GPBB

Glykogenphosphorylase (EC 2.4.1.1, GP) ist eines der Phosphorylase-Enzyme, das die Hydrolyse von Glykogen katalysiert und dabei Glucose-1-phosphat sowie ein verkürztes Glykogenmolekül erzeugt. Sie katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des Glykogenabbaus. Glykogenphosphorylase wird zudem als Modellprotein untersucht, das sowohl durch reversible Phosphorylierung als auch durch allosterische Effekte reguliert wird. Studien haben gezeigt, dass Säugetiere Leber-, Muskel- und Gehirn-Isoformen der Glykogenphosphorylase besitzen. Die Muskel-Glykogenphosphorylase dient dem Abbau von Glykogen zur Energiebereitstellung über die Glykolyse während Muskelkontraktionen, während Leberglykogen zur Regulation des Blutzuckerspiegels im Blut beiträgt.

Isoformen

Es gibt drei Isoformen der Glykogenphosphorylase, die durch drei Gene (PYGL, PYGM und PYGB) kodiert werden und entsprechend den Geweben, in denen sie exprimiert werden, als Leber-, Muskel- bzw. Gehirn-Isoform bezeichnet sind. Zwischen den humanen und den jeweiligen Nager-Isoformen besteht eine hohe Sequenzidentität (~97 %), und zwischen der Leber-Isoform und den Muskel- bzw. Gehirn-Isoformen besteht eine Identität von 80 %. Letztere teilen 83 % Identität. Glykogenphosphorylase ist ein Dimer, das aus Monomeren mit 846 (PYGL), 841 (PYGM) oder 862 (PYGB) Aminosäureresten besteht; im Zentrum jedes Monomers befindet sich Pyridoxalphosphat, ein essenzieller Kofaktor, der kovalent an einen Lysinrest gebunden ist. Alle drei Isoformen der Glykogenphosphorylase werden allosterisch durch die Bindung mehrerer Metabolit-Effektoren sowie durch reversible Phosphorylierung von Serin-14 reguliert. Phosphorylase war das erste Enzym, für das eine Regulation durch kovalente Phosphorylierung nachgewiesen wurde. Eine Regulation durch Acetylierung wurde erst kürzlich entdeckt. Die phosphorylierten bzw. dephosphorylierten Formen werden entsprechend als GPa und GPb bezeichnet.

Struktur

Glykogenphosphorylase besteht aus zwei Domänen. Die N-terminale Domäne enthält mehrere regulatorische Stellen. Eine davon ist Serin-14, das durch Phosphorylierung modifiziert wird und innerhalb einer Region (Reste 5–22) liegt, die abhängig vom Phosphorylierungszustand über der Untereinheiten-Grenzfläche eine geordnete oder ungeordnete Konformation einnimmt. Eine weitere ist die allosterische „AMP-Aktivatorstelle“, die AMP sowie mehrere weitere phosphorylierte Liganden einschließlich G6P, ATP und Fructose-1-phosphat bindet. Diese Domäne umfasst außerdem die allosterische Glykogen-Bindungsstelle sowie Komponenten der Bindungsstellen für Purine und Glucose und die an der Untereinheiten-Grenzfläche gelegenen Reste, die für die Weiterleitung allosterischer Effekte erforderlich sind. Die C-terminale Domäne enthält die Kofaktor-Bindungsstelle und bildet zusammen mit Resten der N-terminalen Domäne das katalytische Zentrum in einer tiefen Spalte, die durch ein bewegliches „Gate“ aus Resten der N-terminalen Domäne (Reste 280–285) abgeschirmt wird. Die Purin-Inhibitorstelle befindet sich am Eingang zum katalytischen Zentrum.

Das Dimer der Glykogenphosphorylase besitzt zwei „Seiten“: eine mit Zugang zum katalytischen Zentrum, die mit Glykogen in Kontakt stünde, und eine regulatorische Seite, die den N-terminalen Schwanz sowie die AMP-Aktivatorstelle umfasst und zum Zytoplasma hin exponiert ist. Das katalytische Zentrum liegt an der Dimer-Grenzfläche und enthält den kovalent gebundenen Pyridoxal-Kofaktor. Der Substratzugang wird durch ein Gate kontrolliert, das im R-Zustand geöffnet und im durch Glucose stabilisierten T-Zustand geschlossen ist. Die Purin-Inhibitorstelle wird durch Kontakte zwischen dem Gate und der C-terminalen Domäne gebildet.

Mechanismus

Glykogenphosphorylase spaltet Glykogen in Glucose-Untereinheiten. Sie kann nur an linearen Glykogenketten (α1-4-glykosidische Bindung) wirken. Obwohl die Reaktion in Lösung reversibel ist, arbeitet das Enzym in der Zelle ausschließlich in Vorwärtsrichtung, da die Konzentration an anorganischem Phosphat deutlich höher ist als die von Glucose-1-phosphat. Die Reaktion kommt vier Reste vor einer α1-6-Verzweigung zum Stillstand (die in Glykogen äußerst häufig vorkommt). In diesen Situationen ist ein Debranching-Enzym erforderlich, das die Kette in diesem Bereich „entzweigt“ bzw. begradigt. Zusätzlich verschiebt eine Transferase einen Block von drei Glucosylresten vom äußeren Ast an das andere Ende, und anschließend ist eine α1-6-Glucosidase erforderlich, um den verbleibenden (einzelnen Glucose-) α1-6-Rest zu spalten, der in der neu entstandenen linearen Kette verbleibt. Nach Abschluss dieser Schritte kann die Glykogenphosphorylase ihre Aktivität fortsetzen.

Abbildung 1. Wirkung der Glykogenphosphorylase auf Glykogen.

Regulation

Veränderungen der Leberglykogenspeicherung im Verlauf des Tag-Nacht-Zyklus sind mit Veränderungen der Aktivitäten von Glykogenphosphorylase (GP) und Glykogensynthase (GS) assoziiert, die reziprok reguliert werden. Reziproke Aktivitätsänderungen von GP und GS werden teilweise durch ein glykogen-gerichtetes Bindungsprotein der Proteinphosphatase-1 (PP1c) vermittelt, das die Aktivität von GS positiv reguliert und eine allosterische Inhibitorstelle für die aktivierte GP besitzt. Entsprechend bestimmt die Aktivierung von GP nicht nur die Abbaurate von Glykogen, sondern auch die Hemmung der Aktivierung von GS. Die Regulation von GP stellt daher ein wesentliches übergeordnetes Ereignis in der Kontrolle des Glykogenumsatzes durch extrazelluläre und intrazelluläre Signale dar.

Anwendung

Die Hemmung der Glykogenphosphorylase wurde als eine Methode zur Behandlung des Typ-2-Diabetes vorgeschlagen. Da gezeigt wurde, dass die Glucoseproduktion in der Leber bei Patienten mit Typ-2-Diabetes erhöht ist, erscheint die Hemmung der Glucosefreisetzung aus den Glykogenvorräten der Leber als ein plausibler Ansatz. Das Klonieren der humanen Leber-Glykogenphosphorylase (HLGP) offenbarte eine neue allosterische Bindungsstelle nahe der Untereinheiten-Grenzfläche, die in der Kaninchen-Muskel-Glykogenphosphorylase (RMGP), die üblicherweise in Studien verwendet wird, nicht vorhanden ist. Diese Stelle war nicht gegenüber denselben Inhibitoren sensitiv wie jene an der AMP-allosterischen Stelle, und die größten Erfolge wurden mit der Synthese neuer Inhibitoren erzielt, die die Struktur von Glucose nachahmen, da Glucose-6-phosphat ein bekannter Inhibitor der HLGP ist und den weniger aktiven T-Zustand stabilisiert.

Referenz