و كيناز البيروفات (PYK) هو الإنزيم الذي يحفز الخطوة الأخيرة في مسار حال السكر، والذي ينطوي على نقل النهائي لمجموعة الفوسفات من جزيء واحد من الفسفوإينول (PEP) إلى جزيء من ADP، مما أدى في تركيب جزيء من ATP وآخر من حمض البيروفيك أو البيروفات.
يُشارك البيروفات المُنتَج على هذا النحو لاحقًا في مسارات تقويضية وابتنائية مختلفة (تخليق حيوي): يمكن نزع الكربوكسيل لإنتاج أسيتيل CoA ، كربوكسيل لإنتاج أوكسال أسيتات ، منقولة لإنتاج ألانين ، مؤكسد لإنتاج حمض اللاكتيك أو يمكن توجيهه نحو استحداث السكر من أجل التوليف الجلوكوز.
رد فعل محفز بواسطة إنزيم بيروفات كيناز (المصدر: نوح سالزمان عبر ويكيميديا كومنز)
نظرًا لأنه يشارك في تحلل السكر ، فإن هذا الإنزيم مهم جدًا لعملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات للعديد من الكائنات ، أحادية الخلية ومتعددة الخلايا ، والتي تستخدم هذا كطريق تقويضي رئيسي للحصول على الطاقة.
مثال على الخلايا التي تعتمد بشكل صارم على تحلل السكر لإنتاج الطاقة هو خلايا الدم الحمراء في الثدييات ، والتي يمكن أن يكون لنقص أي من الإنزيمات المشاركة في هذا المسار آثار سلبية كبيرة لها.
بناء
تم وصف أربعة أشكال إسوية من إنزيم بيروفات كيناز في الثدييات:
- PKM1 ، نموذجي في العضلات
- PKM2 ، فقط في الأجنة (كلا المنتجين من المعالجة البديلة لنفس الرنا المرسال)
- PKL موجود في الكبد و
- PKR ، موجود في كريات الدم الحمراء (كلاهما مشفر بواسطة نفس الجين ، PKLR ، ولكن تم نسخهما بواسطة مروجين مختلفين).
ومع ذلك ، فإن التحليلات التي تم إجراؤها على بنية إنزيمات بيروفات كيناز المختلفة في الطبيعة (بما في ذلك هذه 4 من الثدييات) تظهر تشابهًا كبيرًا في الهيكل العام ، وكذلك فيما يتعلق بهندسة الموقع النشط والآليات التنظيمية.
بشكل عام ، هو إنزيم بوزن جزيئي 200 كيلو دالتون ، يتميز بهيكل رباعي يتكون من 4 وحدات بروتينية متطابقة ، تزيد أو تقل عن 50 أو 60 كيلو دالتون ، ولكل منها 4 مجالات ، وهي:
- مجال حلزوني صغير في الطرف N (غائب في الإنزيمات البكتيرية)
- مجال " A " ، مُعرَّف بطوبولوجيا مكونة من 8 صفائح مطوية و 8 حلزونات α
- مجال " B " ، مُدرج بين رقم ورقة بيتا المطوية 3 ورقم حلزون ألفا 3 للمجال "A"
- المجال " C " ، الذي يحتوي على طوبولوجيا α + β
التركيب الجزيئي لإنزيم بيروفات كيناز (المصدر: جواهر سواميناثان وموظفو MSD في المعهد الأوروبي للمعلومات الحيوية عبر ويكيميديا كومنز)
تم اكتشاف ثلاثة مواقع في رباعي بيروفات كيناز من كائنات مختلفة: الموقع النشط ، موقع المستجيب ، وموقع ارتباط الأحماض الأمينية. يقع الموقع النشط لهذه الإنزيمات بين المجالين A و B ، بالقرب من "موقع المستجيب" ، الذي ينتمي إلى المجال C.
في tetramer ، تشكل المجالات C واجهة "صغيرة" ، بينما تشكل المجالات A واجهة أكبر.
وظيفة
كما تمت مناقشته سابقًا ، يحفز بيروفات كيناز الخطوة الأخيرة في مسار التحلل ، أي نقل مجموعة الفوسفات من فوسفوينول بيروفات (PEP) إلى جزيء ADP لإنتاج ATP وجزيء حمض البيروفات أو البيروفيك.
تعتبر نواتج التفاعل المحفز بواسطة هذا الإنزيم ذات أهمية قصوى لسياقات التمثيل الغذائي المختلفة. يمكن استخدام البيروفات بطرق مختلفة:
- في ظل الظروف الهوائية ، أي في وجود الأكسجين ، يمكن استخدام هذا كركيزة لإنزيم يعرف بمركب البيروفات ديهيدروجينيز ، ليتم نزع الكربوكسيل وتحويله إلى أسيتيل CoA ، وهو جزيء يمكنه الدخول إلى دورة كريبس في الميتوكوندريا أو المشاركة في مسارات الابتنائية الأخرى مثل التخليق الحيوي للأحماض الدهنية ، على سبيل المثال.
- في حالة عدم وجود الأكسجين أو اللاهوائية ، يمكن استخدام البيروفات بواسطة إنزيم اللاكتات ديهيدروجينيز لإنتاج حمض اللاكتيك (الأكسدة) من خلال عملية تعرف باسم "التخمير اللاكتيكي".
- بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحويل البيروفات إلى جلوكوز من خلال استحداث السكر ، إلى ألانين من خلال ترانس أميناز ألانين ، إلى أوكسالو أسيتات من خلال بيروفات كربوكسيلاز ، إلخ.
من المهم أن نتذكر أنه في التفاعل المحفز بواسطة هذا الإنزيم ، يحدث أيضًا التوليف الصافي لـ ATP ، والذي يُحسب لتحلل السكر ، وينتج جزيئين بيروفات و 2 جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز.
وبالتالي ، من هذا المنظور ، يلعب إنزيم بيروفات كيناز دورًا أساسيًا في العديد من جوانب التمثيل الغذائي الخلوي ، لدرجة أنه يتم استخدامه كهدف علاجي للعديد من مسببات الأمراض البشرية ، من بينها العديد من البروتوزوا.
اللائحة
بيروفات كيناز هو إنزيم مهم للغاية من وجهة نظر الأيض الخلوي ، لأنه يشكل آخر مركب ناتج عن مسار هدم الجلوكوز: البيروفات.
بالإضافة إلى كونه أحد الإنزيمات الثلاثة الأكثر تنظيمًا في مسار التحلل السكري بأكمله (الاثنان الآخران هما هكسوكيناز (HK) و فسفوفركتوكيناز (PFK)) ، فإن بيروفات كيناز هو إنزيم مهم جدًا للتحكم في تدفق التمثيل الغذائي والإنتاج من ATP من خلال تحلل السكر.
يتم تنشيطه بواسطة phosphoenolpyruvate ، أحد ركائزه (التنظيم المتماثل) ، بالإضافة إلى السكريات الأخرى أحادية و diphosphorylated ، على الرغم من أن تنظيمه يعتمد على نوع isoenzyme المعتبَر.
تشير بعض النصوص العلمية إلى أن تنظيم هذا الإنزيم يعتمد أيضًا على بنيته "متعددة المجالات" ، حيث يبدو أن تنشيطه يعتمد على بعض الدورات في مجالات الوحدات الفرعية وعلى التغييرات في هندسة الموقع النشط.
بالنسبة للعديد من الكائنات الحية ، يعتمد التنشيط الخيفي للبيروفات كيناز على الفركتوز 1،6-ثنائي الفوسفات (F16BP) ، ولكن هذا لا ينطبق على إنزيمات النبات. يتم أيضًا تنشيط إنزيمات أخرى بواسطة AMP الدوري والجلوكوز 6-فوسفات.
بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن نشاط معظم كينازات البيروفات التي تمت دراستها يعتمد بشكل كبير على وجود أيونات أحادية التكافؤ مثل البوتاسيوم (K +) والأيونات ثنائية التكافؤ مثل المغنيسيوم (Mg + 2) والمنغنيز (Mn + 2).).
كبت
يتم تثبيط Pyruvate kinase بشكل أساسي بواسطة المؤثرات الخيفية الفسيولوجية ، لذلك تختلف هذه العمليات بشكل كبير بين الأنواع المختلفة وحتى بين أنواع الخلايا والأنسجة لنفس الكائن الحي.
في العديد من الثدييات ، يكون للجلوكاجون ، والإبينفرين ، و cAMP تأثيرات مثبطة على نشاط بيروفات كيناز ، وهي تأثيرات يمكن أن يبطلها الأنسولين.
علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن بعض الأحماض الأمينية ، مثل فينيل ألانين ، يمكن أن تعمل كمثبطات تنافسية لهذا الإنزيم في الدماغ.
المراجع
- Morgan، HP، Zhong، W.، McNae، IW، Michels، PA، Fothergill-Gilmore، LA، & Walkinshaw، MD (2014). تعرض هياكل كينازات البيروفات استراتيجيات خيفية متباينة تطوريًا. الجمعية الملكية للعلوم المفتوحة ، 1 (1) ، 140120.
- Schormann، N.، Hayden، KL، Lee، P.، Banerjee، S.، & Chattopadhyay، D. (2019). نظرة عامة على هيكل ووظيفة وتنظيم كينازات بيروفات. علم البروتين.
- Valentini، G.، Chiarelli، L.، Fortin، R.، Speranza، ML، Galizzi، A.، & Mattevi، A. (2000). التنظيم الخيفي للبيروفات كيناز دراسة الطفرات الموجهة بالموقع. مجلة الكيمياء البيولوجية، 275 (24) ، 18145-18152.
- Valentini، G.، Chiarelli، LR، Fortin، R.، Dolzan، M.، Galizzi، A.، Abraham، DJ،… & Mattevi، A. (2002). هيكل ووظيفة كريات الدم الحمراء البشرية بيروفات كيناز الأساس الجزيئي لفقر الدم الانحلالي غير الكريات. مجلة الكيمياء البيولوجية ، 277 (26) ، 23807-23814.
- Israelelsen، WJ، & Vander Heiden، MG (2015، July). بيروفات كيناز: الوظيفة والتنظيم والدور في السرطان. في ندوات في الخلية وعلم الأحياء التطوري (المجلد 43 ، ص 43-51). الصحافة الأكاديمية.