Fosfofruktokináza 1 - Phosphofructokinase 1
6-fosfofruktokináza | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
![]() | |||||||||
Identifikátory | |||||||||
EC číslo | 2.7.1.11 | ||||||||
Číslo CAS | 9001-80-3 | ||||||||
Databáze | |||||||||
IntEnz | IntEnz pohled | ||||||||
BRENDA | Vstup BRENDA | ||||||||
EXPASY | Pohled NiceZyme | ||||||||
KEGG | Vstup KEGG | ||||||||
MetaCyc | metabolická cesta | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
PDB struktur | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
Genová ontologie | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
Fosfofruktokináza | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identifikátory | |||||||||||
Symbol | PFK | ||||||||||
Pfam | PF00365 | ||||||||||
Pfam klan | CL0240 | ||||||||||
InterPro | IPR000023 | ||||||||||
STRÁNKA | PDOC00336 | ||||||||||
SCOP2 | 5pfk / Rozsah / SUPFAM | ||||||||||
|
Fosfofruktokináza-1 (PFK-1) je jedním z nejdůležitějších předpisů enzymy (ES 2.7.1.11 ) z glykolýza. Je to alosterický enzym je tvořen 4 podjednotkami a je řízen mnoha aktivátory a inhibitory. PFK-1 katalyzuje důležitý "oddaný" krok glykolýzy, konverzi fruktóza 6-fosfát a ATP na fruktózu 1,6-bisfosfát a ADP. Glykolýza je základem pro dýchání, anaerobní i aerobní. Protože fosfofruktokináza (PFK) katalyzuje fosforylaci závislou na ATP, aby přeměnila fruktóza-6-fosfát na 1,6-bisfosfát fruktózy a ADP, je to jeden z klíčových regulačních kroků glykolýzy. PFK je schopen regulovat glykolýzu prostřednictvím alosterické inhibice, a tímto způsobem může buňka zvýšit nebo snížit rychlost glykolýzy v reakci na energetické požadavky buňky. Například vysoký poměr ATP k ADP bude inhibovat PFK a glykolýzu. Klíčovým rozdílem mezi regulací PFK u eukaryot a prokaryot je, že u eukaryot je PFK aktivován 2,6-bisfosfátem fruktózy. Účelem 2,6-bisfosfátu fruktózy je nahradit inhibici ATP, což umožňuje eukaryotům mít větší citlivost na regulaci hormony, jako je glukagon a inzulín.[1]
β-D-fruktóza 6-fosfát | Fosfofruktokináza 1 | β-D-fruktóza 1,6-bisfosfát | |
![]() | ![]() | ||
ATP | ADP | ||
![]() | |||
Pi | H2Ó | ||
Fruktóza bisfosfatáza |
Struktura
Savčí PFK1 je 340kd[2] tetramer složený z různých kombinací tří typů podjednotek: sval (M), játra (L) a destička (P). Složení PFK1 tetramer se liší podle typu tkáně, ve které je přítomen. Například zralý sval vyjadřuje pouze M. isozym, proto je sval PFK1 složen pouze z homotetramerů M4. Játra a ledviny exprimují převážně izoformu L. v erytrocyty, obě M a L podjednotky náhodně tetramerují za vzniku M4, L4 a tří hybridních forem enzymu (ML3, M2L2, M3L). Výsledkem je, že kinetické a regulační vlastnosti různých zásob izoenzymů závisí na složení podjednotky. Tkáňově specifické změny v aktivitě PFK a izoenzymový obsah významně přispívají k rozmanitosti glykolytický a glukoneogenní rychlosti, které byly pozorovány u různých tkání.[3]
PFK1 je alosterický enzym a má strukturu podobnou struktuře hemoglobin pokud jde o dimer dimeru.[4] Jedna polovina každého dimeru obsahuje vazebné místo pro ATP, zatímco druhá polovina vazebného místa pro substrát (fruktóza-6-fosfát nebo (F6P)), jakož i samostatné alosterické vazebné místo.[5]
Každá podjednotka tetrameru je 319 aminokyselin a skládá se ze dvou domén: jedné, která váže substrát ATP, a druhé, která váže fruktóza-6-fosfát. Každá doména má barel b a má válcovitý list b obklopený alfa šroubovicemi.
Na opačné straně každé podjednotky od každého aktivního místa je alosterické místo, na rozhraní mezi podjednotkami v dimeru. ATP a AMP soutěží o tento web. N-koncová doména má katalytickou roli vázající ATP a C-koncová má regulační roli [6]
Mechanismus
PFK1 je alosterický enzym, jehož aktivitu lze popsat pomocí model symetrie alosterismu[7] přičemž dochází ke společnému přechodu z enzymaticky neaktivního stavu T do aktivního stavu R. F6P se váže s vysokou afinitou k R stavu, ale ne k T stavu. U každé molekuly F6P, která se váže na PFK1, se enzym postupně přesouvá ze stavu T do stavu R. Graf znázorňující aktivitu PFK1 proti zvyšování koncentrací F6P by tedy převzal sigmoidální tvar křivky tradičně spojený s alosterickými enzymy.
PFK1 patří do rodiny fosfotransferázy a katalyzuje přenos γ-fosfátu z ATP na fruktóza-6-fosfát. PFK1 Aktivní stránky zahrnuje jak vazebná místa ATP-Mg2 +, tak F6P. Některé navrhované zbytky spojené s vazbou substrátu v E-coli PFK1 zahrnují Asp127 a Arg171.[8] v B. stearothermophilus PFK1, kladně nabitý postranní řetězec zbytku Arg162 tvoří vodíkově vázaný solný můstek se záporně nabitou fosfátovou skupinou F6P, interakce, která stabilizuje stav R ve srovnání se stavem T a je částečně zodpovědná za homotropní účinek vazby F6P. Ve stavu T se enzymová konformace mírně posune tak, že prostor dříve zabraný Arg162 je nahrazen Glu161. Tato výměna v pozicích mezi sousedními aminokyselinovými zbytky inhibuje schopnost F6P vázat se na enzym.
Allosterické aktivátory, jako je AMP a ADP vázat se na alosterické místo, aby se usnadnila tvorba stavu R indukcí strukturálních změn v enzymu. Podobně inhibitory jako ATP a ŘÍZ váží se na stejné alosterické místo a usnadňují tvorbu stavu T, čímž inhibují aktivitu enzymu.
Hydroxylový kyslík uhlíku 1 nukleofilně napadá beta fosfát ATP. Tyto elektrony jsou tlačeny na anhydridový kyslík mezi beta a gama fosfáty ATP.[9][10]
Nařízení
PFK1 je nejdůležitější kontrolní místo v savčí glykolytické dráze. Tento krok podléhá rozsáhlé regulaci, protože není jen vysoce exergonický pod fyziologické podmínky, ale také proto, že se jedná o závazný krok - první nevratnou reakci jedinečnou pro glykolytickou cestu. To vede k přesné kontrole glukózy a ostatních monosacharidy galaktóza a fruktóza jít dolů glykolytickou cestou. Před reakcí tohoto enzymu glukóza-6-fosfát může potenciálně cestovat dolů pentóza fosfátová cesta, nebo být převeden na glukóza-1-fosfát pro glykogeneze.
PFK1 je alostericky inhibována vysokými hladinami ATP ale AMP zvrací inhibiční účinek ATP. Proto se aktivita enzymu zvyšuje, když je snížen poměr buněčných ATP / AMP. Glykolýza je tak stimulována, když klesá energetický náboj. PFK1 má dvě místa s různou afinitou k ATP, což je a Podklad a inhibitor.[2]
PFK1 je také inhibován nízkými hodnotami pH, které zvyšují inhibiční účinek ATP. Když sval pracuje, pH klesá anaerobně a produkují nadměrná množství kyselina mléčná (i když samotná kyselina mléčná není příčinou poklesu pH[11]). Tento inhibiční účinek slouží k ochraně svalu před poškozením, které by bylo výsledkem hromadění příliš velkého množství kyseliny.[2]
Nakonec je PFK1 alostericky inhibován ŘÍZ, citrát a ATP. Kyselina fosfoenolpyrohroznová je produkt dále po proudu glykolytický cesta. Ačkoli se citrát hromadí, když se enzymy Krebsova cyklu přiblíží své maximální rychlosti, je sporné, zda se citrát hromadí v dostatečné koncentraci, aby za normálních fyziologických podmínek inhiboval PFK-1.[Citace je zapotřebí ]. Nahromadění koncentrace ATP naznačuje nadbytek energie a má místo alosterické modulace na PFK1, kde snižuje afinitu PFK1 k jeho substrátu.
PFK1 je alostericky aktivován vysokou koncentrací AMP, ale nejsilnější aktivátor je fruktóza 2,6-bisfosfát, který se také vyrábí z fruktóza-6-fosfátu PFK2. Nadbytek F6P tedy vede k vyšší koncentraci fruktóza 2,6-bisfosfát (F-2,6-BP). Vazba F-2,6-BP zvyšuje afinitu PFK1 k F6P a snižuje inhibiční účinek ATP. Toto je příklad stimulace dopředu, protože glykolýza se zrychluje, když je glukózy mnoho.[2]
Aktivita PFK se snižuje potlačením syntézy pomocí glukagon. Glukagon se aktivuje protein kináza A který zase vypíná kinázovou aktivitu PFK2. To obrátí jakoukoli syntézu F-2,6-BP z F6P a tím deaktivuje PFK1.
Přesná regulace PFK1 brání glykolýza a glukoneogeneze od současného výskytu. Existuje však cyklování substrátu mezi F6P a F-1,6-BP. Fruktóza-1,6-bisfosfatáza (FBPáza) katalyzuje hydrolýzu F-1,6-BP zpět na F6P, reverzní reakce katalyzovaná PFK1. Během glykolýzy existuje malé množství aktivity FBPázy a během glukoneogeneze určitá aktivita PFK1. Tento cyklus umožňuje zesílení metabolických signálů i generování tepla hydrolýzou ATP.
Serotonin (5-HT) zvyšuje PFK vazbou na receptor 5-HT (2A), což způsobuje, že tyrosinový zbytek PFK je fosforylován prostřednictvím fosfolipázy C. To zase redistribuuje PFK v buňkách kosterního svalstva. Protože PFK reguluje glykolytický tok, hraje serotonin regulační roli v glykolýze [12]
Geny
U lidí existují tři geny fosfofruktokinázy:
Klinický význam
Genetická mutace v PFKM gen vede k Taruiova nemoc, což je onemocnění uchovávání glykogenu, při kterém je využita schopnost určitých typů buněk sacharidy protože je narušen zdroj energie.[13]
Taruiho choroba je onemocnění ukládání glykogenu se symptomy zahrnujícími svalovou slabost (myopatii) a křeče a křeče vyvolané cvičením, myoglobinurii (přítomnost myoglobinu v moči, což naznačuje destrukci svalstva) a kompenzovanou hemolýzu. ATP je přirozený alosterický inhibitor PFK, aby se zabránilo zbytečné produkci ATP prostřednictvím glykolýzy. Mutace v Asp (543) Ala však může vést k tomu, že ATP bude mít silnější inhibiční účinek (kvůli zvýšené vazbě na PFK inhibiční alosterické vazebné místo).[14][15]
Mutace fosfofruktokinázy a rakovina: Aby rakovinné buňky splnily své energetické požadavky díky rychlému růstu a dělení buněk, přežívají efektivněji, když mají hyperaktivní enzym fosfofruktokinázu 1.[16][17] Když rakovinné buňky rychle rostou a dělí se, zpočátku nemají tolik krevního zásobení, a mohou tak mít hypoxii (nedostatek kyslíku), což spouští O-GlcNAcylace na serinu 529 PFK. Tato modifikace inhibuje aktivitu PFK1 a podporuje proliferaci rakoviny, na rozdíl od názoru, že vysoká aktivita PFK1 je pro rakovinu nezbytná. To může být způsobeno přesměrováním toku glukózy směrem k pentózo-fosfátové dráze, aby se vytvořil NADPH k detoxikaci reaktivních forem kyslíku.[18]
Herpes simplex typu 1 a fosfofruktokináza: Některé viry, včetně HIV, HCMV a Mayaro, ovlivňují buněčné metabolické dráhy, jako je glykolýza, zvýšením aktivity PFK závislým na MOI. Mechanismus, který Herpes zvyšuje aktivitu PFK, je fosforylace enzymu na serinových zbytcích. Glykolýza indukovaná HSV-1 zvyšuje obsah ATP, což je kritické pro replikaci viru.[19]
Viz také
- PFK2 (převádí fruktóza-6-fosfát na 2,6-bisfosfát fruktózy prostřednictvím na jiném místě nebo opačně na jiném místě)
- PFP (reverzibilně interkonvertuje fruktóza 6-fosfát a fruktózu 1,6-bisfosfát za použití anorganických látek pyrofosfát spíše než ATP)
- Fruktóza bisfosfatáza (hydrolyzuje 1,6-bisfosfát fruktózy na 6-fosfát fruktózy)
Reference
- ^ Usenik A, Legiša M (listopad 2010). Kobe B (ed.). "Vývoj alosterických citrátových vazebných míst na 6-fosfofrukto-1-kináze". PLOS ONE. 5 (11): 677–683. doi:10.1371 / journal.pone.0015447. PMC 2990764. PMID 21124851.
- ^ A b C d Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2007). Biochemie (Šesté vydání). San Francisco: W.H. Freemane. ISBN 978-0-7167-8724-2.
- ^ Dunaway GA, Kasten TP, Sebo T, Trapp R (květen 1988). "Analýza fosfofruktokinázových podjednotek a izoenzymů v lidských tkáních". Biochem. J. 251 (3): 677–83. doi:10.1042 / bj2510677. PMC 1149058. PMID 2970843.
- ^ PDB: 4pfk; Evans PR, Farrants GW, Hudson PJ (červen 1981). "Fosfofruktokináza: struktura a kontrola". Filozofické transakce královské společnosti B. 293 (1063): 53–62. doi:10.1098 / rstb.1981.0059. PMID 6115424. Shrnutí ležel – Molekula měsíce PDB.
- ^ Shirakihara Y, Evans PR (prosinec 1988). "Krystalová struktura komplexu fosfofruktokinázy z Escherichia coli s jejími reakčními produkty". J. Mol. Biol. 204 (4): 973–94. doi:10.1016/0022-2836(88)90056-3. PMID 2975709.
- ^ Banaszak K, Mechin I, Obmolova G, Oldham M, Chang SH, Ruiz T, Radermacher M, Kopperschläger G, Rypniewski W (březen 2011). "Krystalové struktury eukaryotických fosfofruktokináz z pekařských kvasnic a králičích kosterních svalů". J Mol Biol. 407 (7): 284–97. doi:10.1016 / j.jmb.2011.01.019. PMID 21241708.
- ^ Peskov K, Goryanin I, Demin O (srpen 2008). „Kinetický model fosfofruktokinázy-1 z Escherichia coli“. J Bioinform Comput Biol. 6 (4): 843–67. doi:10.1142 / S0219720008003643. PMID 18763746.
- ^ Hellinga HW, Evans PR (1987). "Mutace v aktivním místě fosfruktruktokinázy Escherichia coli". Příroda. 327 (6121): 437–9. doi:10.1038 / 327437a0. PMID 2953977.
- ^ Phong WY, Lin W, Rao SP, Dick T, Alonso S, Pethe K (srpen 2013). Parish T (ed.). „Charakterizace aktivity fosfofruktokinázy u Mycobacterium tuberculosis ukazuje, že funkční tok glykolytického uhlíku je nezbytný k omezení akumulace toxických metabolických meziproduktů při hypoxii“. PLOS ONE. 8 (2): 1198–206. doi:10.1371 / journal.pone.0056037. PMC 3567006. PMID 23409118.
- ^ Papagianni M, Avramidis N (květen 2012). „Inženýrství centrálních drah v Lactococcus lactis: funkční exprese genů pro fosfofruktokinázu (pfk) a alternativní oxidázu (aox1) z Aspergillus niger v Lactococcus lactis usnadňuje zlepšené rychlosti přeměny uhlíku za oxidačních podmínek.“ Enzymová a mikrobiální technologie. 51 (113): 125–30. doi:10.1016 / j.enzmictec.2012.04.007. PMID 22759530.
- ^ Lindinger, Michael I .; Kowalchuk, John M .; Heigenhauser, George J. F. (01.09.2005). „Uplatňování fyzikálně-chemických principů na acidobazický stav kosterního svalstva“. American Journal of Physiology. Regulační, integrační a srovnávací fyziologie. 289 (3): R891 – R894. doi:10.1152 / ajpregu.00225.2005. ISSN 0363-6119. PMID 16105823.
- ^ Coelho WS, Sola-Penna M (leden 2013). „Serotonin reguluje aktivitu 6-fosfofrukto-1-kinázy v signální dráze závislé na PLC-PKC-CaMK II- a Janusově kináze“. Mol. Buňka. Biochem. 372 (1–2): 211–20. doi:10.1007 / s11010-012-1462-0. PMID 23010892.
- ^ Nakajima H, Raben N, Hamaguchi T, Yamasaki T (březen 2002). "Nedostatek fosfofruktokinázy; minulost, přítomnost a budoucnost". Curr. Mol. Med. 2 (2): 197–212. doi:10.2174/1566524024605734. PMID 11949936.
- ^ Bruser A, KirchbergerJ, Schoneberg T (říjen 2012). „Změněná alosterická regulace svalové 6-fosfofruktokinázy způsobuje Taruiho chorobu“. Biochem Biophys Res Commun. 427 (1): 133–7. doi:10.1016 / j.bbrc.2012.09.024. PMID 22995305.
- ^ Brüser A, Kirchberger J, Schöneberg T (říjen 2012). „Změněná alosterická regulace svalové 6-fosfofruktokinázy způsobuje Taruiho chorobu“. Biochem. Biophys. Res. Commun. 427 (1): 133–7. doi:10.1016 / j.bbrc.2012.09.024. PMID 22995305.
- ^ Gomez LS, Zancan P, Marcondes MC, Ramos-Santos L, Meyer-Fernandes JR, Sola-Penna M, Da Silva D (únor 2013). „Resveratrol snižuje životaschopnost buněk rakoviny prsu a metabolismus glukózy inhibicí 6-fosfofrukto-1-kinázy“. Biochimie. 95 (6): 1336–43. doi:10.1016 / j.biochi.2013.02.013. PMID 23454376.
- ^ Vaz CV, Alves MG, Marques R, Moreira PI, Oliveira PF, Maia CJ, Socorro S (únor 2013). „Androgen-responzivní a nereagující buňky rakoviny prostaty představují odlišný profil glykolytického metabolismu“. Int J Biochem Cell Biol. 44 (11): 2077–84. doi:10.1016 / j.biocel.2012.08.013. PMID 22964025.
- ^ Yi W, Clark PM, Mason DE, Keenan MC, Hill C, Goddard WA, Peters EC, Driggers EM, Hsieh-Wilson LC (srpen 2012). „Glykosylace fosfofruktokinázy 1 reguluje růst a metabolismus buněk“. Věda. 337 (6097): 975–80. doi:10.1126 / science.1222278. PMC 3534962. PMID 22923583.
- ^ Abrantes JL, Alves CM, Costa J, Almeida FC, Sola-Penna M, Fontes CF, Souza TM (srpen 2012). „Herpes simplex typu 1 aktivuje glykolýzu prostřednictvím zapojení enzymu 6-fosfofrukto-1-kinázy (PFK-1)“. Biochim Biophys Acta. 1822 (8): 1198–206. doi:10.1016 / j.bbadis.2012.04.011. PMID 22542512.
externí odkazy
- Fosfofruktokináza-1 v americké národní lékařské knihovně Lékařské předměty (Pletivo)
- Proteopedia.org Fosfofruktokináza
- Přehled všech strukturálních informací dostupných v PDB pro UniProt: P08237 (ATP-závislá 6-fosfofruktokináza, svalový typ) na PDBe-KB.
- Přehled všech strukturálních informací dostupných v PDB pro UniProt: Q01813 (ATP-dependentní 6-fosfofruktokináza, typ trombocytů) na PDBe-KB.
ATP ADP ATP ADP + + 2 × ![]() 2 × ![]() 2 × 3-fosfoglycerát 2 × ![]() 2 × 2-fosfoglycerát 2 × ![]() 2 × Fosfoenolpyruvát 2 × ![]() ADP ATP 2 × Pyruvát 2 × ![]() |