Fosfofructocinasa 1

La fosfofructocinasa-1 ( PFK-1 ) es una de las enzimas reguladoras más importantes ( EC 2.7.1.11 ) de la glucólisis . Es una enzima alostérica compuesta por cuatro subunidades y controlada por numerosos activadores e inhibidores . La PFK-1 cataliza el paso clave de la glucólisis: la conversión de fructosa-6-fosfato y ATP en fructosa-1,6-bisfosfato y ADP . La glucólisis es fundamental para 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-bisfosfato y ADP, constituye uno de los pasos reguladores clave de la glucólisis. ^{[ 1 ]} La PFK puede regular la glucólisis mediante inhibición alostérica, y de esta manera, la célula puede aumentar o disminuir la tasa de glucólisis en respuesta a sus requerimientos energéticos. 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 se activa por la fructosa 2,6-bisfosfato. El propósito de la fructosa 2,6-bisfosfato es superar la inhibición por ATP, lo que permite a los eucariotas tener mayor sensibilidad a la regulación por hormonas como el glucagón y la insulina. ^{[ 2 ]}

La PFK1 de mamíferos es un tetrámero de 340 kDa ^{[ 3 ]} compuesto por diferentes combinaciones de tres tipos de subunidades: muscular (M), hepática (L) y plaquetaria (P). La composición del tetrámero de PFK1 difiere según el tipo de tejido en el que se encuentra. Por ejemplo, el músculo maduro expresa solo la isoenzima M ; por lo tanto, la PFK1 muscular está compuesta únicamente por homotetrámeros de M4. El hígado y los riñones expresan predominantemente la isoforma L. En los eritrocitos , tanto las subunidades M como 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 la PFK y el contenido isoenzimático contribuyen significativamente a la diversidad de las tasas glucolíticas y gluconeogénicas que se han observado en diferentes tejidos. ^{[ 4 ]}

La PFK1 es una enzima alostérica y tiene una estructura similar a la de la hemoglobina , ya que es un dímero de un dímero. ^{[ 5 ]} Una mitad de cada dímero contiene el sitio de unión del 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 independiente. ^{[ 6 ]}

Cada subunidad del tetrámero tiene 319 aminoácidos y consta de dos dominios: uno que se une al sustrato ATP y otro que se une a 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 a 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 unirse al ATP, y el dominio C-terminal tiene una función reguladora ^{[ 7 ].}

La PFK1 es una enzima alostérica cuya actividad puede describirse mediante el modelo de simetría del alosterismo ^{[ 8 ]} , en el que se produce una transición concertada desde un estado T enzimáticamente inactivo al estado R activo. El F6P se une con alta afinidad a la enzima en estado R, pero no a la enzima en estado T. Por cada molécula de F6P que se une a la PFK1, la enzima cambia progresivamente del estado T al estado R. Por lo tanto, un gráfico que represente la actividad de la PFK1 frente a concentraciones crecientes de F6P adoptaría la forma de curva sigmoidal tradicionalmente asociada a las enzimas alostéricas.

PFK1 pertenece a la familia de las fosfotransferasas y cataliza la transferencia de γ-fosfato del ATP a la fructosa-6-fosfato. El sitio activo de PFK1 comprende tanto los sitios de unión de ATP-Mg2+ como de F6P. Algunos residuos propuestos que participan en la unión del sustrato en PFK1 de E. coli incluyen Asp127 y Arg171 . ^{[ 9 ]} En PFK1 de B. stearothermophilus , la cadena lateral con carga positiva del residuo Arg162 forma un puente salino con enlace de hidrógeno con el grupo fosfato con carga negativa 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 mediante la inducción de 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 grupo hidroxilo del carbono 1 realiza un ataque nucleofílico sobre el fosfato beta del ATP. Estos electrones se desplazan hacia el oxígeno del grupo anhídrido situado 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 regulación exhaustiva, 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 siguen la vía glucolítica. Antes de la reacción de esta enzima, la glucosa-6-fosfato puede potencialmente seguir la vía de las pentosas fosfato o convertirse en glucosa-1-fosfato para la glucogénesis .

La PFK1 es inhibida alostéricamente por altos niveles de ATP , pero el AMP revierte la acción inhibitoria del ATP. Por lo tanto, la actividad de la enzima aumenta cuando disminuye la relación ATP/AMP celular. Así, la glucólisis se estimula cuando disminuye la carga energética. La PFK1 tiene dos sitios con diferentes afinidades por el ATP, que actúa tanto como sustrato como inhibidor. ^{[ 3 ]}

La PFK1 también se inhibe por niveles bajos de pH, lo que aumenta el efecto inhibidor del ATP. El pH disminuye cuando el músculo funciona anaeróbicamente y produce cantidades excesivas de ácido láctico (aunque el ácido láctico en sí mismo no es la causa de la disminución del pH ^{[ 12 ]} ). Este efecto inhibidor sirve para proteger al músculo del daño que resultaría de la acumulación de demasiado ácido. ^{[ 3 ]}

Finalmente, la PFK1 es inhibida alostéricamente por el PEP , el citrato y el ATP. El ácido fosfoenolpirúvico es un producto derivado de la vía glucolítica . Si bien el citrato se acumula cuando las enzimas del ciclo de Krebs alcanzan su velocidad máxima, es cuestionable si se acumula en una concentración suficiente para inhibir la PFK-1 en condiciones fisiológicas normales . El aumento de la concentración de ATP indica un exceso de energía y posee un sitio de modulación alostérica en la PFK1, donde disminuye la afinidad de esta enzima por su sustrato.

La PFK1 se activa alostéricamente por 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 acción de la PFK2 . Por lo tanto, una abundancia de F6P resulta en 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 por retroalimentación positiva, ya que la glucólisis se acelera cuando la glucosa es abundante. ^{[ 3 ]}

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

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

La serotonina (5-HT) aumenta la PFK al unirse al receptor 5-HT(2A), lo que provoca la fosforilación del residuo de tirosina de la PFK mediante la fosfolipasa C. Esto, a su vez, redistribuye la PFK dentro de las células del músculo esquelético. Dado que la PFK regula el flujo glucolítico, la serotonina desempeña un papel regulador en la glucólisis ^{[ 13 ].}

En los seres humanos existen tres genes de fosfofructocinasa:

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

Una mutación genética en el gen PFKM produce la enfermedad de Tarui , que es una enfermedad de almacenamiento de glucógeno en la que se ve afectada la capacidad de ciertos tipos de células para utilizar 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, lo que indica destrucción muscular) y hemólisis compensada. El ATP es un inhibidor alostérico natural de la PFK, para prevenir la producción innecesaria de ATP a través de la glucólisis. Sin embargo, una mutación en Asp(543)Ala puede resultar en 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 fosfofructocinasa y cáncer: Para que las células cancerosas satisfagan sus necesidades energéticas debido a su rápido crecimiento y división celular, sobreviven de manera más eficaz cuando tienen una enzima fosfofructocinasa 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 sufrir hipoxia (privación de oxígeno), lo que desencadena la O-GlcNAcilación en la serina 529 de la PFK. Esta modificación inhibe la actividad de la PFK1 y favorece la proliferación del cáncer, en contraste con la visión de que una alta actividad de la 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 y desintoxicar las especies reactivas de oxígeno. ^{[ 19 ]}

Virus del herpes simple tipo 1 y fosfofructocinasa: Algunos virus, incluidos el VIH, el HCMV y el virus Mayaro, afectan las vías metabólicas celulares, como la glucólisis, mediante un aumento de la actividad de la PFK dependiente de la multiplicidad de infección (MOI). El mecanismo por el cual el virus del herpes aumenta la actividad de la PFK es fosforilando la enzima en los residuos de serina. La glucólisis inducida por el HSV-1 aumenta el contenido de ATP, lo cual es fundamental para la replicación del virus. ^{[ 20 ]}

• PFK2 (convierte la fructosa 6-fosfato en fructosa 2,6-bisfosfato en un sitio, o viceversa, en otro sitio)
• PFP (interconvierte reversiblemente la fructosa 6-fosfato y la fructosa 1,6-bisfosfato utilizando pirofosfato inorgánico en lugar de ATP)
• Fructosa bifosfatasa (hidroliza la fructosa 1,6-bisfosfato a fructosa 6-fosfato)

• Fosfofructocinasa-1 en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• Proteopedia.org Fosfofructocinasa
• Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P08237 (6-fosfofructocinasa dependiente de ATP, tipo muscular) en el PDBe-KB .
• Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : Q01813 (6-fosfofructocinasa dependiente de ATP, tipo plaquetario) en el PDBe-KB .