磷酸果糖激酶2

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January 18, 2022

磷酸果糖激酶2(phosphofructokinase 2, 6-phosphofructo-2-kinase,缩写:PFK-2)或果糖二磷酸酶2,果糖2,6-二磷酸酶(Fructose 2,6-bisphosphatase)缩写:FBPase-2)是一种酶间接调节细胞内糖酵解系统和糖基化速率。该酶催化 6-磷酸果糖形成和降解 2,6-二磷酸果糖 (Fru-2,6-P2)。 Fru-2,6-P2 激活糖酵解途径磷酸果糖激酶 1 (PFK-1) 以促进糖酵解的速率决定步骤,并在糖异生途径中激活果糖-1,6-二磷酸酶。由于 Fru-2,6-P2 以不同的方式调节糖酵解和糖异生,因此它在转换这些反向途径中起着重要的作用。 PFK-2 用 Fru-2 对激素信号作出反应,由于 6-P2 的产生,新陈代谢变得更加敏感和高效,与身体对糖酵解的需求相协调。这种酶参与果糖和甘露糖的代谢。这种酶在肝脏中碳水化合物代谢的调节中很重要,并且在肝脏、肾脏和心脏中含量最高。在哺乳动物中,有几个基因编码不同的同工酶,每个同工酶具有不同的组织分布和酶特性。这里描述的酶家族与 ATP 驱动的磷酸果糖激酶有相似之处,两者的序列相似性很小,但对于它们与 6-磷酸果糖的相互作用很重要。一些残基似乎很常见。 PKF-2 被称为双功能酶,两者都由相同的多肽催化,但在一端,两个结构域充当独立发挥作用的酶。N 端)充当激酶结构域(PFK-2 ),另一个端点(C-末端)充当磷酸酶结构域(FBPase-2)。在哺乳动物中,PFK-2 的各种同工酶被编码以满足组织特异性需求。虽然它们具有相同的一般功能,但酶的性质略有不同,它们受不同的调节控制。

结构体

这种双功能酶的单体清楚地分为两个功能域。激酶结构域位于N末端侧,具有由5条平行链和末端的1条反平行边缘链构成的β折叠被7个α螺旋包围的结构。核苷酸结合折叠位于第一 β 链的 C 端侧。激酶结构域似乎与单核苷酸结合蛋白超家族密切相关,例如腺苷酸环化酶。另一方面,磷酸酶结构域位于C端侧。该结构域类似于蛋白质家族,例如磷酸甘油酸变位酶和酸性磷酸酶。该结构域是一个α/β混合结构,中心有一个由6股链组成的β折叠结构,一个α螺旋亚结构域覆盖了活性位点。最后,N 端区域调节激酶活性和磷酸酶活性,稳定酶二聚体。中心催化核心在所有 PFK-2 中都是保守的,但由于氨基酸序列差异和可变剪接,异构体之间存在轻微的结构多样性。除了少数例外,PFK-2 的典型大小约为 55 kDa。这种酶独特的双功能结构被认为是原始细菌PFK-1和变位酶/磷酸酶基因融合的结果。

功能

该酶的主要功能是根据细胞和生物体糖酵解系统的需要,合成或降解变构调节剂Fru-2,6-P2。从酶学上讲,6-磷酸果糖-2-激酶 (EC 2.7.1.105) 是一种催化以下化学反应的酶。ATP + β-D-fructose-6-phosphate ⇌ {\ displaystyle \ rightleftharpoons} ADP + β-D-fructose-2,6-bisphosphate 也就是说,激酶结构域将 ATP 水解为 6-磷酸果糖。在 Fru-2,6-P2 和 ADP 的 2 位。在反应过程中,形成磷酸化的组氨酸中间体。此外,果糖-2,6-二磷酸 2-磷酸酶 (EC 3.1.3.46) 结构域通过向 Fru-2,6-P2 中加入水而去磷酸化。该反应由下式表示。β-D-果糖-2,6-二磷酸盐 + H2O ⇌ {\ displaystyle \ rightleftharpoons} D-果糖-6-磷酸盐 + 磷酸盐 这种酶有两种功能,因此被分为多个家族。在基于激酶反应的分类中,该酶被分类为转移酶家族,具体而言,将醇基作为受体转移含磷官能团的酶(磷酸转移酶)。另一方面,磷酸酶反应是水解酶家族的特征,具体分类为作用于磷酸单酯键的反应。

调节

PFK-2 的大多数同工型通过激素信号的磷酸化/去磷酸化进行共价修饰。特定残基的磷酸化可促进稳定激酶结构域或磷酸酶结构域功能的变化。该调节提供了控制 Fru-2,6-P2 是合成还是降解的信号。此外,PFK-2 具有与 PFK-1 非常相似的变构调节。高水平的 AMP 和磷酸基团的存在意味着低能量状态,这会刺激 PFK2。另一方面,高浓度的磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 和柠檬酸的存在意味着高浓度的生物合成前体,并且 PFK-2 被抑制。与 PFK-1 不同,PFK-2 不受 ATP 浓度的影响。

同工酶

同工酶是催化相同反应的酶,但由不同的氨基酸序列编码,因此蛋白质性质存在差异。在人类中,四个基因 PFKFB1、PFKFB2、PFKFB3 和 PFKFB4 编码 PFK-2。迄今为止,在哺乳动物中已经报道了多种同工酶,但差异是由于不同基因的转录和可变剪接造成的。催化 PFK-2 / FB Pase-2 反应的结构核心在同工酶之间高度保守,而同工酶之间的差异是由于核心的 N 端和 C 端两侧相邻的序列不同。 . 在这些区域中经常发现磷酸化位点的存在以及氨基酸组成和长度的差异,从而使酶的动力学和性质不同。每种同工酶在主要表达组织、对蛋白激酶调节的反应以及激酶/磷酸酶结构域活性的比率方面都不同。虽然一个组织中可能存在多种同工酶,但根据作为主要表达组织的组织和所发现的组织将同工酶分类如下。

PFKFB1:肝脏、肌肉、胎儿型

PFKFB1 位于 X 染色体上,是研究最充分的编码肝型酶的基因。从 PFKFB1 开始,L 型、M 型和 F 型 PFK-2 由不同的启动子产生,这三种组织特异性变体受到不同的调控。L 型:肝型胰岛素激活肝脏中 PFK-2 的功能,表明糖酵解中可用的血糖丰度。胰岛素激活蛋白磷酸酶,使 PFK-2 去磷酸化,主要是 PFK-2 活性。结果,PFK-2 产生的 Fru-2,6-P2 增加了。由于该反应产物变构激活 PFK-1,它激活糖酵解并抑制糖异生。相反,胰高血糖素会增加 FBPase-2 的活性。当血糖低时,胰高血糖素启动 cAMP 信号级联,蛋白激酶 A (PKA) 磷酸化 N 末端附近的丝氨酸 32。这使双功能酶的激酶作用失活并稳定磷酸酶活性。因此,胰高血糖素降低了 Fru-2,6-P2 的浓度,减缓了糖酵解的速度,并刺激了糖酵解途径。M型:骨骼肌型,F型:成纤维细胞型,胎儿组织型与其他PFK-2不同,骨骼肌和胎儿组织PFK-2只受6-磷酸果糖浓度的调节。.. 这些 PFK-2 的第一个外显子没有由于磷酸化/去磷酸化而导致功能变化所需的调节位点。高浓度的 6-磷酸果糖可激活激酶功能并增加糖酵解速率,而低浓度可稳定磷酸酶活性。

PFKFB2:心型(H型)

PFKFB2 基因位于 1 号染色体上。当大量肾上腺素或胰岛素循环时,PKA 通路被激活,位于 C 端的 Ser466 或 Ser483 被磷酸化。或者,蛋白激酶 B 可以磷酸化位于 FBPase-2 结构域的这些调节位点。这些丝氨酸残基的磷酸化使 FBPase-2 功能失活并稳定 PFK-2 活性。

PFKFB3:脑型、胎盘型、诱导型

PFKFB3 基因位于第 10 号染色体上,转录诱导型和普遍存在的两种主要同种型。这些差异在于 C 末端外显子 15 的可变剪接。然而,两者的相似之处在于胰高血糖素激活 cAMP 途径和 PKA、蛋白激酶 C 或 AMP 激活的蛋白激酶磷酸化 C 端 Ser461 的调节位点并稳定 PFK-2 的激酶功能。此外,从该基因转录的两种同工型都具有高和主要的激酶活性,激酶/磷酸酶活性比为 700(肝脏、心脏和睾丸同工酶分别为 1.5、80 和 4)。因此,PFKFB3 总是产生大量的 Fru-2,6-P2 并保持高糖酵解。I 型:诱导型 这种同种型的名称来源于其在缺氧应激反应中表达增加,并且是由缺氧诱导的。这种类型在快速生长的细胞中高度表达,尤其是肿瘤细胞。U 型:普遍存在或单独存在于胎盘、脑型胎盘、胰岛 β 细胞和脑组织中,但似乎是相同的亚型。这些组织需要大量能量才能发挥作用,而 PFKFB3 的高激酶/磷酸酶活性比被认为是有利的。脑型异构体具有特别长的N端和C端区域,约为110 kDa,约为典型PFK-2的两倍。

PFKFB4:睾丸型(T型)

PFKFB4基因位于3号染色体上,在人类睾丸组织中表达PFK-2。PFKFB4编码的PFK-2大小约为54 kDa,与肝类酶相似,与肌肉组织类酶一样,没有蛋白激酶的磷酸化位点。虽然对这种亚型的调控机制的研究相对较少,但已证实PFK-2的量受发育中睾丸组织5'侧相邻区域的多种转录因子的调控。.. 有人提出,这种同种型对于前列腺癌细胞的存活是过度表达的。

临床的意义

由于该酶家族维持糖酵解和糖异生的速率,因此有望通过控制代谢,特别是在糖尿病和癌细胞中发挥治疗作用。已显示限氧激活所有 PFK-2 基因(PFKFB3 是最显着的)。PFK-2 / FBPase-2 活性的调节与心脏功能有关,尤其是缺血和缺氧。认为PFK-2基因的反应特性可能是一种强烈的进化生理适应。另一方面,许多人类癌细胞(白血病、肺癌、乳腺癌、结肠癌、胰腺癌、卵巢癌等)过度表达 PFKFB3 和 PFKFB4,这种代谢变化与 Warburg 效应有关。可能你正在这样做。此外,编码 PFK-2 / FBPase-2 蛋白的 PFKFB2 基因与精神分裂症的易感性有关。

来源

相关文献

“磷酸果糖激酶 2:从果糖 6-磷酸和 ATP 形成果糖 2,6-二磷酸的酶”。生化。生物物理学。水库。交流。101(3):1078-84。(1981 年)。doi:10.1016/0006-291X(81)91859-3。PMID 6458291。

外部链接

Fructose 2,6-bisphosphatase --MeSH, National Library of Medicine, Life Science Term Thesaurus (English) 6-phosphofructokinase of Arabidopsis thaliana at genes.jp