Fosfofructocinasa 1

Fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) es una de las enzimas reguladoras (EC 2.7.1.11) más importantes de la glucólisis. Es una enzima alostérica formada por 4 subunidades y controlada por muchos activadores e inhibidores. PFK-1 cataliza el importante compromiso "comprometido" Paso de la glucólisis, la conversión de fructosa 6-fosfato y ATP en fructosa 1,6-bifosfato y ADP. La glucólisis es la base de la respiración, tanto anaeróbica como aeróbica. Debido a que la fosfofructocinasa (PFK) cataliza la fosforilación dependiente de ATP para convertir la fructosa-6-fosfato en fructosa 1,6-bifosfato y ADP, es uno de los pasos reguladores clave de la glucólisis. La PFK es capaz de regular la glucólisis mediante inhibición alostérica y, de esta manera, la célula puede aumentar o disminuir la tasa de glucólisis en respuesta a los requisitos energéticos de la célula. Por ejemplo, una proporción alta de ATP y ADP inhibirá la PFK y la glucólisis. La diferencia clave entre la regulación de PFK en eucariotas y procariotas es que en eucariotas, PFK se activa mediante fructosa 2,6-bisfosfato. El propósito de la fructosa 2,6-bisfosfato es reemplazar la inhibición del ATP, permitiendo así que los eucariotas tengan una mayor sensibilidad a la regulación por hormonas como el glucagón y la insulina.

β-D- fructosa 6-fosfato	Phosphofructokinase 1		β-D- fructosa 1,6-bisfosfato
	ATP	ADP
	Pi	H2O
	Fructosa bisfosfatasa

Estructura

El PFK1 de mamíferos es un tetrámero de 340 kD compuesto por diferentes combinaciones de tres tipos de subunidades: músculo (M), hígado (L) y plaquetas (P). La composición del tetrámero PFK1 difiere según el tipo de tejido en el que está presente. Por ejemplo, el músculo maduro expresa solo la isozima M, por lo tanto, el músculo PFK1 está compuesto únicamente por homotetrámeros de M4. El hígado y los riñones expresan predominantemente la isoforma L. En los eritrocitos, las subunidades M y L se tetramerizan aleatoriamente para formar M4, L4 y las tres formas híbridas de la enzima (ML3, M2L2, M3L). Como resultado, las propiedades cinéticas y reguladoras de los diversos grupos de isoenzimas dependen de la composición de las subunidades. Los cambios específicos de tejido en la actividad de PFK y el contenido isoenzimático contribuyen significativamente a la diversidad de tasas glucolíticas y gluconeogénicas que se han observado para diferentes tejidos.

PFK1 es una enzima alostérica y tiene una estructura similar a la de la hemoglobina en la medida en que es un dímero de un dímero. La mitad de cada dímero contiene el sitio de unión de ATP, mientras que la otra mitad el sitio de unión del sustrato (fructosa-6-fosfato o (F6P)), así como un sitio de unión alostérico separado.

Cada subunidad del tetrámero tiene 319 aminoácidos y consta de dos dominios: uno que se une al sustrato ATP y el otro que se une a la fructosa-6-fosfato. Cada dominio es un barril b y tiene una lámina b cilíndrica rodeada de hélices alfa.

En el lado opuesto de cada subunidad de cada sitio activo está el sitio alostérico, en la interfaz entre las subunidades del dímero. ATP y AMP compiten por este sitio. El dominio N-terminal tiene un papel catalítico uniendo el ATP, y el C-terminal tiene un papel regulador.

Mecanismo

PFK1 es una enzima alostérica cuya actividad se puede describir utilizando el modelo de simetría del alosterismo mediante el cual hay una transición concertada de un estado T enzimáticamente inactivo al estado R activo. F6P se une con alta afinidad a la enzima del estado R pero no a la enzima del estado T. Por cada molécula de F6P que se une a PFK1, la enzima cambia progresivamente del estado T al estado R. Por lo tanto, un gráfico que represente la actividad de PFK1 frente a concentraciones crecientes de F6P adoptaría la forma de curva sigmoidal tradicionalmente asociada con las enzimas alostéricas.

PFK1 pertenece a la familia de las fosfotransferasas y cataliza la transferencia de γ-fosfato del ATP a fructosa-6-fosfato. El sitio activo de PFK1 comprende los sitios de unión de ATP-Mg2+ y F6P. Algunos residuos propuestos involucrados con la unión del sustrato en E. coli PFK1 incluyen Asp127 y Arg171. En B. stearothermophilus PFK1, la cadena lateral cargada positivamente del residuo Arg162 forma un puente salino unido por puentes de hidrógeno con el grupo fosfato cargado negativamente de F6P, una interacción que estabiliza el estado R en relación con el estado T y es en parte responsable del efecto homotrópico. de unión F6P. En el estado T, la conformación de la enzima cambia ligeramente de modo que el espacio previamente ocupado por Arg162 se reemplaza por Glu161. Este intercambio de posiciones entre residuos de aminoácidos adyacentes inhibe la capacidad de F6P para unirse a la enzima.

Los activadores alostéricos como AMP y ADP se unen al sitio alostérico para facilitar la formación del estado R al inducir cambios estructurales en la enzima. De manera similar, inhibidores como ATP y PEP se unen al mismo sitio alostérico y facilitan la formación del estado T, inhibiendo así la actividad enzimática.

El oxígeno hidroxilo del carbono 1 realiza un ataque nucleofílico al beta fosfato del ATP. Estos electrones son empujados hacia el anhídrido de oxígeno entre los fosfatos beta y gamma del ATP.

Reglamento

PFK1 es el sitio de control más importante en la vía glucolítica de los mamíferos. Este paso está sujeto a una extensa regulación ya que no sólo es altamente exergónico en condiciones fisiológicas, sino también porque es un paso comprometido: la primera reacción irreversible exclusiva de la vía glucolítica. Esto conduce a un control preciso de la glucosa y de los otros monosacáridos galactosa y fructosa que descienden por la vía glucolítica. Antes de la reacción de esta enzima, la glucosa-6-fosfato puede potencialmente viajar por la vía de las pentosas fosfato o convertirse en glucosa-1-fosfato para la glucogénesis.

PFK1 es inhibida alostéricamente por niveles elevados de ATP, pero el AMP revierte la acción inhibidora del ATP. Por lo tanto, la actividad de la enzima aumenta cuando se reduce la relación ATP/AMP celular. De este modo se estimula la glucólisis cuando cae la carga energética. PFK1 tiene dos sitios con diferentes afinidades por el ATP, que es a la vez sustrato e inhibidor.

PFK1 también se inhibe con niveles bajos de pH que aumentan el efecto inhibidor del ATP. El pH cae cuando el músculo funciona anaeróbicamente y produce cantidades excesivas de ácido láctico (aunque el ácido láctico en sí no es la causa de la disminución del pH). Este efecto inhibidor sirve para proteger el músculo del daño que resultaría de la acumulación de demasiado ácido.

Finalmente, PFK1 es inhibida alostéricamente por PEP, citrato y ATP. El ácido fosfoenolpirúvico es un producto que se encuentra más abajo en la vía glucolítica. Aunque el citrato se acumula cuando las enzimas del ciclo de Krebs se acercan a su velocidad máxima, es cuestionable si el citrato se acumula hasta una concentración suficiente para inhibir la PFK-1 en condiciones fisiológicas normales. La acumulación de concentración de ATP indica un exceso de energía y tiene un sitio de modulación alostérica en PFK1 donde disminuye la afinidad de PFK1 por su sustrato.

PFK1 se activa alostéricamente mediante una alta concentración de AMP, pero el activador más potente es la fructosa 2,6-bisfosfato, que también se produce a partir de fructosa-6-fosfato por PFK2. Por lo tanto, una abundancia de F6P da como resultado una mayor concentración de fructosa 2,6-bisfosfato (F-2,6-BP). La unión de F-2,6-BP aumenta la afinidad de PFK1 por F6P y disminuye el efecto inhibidor del ATP. Este es un ejemplo de estimulación anticipada, ya que la glucólisis se acelera cuando la glucosa es abundante.

La actividad de PFK se reduce mediante la represión de la síntesis por parte del glucagón. El glucagón activa la proteína quinasa A que, a su vez, desactiva la actividad quinasa de PFK2. Esto invierte cualquier síntesis de F-2,6-BP a partir de F6P y, por lo tanto, desactiva PFK1.

La regulación precisa de PFK1 evita que la glucólisis y la gluconeogénesis ocurran simultáneamente. Sin embargo, existe un ciclo de sustrato entre F6P y F-1,6-BP. La fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPasa) cataliza la hidrólisis de F-1,6-BP de nuevo a F6P, la reacción inversa catalizada por PFK1. Hay una pequeña cantidad de actividad FBPasa durante la glucólisis y algo de actividad PFK1 durante la gluconeogénesis. Este ciclo permite la amplificación de señales metabólicas así como la generación de calor por hidrólisis de ATP.

La serotonina (5-HT) aumenta la PFK al unirse al receptor 5-HT(2A), lo que hace que el residuo de tirosina de la PFK se fosforile a través de la fosfolipasa C. Esto a su vez redistribuye la PFK dentro de las células del músculo esquelético. Debido a que la PFK regula el flujo glucolítico, la serotonina desempeña un papel regulador en la glucólisis.

Genes

Hay tres genes de fosfofructoquinasa en humanos:

• PFKL – hígado
• PFKM – músculo
• PFKP – plaqueta

Importancia clínica

Una mutación genética en el gen PFKM da como resultado la enfermedad de Tarui, que es una enfermedad de almacenamiento de glucógeno en la que se altera la capacidad de ciertos tipos de células para utilizar carbohidratos como fuente de energía.

La enfermedad de Tarui es una enfermedad por almacenamiento de glucógeno con síntomas que incluyen debilidad muscular (miopatía) y calambres y espasmos inducidos por el ejercicio, mioglobinuria (presencia de mioglobina en la orina, que indica destrucción muscular) y hemólisis compensada. El ATP es un inhibidor alostérico natural de la PFK, con el fin de prevenir la producción innecesaria de ATP a través de la glucólisis. Sin embargo, una mutación en Asp(543)Ala puede provocar que el ATP tenga un efecto inhibidor más fuerte (debido a una mayor unión al sitio de unión alostérico inhibidor de PFK).

Mutación de la fosfofructoquinasa y cáncer: para que las células cancerosas satisfagan sus necesidades de energía debido a su rápido crecimiento y división celular, sobreviven de manera más efectiva cuando tienen una enzima fosfofructoquinasa 1 hiperactiva. Cuando las células cancerosas crecen y se dividen rápidamente, inicialmente no tienen tanto suministro de sangre y, por lo tanto, pueden tener hipoxia (privación de oxígeno), lo que desencadena la O-GlcNAcilación en la serina 529 de PFK. Esta modificación inhibe la actividad de PFK1 y favorece la proliferación del cáncer, en contraste con la opinión de que una alta actividad de PFK1 es necesaria para el cáncer. Esto puede deberse a la redirección del flujo de glucosa hacia la vía de las pentosas fosfato para generar NADPH para desintoxicar las especies reactivas de oxígeno.

Herpes simple tipo 1 y fosfofructoquinasa: algunos virus, incluidos el VIH, HCMV y Mayaro, afectan las vías metabólicas celulares, como la glucólisis, mediante un aumento dependiente de MOI en la actividad de PFK. El mecanismo por el que el herpes aumenta la actividad de la PFK es mediante la fosforilación de la enzima en los residuos de serina. La glucólisis inducida por HSV-1 aumenta el contenido de ATP, que es fundamental para la replicación del virus.