Fosfofrutocinase 1 - Phosphofructokinase 1

6-fosfofrutocinase
Fosfofrutoquinase 6PFK wpmp.png
Identificadores
EC nº 2.7.1.11
CAS no. 9001-80-3
Bancos de dados
IntEnz Vista IntEnz
BRENDA Entrada BRENDA
ExPASy NiceZyme view
KEGG Entrada KEGG
MetaCyc via metabólica
PRIAM perfil
Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontologia Genética AmiGO / QuickGO
Fosfofrutocinase
Identificadores
Símbolo PFK
Pfam PF00365
Clã Pfam CL0240
InterPro IPR000023
PRÓSITO PDOC00336
SCOP2 5pfk / SCOPe / SUPFAM

A fosfofrutocinase-1 ( PFK-1 ) é uma das enzimas regulatórias mais importantes ( EC 2.7.1.11 ) da glicólise . É uma enzima alostérica composta de 4 subunidades e controlada por muitos ativadores e inibidores . PFK-1 catalisa a importante etapa "comprometida" da glicólise, a conversão de frutose 6-fosfato e ATP em frutose 1,6-bifosfato e ADP . A glicólise é a base da respiração, tanto anaeróbica quanto aeróbica. Como a fosfofrutocinase (PFK) catalisa a fosforilação dependente de ATP para converter a frutose-6-fosfato em frutose 1,6-bifosfato e ADP, é uma das principais etapas regulatórias da glicólise. O PFK é capaz de regular a glicólise por meio da inibição alostérica e, dessa forma, a célula pode aumentar ou diminuir a taxa de glicólise em resposta às necessidades de energia da célula. Por exemplo, uma alta proporção de ATP para ADP inibirá PFK e glicólise. A principal diferença entre a regulação de PFK em eucariotos e procariontes é que em eucariotos, o PFK é ativado pela frutose 2,6-bifosfato. O objetivo da frutose 2,6-bifosfato é substituir a inibição do ATP, permitindo assim que os eucariotos tenham maior sensibilidade à regulação por hormônios como o glucagon e a insulina.

β- D - frutose 6-fosfato Fosfofrutocinase 1 β- D - frutose 1,6-bisfosfato
Beta-D-frutose-6-fosfato wpmp.png   Beta-D-frutose-1,6-bisphosphate wpmp.png
ATP ADP
Seta de reação bioquímica reversível YYYY horiz med.svg
P i H 2 O
 
  Bisfosfatase de frutose


Estrutura

Mamífero PFK1 é um tetrâmero de 340 kd composto por diferentes combinações de três tipos de subunidades: músculo (M), fígado (L) e plaquetas (P). A composição do tetrâmero PFK1 difere de acordo com o tipo de tecido em que está presente. Por exemplo, o músculo maduro expressa apenas a isozima M , portanto, o músculo PFK1 é composto apenas por homotetrâmeros de M4. O fígado e os rins expressam predominantemente a isoforma L. Nos eritrócitos , as subunidades M e L tetramerizam aleatoriamente para formar M4, L4 e as três formas híbridas da enzima (ML3, M2L2, M3L). Como resultado, as propriedades cinéticas e regulatórias dos vários conjuntos de isoenzimas dependem da composição da subunidade. Alterações específicas do tecido na atividade de PFK e conteúdo isoenzímico contribuem significativamente para as diversidades das taxas glicolíticas e gliconeogênicas que foram observadas em diferentes tecidos.

PFK1 é uma enzima alostérica e tem uma estrutura semelhante à da hemoglobina na medida em que é um dímero de um dímero. Metade de cada dímero contém o local de ligação do ATP enquanto a outra metade o local de ligação do substrato (frutose-6-fosfato ou (F6P)), bem como um local de ligação alostérico separado.

Cada subunidade do tetrâmero tem 319 aminoácidos e consiste em dois domínios: um que se liga ao substrato ATP e o outro que se liga à frutose-6-fosfato. Cada domínio é um barril ab e tem uma folha b cilíndrica cercada por hélices alfa.

No lado oposto de cada subunidade de cada sítio ativo está o sítio alostérico, na interface entre as subunidades no dímero. ATP e AMP competem por este site. O domínio N-terminal tem um papel catalítico ligando o ATP, e o C-terminal tem um papel regulador

Mecanismo

PFK1 é uma enzima alostérica cuja atividade pode ser descrita usando o modelo de simetria de alosterismo em que há uma transição concertada de um estado T enzimaticamente inativo para o estado R ativo. F6P liga-se com alta afinidade ao estado R, mas não à enzima do estado T. Para cada molécula de F6P que se liga a PFK1, a enzima muda progressivamente do estado T para o estado R. Assim, um gráfico que traça a atividade de PFK1 contra o aumento das concentrações de F6P adotaria a forma da curva sigmoidal tradicionalmente associada às enzimas alostéricas.

PFK1 pertence à família das fosfotransferases e catalisa a transferência de γ-fosfato do ATP para a frutose-6-fosfato. O sítio ativo PFK1 compreende os sítios de ligação ATP-Mg2 + e F6P. Alguns resíduos propostos envolvidos com a ligação do substrato em E. coli PFK1 incluem Asp127 e Arg171 . Em B. stearothermophilus PFK1, a cadeia lateral carregada positivamente do resíduo Arg162 forma uma ponte salina ligada por hidrogênio com o grupo fosfato carregado negativamente de F6P, uma interação que estabiliza o estado R em relação ao estado T e é parcialmente responsável pelo efeito homotrópico de ligação F6P. No estado T, a conformação da enzima muda ligeiramente, de modo que o espaço anteriormente ocupado pelo Arg162 é substituído por Glu161 . Esta troca de posições entre resíduos de aminoácidos adjacentes inibe a capacidade de F6P de se ligar à enzima.

Ativadores alostéricos, como AMP e ADP, ligam-se ao sítio alostérico para facilitar a formação do estado R induzindo mudanças estruturais na enzima. Da mesma forma, inibidores como ATP e PEP ligam-se ao mesmo sítio alostérico e facilitam a formação do estado T, inibindo assim a atividade enzimática.

O oxigênio hidroxila do carbono 1 faz um ataque nucleofílico ao beta fosfato do ATP. Esses elétrons são empurrados para o oxigênio anidrido entre os fosfatos beta e gama do ATP.

Mecanismo de fosfofrutocinase 1

Regulamento

PFK1 é o local de controle mais importante na via glicolítica de mamíferos. Esta etapa está sujeita a ampla regulação, pois não é apenas altamente exergônica em condições fisiológicas , mas também porque é uma etapa comprometida - a primeira reação irreversível exclusiva da via glicolítica. Isso leva a um controle preciso da glicose e dos outros monossacarídeos galactose e frutose que descem pela via glicolítica. Antes da reação dessa enzima, a glicose-6-fosfato pode potencialmente viajar pela via da pentose fosfato ou ser convertida em glicose-1-fosfato para a glicogênese .

PFK1 é alostericamente inibido por altos níveis de ATP , mas AMP inverte a acção inibidora de ATP. Portanto, a atividade da enzima aumenta quando a razão ATP / AMP celular é reduzida. A glicólise é então estimulada quando a carga de energia cai. PFK1 tem dois locais com diferentes afinidades para ATP, que é tanto um substrato quanto um inibidor.

PFK1 também é inibido por baixos níveis de pH que aumentam o efeito inibitório do ATP. O pH cai quando o músculo está funcionando anaerobicamente e produzindo quantidades excessivas de ácido lático (embora o próprio ácido láctico não seja a causa da diminuição do pH). Esse efeito inibitório serve para proteger o músculo dos danos que resultariam do acúmulo de ácido em excesso.

Finalmente, PFK1 é inibido alostericamente por PEP , citrato e ATP. O ácido fosfoenolpirúvico é um produto a jusante da via glicolítica . Embora o citrato se acumule quando as enzimas do ciclo de Krebs se aproximam de sua velocidade máxima, é questionável se o citrato se acumula a uma concentração suficiente para inibir a PFK-1 em condições fisiológicas normais. O aumento da concentração de ATP indica um excesso de energia e tem um local de modulação alostérica em PFK1, onde diminui a afinidade de PFK1 por seu substrato.

PFK1 é alostericamente activado por uma alta concentração de AMP , mas o activador mais potente é a frutose 2,6-bifosfato , que também é produzido a partir de frutose-6-fosfato por PFK2 . Portanto, uma abundância de F6P resulta em uma concentração mais alta de frutose 2,6-bifosfato (F-2,6-BP). A ligação de F-2,6-BP aumenta a afinidade de PFK1 por F6P e diminui o efeito inibidor de ATP. Este é um exemplo de estimulação feedforward, uma vez que a glicólise é acelerada quando a glicose é abundante.

A atividade de PFK é reduzida por meio da repressão da síntese pelo glucagon . O glucagon ativa a proteína quinase A que, por sua vez, desliga a atividade da quinase de PFK2 . Isso reverte qualquer síntese de F-2,6-BP a partir de F6P e, portanto, desativa PFK1.

A regulação precisa de PFK1 impede que a glicólise e a gliconeogênese ocorram simultaneamente. No entanto, existe um ciclo de substrato entre F6P e F-1,6-BP. Frutose-1,6-bisfosfatase (FBPase) catalisa a hidrólise de F-1,6-BP de volta para F6P, a reação reversa catalisada por PFK1. Há uma pequena quantidade de atividade de FBPase durante a glicólise e alguma atividade de PFK1 durante a gliconeogênese. Este ciclo permite a amplificação de sinais metabólicos, bem como a geração de calor por hidrólise de ATP.

A serotonina (5-HT) aumenta o PFK ligando-se ao receptor 5-HT (2A), fazendo com que o resíduo de tirosina do PFK seja fosforilado via fosfolipase C. Isso, por sua vez, redistribui o PFK dentro das células do músculo esquelético. Como o PFK regula o fluxo glicolítico, a serotonina desempenha um papel regulador na glicólise

Genes

Existem três genes de fosfofrutocinase em humanos:

Significado clínico

Uma mutação genética no gene PFKM resulta na doença de Tarui , que é uma doença de armazenamento de glicogênio em que a capacidade de certos tipos de células de utilizar carboidratos como fonte de energia é prejudicada.

A doença de Tarui é uma doença de armazenamento de glicogênio com sintomas que incluem fraqueza muscular (miopatia) e cãibras e espasmos induzidos por exercícios, mioglobinúria (presença de mioglobina na urina, indicando destruição muscular) e hemólise compensada. O ATP é um inibidor alostérico natural de PFK, a fim de prevenir a produção desnecessária de ATP através da glicólise. No entanto, uma mutação em Asp (543) Ala pode resultar em ATP tendo um efeito inibitório mais forte (devido ao aumento da ligação ao local de ligação alostérica inibitória de PFK).

Mutação da fosfofrutocinase e câncer: para que as células cancerosas atendam às necessidades de energia devido ao rápido crescimento e divisão celular, elas sobrevivem com mais eficácia quando têm uma enzima fosfofrutocinase 1 hiperativa. Quando as células cancerosas crescem e se dividem rapidamente, elas inicialmente não têm tanto suprimento de sangue e podem, portanto, ter hipóxia (privação de oxigênio), e isso desencadeia O-GlcNAcylation na serina 529 de PFK. Esta modificação inibe a atividade de PFK1 e suporta a proliferação do câncer, em contraste com a visão de que uma alta atividade de PFK1 é necessária para o câncer. Isso pode ser devido ao redirecionamento do fluxo de glicose para a via da pentose fosfato para gerar NADPH para desintoxicar espécies reativas de oxigênio.

Herpes simplex tipo 1 e fosfofrutocinase: Alguns vírus, incluindo HIV, HCMV e Mayaro, afetam as vias metabólicas celulares, como a glicólise, por um aumento dependente de MOI na atividade de PFK. O mecanismo pelo qual o Herpes aumenta a atividade de PFK é por fosforilação da enzima nos resíduos de serina. A glicólise induzida pelo HSV-1 aumenta o conteúdo de ATP, que é crítico para a replicação do vírus.

Veja também

  • PFK2 (converte frutose 6-fosfato em frutose 2,6-bifosfato no local, ou o oposto, em outro local)
  • PFP (interconverte reversivelmente a frutose 6-fosfato e a frutose 1,6-bifosfato usando pirofosfato inorgânico em vez de ATP)
  • Frutose bifosfatase (hidrolisa frutose 1,6-bifosfato em frutose 6-fosfato)

Referências

links externos