ไพรูไคเนส ( PYK ) เป็นเอนไซม์ที่กระตุ้นขั้นตอนสุดท้ายในเส้นทาง glycolytic ซึ่งเกี่ยวข้องกับการโอนกลับไม่ได้ของกลุ่มฟอสเฟตหนึ่งโมเลกุลของ phosphoenolpyruvate (PEP) โมเลกุลของ ADP ส่งผลในการสังเคราะห์โมเลกุล ของ ATP และอีกอย่างของกรดไพรูวิกหรือไพรูเวต
สารไพรูเวตที่ผลิตในภายหลังจึงมีส่วนร่วมในกระบวนการ catabolic และ anabolic (biosynthetic) ต่างๆ: สามารถ decarboxylated เพื่อผลิต acetyl-CoA, carboxylated เพื่อผลิต oxaloacetate, transaminated เพื่อผลิต alanine, ออกซิไดซ์เพื่อผลิตกรดแลคติกหรือสามารถนำไปสู่ gluconeogenesis สำหรับการสังเคราะห์ กลูโคส
ปฏิกิริยาเร่งโดยเอนไซม์ไพรูเวทไคเนส (ที่มา: Noah Salzman จาก Wikimedia Commons)
เนื่องจากมีส่วนร่วมในไกลโคไลซิสเอนไซม์นี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เซลล์เดียวและหลายเซลล์ซึ่งใช้สิ่งนี้เป็นเส้นทางการสลายตัวหลักในการรับพลังงาน
ตัวอย่างของเซลล์ที่ขึ้นอยู่กับไกลโคไลซิสในการผลิตพลังงานอย่างเคร่งครัดคือเม็ดเลือดแดงของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมซึ่งการขาดเอนไซม์ใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับทางเดินนี้อาจส่งผลเสียอย่างมาก
โครงสร้าง
สี่ไอโซฟอร์มของเอนไซม์ไพรูเวทไคเนสได้รับการอธิบายในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม:
- PKM1โดยทั่วไปในกล้ามเนื้อ
- PKM2เฉพาะทารกในครรภ์ (ทั้งสองผลิตภัณฑ์ของการประมวลผลทางเลือกของผู้ส่งสารเดียวกัน RNA)
- PKLมีอยู่ในตับและ
- PKRมีอยู่ในเม็ดเลือดแดง (ทั้งสองเข้ารหัสโดยยีนเดียวกันคือ PKLR แต่ถอดความโดยผู้ก่อการต่างกัน)
อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์ที่ดำเนินการเกี่ยวกับโครงสร้างของเอนไซม์ไพรูเวทไคเนสที่แตกต่างกันในธรรมชาติ (รวมทั้ง 4 ชนิดนี้จากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) แสดงให้เห็นถึงความคล้ายคลึงกันอย่างมากในโครงสร้างทั่วไปรวมทั้งในส่วนที่เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมของไซต์ที่ใช้งานอยู่และกลไกการกำกับดูแล
โดยทั่วไปแล้วมันเป็นเอนไซม์ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 200 kDa โดยมีโครงสร้างเตตระเมอริกที่ประกอบด้วยหน่วยโปรตีนที่เหมือนกัน 4 หน่วยซึ่งมีมากกว่าหรือน้อยกว่า 50 หรือ 60 กิโลดาลาและแต่ละอันมี 4 โดเมน ได้แก่ :
- โดเมนลานเล็ก ๆ ที่ปลายขั้ว N (ไม่มีเอนไซม์แบคทีเรีย)
- โดเมน" A " ระบุโดยโทโพโลยี 8 แผ่นพับβและ 8 α helices
- โดเมน" B " แทรกระหว่างแผ่นงานเบต้าแบบพับหมายเลข 3 และอัลฟาเฮลิกซ์หมายเลข 3 ของโดเมน "A"
- โดเมน" C " ซึ่งมีโทโพโลยีα + β
โครงสร้างโมเลกุลของเอนไซม์ไพรูเวทไคเนส (ที่มา: Jawahar Swaminathan และเจ้าหน้าที่ MSD ที่ European Bioinformatics Institute ผ่าน Wikimedia Commons)
มีการตรวจพบไซต์สามแห่งใน pyruvate kinase tetramers จากสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน: ไซต์ที่ใช้งานอยู่ไซต์เอฟเฟกต์และไซต์ที่จับกับกรดอะมิโน ไซต์ที่ใช้งานของเอนไซม์เหล่านี้อยู่ระหว่างโดเมน A และ B ในบริเวณใกล้เคียงกับ "effector site" ซึ่งเป็นของโดเมน C
ใน tetramer โดเมน C จะสร้างอินเทอร์เฟซ "เล็ก" ในขณะที่โดเมน A สร้างอินเทอร์เฟซที่ใหญ่กว่า
ฟังก์ชัน
ตามที่กล่าวไปแล้วไพรูเวตไคเนสเร่งปฏิกิริยาขั้นตอนสุดท้ายในวิถีไกลโคไลติกนั่นคือการถ่ายโอนกลุ่มฟอสเฟตจากฟอสโฟอีนอลไพรูเวต (PEP) ไปยังโมเลกุล ADP เพื่อผลิต ATP และโมเลกุลของไพรูเวตหรือกรดไพรูวิก
ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์นี้มีความสำคัญสูงสุดสำหรับบริบทการเผาผลาญที่แตกต่างกัน Pyruvate สามารถใช้งานได้หลายวิธี:
- ภายใต้สภาวะแอโรบิคนั่นคือในที่ที่มีออกซิเจนสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ที่เรียกว่า pyruvate dehydrogenase complex เพื่อแยกออกจากกันและเปลี่ยนเป็น acetyl-CoA ซึ่งเป็นโมเลกุลที่สามารถเข้าสู่วงจร Krebs ในไมโทคอนเดรีย หรือมีส่วนร่วมในวิถี anabolic อื่น ๆ เช่นการสังเคราะห์กรดไขมันเป็นต้น
- ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนหรือไม่ใช้ออกซิเจนเอนไซม์ไพรูเวตสามารถใช้เอนไซม์แลคเตทดีไฮโดรจีเนสเพื่อผลิตกรดแลคติก (ออกซิเดชั่น) ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า "การหมักแลคติก"
- นอกจากนี้ไพรูเวตยังสามารถเปลี่ยนเป็นกลูโคสผ่านกลูโคโนเจเนซิสเป็นอะลานีนผ่านอะลานีนทรานซามิเนสไปเป็นออกซาโลอะซีเตตผ่านไพรูเวตคาร์บอกซิเลสเป็นต้น
สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าในปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์นี้การสังเคราะห์เอทีพีสุทธิก็เกิดขึ้นเช่นกันซึ่งคิดเป็นไกลโคไลซิสโดยผลิตไพรูเวต 2 โมเลกุลและเอทีพี 2 โมเลกุลสำหรับกลูโคสแต่ละโมเลกุล
ดังนั้นจากมุมมองนี้เอนไซม์ไพรูเวตไคเนสจึงมีบทบาทพื้นฐานในหลาย ๆ ด้านของการเผาผลาญของเซลล์ดังนั้นจึงถูกใช้เป็นเป้าหมายในการรักษาสำหรับเชื้อโรคในมนุษย์จำนวนมากซึ่งโปรโตซัวต่างๆมีความโดดเด่น
ระเบียบข้อบังคับ
Pyruvate kinase เป็นเอนไซม์ที่สำคัญอย่างยิ่งจากมุมมองของการเผาผลาญของเซลล์เนื่องจากเป็นสารที่ก่อตัวเป็นสารประกอบสุดท้ายที่เป็นผลมาจากเส้นทางการเร่งปฏิกิริยาของกลูโคส: ไพรูเวต
นอกเหนือจากการเป็นหนึ่งในสามของเอนไซม์ที่ควบคุมมากที่สุดของทางเดินไกลโคไลติกทั้งหมด (อีกสองตัวคือ hexokinase (HK) และ phosphofructokinase (PFK)) ไพรูเวตไคเนสเป็นเอนไซม์ที่สำคัญมากในการควบคุมการไหลเวียนของการเผาผลาญและการผลิต ของ ATP ผ่านไกลโคไลซิส
มันถูกกระตุ้นโดย phosphoenolpyruvate ซึ่งเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นของมัน (กฎระเบียบของ homotropic) เช่นเดียวกับน้ำตาลโมโนและไดฟอสฟอรัสอื่น ๆ แม้ว่าการควบคุมจะขึ้นอยู่กับชนิดของไอโซเอนไซม์ที่พิจารณา
ตำราทางวิทยาศาสตร์บางเล่มชี้ให้เห็นว่าการควบคุมเอนไซม์นี้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรม "หลายโดเมน" ด้วยเนื่องจากการกระตุ้นดูเหมือนจะขึ้นอยู่กับการหมุนเวียนบางส่วนในโดเมนของหน่วยย่อยและการเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของไซต์ที่ใช้งานอยู่
สำหรับสิ่งมีชีวิตหลายชนิดการกระตุ้น allosteric ของไพรูเวทไคเนสขึ้นอยู่กับฟรุกโตส 1,6-bisphosphate (F16BP) แต่ไม่เป็นความจริงสำหรับเอนไซม์จากพืช เอนไซม์อื่น ๆ ยังทำงานโดยวงจรแอมป์และกลูโคส 6 ฟอสเฟต
นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่ากิจกรรมของไพรูเวทไคเนสส่วนใหญ่ที่ศึกษานั้นขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของไอออนโมโนวาเลนต์เช่นโพแทสเซียม (K +) และไอออนดิวาเลนต์เช่นแมกนีเซียม (Mg + 2) และแมงกานีส (Mn + 2) ).
การยับยั้ง
Pyruvate kinase ส่วนใหญ่ถูกยับยั้งโดย allosteric effectors ทางสรีรวิทยาดังนั้นกระบวนการเหล่านี้จึงแตกต่างกันไปอย่างมากระหว่างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันและแม้กระทั่งระหว่างประเภทของเซลล์และเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตเดียวกัน
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมกลูคากอนอะดรีนาลีนและแคมป์หลายชนิดมีผลยับยั้งการทำงานของไพรูเวตไคเนสผลกระทบที่อินซูลินสามารถต่อต้านได้
นอกจากนี้ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่ากรดอะมิโนบางชนิดเช่นฟีนิลอะลานีนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งการแข่งขันของเอนไซม์นี้ในสมอง
อ้างอิง
- Morgan, HP, Zhong, W. , McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA และ Walkinshaw, MD (2014) โครงสร้างของไคเนสไพรูเวทแสดงกลยุทธ์ออลอสเตอริกที่แตกต่างกันอย่างมีวิวัฒนาการ Royal Society open science, 1 (1), 140120
- Schormann, N. , Hayden, KL, Lee, P. , Banerjee, S. , & Chattopadhyay, D. (2019). ภาพรวมของโครงสร้างหน้าที่และระเบียบของ Pyruvate Kinases วิทยาศาสตร์โปรตีน.
- Valentini, G. , Chiarelli, L. , Fortin, R. , Speranza, ML, Galizzi, A. , & Mattevi, A. (2000) กฎข้อบังคับของ pyruvate kinase การศึกษาการกลายพันธุ์ที่มุ่งเน้นไปที่ไซต์ วารสารเคมีชีวภาพ, 275 (24), 18145-18152
- Valentini, G. , Chiarelli, LR, Fortin, R. , Dolzan, M. , Galizzi, A. , Abraham, DJ, … & Mattevi, A. (2002) โครงสร้างและหน้าที่ของเม็ดเลือดแดง pyruvate kinase ของมนุษย์พื้นฐานระดับโมเลกุลของโรคโลหิตจางชนิดไม่ก่อให้เกิดเม็ดเลือดแดง วารสารเคมีชีวภาพ, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, กรกฎาคม) Pyruvate kinase: หน้าที่การควบคุมและบทบาทในมะเร็ง ในสัมมนาเรื่องเซลล์ & ชีววิทยาพัฒนาการ (Vol. 43, pp. 43-51) สำนักพิมพ์วิชาการ.