The piruvat kinase ( Pyk ) adalah enzim yang mengkatalisis langkah terakhir dalam jalur glikolitik, yang melibatkan transfer ireversibel dari kelompok fosfat dari satu molekul phosphoenolpyruvate (PEP) untuk sebuah molekul ADP, yang mengakibatkan sintesis molekul dari ATP dan asam piruvat atau piruvat lainnya.
Piruvat yang dihasilkan kemudian berpartisipasi dalam berbagai jalur katabolik dan anabolik (biosintetik): dapat didekarboksilasi untuk menghasilkan asetil-KoA, karboksilasi untuk menghasilkan oksaloasetat, transaminasi untuk menghasilkan alanin, teroksidasi untuk menghasilkan asam laktat atau dapat diarahkan ke glukoneogenesis untuk sintesis glukosa.
Reaksi yang dikatalisis oleh enzim piruvat kinase (Sumber: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Karena berpartisipasi dalam glikolisis, enzim ini sangat penting untuk metabolisme karbohidrat banyak organisme, uniseluler dan multiseluler, yang menggunakan ini sebagai jalur katabolik utama untuk memperoleh energi.
Contoh sel yang sangat bergantung pada glikolisis untuk produksi energi adalah eritrosit mamalia, yang kekurangan enzim mana pun yang terlibat dalam jalur ini dapat memiliki efek negatif yang cukup besar.
Struktur
Pada mamalia, empat isoform dari enzim piruvat kinase telah dijelaskan:
- PKM1 , tipikal di otot
- PKM2 , hanya pada janin (kedua produk dari pemrosesan alternatif dari messenger RNA yang sama)
- PKL , hadir di hati dan
- PKR , hadir dalam eritrosit (keduanya dikodekan oleh gen yang sama, PKLR, tetapi ditranskripsi oleh promotor yang berbeda).
Namun, analisis yang dilakukan pada struktur enzim piruvat kinase yang berbeda di alam (termasuk 4 dari mamalia ini) menunjukkan kemiripan yang besar dalam struktur umum, serta sehubungan dengan arsitektur situs aktif dan mekanisme pengaturan.
Secara umum merupakan enzim dengan berat molekul 200 kDa, dicirikan oleh struktur tetrameric yang tersusun dari 4 unit protein identik, kurang lebih 50 atau 60 kDa, dan masing-masing memiliki 4 domain, yaitu:
- Sebuah domain heliks kecil di ujung terminal-N (tidak ada dalam enzim bakteri)
- Sebuah domain " A ", diidentifikasi dengan topologi dari 8 lembar β terlipat dan 8 heliks α
- Domain " B ", disisipkan di antara lembar beta terlipat nomor 3 dan alfa heliks nomor 3 dari domain "A"
- Domain " C ", yang memiliki topologi α + β
Struktur molekul enzim piruvat kinase (Sumber: Jawahar Swaminathan dan staf MSD di European Bioinformatics Institute melalui Wikimedia Commons)
Tiga situs telah terdeteksi pada tetramer piruvat kinase dari organisme yang berbeda: situs aktif, situs efektor, dan situs pengikatan asam amino. Situs aktif enzim ini terletak di antara domain A dan B, di sekitar "situs efektor", yang termasuk dalam domain C.
Di tetramer, domain C membentuk antarmuka "kecil", sedangkan domain A membentuk antarmuka yang lebih besar.
Fungsi
Seperti yang telah dibahas, piruvat kinase mengkatalisis langkah terakhir dalam jalur glikolitik, yaitu transfer gugus fosfat dari fosfoenolpiruvat (PEP) ke molekul ADP untuk menghasilkan ATP dan molekul asam piruvat atau asam piruvat.
Produk dari reaksi yang dikatalisis oleh enzim ini sangat penting untuk konteks metabolisme yang berbeda. Piruvat dapat digunakan dengan berbagai cara:
- Dalam kondisi aerobik, yaitu dengan adanya oksigen, ini dapat digunakan sebagai substrat untuk enzim yang dikenal sebagai kompleks dehidrogenase piruvat, untuk dekarboksilasi dan diubah menjadi asetil-KoA, molekul yang dapat memasuki siklus Krebs di mitokondria atau berpartisipasi dalam jalur anabolik lain seperti biosintesis asam lemak, misalnya.
- Dengan tidak adanya oksigen atau anaerobiosis, piruvat dapat digunakan oleh enzim laktat dehidrogenase untuk menghasilkan asam laktat (oksidasi) melalui proses yang dikenal sebagai "fermentasi laktat".
- Selain itu, piruvat dapat diubah menjadi glukosa melalui glukoneogenesis, menjadi alanin melalui alanin transaminase, menjadi oksaloasetat melalui piruvat karboksilase, dll.
Penting untuk diingat bahwa dalam reaksi yang dikatalisis oleh enzim ini, sintesis bersih ATP juga terjadi, yang menyebabkan glikolisis, menghasilkan 2 molekul piruvat dan 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.
Jadi, dari perspektif ini, enzim piruvat kinase memainkan peran mendasar dalam banyak aspek metabolisme sel, sedemikian rupa sehingga digunakan sebagai target terapeutik untuk banyak patogen manusia, di antaranya beberapa protozoa menonjol.
Peraturan
Piruvat kinase adalah enzim yang sangat penting dari sudut pandang metabolisme sel, karena ini adalah salah satu yang membentuk senyawa terakhir yang dihasilkan dari jalur katabolisme glukosa: piruvat.
Selain menjadi salah satu dari tiga enzim yang paling diatur di seluruh jalur glikolitik (dua lainnya adalah heksokinase (HK) dan fosfofruktokinase (PFK)), piruvat kinase adalah enzim yang sangat penting untuk mengontrol aliran metabolisme dan produksi. ATP melalui glikolisis.
Ia diaktivasi oleh fosfoenolpiruvat, salah satu substratnya (regulasi homotropik), serta oleh gula mono- dan difosforilasi lainnya, meskipun regulasinya bergantung pada jenis isoenzim yang dipertimbangkan.
Beberapa teks ilmiah menyarankan bahwa pengaturan enzim ini juga bergantung pada arsitektur "multidomain", karena aktivasi tampaknya bergantung pada beberapa rotasi dalam domain subunit dan pada perubahan geometri situs aktif.
Untuk banyak organisme, aktivasi alosterik piruvat kinase bergantung pada fruktosa 1,6-bifosfat (F16BP), tetapi ini tidak berlaku untuk enzim tumbuhan. Enzim lain juga diaktivasi oleh AMP siklik dan glukosa 6-fosfat.
Selain itu, telah ditunjukkan bahwa aktivitas sebagian besar kinase piruvat yang dipelajari sangat bergantung pada keberadaan ion monovalen seperti kalium (K +) dan ion divalen seperti magnesium (Mg + 2) dan mangan (Mn + 2). ).
Inhibisi
Kinase piruvat terutama dihambat oleh efektor alosterik fisiologis, sehingga proses ini sangat bervariasi antara spesies yang berbeda dan bahkan antara jenis sel dan jaringan dari organisme yang sama.
Pada banyak mamalia, glukagon, epinefrin, dan cAMP memiliki efek penghambatan pada aktivitas piruvat kinase, efek yang dapat diatasi dengan insulin.
Lebih lanjut, telah dibuktikan bahwa beberapa asam amino, seperti fenilalanin, dapat bertindak sebagai penghambat kompetitif untuk enzim ini di otak.
Referensi
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). Struktur piruvat kinase menampilkan strategi alosterik yang berbeda secara evolusioner. Royal Society ilmu terbuka, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Gambaran Umum Struktur, Fungsi, dan Regulasi Pyruvate Kinase. Ilmu Protein.
- Valentini, G., Chiarelli, L., Fortin, R., Speranza, ML, Galizzi, A., & Mattevi, A. (2000). Peraturan alosterik piruvat kinase Sebuah studi mutagenesis diarahkan ke situs. Jurnal Kimia Biologi, 275 (24), 18145-18152.
- Valentini, G., Chiarelli, LR, Fortin, R., Dolzan, M., Galizzi, A., Abraham, DJ,… & Mattevi, A. (2002). Struktur dan fungsi eritrosit piruvat kinase manusia Dasar molekuler anemia hemolitik nonspherocytic. Jurnal Kimia Biologi, 277 (26), 23807-23814.
- Israelsen, WJ, & Vander Heiden, MG (2015, Juli). Kinase piruvat: fungsi, regulasi dan peran dalam kanker. Dalam Seminar di sel & biologi perkembangan (Vol. 43, hlm 43-51). Pers Akademik.