ホスホフルクトキナーゼ1
構造
哺乳類PFK1は、筋肉（M）、肝臓（L）、および血小板（P）の3種類のサブユニットの異なる組み合わせで構成される340kd四量体です。 PFK1四量体の組成は、存在する組織の種類によって異なります。たとえば、成熟した筋肉はMアイソザイムのみを発現するため、筋肉PFK1はM4のホモ四量体のみで構成されます。肝臓と腎臓は主にLアイソフォームを発現しています。赤血球では、MサブユニットとLサブユニットの両方がランダムに四量体化して、M4、L4、および酵素の3つのハイブリッド型（ML3、M2L2、M3L）を形成します。その結果、さまざまなアイソザイムプールの速度論的および調節特性はサブユニットの組成に依存します。 PFK活性およびアイソザイム含有量の組織固有の変化は、さまざまな組織で観察されている解糖および糖新生率の多様性に大きく貢献しています。
PFK1はアロステリック酵素であり、二量体の二量体である限り、ヘモグロビンの構造に似ています。各二量体の半分はATP結合部位を含み、他方の半分は基質（フルクトース-6-リン酸または（F6P））結合部位、および別個のアロステリック結合部位を含みます。
四量体の各サブユニットは319アミノ酸であり、2つのドメインで構成されています。1つは基質ATPに結合し、もう1つはフルクトース-6-リン酸に結合します。各ドメインはabバレルであり、アルファヘリックスに囲まれた円筒形のbシートがあります。
各活性部位の各サブユニットの反対側には、二量体のサブユニット間の界面にあるアロステリック部位があります。 ATPとAMPはこのサイトをめぐって競合します。 N末端ドメインにはATPを結合する触媒的役割があり、C末端ドメインには調節的な役割があります
機構
PFK1はアロステリック酵素であり、その活性はアロステリズムの対称モデルを使用して記述することができ、それによって酵素的に不活性なT状態から活性なR状態への協調的な移行があります。 F6PはR状態に高い親和性で結合しますが、T状態の酵素には結合しません。 PFK1に結合するF6Pのすべての分子について、酵素はT状態からR状態に徐々に移行します。したがって、増加するF6P濃度に対するPFK1活性をプロットしたグラフは、アロステリック酵素に伝統的に関連付けられているS字曲線形状を採用します。
PFK1はホスホトランスフェラーゼのファミリーに属し、ATPからフルクトース-6-リン酸へのγ-リン酸の転移を触媒します。 PFK1活性部位は、ATP-Mg2 +およびF6P結合部位の両方を含みます。 大腸菌 PFK1の基質結合に関与するいくつかの提案された残基には、Asp127およびArg171が含まれます。 B. stearothermophilus PFK1では、Arg162残基の正に帯電した側鎖がF6Pの負に帯電したリン酸基と水素結合塩橋を形成します。これは、T状態に対してR状態を安定化し、ホモトロピック効果の一部を担いますF6Pバインディングの。 T状態では、以前にArg162が占めていたスペースがGlu161に置き換わるように、酵素の立体構造がわずかにシフトします。隣接するアミノ酸残基間の位置のこの交換は、酵素を結合するF6Pの能力を阻害します。
AMPやADPなどのアロステリック活性化因子は、酵素の構造変化を誘発することによりR状態の形成を促進するように、アロステリック部位に結合します。同様に、ATPやPEPなどの阻害剤は同じアロステリック部位に結合し、T状態の形成を促進し、それにより酵素活性を阻害します。
炭素1のヒドロキシル酸素は、ATPのベータリン酸を求核攻撃します。これらの電子は、ATPのベータリン酸塩とガンマリン酸塩の間の無水酸素に押しやられます。
規制
PFK1は、哺乳類の解糖系で最も重要な制御部位です。このステップは、生理的条件下で非常にエクセルギー的であるだけでなく、解糖経路に特有の最初の不可逆反応であるコミットされたステップであるため、広範な規制の対象となります。これは、解糖経路を下るグルコースおよび他の単糖ガラクトースおよびフルクトースの正確な制御につながります。この酵素の反応の前に、グルコース-6-リン酸は、ペントースリン酸経路を潜在的に移動するか、糖生成のためにグルコース-1-リン酸に変換される可能性があります。
PFK1は高レベルのATPによってアロステリックに阻害されますが、AMPはATPの阻害作用を逆転させます。したがって、細胞のATP / AMP比が低下すると、酵素の活性が増加します。したがって、エネルギーチャージが低下すると、解糖が刺激されます。 PFK1には、基質と阻害剤の両方であるATPに対して異なる親和性を持つ2つのサイトがあります。
PFK1は、ATPの抑制効果を高める低pHレベルによっても抑制されます。筋肉が嫌気的に機能し、過剰な量の乳酸を産生している場合、pHは低下します（ただし、乳酸自体はpH低下の原因ではありません）。この抑制効果は、過剰な酸の蓄積に起因する損傷から筋肉を保護するのに役立ちます。
最後に、PFK1はPEP、クエン酸塩、およびATPによってアロステリックに阻害されます。ホスホエノールピルビン酸は、解糖系のさらに下流の産物です。クレブス回路酵素が最大速度に近づくとクエン酸塩は蓄積しますが、通常の生理的条件下でPFK-1を阻害するのに十分な濃度までクエン酸塩が蓄積するかどうかは疑問です。蓄積されたATP濃度は過剰なエネルギーを示し、PFK1にアロステリック変調部位を持ち、PFK1の基質に対する親和性を低下させます。
PFK1は高濃度のAMPによってアロステリックに活性化されますが、最も強力なアクチベーターはフルクトース2,6-ビスリン酸であり、これもPFK2によってフルクトース-6-リン酸から生成されます。したがって、F6Pが豊富に存在すると、フルクトース2,6-ビスリン酸（F-2,6-BP）の濃度が高くなります。 F-2,6-BPの結合は、PFK1のF6Pに対する親和性を高め、ATPの阻害効果を減少させます。これは、グルコースが豊富な場合に解糖が促進されるため、フィードフォワード刺激の例です。
PFK活性は、グルカゴンによる合成の抑制により低下します。グルカゴンは、プロテインキナーゼAを活性化し、PFK2のキナーゼ活性を遮断します。これにより、F6PからのF-2,6-BPの合成が逆転し、PFK1が非アクティブになります。
PFK1の正確な調節は、解糖と糖新生が同時に起こるのを防ぎます。ただし、F6PとF-1,6-BPの間には基質循環があります。フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（FBPase）は、PFK1によって触媒される逆反応であるF-1,6-BPのF6Pへの加水分解を触媒します。解糖作用中に少量のFBPase活性があり、糖新生中にPFK1活性がいくらかあります。このサイクルにより、ATP加水分解による熱の生成だけでなく、代謝信号の増幅が可能になります。
セロトニン（5-HT）は、5-HT（2A）受容体に結合してPFKを増加させ、PFKのチロシン残基をホスホリパーゼCを介してリン酸化させます。これにより、骨格筋細胞内でPFKが再分布します。 PFKは解糖フラックスを調節するため、セロトニンは解糖において調節的役割を果たす
遺伝子
ヒトには3つのホスホフルクトキナーゼ遺伝子があります：
- PFKL –肝臓
- PFKM –筋肉
- PFKP –血小板
臨床的な意義
PFKM遺伝子の遺伝的変異は、ある種の細胞がエネルギー源として炭水化物を利用する能力が損なわれるグリコーゲン蓄積症である垂井病を引き起こします。
垂井病は、筋力低下（筋障害）、運動誘発性痙攣、痙攣、ミオグロビン尿症（尿中のミオグロビンの存在、筋肉破壊を示す）、および代償性溶血などの症状を伴うグリコーゲン貯蔵病です。 ATPは解糖によるATPの不必要な生成を防ぐために、PFKの天然のアロステリック阻害剤です。ただし、Asp（543）Alaの変異により、ATPの阻害効果が強くなることがあります（PFKの阻害アロステリック結合部位への結合が増加するため）。
ホスホフルクトキナーゼの突然変異とがん：がん細胞が急速な細胞成長と分裂によりエネルギー要件を満たすために、ホスホフルクトキナーゼ1酵素が過剰に活性化している場合、より効果的に生存します。がん細胞が急速に成長して分裂すると、最初は血液供給量が少なくなるため、低酸素症（酸素欠乏）が発生する可能性があります。これにより、PFKのセリン529でO-GlcNAcylationがトリガーされ、がん細胞に選択的な成長の利点がもたらされます。
単純ヘルペス1型およびホスホフルクトキナーゼ：HIV、HCMV、マヤロ、およびHCMVを含むいくつかのウイルスは、PFKの活性のMOI依存性増加により解糖などの細胞代謝経路に影響を与えます。ヘルペスがPFK活性を増加させるメカニズムは、セリン残基で酵素をリン酸化することです。 HSV-1が誘発する解糖は、ウイルスの複製に重要なATP含有量を増加させます。
