GPBB

Glykogenphosphorylase (EC 2.4.1.1, GP) ist eines der Phosphorylase-Enzyme, das die Hydrolyse von Glykogen katalysiert, um Glukose-1-phosphat und verkürzte Glykogenmoleküle zu erzeugen. Es katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt im Abbau von Glykogen. Glykogenphosphorylase wird auch als Modellprotein untersucht, das sowohl durch reversible Phosphorylierung als auch durch allosterische Effekte reguliert wird. Studien haben ergeben, dass Säugetiere Leber-, Muskel- und Gehirnisoformen von Glykogenphosphorylase haben. Muskelglykogenphosphorylase ist vorhanden, um Glykogen während der Muskelkontraktionen in Energieformen durch Glykolyse abzubauen, und Leberglykogen ist vorhanden, um die Blutzuckerspiegel im Blut zu regulieren.

Isoformen

Es gibt drei Isoformen von Glykogenphosphorylase, die durch 3 Gene PYGL, PYGM und PYGB kodiert werden und nach den Geweben, in denen sie exprimiert werden, als Leber, Muskel und Gehirn bezeichnet werden. Es gibt eine hohe Sequenzidentität (~97%) zwischen menschlichen und entsprechenden Rodentienisoformen und 80% Identität zwischen der Leberisoform und den Muskel- oder Gehirnisoformen. Letztere teilen sich 83% Identität. Glykogenphosphorylase ist ein Dimer, das aus Monomeren mit 846 (PYGL), 841 (PYGM) oder 862 (PYGB) Resten besteht, wobei Pyridoxalphosphat, ein essentielles Kofaktor, in der Mitte jedes Monomers kovalent an eine Lysin-Rest gebunden ist. Alle 3 Isoformen von Glykogenphosphorylase werden allosterisch durch die Bindung mehrerer Metaboliteffekte und durch reversible Phosphorylierung von Serin-14 reguliert. Phosphorylase war das erste Enzym, das als durch kovalente Phosphorylierung reguliert nachgewiesen wurde. Seine Regulation durch Acetylierung wurde kürzlich entdeckt. Die phosphorylierten und dephosphorylierten Formen werden respektive 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 sich in einem Bereich (Rest 5–22) befindet, der je nach Phosphorylierungszustand eine geordnete oder ungeordnete Konformation über die Untereinheitenschnittstelle annimmt. Eine andere ist die allosterische „AMP-Aktivatorstelle“, die AMP und mehrere andere phosphorylierte Liganden, einschließlich G6P, ATP und Fruktose-1-phosphat, bindet. Diese Domäne hat auch die allosterische Stelle für die Glykogenspeicherung und Komponenten der Bindungsstellen für Purine und Glukose sowie die Reste an der Untereinheitenschnittstelle, die erforderlich sind, um die allosterischen Effekte zu propagieren. Die C-terminale Domäne enthält die Kofaktorbindingstelle und zusammen mit Resten aus der N-terminalen Domäne enthält sie die katalytische Stelle in einer tiefen Spalte, die durch ein bewegliches Tor geschützt ist, das aus Resten der N-terminalen Domäne (280-285 Reste) besteht. Die Purin-Inhibitorstelle befindet sich am Eingang zur katalytischen Stelle.

Das Dimer der Glykogenphosphorylase hat zwei Seiten: eine mit Zugang zur katalytischen Stelle, die mit Glykogen in Kontakt wäre, und eine regulatorische Seite, die den N-terminalen Schwanz und die AMP-Aktivatorstelle enthält, die dem Zytoplasma ausgesetzt ist. Die katalytische Stelle befindet sich an der Dimer-Schnittstelle und hat das Pyridoxalkofaktor kovalent gebunden. Der Zugang des Substrats wird durch ein Tor geschützt, das eine offene Position im R-Zustand und eine geschlossene Position im T-Zustand hat, die durch Glukose stabilisiert wird. Der Purin-Inhibitor wird durch Kontakte zwischen dem Tor und der C-terminalen Domäne gebildet.

Mechanismus

Glykogenphosphorylase zerlegt Glykogen in Glukoseeinheiten. Es kann nur an linearen Ketten von Glykogen (α1-4-glykosidische Bindung) wirken. Obwohl die Reaktion in Lösung reversibel ist, arbeitet das Enzym innerhalb der Zelle nur in der Vorwärtsrichtung, da die Konzentration von anorganischem Phosphat viel höher ist als die von Glukose-1-phosphat. Seine Arbeit kommt sofort zum Stillstand, vier Reste von der α1-6-Verzweigung entfernt (die in Glykogen äußerst häufig sind). In diesen Situationen ist ein Debranching-Enzym erforderlich, das die Kette in diesem Bereich begradigt. Darüber hinaus verschiebt das Enzym Transferase einen Block von 3 Glucosylresten von der äußeren Verzweigung zum anderen Ende, und dann ist ein α1-6-Glucosidase-Enzym erforderlich, um den verbleibenden (einzelnen Glukose-) α1-6-Rest zu brechen, der in der neuen linearen Kette verbleibt. Nachdem all dies erledigt ist, kann Glykogenphosphorylase fortfahren.

Abbildung 1. Wirkung der Glykogenphosphorylase auf Glykogen.

Regulation

Änderungen in der Glykogenspeicherung der Leber während des diurnalen Zyklus sind mit Änderungen der Aktivitäten von Glykogenphosphorylase (GP) und Glykogensynthetase (GS) verbunden, die wechselseitig reguliert werden. Wechselseitige Änderungen in den Aktivitäten von GP und GS werden teilweise durch ein glykogenzielgerichtetes Bindungsprotein der Proteinphosphatase-1 (PP1c) vermittelt, das die Aktivität von GS positiv reguliert und eine allosterische Inhibitorstelle für das aktivierte GP hat. Dementsprechend bestimmt die Aktivierung von GP nicht nur die Abbaurate von Glykogen, sondern auch die Hemmung der Aktivierung von GS. Die Regulation von GP ist daher ein wichtiges upstream-Ereignis in der Kontrolle des Glykogenumsatzes durch sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre Signale.

Anwendung

Die Hemmung der Glykogenphosphorylase wurde als eine Methode zur Behandlung von Typ-2-Diabetes vorgeschlagen. Da gezeigt wurde, dass die Glukoseproduktion in der Leber bei Patienten mit Typ-2-Diabetes zunimmt, scheint die Hemmung der Freisetzung von Glukose aus den Glykogenspeichern der Leber ein gültiger Ansatz zu sein. Das Klonen der menschlichen Leberglykogenphosphorylase (HLGP) offenbarte eine neue allosterische Bindungsstelle in der Nähe der Untereinheitenschnittstelle, die in der normalerweise in Studien verwendeten Glykogenphosphorylase des Kaninchenmuskels (RMGP) nicht vorhanden ist. Diese Stelle war nicht empfindlich gegenüber denselben Inhibitoren wie die an der AMP-allosterischen Stelle, und der größte Erfolg wurde bei der Synthese neuer Inhibitoren erzielt, die die Struktur von Glukose nachahmen, da Glukose-6-phosphat ein bekannter Inhibitor von HLGP ist und den weniger aktiven T-Zustand stabilisiert.

Referenz