La piruvat quinasa (PYK) és l'enzim que catalitza l'últim pas de la ruta glucolítica, que implica la transferència irreversible de el grup fosfat d'una molècula de fosfoenolpiruvat (PEP) cap a una molècula d'ADP, el que resulta en la síntesi d'una molècula d'ATP i una altra d'àcid pirúvic o piruvat.
El piruvat així produït posteriorment participa en diverses rutes catabòliques i anabòliques (biosintètiques): pot ser descarboxilado per produir acetil-CoA, carboxilado per produir oxalacetat, transaminado per produir alanina, oxidat per produir àcid làctic o pot ser dirigit cap a la gluconeogènesi per a la síntesi de glucosa.
Reacció catalitzada per l'enzim piruvat quinasa (Font: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Ja que participa en la glucòlisi, aquest enzim és molt important per al metabolisme de carbohidrats de molts organismes, unicel·lulars i multicel·lulars, que empren aquesta com la principal ruta catabòlica per a l'obtenció d'energia.
Un exemple de cèl·lules estrictament dependents de la glucòlisi per a l'obtenció d'energia és el dels eritròcits dels mamífers, per als quals una deficiència en qualsevol dels enzims que participen en aquesta ruta pot tenir efectes considerablement negatius.
estructura
En els mamífers s'han descrit quatre isoformes de l'enzim piruvat quinasa:
- PKM1, típica en els músculs
- PKM2, únicament en els fetus (ambdues productes de l'processament alternatiu d'ell mateix ARN missatger)
- PKL, present en el fetge i
- PKR, present en els eritròcits (ambdues codificades pel mateix gen, PKLR, però transcrites per promotors diferents).
Emperò, les anàlisis realitzades a l'estructura de les diferents enzims piruvat quinasa en la naturalesa (incloent aquestes 4 dels mamífers) demostren una gran similitud en l'estructura general, així com pel que fa a l'arquitectura de el lloc actiu i els mecanismes de regulació.
En línies generals, es tracta d'un enzim de 200 kDa de pes molecular, caracteritzada per una estructura tetramèrica composta per 4 unitats proteiques idèntiques, de més o menys 50 o 60 kDa, i cadascuna amb 4 dominis, a saber:
- Un domini helicoïdal petit a l'extrem N-terminal (absent en els enzims bacterianes)
- Un domini " A ", identificat per una topologia de 8 làmines β plegades i 8 hèlixs α
- Un domini " B ", inserit entre la làmina beta plegada número 3 i l'hèlix alfa número 3 de l'domini "A"
- Un domini " C ", que posseeix una topologia α + β
Estructura molecular de l'enzim piruvat quinasa (Font: Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
S'han detectat tres llocs en els tetràmers de la piruvat quinasa de diferents organismes: el lloc actiu, el lloc efector i el lloc d'unió a aminoàcids. El lloc actiu d'aquests enzims es troba entre els dominis A i B, en les rodalies del "lloc efector", que pertany a l'domini C.
En el tetràmer, els dominis C formen una interfase "petita", mentre que els dominis A formen una interfície de major grandària.
funció
Com ja es va comentar, la piruvat quinasa catalitza l'últim pas de la ruta glucolítica, és a dir, la transferència d'un grup fosfat des del fosfoenolpiruvat (PEP) cap a una molècula d'ADP per produir un ATP i una molècula de piruvat o àcid pirúvic.
Els productes de la reacció catalitzada per aquest enzim són de gran importància per a diferents contextos metabòlics. El piruvat pot ser emprat de diferents formes:
- En condicions aeròbiques, és a dir, en presència d'oxigen, aquest pot ser emprat com a substrat d'un enzim coneguda com el complex piruvat deshidrogenasa, per ser descarboxilado i convertit en acetil-CoA, molècula que pot entrar a l'cicle de Krebs en les mitocòndries o participar en altres rutes anabòliques com la biosíntesi d'àcids grassos, per exemple.
- En absència d'oxigen o anaerobiosi, el piruvat pot ser emprat per l'enzim lactat deshidrogenasa per produir àcid làctic (oxidació) a través d'un procés conegut com "fermentació làctica".
- A més, el piruvat pot ser convertit en glucosa per mitjà de la gluconeogènesi, a alanina per l'alanina transaminasa, en oxalacetat per la piruvat carboxilasa, etc.
És important recordar que en la reacció catalitzada per aquest enzim també ocorre la síntesi neta d'ATP que és comptabilitzada per a la glucòlisi, produint-se per cada molècula de glucosa 2 molècules de piruvat i 2 d'ATP.
Així, des d'aquesta perspectiva, l'enzim piruvat quinasa té un paper fonamental en molts aspectes de l'metabolisme cel·lular, tant així, que és utilitzada com a blanc terapèutic per a molts patògens de l'ésser humà, entre els quals destaquen diversos protozoaris.
Regulació
La piruvat quinasa és un enzim summament important des del punt de vista de l'metabolisme cel·lular, ja que és la que forma l'últim compost resultant de la ruta de l'catabolisme de la glucosa: el piruvat.
A més de ser una de les tres enzims més regulades de tota la ruta glucolítica (sent les altres dues l'hexoquinasa (HK) i la fosfofructoquinasa (PFK)), la piruvat quinasa és un enzim molt important per al control de l'flux metabòlic i la producció d'ATP per mitjà de la glucòlisi.
És activada pel fosfoenolpiruvat, un dels seus substrats (regulació homotrópica), així com per altres sucres mono-i difosforilados, encara que la seva regulació depèn de el tipus de isoenzim que es consideri.
Alguns textos científics suggereixen que la regulació d'aquest enzim depèn també de la seva arquitectura "multidomini", ja que la seva activació sembla dependre d'algunes rotacions en els dominis de les subunitats i d'alteracions en la geometria de el lloc actiu.
Per a molts organismes, l'activació al·lostèrica de la piruvat quinasa depèn de la fructosa 1,6-bifosfat (F16BP), però això no és cert per els enzims vegetals. Altres enzims són activades també per l'AMP cíclic i la glucosa 6-fosfat.
A més, s'ha demostrat que l'activitat de la major part de les piruvat quinases estudiades depèn enormement de la presència d'ions monovalents com el potassi (K +) i d'ions divalents com el magnesi (Mg + 2) i el manganès (Mn + 2).
inhibició
La piruvat quinasa és inhibida principalment per efectors al·lostèrics fisiològics, de manera que aquests processos varien considerablement entre espècies diferents i fins i tot entre tipus de cèl·lules i teixits d'ell mateix organisme.
En molts mamífers, el glucagó, l'epinefrina i el AMPc tenen efectes inhibitoris sobre l'activitat de la piruvat quinasa, efectes que poden ser contrarestats per la insulina.
A més, s'ha comprovat que alguns aminoàcids com, per exemple, la fenilalanina, poden tenir accions com a inhibidors competitius per aquest enzim al cervell.
referències
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Structures of pyruvate kinases display evolutionarily divergent allosteric strategies. Royal Society open science, 1 (1), 140.120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Panorama general of Structure, Function and Regulation of Pyruvate kinases. Protein Science.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). The allosteric regulation of pyruvate kinase A site-directed mutagènesi study. Journal of Biological Chemistry, 275 (24), 18.145-18.152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Structure and function of human erythrocyte pyruvate kinase Molecular basis of nonspherocytic hemolytic anèmia. Journal of Biological Chemistry, 277 (26), 23.807-23.814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, July). Pyruvate kinase: function, regulation and role in cancer. In Seminars in cell & developmental biology (Vol. 43, pp. 43-51). Academic Press.