Glykogenfosforyláza - Glycogen phosphorylase

Fosforyláza
Krystalová struktura komplexu glykogen-fosforylázy-AMP králičího svalu. AMlosterické místo AMP (žluté), fosforylované Ser14 (oranžové), vazebné místo pro glykogen (modré), katalytické místo (červené).
Identifikátory
Č. ES	2.4.1.1
Č. CAS	9035-74-9
Databáze
IntEnz	Pohled IntEnz
BRENDA	BRENDA vstup
EXPAS	Pohled NiceZyme
KEGG	KEGG vstup
MetaCyc	metabolická cesta
PRIAM	profil
PDB struktury	Součet RCSB PDB PDBe PDB
Genová ontologie	Amigo / QuickGO
Vyhledávání PMC články PubMed články NCBI bílkoviny

Glykogenfosforyláza je jedním z enzymů fosforylázy ( EC 2.4.1.1 ). Glykogenfosforyláza katalyzuje rychlost omezující krok v glykogenolýze u zvířat uvolněním glukózo-1-fosfátu z koncové alfa-1,4-glykosidové vazby. Glykogenfosforyláza je také studována jako modelový protein regulovaný reverzibilní fosforylací a alosterickými efekty.

Mechanismus

Glykogenfosforyláza štěpí glykogen na glukózové podjednotky (viz také obrázek níže):

(řetězec a-1,4 glykogenu) _n + Pi ⇌ (řetězec a-1,4 glykogenu) _n-1 + a-D-glukóza-1-fosfát.

Glykogenu zbývá o jednu molekulu glukózy méně a volná molekula glukózy je ve formě glukóza-1-fosfátu . Aby byl použit pro metabolismus , musí být přeměněn na glukóza-6-fosfát enzymem fosfoglukomutázou .

Ačkoli je reakce in vitro reverzibilní , v buňce enzym funguje pouze ve směru vpřed, jak je uvedeno níže, protože koncentrace anorganického fosfátu je mnohem vyšší než koncentrace glukóza-1-fosfátu.

Glykogenfosforyláza může působit pouze na lineární řetězce glykogenu (α1-4 glykosidická vazba). Jeho práce se okamžitě zastaví čtyři zbytky od větve α1-6 (které jsou v glykogenu mimořádně běžné). V těchto situacích je nezbytný odštěpovací enzym , který narovná řetěz v této oblasti. Kromě toho enzym transferáza posune blok 3 glukosylových zbytků z vnější větve na druhý konec a poté je zapotřebí enzym α1-6 glukosidázy k rozbití zbývajícího zbytku (s jedinou glukózou) α1-6, který zůstává v novém lineárním řetěz. Poté, co je toto vše provedeno, může glykogenfosforyláza pokračovat. Enzym je specifický pro řetězce a1-4, protože molekula obsahuje trhlinu dlouhou 30 angstrómů se stejným poloměrem jako šroubovice tvořená řetězcem glykogenu; pojme 4-5 zbytků glukosylu, ale je příliš úzký pro větve. Tato štěrbina spojuje úložiště glykogenu s aktivním katalytickým místem.

Glykogenfosforylázy má pyridoxal fosfátu (PLP, odvozené od vitaminu B ₆ ), v každém katalytickém místě. Pyridoxal fosfát se váže na bazické zbytky (v tomto případě Lys680) a kovalentně tvoří Schiffovu bázi . Jakmile se vytvoří vazba Schiffovy báze, která drží molekulu PLP v aktivním místě, fosfátová skupina na PLP ochotně daruje proton molekule anorganického fosfátu, což anorganickému fosfátu umožní, aby byl zase deprotonován kyslíkem tvořícím α-1 , 4 glykosidická vazba. PLP se snadno deprotonuje, protože jeho negativní náboj není stabilizován pouze ve fosfátové skupině, ale také v pyridinovém kruhu, takže konjugovaná báze, která je výsledkem deprotonace PLP, je poměrně stabilní. Protonované kyslík nyní znamená vhodnou odštěpující se skupinu , a glykogen řetěz je oddělena od terminálu glykogenu v S _N 1 způsobem, což vede k vytvoření molekuly glukózy se sekundárním karbokationtový v poloze 1. Nakonec deprotonovaný anorganický fosfát působí jako nukleofil a váže se na karbokationty, což vede k tvorbě glukóza-1-fosfátu a řetězce glykogenu zkráceného o jednu molekulu glukózy.

Existuje také alternativní navrhovaný mechanismus zahrnující kladně nabitý kyslík v konformaci polokřesla.

Struktura

Monomer glykogenfosforylázy je velký protein složený z 842 aminokyselin o hmotnosti 97,434 kDa ve svalových buňkách. Přestože enzym může existovat jako neaktivní monomer nebo tetramer, je biologicky aktivní jako dimer dvou identických podjednotek.

Stavy R a T Glycogen Phosphorylase b Tower Helices, vlevo a vpravo. Všimněte si relativního umístění centrálních šroubovicových věží a také zvýšené interakce mezi podjednotkami ve stavu R. PDB3CEH, PDB3E3O

U savců se hlavní izozymy glykogenfosforylázy nacházejí ve svalech, játrech a mozku. Typ mozku je převládající v dospělých mozkových a embryonálních tkáních, zatímco játra a svalové typy převládají v dospělých játrech a kosterních svalech.

Dimer glykogen fosforylázy má mnoho oblastí biologického významu, včetně katalytických míst, vazebných míst glykogenu, alosterických míst a reverzibilně fosforylovaného serinového zbytku. Za prvé, katalytická místa jsou relativně pohřbena, 15 A od povrchu proteinu a od rozhraní podjednotky. Tento nedostatek snadného přístupu katalytického místa k povrchu je významný v tom, že činí proteinovou aktivitu vysoce náchylnou k regulaci, protože malé alosterické efekty by mohly výrazně zvýšit relativní přístup glykogenu k místu.

Snad nejdůležitější regulační místo je Ser14, místo reverzibilní fosforylace velmi blízko rozhraní podjednotky. Strukturální změnou spojenou s fosforylací a s přeměnou fosforylázy b na fosforylázu a je uspořádání původně neuspořádaných zbytků 10 až 22 na a helixy. Tato změna zvyšuje aktivitu fosforylázy až o 25% i v nepřítomnosti AMP a dále zvyšuje aktivaci AMP.

Alosterické místo vazby AMP na svalové izoformy glykogenfosforylázy je blízké rozhraní podjednotky stejně jako Ser14. Vazba AMP na tomto místě, odpovídající změně ze stavu T enzymu do stavu R, má za následek malé změny terciární struktury na rozhraní podjednotky vedoucí k velkým změnám v kvartérní struktuře. Vazba AMP rotuje šroubovicové věže (zbytky 262-278) dvou podjednotek o 50˚ vůči sobě navzájem díky větší organizaci a mezisubunitním interakcím. Tato rotace šroubovicových věží vede k rotaci dvou podjednotek o 10˚ vůči sobě navzájem, a co je důležitější, narušuje zbytky 282-286 (smyčka 280s), které blokují přístup do katalytického místa ve stavu T, ale ne v stav R.

Posledním, možná nejkurióznějším místem proteinu glykogenfosforylázy je takzvané úložiště glykogenu. Zbytky 397-437 tvoří tuto strukturu, která umožňuje proteinu kovalentně se vázat na glykogenový řetězec celých 30 Á z katalytického místa. Toto místo je s největší pravděpodobností místem, ve kterém se enzym váže na glykogenové granule před zahájením štěpení koncových molekul glukózy. Ve skutečnosti 70% dimerní fosforylázy v buňce existuje jako vázané na glykogenové granule spíše než volně plovoucí.

Klinický význam

Inhibice glykogenfosforylázy byla navržena jako jeden způsob léčby diabetu 2. typu . Protože se ukázalo, že produkce glukózy v játrech se zvyšuje u pacientů s diabetem 2. typu, zdá se být platným přístupem inhibice uvolňování glukózy ze zásob glykogenu v játrech. Klonování lidské jaterní glykogenfosforylázy (HLGP) odhalilo nové alosterické vazebné místo poblíž rozhraní podjednotky, které se ve studiích běžně nepoužívá ve glykogenfosforyláze králičího svalu (RMGP). Toto místo nebylo citlivé na stejné inhibitory jako na alosterickém místě AMP a největší úspěch byl v syntéze nových inhibitorů, které napodobují strukturu glukózy, protože glukóza-6-fosfát je známým inhibitorem HLGP a stabilizuje méně aktivní T-stav. Tyto deriváty glukózy mají určitý úspěch v inhibici HLGP, s předpovězenými hodnotami Ki až 0,016 mM.

Mutace ve svalové izoformě glykogenfosforylázy (PYGM) jsou spojeny s poruchou ukládání glykogenu typu V (GSD V, McArdleova choroba). Dosud bylo identifikováno více než 65 mutací v genu PYGM, které vedou k McArdleově chorobě. Mezi příznaky McArdleovy choroby patří svalová slabost, myalgie a nedostatek vytrvalosti, vše pramení z nízké hladiny glukózy ve svalové tkáni.

Mutace v jaterní izoformě glykogenfosforylázy (PYGL) jsou spojeny s Hersovou nemocí ( choroba ukládání VI glykogenu ). Její choroba je často spojena s mírnými příznaky obvykle omezenými na hypoglykémii a někdy je obtížné ji diagnostikovat kvůli zbytkové enzymatické aktivitě.

Mozek izoforma glykogenfosforylázou (PYGB) byla navržena jako markeru pro rakovinu žaludku .

Nařízení

Glykogenfosforyláza je regulována alosterickou kontrolou a fosforylací . Fosforyláza a a fosforyláza b existují ve dvou formách T (napjatý) neaktivní stav a R (uvolněný) stav. Fosforyláza b je normálně ve stavu T, neaktivní kvůli fyziologické přítomnosti ATP a glukóza 6 fosfátu, a fosforyláza a je normálně ve stavu R (aktivní). V játrech citlivých na koncentraci glukózy existuje izoenzym glykogenfosforylázy, protože játra působí jako exportér glukózy. Fosforyláza jater v podstatě reaguje na glukózu, což způsobuje velmi citlivý přechod z formy R do T a její deaktivaci; dále je jaterní fosforyláza necitlivá na AMP.

Hormony, jako je epinefrin , inzulín a glukagon, regulují glykogenfosforylázu pomocí amplifikačních systémů druhého posla spojených s G proteiny . Glukagon aktivuje adenylátcyklázu prostřednictvím receptoru spřaženého s G proteinem (GPCR) spojeného s G _s, který zase aktivuje adenylát cyklázu za účelem zvýšení intracelulárních koncentrací cAMP. cAMP se váže na a aktivuje protein kinázu A (PKA). PKA fosforyluje fosforylázu kinázu , která zase fosforyluje glykogen fosforylázu b na Ser14, čímž ji převede na aktivní glykogen fosforylázu a.

V játrech glukagon také aktivuje další GPCR, který spouští jinou kaskádu, což má za následek aktivaci fosfolipázy C (PLC). PLC nepřímo způsobuje uvolňování vápníku z endoplazmatického retikula hepatocytů do cytosolu. Zvýšená dostupnost vápníku se váže na podjednotku kalmodulinu a aktivuje kinázu glykogenfosforylázy. Glykogenfosforylázykináza aktivuje glykogenfosforylázu stejným způsobem, jaký byl uveden výše.

Glykogenfosforyláza b není ve svalu vždy neaktivní, protože může být aktivována alostericky pomocí AMP. Zvýšení koncentrace AMP, ke kterému dochází během namáhavého cvičení, signalizuje potřebu energie. AMP aktivuje glykogenfosforylázu b změnou její konformace z napjaté na uvolněnou formu. Tato uvolněná forma má podobné enzymatické vlastnosti jako fosforylovaný enzym. Zvýšení koncentrace ATP brání této aktivaci vytlačením AMP z vazebného místa nukleotidů, což naznačuje dostatečné zásoby energie.

Při jídle se uvolňuje inzulín , což signalizuje dostupnost glukózy v krvi. Inzulin nepřímo aktivuje proteinovou fosfatázu 1 (PP1) a fosfodiesterázu prostřednictvím kaskády signální transdukce. PP1 defosforyluje glykogen fosforylasu a, reformuje neaktivní glykogen fosforylasu b. Fosfodiesteráza převádí cAMP na AMP. Společně snižují koncentraci cAMP a inhibují PKA. Výsledkem je, že PKA již nemůže iniciovat fosforylační kaskádu, která končí tvorbou (aktivní) glykogenfosforylázy a. Celkově inzulínová signalizace snižuje glykogenolýzu, aby se zachovaly zásoby glykogenu v buňce a spouští glykogenezi .

Historický význam

Glykogenfosforyláza byla prvním alosterickým enzymem, který byl objeven. Byl izolován a jeho aktivitu podrobně charakterizovali Carl F. Cori , Gerhard Schmidt a Gerty T. Cory . Arda Green a Gerty Cori ji krystalizovali poprvé v roce 1943 a ilustrovali, že glykogenfosforyláza existovala buď ve formě a nebo b v závislosti na jejím fosforylačním stavu, jakož i ve stavech R nebo T na základě přítomnosti AMP.

Viz také

• Glykogenolýza

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Záznam GeneReviews/NCBI/NIH/UW na Glycogen Storage Disease Type VI - Her her disease
• Glykogen+fosforyláza v US National Library of Medicine Předměty (MeSH)
• Přehled všech strukturálních informací dostupných v PDB pro UniProt : P11217 (lidská svalová glykogenfosforyláza) na PDBe-KB .
• Přehled všech strukturních informací dostupných v PDB pro UniProt : P06737 (lidská jaterní glykogenfosforyláza) na PDBe-KB .
• Přehled všech strukturálních informací dostupných v PDB pro UniProt : P11216 (glykogenfosforyláza lidského mozku) na PDBe-KB .