La fosfofructoquinasa-1 ( PFK-1 ) es una de las enzimas reguladoras más importantes ( EC 2.7.1.11) de la glucólisis . Es una enzima alostérica formada por 4 subunidades y controlada por muchos activadores e inhibidores . La PFK-1 cataliza el importante paso "comprometido" de la glucólisis, la conversión de fructosa 6-fosfato y ATP en fructosa 1,6-bisfosfato y ADP . La glucólisis es la base de la respiración, tanto anaeróbica como aeróbica. Debido a que la fosfofructoquinasa (PFK) cataliza la fosforilación dependiente de ATP para convertir la fructosa-6-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato y ADP, es uno de los pasos reguladores clave de la glucólisis. [1] La PFK es capaz de regular la glucólisis a través de la inhibición alostérica, y de esta manera, la célula puede aumentar o disminuir la tasa de glucólisis en respuesta a los requerimientos energéticos de la célula. Por ejemplo, una alta proporción de ATP a ADP inhibirá la PFK y la glucólisis. La diferencia clave entre la regulación de la PFK en eucariotas y procariotas es que en eucariotas la PFK es activada por la fructosa 2,6-bisfosfato. El propósito de la fructosa 2,6-bisfosfato es reemplazar la inhibición del ATP, permitiendo así que las eucariotas tengan una mayor sensibilidad a la regulación por hormonas como el glucagón y la insulina. [2]
La PFK1 de los mamíferos es un tetrámero de 340 kd [3] compuesto de diferentes combinaciones de tres tipos de subunidades: músculo (M), hígado (L) y plaquetas (P). La composición del tetrámero de PFK1 difiere según el tipo de tejido en el que está presente. Por ejemplo, el músculo maduro expresa solo la isoenzima M , por lo tanto, la PFK1 muscular está compuesta únicamente de homotetrámeros de M4. El hígado y los riñones expresan predominantemente la isoforma L. En los eritrocitos , tanto las subunidades M como las 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 las diversidades de las tasas glucolíticas y gluconeogénicas que se han observado para diferentes tejidos. [4]
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. [5] La mitad de cada dímero contiene el sitio de unión de ATP mientras que la otra mitad contiene el sitio de unión del sustrato (fructosa-6-fosfato o (F6P)), así como un sitio de unión alostérico separado. [6]
Cada subunidad del tetrámero tiene 319 aminoácidos y consta de dos dominios: uno que une el sustrato ATP y el otro que une la fructosa-6-fosfato. Cada dominio es un barril beta y tiene una lámina beta cilíndrica rodeada de hélices alfa.
En el lado opuesto de cada subunidad de cada sitio activo se encuentra el sitio alostérico, en la interfaz entre las subunidades del dímero. El ATP y el AMP compiten por este sitio. El dominio N-terminal tiene una función catalítica al unir el ATP, y el C-terminal tiene una función reguladora [7]
PFK1 es una enzima alostérica cuya actividad puede describirse utilizando el modelo de simetría del alosterismo [8] , según el cual hay una transición concertada de un estado T enzimáticamente inactivo al estado R activo. F6P se une con una alta afinidad al 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 al aumento de las concentraciones de F6P adoptaría la forma de curva sigmoidea tradicionalmente asociada a las enzimas alostéricas.
PFK1 pertenece a la familia de las fosfotransferasas y cataliza la transferencia de γ-fosfato desde ATP a fructosa-6-fosfato. El sitio activo de PFK1 comprende tanto el sitio de unión ATP-Mg2+ como el sitio de unión F6P. Algunos residuos propuestos involucrados en la unión del sustrato en PFK1 de E. coli incluyen Asp127 y Arg171 . [9] En PFK1 de B. stearothermophilus , la cadena lateral cargada positivamente del residuo Arg162 forma un puente salino unido por hidrógeno con el grupo fosfato cargado negativamente de F6P, una interacción que estabiliza el estado R en relación con el estado T y es parcialmente responsable del efecto homotrópico de la unión de F6P. En el estado T, la conformación de la enzima cambia ligeramente de tal manera que el espacio previamente ocupado por Arg162 es reemplazado 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 el AMP y el ADP, se unen al sitio alostérico para facilitar la formación del estado R induciendo cambios estructurales en la enzima. De manera similar, los inhibidores, como el ATP y el PEP, se unen al mismo sitio alostérico y facilitan la formación del estado T, inhibiendo así la actividad enzimática.
El oxígeno del hidroxilo del carbono 1 realiza un ataque nucleofílico sobre el fosfato beta del ATP. Estos electrones son empujados hacia el oxígeno del anhídrido entre los fosfatos beta y gamma del ATP. [10] [11]
La PFK1 es el sitio de control más importante en la vía glucolítica de los mamíferos. Este paso está sujeto a una amplia regulación, ya que no solo 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 los otros monosacáridos galactosa y fructosa que pasan 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 .
La PFK1 se inhibe alostéricamente con niveles elevados de ATP , pero el AMP revierte la acción inhibidora del ATP. Por lo tanto, la actividad de la enzima aumenta cuando la relación ATP/AMP celular disminuye. De este modo, la glucólisis se estimula cuando la carga energética disminuye. La PFK1 tiene dos sitios con diferentes afinidades para el ATP, que es a la vez sustrato e inhibidor. [3]
La PFK1 también se inhibe por 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 no es en sí mismo la causa de la disminución del pH [12] ). Este efecto inhibidor sirve para proteger al músculo del daño que resultaría de la acumulación excesiva de ácido. [3]
Finalmente, la 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 [ cita requerida ] . La acumulación de la concentración de ATP indica un exceso de energía y tiene un sitio de modulación alostérica en la PFK1 donde disminuye la afinidad de la PFK1 por su sustrato.
La PFK1 se activa alostéricamente con una alta concentración de AMP , pero el activador más potente es la fructosa 2,6-bisfosfato , que también se produce a partir de la fructosa-6-fosfato por la 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 la PFK1 por la F6P y disminuye el efecto inhibidor del ATP. Este es un ejemplo de estimulación de retroalimentación, ya que la glucólisis se acelera cuando la glucosa es abundante. [3]
La actividad de PFK se reduce mediante la represión de la síntesis por glucagón . El glucagón activa la proteína quinasa A , que, a su vez, desactiva la actividad quinasa de PFK2 . Esto revierte cualquier síntesis de F-2,6-BP a partir de F6P y, por lo tanto, desactiva PFK1.
La regulación precisa de la PFK1 evita que la glucólisis y la gluconeogénesis se produzcan 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 vuelta a F6P, la reacción inversa catalizada por PFK1. Hay una pequeña cantidad de actividad de FBPasa durante la glucólisis y algo de actividad de 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 [13]
Hay tres genes de fosfofructoquinasa en los humanos:
Una mutación genética en el gen PFKM produce 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 los carbohidratos como fuente de energía. [14]
La enfermedad de Tarui es una enfermedad de almacenamiento de glucógeno cuyos síntomas 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 hacer que el ATP tenga un efecto inhibidor más fuerte (debido a una mayor unión al sitio de unión alostérico inhibidor de la PFK). [15] [16]
Mutación de la fosfofructoquinasa y cáncer: Para que las células cancerosas puedan satisfacer sus necesidades energéticas debido a su rápido crecimiento y división celular, sobreviven de manera más eficaz cuando tienen una enzima fosfofructoquinasa 1 hiperactiva. [17] [18] 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), y esto 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. [19]
Herpes simple tipo 1 y fosfofructoquinasa: algunos virus, incluidos el VIH, el HCMV y el Mayaro, afectan las vías metabólicas celulares, como la glucólisis, mediante un aumento de la actividad de la PFK dependiente del MOI. El mecanismo por el cual el herpes aumenta la actividad de la PFK es mediante la fosforilación de la enzima en los residuos de serina. La glucólisis inducida por el HSV-1 aumenta el contenido de ATP, que es fundamental para la replicación del virus. [20]
