3-PGK

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Einführungen

Phosphoglyceratkinase PGK ist ein Schlüsselenzym in der Glykolyse und für das Überleben jedes Organismus unerlässlich. PGK ist ein monomeres, hochflexibles glykolytisches Enzym, das aus zwei sphärischen strukturellen Schwellen besteht, die während der Substratbindung und letztendlich bei katalytischen Effekten signifikante konformationale Änderungen durchlaufen. Dieses Enzym kommt in nur einer Art in einigen Bakterienzellen vor, während es in den meisten Organismen zwei bis drei Isoenzyme enthält. PGK ist in allen organischen Lebensformen vorhanden und seine Sequenz ist im gesamten evolutionären Prozess hochgradig konserviert.

3-Phosphoglyceratkinase

Die 3-Phosphoglyceratkinase katalysiert die Umwandlung von 1,3-Diphosphoglycerat zu 3-Phosphoglycerat und produziert ein Molekül ATP, was die erste ATP-Produktion während der anaeroben Verdauung darstellt. Da 1 Molekül Glukose 2 Moleküle 1,3-Diphosphoglycerat produziert, kann 1 Molekül Glukose in diesem Prozess 2 Moleküle ATP erzeugen. ATP wird durch horizontale Phosphorylierung des Substrats produziert, und die Energie wird direkt von der hochenergetischen Phosphatgruppe im Substrat auf ADP übertragen, um ATP zu bilden.

Struktur

Die PGK wurde aus einer Vielzahl von Organismen isoliert. Es ist ein typisches scharnierbiegendes monomeres Enzym mit einem Molekulargewicht von etwa 45 kDa. Das Enzym besteht aus einer gefalteten Polypeptidkette, die zwei strukturelle Domänen nahezu gleicher Größe bildet, die durch einen tiefen Spalt getrennt und durch zwei α-Helices (α-Helices 7 und 14) verbunden sind, was ihm eine einzigartige bilobuläre Struktur verleiht. Sowohl die N-terminale als auch die C-terminale strukturelle Domäne enthalten eine typische Rothman-Faltung mit einem Kern aus sechs parallelen β-gefalteten Ketten, umgeben von α-Helices. Die β-Ecke und unregelmäßige strukturelle Fragmente verbinden die β-Faltung mit der α-Helix. Beide strukturellen Domänen sind an der Substratbindung beteiligt.

Abbildung 1. Struktur von PGK. (Pirela M, et al. 2020)

Nukleotidregulation

Die PGK-Aktivität wird durch verschiedene Nukleotide (AMP, ATP, ADP) reguliert, wie in verschiedenen Organismen dokumentiert. Das Vorhandensein von AMP, ADP, GDP, GMP, IDP und IMP hemmt die PGK des Kaninchenmuskels. Offensichtlich ist die Hemmung gemischt. Diese durch Purinnukleotide vermittelte Regulation wurde auch in Pflanzen beobachtet. In Erbsen wird die zytosolische und chloroplastische PGK-Aktivität in Richtung ATP-Produktion durch AMP und ATP reguliert, während in die entgegengesetzte Richtung (unter Verwendung von ATP) die Regulation durch AMP und ADP erfolgt. Für Hefe gibt es Hinweise auf die Hemmung von PGK durch ADP und AMP. Offensichtlich hat dieses Enzym zwei Nukleotidbindungsstellen, eine Bindungsstelle für das Substrat ATP/ADP und eine andere ADP-regulatorische Stelle, die von dem Nukleotidsubstrat getrennt ist. AMP bindet ebenfalls an das Enzym, wahrscheinlich an derselben Stelle wie das Substrat ATP. Darüber hinaus ist ADP ein kompetitiver Inhibitor, während AMP ein nicht-kompetitiver 3PGA-Bindungsinhibitor ist. Dieser Hemmungsmechanismus könnte eine interessante Möglichkeit zur Regulierung der Richtung der reversiblen Reaktion des Enzyms widerspiegeln.

PGK als Moonlighting-Protein

Moonlighting-Proteine enthalten heterogene Sammlungen von Proteinen aus verschiedenen Klassen, die eine Vielzahl von physiologisch relevanten biochemischen oder biophysikalischen Funktionen ausführen können. Derzeit wurden mehr als 300 Moonlighting-Proteine identifiziert. Diese Proteine werden im gesamten "Stammbaum des Lebens" exprimiert und ihre Hauptfunktionen werden verschiedenen biochemischen Prozessen zugeschrieben. Einige dieser Proteine sind in der Lage, sowohl ihre primären als auch sekundären Funktionen (Moonlighting) auszuführen, während andere ihre Funktionen je nach Umgebung ändern. Unter den Stoffwechselenzymen wurden sieben glykolytische Enzyme als Moonlighting-Proteine identifiziert, eines davon ist PGK. In verschiedenen Organismen wurden PGK neben ihren kanonischen Funktionen in der Glykolyse und Gluconeogenese auch andere Funktionen in verschiedenen zellulären Prozessen zugeschrieben, einschließlich einer Rolle in Parasiten-Wirt-Beziehungen.

Abbildung 2. PGK Moonlighting-Funktionen. (Pirela M, et al. 2020)

Schlussfolgerung

PGK ist ein hochgradig konserviertes Enzym, das in Archaeen, Bakterien und Eukaryoten verbreitet ist. Seine Hauptfunktionen stehen im Zusammenhang mit dem Kohlenhydratstoffwechsel, insbesondere Glykolyse und Gluconeogenese, aber das Enzym kann auch an einer Vielzahl anderer biologischer Prozesse beteiligt sein, wie Zellinvasion, Angiogenese und Tumorwachstum, flagellare Motilität, virale Replikation, Induktion von Autophagie und Zellproliferation.