A piruvato quinase (PYK) é a enzima que catalisa a última etapa da via glicolítica, que envolve a transferência irreversível do grupo fosfato de uma molécula de fosfoenolpiruvato (PEP) para uma molécula de ADP, resultando na síntese de uma molécula de ATP e outro de ácido pirúvico ou piruvato.
O piruvato assim produzido subsequentemente participa de várias vias catabólicas e anabólicas (biossintéticas): pode ser descarboxilado para produzir acetil-CoA, carboxilado para produzir oxaloacetato, transaminado para produzir alanina, oxidado para produzir ácido láctico ou pode ser direcionado para a gliconeogênese para síntese glicose.
Reação catalisada pela enzima piruvato quinase (Fonte: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Por participar da glicólise, essa enzima é muito importante para o metabolismo dos carboidratos de diversos organismos, unicelulares e multicelulares, que a utilizam como principal via catabólica para obtenção de energia.
Um exemplo de células estritamente dependentes da glicólise para a produção de energia é o dos eritrócitos de mamíferos, para os quais uma deficiência em qualquer uma das enzimas envolvidas nesta via pode ter efeitos consideravelmente negativos.
Estrutura
Quatro isoformas da enzima piruvato quinase foram descritas em mamíferos:
- PKM1, típico em músculos
- PKM2, apenas em fetos (ambos produtos de processamento alternativo do mesmo RNA mensageiro)
- PKL, presente no fígado e
- PKR, presente nos eritrócitos (ambos codificados pelo mesmo gene, PKLR, mas transcritos por diferentes promotores).
No entanto, as análises realizadas sobre a estrutura das diferentes enzimas piruvato quinase na natureza (incluindo estas 4 de mamíferos) mostram uma grande semelhança na estrutura geral, bem como no que diz respeito à arquitetura do sítio ativo e aos mecanismos reguladores.
Em termos gerais, é uma enzima com peso molecular de 200 kDa, caracterizada por uma estrutura tetramérica composta por 4 unidades proteicas idênticas, de mais ou menos 50 ou 60 kDa, e cada uma com 4 domínios, a saber:
- Um pequeno domínio helicoidal na extremidade N-terminal (ausente em enzimas bacterianas)
- Um domínio “ A ”, identificado por uma topologia de 8 folhas β dobradas e 8 hélices α
- Um domínio " B ", inserido entre a folha beta dobrada número 3 e a hélice alfa número 3 do domínio "A"
- Um domínio " C ", que tem uma topologia α + β
Estrutura molecular da enzima piruvato quinase (Fonte: Jawahar Swaminathan e equipe MSD do Instituto Europeu de Bioinformática via Wikimedia Commons)
Três locais foram detectados em tetrâmeros de piruvato quinase de diferentes organismos: o local ativo, o local efetor e o local de ligação de aminoácidos. O sítio ativo dessas enzimas está localizado entre os domínios A e B, nas proximidades do "sítio efetor", que pertence ao domínio C.
No tetrâmero, os domínios C formam uma interface "pequena", enquanto os domínios A formam uma interface maior.
Função
Como já discutido, a piruvato quinase catalisa a última etapa na via glicolítica, ou seja, a transferência de um grupo fosfato de fosfoenolpiruvato (PEP) para uma molécula de ADP para produzir ATP e uma molécula de piruvato ou ácido pirúvico.
Os produtos da reação catalisada por esta enzima são de extrema importância para diferentes contextos metabólicos. O piruvato pode ser usado de diferentes maneiras:
- Em condições aeróbias, ou seja, na presença de oxigênio, pode ser utilizado como substrato para uma enzima conhecida como complexo piruvato desidrogenase, para ser descarboxilado e convertido em acetil-CoA, molécula que pode entrar no ciclo de Krebs na mitocôndria ou participam de outras vias anabólicas como a biossíntese de ácidos graxos, por exemplo.
- Na ausência de oxigênio ou anaerobiose, o piruvato pode ser utilizado pela enzima lactato desidrogenase para produzir ácido lático (oxidação) por meio de um processo conhecido como "fermentação láctica".
- Além disso, o piruvato pode ser convertido em glicose através da gliconeogênese, em alanina através da alanina transaminase, em oxaloacetato através da piruvato carboxilase, etc.
É importante lembrar que na reação catalisada por essa enzima também ocorre a síntese líquida de ATP, que é contabilizada pela glicólise, produzindo 2 moléculas de piruvato e 2 moléculas de ATP para cada molécula de glicose.
Assim, nesta perspectiva, a enzima piruvato quinase desempenha um papel fundamental em muitos aspectos do metabolismo celular, tanto que é utilizada como alvo terapêutico para diversos patógenos humanos, entre os quais se destacam vários protozoários.
Regulamento
A piruvato quinase é uma enzima de extrema importância do ponto de vista do metabolismo celular, pois é aquela que forma o último composto resultante da via do catabolismo da glicose: o piruvato.
Além de ser uma das três enzimas mais reguladas em toda a via glicolítica (as outras duas sendo hexoquinase (HK) e fosfofrutocinase (PFK)), a piruvato quinase é uma enzima muito importante para o controle do fluxo metabólico e produção de ATP através da glicólise.
É ativado pelo fosfoenolpiruvato, um de seus substratos (regulação homotrópica), bem como por outros açúcares mono e difosforilados, embora sua regulação dependa do tipo de isoenzima considerada.
Alguns textos científicos sugerem que a regulação dessa enzima também depende de sua arquitetura de "múltiplos domínios", uma vez que sua ativação parece depender de algumas rotações nos domínios das subunidades e de alterações na geometria do sítio ativo.
Para muitos organismos, a ativação alostérica da piruvato quinase é dependente da frutose 1,6-bifosfato (F16BP), mas isso não é verdade para as enzimas vegetais. Outras enzimas também são ativadas por AMP cíclico e glicose 6-fosfato.
Além disso, foi demonstrado que a atividade da maioria das piruvato quinases estudadas é altamente dependente da presença de íons monovalentes como potássio (K +) e íons divalentes como magnésio (Mg + 2) e manganês (Mn + 2).)
Inibição
A piruvato quinase é inibida principalmente por efetores alostéricos fisiológicos, de modo que esses processos variam consideravelmente entre as diferentes espécies e até mesmo entre tipos de células e tecidos do mesmo organismo.
Em muitos mamíferos, glucagon, epinefrina e cAMP têm efeitos inibitórios sobre a atividade da piruvato quinase, efeitos que podem ser neutralizados pela insulina.
Além disso, está comprovado que alguns aminoácidos, como a fenilalanina, podem atuar como inibidores competitivos dessa enzima no cérebro.
Referências
- Morgan, HP, Zhong, W., McNae, IW, Michels, PA, Fothergill-Gilmore, LA, & Walkinshaw, MD (2014). As estruturas das piruvato quinases apresentam estratégias alostéricas evolutivamente divergentes. Royal Society open science, 1 (1), 140120.
- Schormann, N., Hayden, KL, Lee, P., Banerjee, S., & Chattopadhyay, D. (2019). Uma Visão Geral da Estrutura, Função e Regulação das Piruvato Quinases. Protein Science.
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