3‑PGK

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Einleitung

Die Phosphoglyceratkinase (PGK) ist ein Schlüsselenzym der Glykolyse und für das Überleben sämtlicher Organismen essenziell. PGK ist ein monomeres, hochflexibles glykolytisches Enzym, das aus zwei annähernd kugelförmigen Strukturdomänen besteht, die während der Substratbindung ausgeprägte Konformationsänderungen durchlaufen und dadurch die katalytische Aktivität ermöglichen. In einigen Bakterienzellen liegt dieses Enzym nur in einer Form vor, während es in den meisten Organismen zwei bis drei Isoenzyme umfasst. PGK kommt in allen Lebensformen vor, und ihre Sequenz ist im Verlauf der Evolution hochkonserviert.

3-Phosphoglyceratkinase

Die 3-Phosphoglyceratkinase katalysiert die Umwandlung von 1,3-Diphosphoglycerat zu 3-Phosphoglycerat unter Bildung eines ATP-Moleküls; dies stellt die erste ATP-Generierung während der anaeroben Glykolyse dar. Da aus 1 Molekül Glukose 2 Moleküle 1,3-Diphosphoglycerat entstehen, können in diesem Schritt pro Glukosemolekül 2 Moleküle ATP gebildet werden. Das ATP entsteht durch Substratkettenphosphorylierung, wobei die Energie direkt von der energiereichen Phosphatgruppe des Substrats auf ADP übertragen wird, wodurch ATP gebildet wird.

Struktur

PGK wurde aus einer Vielzahl von Organismen isoliert. Es handelt sich um ein typisches, scharnierartig bewegliches monomeres Enzym mit einer Molekülmasse von etwa 45 kDa. Das Enzym besteht aus einer gefalteten Polypeptidkette, die zwei nahezu gleich große Strukturdomänen bildet, die durch eine tiefe Spalte getrennt und über zwei α-Helices (α-Helices 7 und 14) verbunden sind, was zu einer charakteristischen bilobierten Struktur führt. Sowohl die N‑terminale als auch die C‑terminale Strukturdomäne enthalten eine typische Rossmann-Faltung mit einem Kern aus sechs parallelen β-Faltblattsträngen, die von α-Helices umgeben sind. Die β‑Ecke und unregelmäßige Strukturfragmente verbinden das β‑Faltblatt mit der α‑Helix. Beide Strukturdomänen 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 unterschiedlichen Organismen dokumentiert. Das Vorhandensein von AMP, ADP, GDP, GMP, IDP und IMP hemmt die PGK aus Kaninchenmuskel; offenbar handelt es sich um eine gemischte Hemmung. Diese purinnukleotidvermittelte Regulation wurde auch in Pflanzen beobachtet. In Erbse wird die Aktivität der zytosolischen und chloroplastidären PGK in Richtung ATP-Bildung durch AMP und ATP reguliert, während in der Gegenrichtung (unter ATP-Verbrauch) die Regulation über AMP und ADP erfolgt. Für Hefe gibt es Hinweise auf eine Hemmung der PGK durch ADP und AMP. Offenbar besitzt dieses Enzym zwei Nukleotid-Bindungsstellen: eine Bindungsstelle für das Substrat ATP/ADP und eine weitere, vom Nukleotidsubstrat getrennte regulatorische ADP-Bindungsstelle. AMP bindet ebenfalls an das Enzym, vermutlich an derselben Stelle wie das Substrat ATP. Darüber hinaus ist ADP ein kompetitiver Inhibitor, während AMP ein nichtkompetitiver Inhibitor der 3PGA-Bindung ist. Dieser Hemmmechanismus könnte einen interessanten Ansatz zur Regulation der Reaktionsrichtung der reversiblen Enzymreaktion widerspiegeln.

PGK als Moonlighting-Protein

Moonlighting-Proteine umfassen heterogene Proteinkollektive aus unterschiedlichen Klassen, die eine Vielzahl physiologisch relevanter biochemischer oder biophysikalischer Funktionen ausüben können. Derzeit wurden mehr als 300 Moonlighting-Proteine identifiziert. Diese Proteine werden über den gesamten „Stammbaum des Lebens“ hinweg exprimiert, und ihre Primärfunktionen sind unterschiedlichen biochemischen Prozessen zugeordnet. Einige dieser Proteine können sowohl ihre primären als auch sekundären Funktionen (Moonlighting) ausüben, während andere ihre Funktion in Abhängigkeit von der Umgebung verändern. Unter den metabolischen Enzymen wurden sieben glykolytische Enzyme als Moonlighting-Proteine identifiziert, darunter PGK. In verschiedenen Organismen wurden PGK neben ihren kanonischen Funktionen in Glykolyse und Glukoneogenese weitere Funktionen in unterschiedlichen zellulären Prozessen zugeschrieben, einschließlich einer Rolle in Parasiten‑Wirt‑Interaktionen.

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

Fazit

PGK ist ein hochkonserviertes Enzym, das in Archaeen, Bakterien und Eukaryoten verbreitet ist. Seine Hauptfunktionen stehen im Zusammenhang mit dem Kohlenhydratstoffwechsel, insbesondere Glykolyse und Glukoneogenese; das Enzym kann jedoch auch an einer Vielzahl weiterer biologischer Prozesse beteiligt sein, darunter Zellinvasion, Angiogenese und Tumorwachstum, flagelläre Motilität, virale Replikation, Induktion der Autophagie sowie Zellproliferation.