Các pyruvate kinase ( PYK ) là enzyme xúc tác bước cuối cùng trong con đường glycolytic, trong đó bao gồm việc chuyển giao không thể đảo ngược của nhóm phosphate của một phân tử phosphoenolpyruvate (PEP) với một phân tử của ADP, dẫn đến quá trình tổng hợp một phân tử ATP và một axit pyruvic khác hoặc pyruvate.
Do đó, pyruvate được tạo ra sau đó tham gia vào các con đường dị hóa và đồng hóa (sinh tổng hợp) khác nhau: nó có thể được khử carboxyl để tạo ra acetyl-CoA, carboxyl hóa để tạo ra oxaloacetate, transaminate để tạo ra alanin, bị oxy hóa để tạo ra axit lactic hoặc nó có thể được hướng đến gluconeogenesis để tổng hợp đường glucozo.
Phản ứng được xúc tác bởi enzyme pyruvate kinase (Nguồn: Noah Salzman qua Wikimedia Commons)
Vì nó tham gia vào quá trình đường phân, enzyme này rất quan trọng đối với quá trình chuyển hóa carbohydrate của nhiều sinh vật, đơn bào và đa bào, sử dụng đây là con đường dị hóa chính để thu năng lượng.
Một ví dụ về các tế bào phụ thuộc nghiêm ngặt vào quá trình đường phân để sản xuất năng lượng là tế bào hồng cầu của động vật có vú, trong đó sự thiếu hụt bất kỳ enzym nào liên quan đến con đường này có thể gây ra những tác động tiêu cực đáng kể.
Kết cấu
Bốn dạng đồng phân của enzyme pyruvate kinase đã được mô tả ở động vật có vú:
- PKM1 , điển hình ở cơ
- PKM2 , chỉ ở bào thai (cả hai sản phẩm của quá trình xử lý thay thế của cùng một RNA thông tin)
- PKL , hiện diện trong gan và
- PKR , có trong hồng cầu (cả hai được mã hóa bởi cùng một gen, PKLR, nhưng được phiên mã bởi các trình tự khởi động khác nhau).
Tuy nhiên, các phân tích được thực hiện về cấu trúc của các enzym pyruvate kinase khác nhau trong tự nhiên (bao gồm cả 4 enzym này từ động vật có vú) cho thấy sự tương đồng lớn về cấu trúc chung, cũng như về cấu trúc của vị trí hoạt động và cơ chế điều hòa.
Nói chung, nó là một enzyme có trọng lượng phân tử 200 kDa, được đặc trưng bởi cấu trúc tứ phân gồm 4 đơn vị protein giống nhau, có kích thước lớn hơn hoặc nhỏ hơn 50 hoặc 60 kDa, và mỗi đơn vị có 4 miền, cụ thể là:
- Một miền xoắn nhỏ ở đầu tận cùng N (không có trong các enzym của vi khuẩn)
- Miền “ A ”, được xác định bởi cấu trúc liên kết gồm 8 tờ gấp β và 8 xoắn α
- Một miền " B ", được chèn giữa tờ beta gấp số 3 và chuỗi xoắn alpha số 3 của miền "A"
- Miền " C ", có cấu trúc liên kết α + β
Cấu trúc phân tử của enzym pyruvate kinase (Nguồn: Jawahar Swaminathan và nhân viên MSD tại Viện Tin sinh học Châu Âu qua Wikimedia Commons)
Ba vị trí đã được phát hiện trong tetrame pyruvate kinase từ các sinh vật khác nhau: vị trí hoạt động, vị trí tác động và vị trí liên kết axit amin. Vị trí hoạt động của các enzym này nằm giữa vùng A và B, trong vùng lân cận của "vị trí hiệu ứng", thuộc vùng C.
Trong tetramer, các miền C tạo thành một giao diện "nhỏ", trong khi các miền A tạo thành một giao diện lớn hơn.
Chức năng
Như đã thảo luận, pyruvate kinase xúc tác bước cuối cùng trong quá trình đường phân, tức là, chuyển nhóm phosphate từ phosphoenolpyruvate (PEP) sang phân tử ADP để tạo ra ATP và phân tử pyruvate hoặc axit pyruvic.
Các sản phẩm của phản ứng được xúc tác bởi enzym này có tầm quan trọng hàng đầu đối với các bối cảnh trao đổi chất khác nhau. Pyruvate có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau:
- Trong điều kiện hiếu khí, tức là khi có oxy, chất này có thể được sử dụng làm chất nền cho một enzym được gọi là phức hợp pyruvate dehydrogenase, được khử cacboxyl và chuyển thành acetyl-CoA, một phân tử có thể tham gia vào chu trình Krebs trong ti thể. hoặc tham gia vào các con đường đồng hóa khác như sinh tổng hợp axit béo chẳng hạn.
- Trong trường hợp không có oxy hoặc bị nhiễm khuẩn yếm khí, pyruvate có thể được sử dụng bởi enzyme lactate dehydrogenase để tạo ra axit lactic (oxy hóa) thông qua một quá trình được gọi là "lên men lactic".
- Ngoài ra, pyruvate có thể được chuyển thành glucose thông qua quá trình tạo gluconeogenesis, thành alanin thông qua alanin transaminase, thành oxaloacetate thông qua pyruvate carboxylase, v.v.
Điều quan trọng cần nhớ là trong phản ứng được xúc tác bởi enzym này, quá trình tổng hợp ròng ATP cũng xảy ra, được phản ứng trong quá trình đường phân, tạo ra 2 phân tử pyruvat và 2 phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose.
Do đó, từ góc độ này, enzym pyruvate kinase đóng một vai trò cơ bản trong nhiều khía cạnh của quá trình trao đổi chất tế bào, đến nỗi nó được sử dụng như một mục tiêu điều trị cho nhiều mầm bệnh ở người, trong đó nổi bật là một số động vật nguyên sinh.
Quy định
Pyruvate kinase là một enzyme cực kỳ quan trọng theo quan điểm của sự trao đổi chất tế bào, vì nó là enzyme tạo thành hợp chất cuối cùng từ con đường dị hóa glucose: pyruvate.
Ngoài việc là một trong ba loại enzyme điều chỉnh tốt nhất trong toàn bộ con đường đường phân (hai loại còn lại là hexokinase (HK) và phosphofructokinase (PFK)), pyruvate kinase là một loại enzyme rất quan trọng để kiểm soát quá trình trao đổi chất và sản xuất của ATP thông qua quá trình đường phân.
Nó được kích hoạt bởi phosphoenolpyruvate, một trong những cơ chất của nó (điều hòa tương đồng), cũng như bởi các loại đường mono- và diphosphoryl hóa khác, mặc dù sự điều hòa của nó phụ thuộc vào loại isoenzyme được xem xét.
Một số văn bản khoa học cho rằng sự điều hòa của enzyme này cũng phụ thuộc vào cấu trúc "đa miền" của nó, vì sự hoạt hóa của nó dường như phụ thuộc vào một số chuyển động quay trong các miền của các tiểu đơn vị và sự thay đổi hình dạng của vị trí hoạt động.
Đối với nhiều sinh vật, hoạt hóa allosteric của pyruvate kinase phụ thuộc vào fructose 1,6-bisphosphate (F16BP), nhưng điều này không đúng với các enzyme thực vật. Các enzym khác cũng được hoạt hóa bởi AMP vòng và glucose 6-phosphat.
Hơn nữa, nó đã được chứng minh rằng hoạt động của hầu hết các pyruvate kinase được nghiên cứu phụ thuộc nhiều vào sự hiện diện của các ion hóa trị một như kali (K +) và các ion hóa trị hai như magiê (Mg + 2) và mangan (Mn + 2). ).
Ức chế
Pyruvate kinase chủ yếu bị ức chế bởi các tác nhân gây dị ứng sinh lý, vì vậy các quá trình này khác nhau đáng kể giữa các loài khác nhau và thậm chí giữa các loại tế bào và mô của cùng một sinh vật.
Ở nhiều loài động vật có vú, glucagon, epinephrine và cAMP có tác dụng ức chế hoạt động của pyruvate kinase, những tác dụng có thể bị insulin chống lại.
Ngoài ra, nó đã được chứng minh rằng một số axit amin, chẳng hạn như phenylalanin, có thể có tác dụng như chất ức chế cạnh tranh đối với enzym này trong não.
Người giới thiệu
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Các cấu trúc của pyruvate kinase hiển thị các chiến lược dị ứng khác nhau về mặt tiến hóa. Khoa học mở của Hiệp hội Hoàng gia, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Tổng quan về cấu trúc, chức năng và quy định của Pyruvate Kinases. Khoa học Protein.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Cơ chế điều hòa dị ứng của pyruvate kinase Một nghiên cứu gây đột biến hướng vào vị trí. Tạp chí Hóa học Sinh học, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Cấu trúc và chức năng của pyruvate kinase hồng cầu người Cơ sở phân tử của bệnh thiếu máu tán huyết không bán cầu. Tạp chí Hóa học Sinh học, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ và Vander Heiden, MG (2015, tháng 7). Pyruvate kinase: chức năng, quy định và vai trò trong bệnh ung thư. Trong Hội thảo về sinh học tế bào & phát triển (Tập 43, trang 43-51). Báo chí Học thuật.