Phosphoglyceratkinase

Phosphoglyceratkinase (PGK) ist der Name für das Enzym, das dem Stoff 3-Phosphoglycerat eine Phosphat-Gruppe hinzufügt. Die umgekehrte Reaktion, das Entfernen von Phosphat von 1,3-Bisphosphoglycerat wird ebenso von PGK katalysiert und ist Teilschritt der Glykolyse, der Verwertung von Kohlenhydraten im Stoffwechsel aller Lebewesen. Mutationen im PGK-Gen können beim Menschen zu PGK-Mangel führen und zu hämolytischer Anämie.

Phosphoglyceratkinase
Cartoondarstellung der PGK, mit ATP und PG (in Stick-Darstellung) und Magnesium Ion in grün. PDB 3PGK
Vorhandene Strukturdaten: 2zgv, 3c39, 3c3a, 3c3b, 3c3c
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Masse/Länge Primärstruktur	416 Aminosäuren
Sekundär- bis Quartärstruktur	Monomer
Bezeichner
Gen-Namen	PGK1 ; PGK2
Externe IDs	OMIM: 311800 UniProt: P00558
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	2.7.2.3, Kinase
Reaktionsart	(De-)Phosphorylierung
Substrat	ATP + 3-Phospho-D-glycerat
Produkte	ADP + 1,3-Biphospho-D-glycerat
Vorkommen
Homologie-Familie	PGK
Übergeordnetes Taxon	Lebewesen

Mit den Säugetieren hat sich eine zweite Isoform der PGK entwickelt (PGK2), die ausschließlich in den Hoden lokalisiert ist. Sie ist sehr wahrscheinlich durch Kopie des mRNA-Transkripts des PGK1-Gens mittels reverser Transkriptase entstanden, ein so genanntes Retrogen. PGK2 wird nur während der Spermatogenese exprimiert, als Ersatz für PGK1, deren Gen auf dem X-Chromosom lokalisiert ist, und deren Produktion daher in dieser Phase ruht.

Die Bildung von PGK wird insbesondere von HIF-1 aktiviert. Eine weitere Funktion der PGK1 außerhalb der Glycolyse ist als Disulfid-Reduktase bei der Bildung von Blutgefäßen in Tumoren, wo sie durch CXCR4 aktiviert wird. PGK1 ist damit auch Teil der Signaltransduktion.

Struktur

PGK ist in allen lebenden Organismen zu finden und seine Aminosäuresequenz wurde während der gesamten Evolution hoch konserviert. Das Enzym liegt als Monomer mit 415 Resten vor, das zwei nahezu gleich große Domänen enthält, die den N- und C-Termini des Proteins entsprechen. 3-Phosphoglycerat (3-PG) bindet an den N-Terminus, während die Nukleotidsubstrate MgATP oder MgADP an die C-terminale Domäne des Enzyms binden. Diese erweiterte Zweidomänenstruktur ist mit großen Konformationsänderungen verbunden, die denen der Hexokinase ähneln.

Die beiden Domänen des Proteins sind durch eine Spalte getrennt und durch zwei α-Helices verbunden. Im Zentrum jeder Domäne befindet sich ein 6-strängiges, paralleles β-Faltblatt, die von α-Helices umgeben ist. Die beiden Lappen können unabhängig voneinander gefaltet werden, was auf das Vorhandensein von Intermediaten auf dem Faltungsweg mit einer einzigen gefalteten Domäne zurückzuführen ist. Obwohl die Bindung beider Substrate eine Konformationsänderung auslöst, kommt es erst durch die Bindung beider Substrate zu einem domain closure (Verschluss des aktiven Zentrums mithilfe der Domänen), der zum Transfer der Phosphatgruppe führt.

Das Enzym neigt dazu, in der offenen Konformation mit kurzen Zeiträumen des Verschlusses und der Katalyse zu existieren, was eine schnelle Diffusion von Substrat und Produkten durch die Bindungsstellen ermöglicht. Die offene Konformation von PGK ist aufgrund der Exposition einer hydrophoben Region des Proteins beim domain closure konformationsstabiler.

Rolle des Magnesiums

Magnesiumionen sind normalerweise mit den Phosphatgruppen der Nukleotidsubstrate von PGK komplexiert. Es ist bekannt, dass in Abwesenheit von Magnesium keine Enzymaktivität auftritt. Das zweiwertige Metall hilft den Enzymliganden dabei, die negativen Ladungen der gebundenen Phosphatgruppe abzuschirmen, wodurch der nucleophile Angriff erfolgen kann. Diese Ladungsstabilisierung ist ein typisches Merkmal der Phosphotransferreaktion. Es wird vermutet, dass das Ion auch den domain closure fördert, wenn PGK beide Substrate gebunden hat.

Katalysiertes Gleichgewicht

+ ADP ⇔ + ATP

Phosphat wird von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP übertragen und umgekehrt.

Mechanismus

Mechanismus der Phosphoglyceratkinase bei der Glykolyse.

Ohne jede Substratbindung existiert PGK in einer „offenen“ Konformation. Nachdem sowohl das Triose- als auch das Nucleotidsubstrat an die N- und C-terminalen Domänen gebunden sind, tritt eine ausgedehnte Scharnierbewegung (hinge-bending motion) auf, welche die Domänen und ihre gebundenen Substrate in enge Nähe bringt und zu einer „geschlossenen“ Konformation führt. Im Falle der vorwärtsgerichteten Glykolyse löst das β-Phosphat von ADP einen nucleophilen Angriff auf das Phosphat am C1-Atom von 1,3-BPG aus. Das Lys²¹⁹ am Enzym führt die Phosphatgruppe zum Substrat.

PGK durchläuft einen ladungsstabilisierten Übergangszustand, der gegenüber der Anordnung des gebundenen Substrats im geschlossenen Enzym bevorzugt ist, da im Übergangszustand alle drei Phosphatsauerstoffatome durch Liganden stabilisiert sind, im Gegensatz zu nur zwei stabilisierten Sauerstoffatomen im gebundenen Anfangszustand.

Regulierung

Das Enzym wird durch geringe Konzentrationen verschiedener mehrwertiger Anionen wie Pyrophosphat, Sulfat, Phosphat und Citrat aktiviert. Hohe Konzentrationen von MgATP und 3-PG aktivieren PGK, während Mg²⁺ in hohen Konzentrationen das Enzym nicht kompetitiv hemmt.

PGK zeigt eine breite Spezifität gegenüber Nucleotidsubstraten. Seine Aktivität wird durch Salicylate gehemmt, die das Nukleotidsubstrat des Enzyms zu imitieren scheinen.

Es wurde gezeigt, dass macromolecular crowding (Überfüllung einer bspw. lebenden Zelle mit Makromolekülen) die PGK-Aktivität sowohl in Computersimulationen als auch in In-vitro-Umgebungen erhöht, die das Zellinnere simulieren. Infolge der Überfüllung wird das Enzym enzymatisch aktiver und kompakter.

Klinische Bedeutung

PGK-Mangel ist ein X-chromosomal-rezessives Merkmal, das mit hämolytischer Anämie, psychischen Störungen und Myopathie beim Menschen assoziiert ist. Je nach Form gibt es eine hämolytische und eine myopathische Form des PGK-Mangels. Da das Merkmal X-chromosomal gebunden ist, wird es normalerweise bei Männern mit einem X-Chromosom vollständig exprimiert. Betroffene Frauen sind in der Regel asymptomatisch (ohne Symptome). Der Zustand resultiert aus Mutationen in Pgk1, dem für PGK1 codierenden Gen, und es wurden zwanzig Mutationen identifiziert. Auf molekularer Ebene beeinträchtigt die Mutation in Pgk1 die thermische Stabilität und hemmt die katalytische Aktivität des Enzyms. PGK ist das einzige Enzym in der Glykolyse, das von einem X-chromosomalen Gen kodiert wird. Bei einer hämolytischen Anämie tritt ein PGK-Mangel in den Erythrozyten auf. Derzeit gibt es keine endgültige Behandlung für einen PGK-Mangel.

Eine Überexpression von PGK1 wurde mit Magenkrebs in Verbindung gebracht und es wurde festgestellt, dass sie die Invasivität von Magenkrebszellen in vitro erhöht. Das Enzym wird von Tumorzellen sezerniert und ist an der Angiogenese beteiligt, der zur Freisetzung von Angiostatin und zur Hemmung des Wachstums von Tumorblutgefäßen führt.

Aufgrund seiner breiten Spezifität gegenüber Nukleotidsubstraten ist bekannt, dass PGK an der Phosphorylierung und Aktivierung von HIV-antiretroviralen Wirkstoffen auf Nukleotidbasis beteiligt ist.

Weblinks

Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Phosphoglycerat-Kinase – Lern- und Lehrmaterialien

• PGK1-Mangel bei Orphanet

Einzelnachweise

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2. PGK2. In: Online Mendelian Inheritance in Man. (englisch).
3. PGK1. In: Online Mendelian Inheritance in Man. (englisch).
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