mehrzelliger Organismen, die dies als katabolen Hauptweg zur Energiegewinnung nutzen.
Ein Beispiel für Zellen, die zur Energieerzeugung streng von der Glykolyse abhängig sind, sind Erythrozyten von Säugetieren, bei denen ein Mangel an einem der an diesem Weg beteiligten Enzyme erhebliche negative Auswirkungen haben kann.
Struktur
Bei Säugetieren wurden vier Isoformen des Pyruvatkinaseenzyms beschrieben:
- PKM1 , typisch für Muskeln
- PKM2 , nur bei Feten (beide Produkte der alternativen Verarbeitung derselben Messenger-RNA)
- PKL , in der Leber vorhanden und
- PKR , vorhanden in Erythrozyten (beide von demselben Gen, PKLR, codiert, aber von verschiedenen Promotoren transkribiert).
Die Analysen zur Struktur der verschiedenen Pyruvatkinaseenzyme in der Natur (einschließlich dieser 4 von Säugetieren) zeigen jedoch eine große Ähnlichkeit in der allgemeinen Struktur sowie in Bezug auf die Architektur des aktiven Zentrums und die Regulationsmechanismen.
Im Allgemeinen handelt es sich um ein Enzym mit einem Molekulargewicht von 200 kDa, das durch eine tetramere Struktur gekennzeichnet ist, die aus 4 identischen Proteineinheiten mit mehr oder weniger 50 oder 60 kDa und jeweils 4 Domänen besteht, nämlich:
- Eine kleine helikale Domäne am N-terminalen Ende (fehlt in bakteriellen Enzymen)
- Eine " A " -Domäne , identifiziert durch eine Topologie von 8 gefalteten β-Faltblättern und 8 α-Helices
- Eine " B " -Domäne , eingefügt zwischen dem gefalteten Beta-Blatt Nummer 3 und der Alpha-Helix Nummer 3 der Domäne "A".
- Eine " C " -Domäne mit einer α + β-Topologie
Molekülstruktur des Pyruvatkinaseenzyms (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
In Pyruvatkinase-Tetrameren aus verschiedenen Organismen wurden drei Stellen nachgewiesen: die aktive Stelle, die Effektorstelle und die Aminosäurebindungsstelle. Das aktive Zentrum dieser Enzyme befindet sich zwischen den Domänen A und B in der Nähe der "Effektorstelle", die zur Domäne C gehört.
Im Tetramer bilden die C-Domänen eine "kleine" Schnittstelle, während die A-Domänen eine größere Schnittstelle bilden.
Funktion
Wie bereits erwähnt, katalysiert die Pyruvatkinase den letzten Schritt auf dem glykolytischen Weg, dh die Übertragung einer Phosphatgruppe von Phosphoenolpyruvat (PEP) auf ein ADP-Molekül, um ATP und ein Pyruvat- oder Brenztraubensäuremolekül herzustellen.
Die durch dieses Enzym katalysierten Reaktionsprodukte sind für verschiedene Stoffwechselkontexte von größter Bedeutung. Pyruvat kann auf verschiedene Arten verwendet werden:
- Unter aeroben Bedingungen, dh in Gegenwart von Sauerstoff, kann dieses als Substrat für ein Enzym verwendet werden, das als Pyruvatdehydrogenasekomplex bekannt ist, das decarboxyliert und in Acetyl-CoA umgewandelt wird, ein Molekül, das in den Mitochondrien in den Krebszyklus eintreten kann oder an anderen anabolen Pfaden wie der Fettsäurebiosynthese teilnehmen.
- In Abwesenheit von Sauerstoff oder Anaerobiose kann Pyruvat vom Enzym Lactatdehydrogenase zur Herstellung von Milchsäure (Oxidation) durch einen als "Milchsäuregärung" bekannten Prozess verwendet werden.
- Zusätzlich kann Pyruvat durch Glukoneogenese in Glucose, durch Alanintransaminase in Alanin, durch Pyruvatcarboxylase usw. in Oxalacetat umgewandelt werden.
Es ist wichtig zu bedenken, dass in der durch dieses Enzym katalysierten Reaktion auch die Nettosynthese von ATP stattfindet, die für die Glykolyse verantwortlich ist und 2 Pyruvatmoleküle und 2 ATP-Moleküle für jedes Glucosemolekül erzeugt.
Aus dieser Perspektive spielt das Pyruvatkinaseenzym in vielen Aspekten des Zellstoffwechsels eine grundlegende Rolle, so dass es als therapeutisches Ziel für viele menschliche Krankheitserreger verwendet wird, von denen mehrere Protozoen hervorstechen.
Verordnung
Pyruvatkinase ist aus Sicht des Zellstoffwechsels ein äußerst wichtiges Enzym, da es die letzte Verbindung bildet, die aus dem Glukose-Katabolismus-Weg resultiert: Pyruvat.
Pyruvatkinase ist nicht nur eines der drei am stärksten regulierten Enzyme des gesamten glykolytischen Weges (die anderen beiden sind Hexokinase (HK) und Phosphofructokinase (PFK)), sondern auch ein sehr wichtiges Enzym für die Kontrolle des Stoffwechselflusses und der Produktion von ATP durch Glykolyse.
Es wird durch Phosphoenolpyruvat, eines seiner Substrate (homotrope Regulation), sowie durch andere mono- und diphosphorylierte Zucker aktiviert, obwohl seine Regulation von der Art des betrachteten Isoenzyms abhängt.
Einige wissenschaftliche Texte legen nahe, dass die Regulation dieses Enzyms auch von seiner "Multidomänen" -Architektur abhängt, da seine Aktivierung von einigen Rotationen in den Domänen der Untereinheiten und von Änderungen in der Geometrie des aktiven Zentrums abzuhängen scheint.
Für viele Organismen hängt die allosterische Aktivierung der Pyruvatkinase von Fructose-1,6-bisphosphat (F16BP) ab, dies gilt jedoch nicht für pflanzliche Enzyme. Andere Enzyme werden ebenfalls durch cyclisches AMP und Glucose-6-phosphat aktiviert.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Aktivität der meisten untersuchten Pyruvatkinasen stark von der Anwesenheit einwertiger Ionen wie Kalium (K +) und zweiwertiger Ionen wie Magnesium (Mg + 2) und Mangan (Mn + 2) abhängt. ).
Hemmung
Die Pyruvatkinase wird hauptsächlich durch physiologische allosterische Effektoren gehemmt, so dass diese Prozesse zwischen verschiedenen Arten und sogar zwischen Arten von Zellen und Geweben desselben Organismus erheblich variieren.
Bei vielen Säugetieren haben Glucagon, Adrenalin und cAMP hemmende Wirkungen auf die Pyruvatkinaseaktivität, Wirkungen, denen Insulin entgegenwirken kann.
Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass einige Aminosäuren wie Phenylalanin als kompetitive Inhibitoren für dieses Enzym im Gehirn wirken können.
Verweise
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