Fosfofructocinasa 2

La fosfofructocinasa-2 ( 6-fosfofructo-2-cinasa , PFK-2 ) o fructosa bisfosfatasa-2 ( FBPase-2 ) es una enzima responsable indirectamente de regular las tasas de glucólisis y gluconeogénesis en las células. Cataliza la formación y degradación de un importante regulador alostérico, la fructosa-2,6-bisfosfato (Fru-2,6-P2 ₎ a partir del sustrato fructosa-6-fosfato . La Fru-2,6-P2 _contribuye al paso determinante de la velocidad de la glucólisis, ya que activa la enzima fosfofructocinasa 1 en la vía glucolítica e inhibe la fructosa-1,6-bisfosfatasa 1 en la gluconeogénesis. ^{[ 1 ]} Dado que la Fru-2,6-P2 _regula diferencialmente la glucólisis y la gluconeogénesis, puede actuar como una señal clave para alternar entre las vías opuestas. ^{[ 1 ]} Debido a que la PFK-2 produce Fru-2,6-P ₂ en respuesta a la señalización hormonal, el metabolismo puede controlarse de manera más sensible y eficiente para alinearse con las necesidades glucolíticas del organismo. ^{[ 2 ]} Esta enzima participa en el metabolismo de la fructosa y la manosa . La enzima es importante en la regulación del metabolismo hepático de los carbohidratos y se encuentra en mayores cantidades en el hígado, el riñón y el corazón . En los mamíferos, varios genes a menudo codifican diferentes isoformas, cada una de las cuales difiere en su distribución tisular y actividad enzimática . ^{[ 3 ]} La familia descrita aquí se asemeja a las fosfofructocinasas impulsadas por ATP; sin embargo, comparten poca similitud de secuencia , aunque algunos residuos parecen clave para su interacción con la fructosa 6-fosfato . ^{[ 4 ]}

La PFK-2 se conoce como la "enzima bifuncional" debido a su notable estructura: aunque ambos dominios se encuentran en un homodímero proteico, actúan como enzimas que funcionan de forma independiente. ^{[ 5 ]} Un extremo funciona como dominio quinasa (para la PFK-2) mientras que el otro extremo actúa como dominio fosfatasa (FBPasa-2). ^{[ 6 ]}

En los mamíferos, los mecanismos genéticos codifican diferentes isoformas de PFK-2 para adaptarse a las necesidades específicas de cada tejido. Si bien la función general permanece igual, las isoformas presentan ligeras diferencias en sus propiedades enzimáticas y están controladas por distintos métodos de regulación; estas diferencias se analizan a continuación. ^{[ 7 ]}

Los monómeros de la proteína bifuncional se dividen claramente en dos dominios funcionales. El dominio quinasa se localiza en el extremo N-terminal. ^{[ 8 ]} Consiste en una lámina β central de seis hebras, con cinco hebras paralelas y una hebra de borde antiparalela, rodeada por siete hélices α. ^{[ 6 ]} El dominio contiene un pliegue de unión a nucleótidos (nbf) en el extremo C-terminal de la primera hebra β. ^{[ 9 ]} El dominio PFK-2 parece estar estrechamente relacionado con la superfamilia de proteínas de unión a mononucleótidos, incluida la adenilato ciclasa . ^{[ 10 ]}

Por otro lado, el dominio fosfatasa se encuentra en el extremo C-terminal. ^{[ 11 ]} Se asemeja a la familia de proteínas que incluye las fosfoglicerato mutasas y las fosfatasas ácidas. ^{[ 10 ] [ 12 ]} El dominio tiene una estructura mixta α/β, con una lámina β central de seis hebras, además de un subdominio α-helicoidal adicional que cubre el supuesto sitio activo de la molécula. ^{[ 6 ]} Finalmente, la región N-terminal modula las actividades de PFK-2 y FBPase2, y estabiliza la forma dimérica de la enzima. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Si bien este núcleo catalítico central se conserva en todas las formas de PFK-2, existen ligeras variaciones estructurales en las isoformas como resultado de diferentes secuencias de aminoácidos o empalme alternativo. ^{[ 14 ]} Con algunas excepciones menores, el tamaño de las enzimas PFK-2 suele ser de alrededor de 55 kDa. ^{[ 1 ]}

Los investigadores plantean la hipótesis de que la estructura bifuncional única de esta enzima surgió de un evento de fusión genética entre una PFK-1 bacteriana primordial y una mutasa/fosfatasa primordial. ^{[ 15 ]}

La función principal de esta enzima es sintetizar o degradar el regulador alostérico Fru-2,6-P ₂ en respuesta a las necesidades glucolíticas de la célula o el organismo, como se muestra en el diagrama adjunto.

En enzimología , una 6-fosfofructo-2-quinasa ( EC 2.7.1.105 ) es una enzima que cataliza la reacción química :

ATP + beta-D-fructosa 6-fosfato${\displaystyle \rightleftharpoons }$ADP + beta-D-fructosa 2,6-bisfosfato ^{[ 16 ]}

De este modo, el dominio quinasa hidroliza el ATP para fosforilar el carbono 2 de la fructosa-6-fosfato, produciendo Fru-2,6-P₂ _y ADP _. En la reacción se forma un intermediario de fosfohistidina. ^{[ 17 ]}

En el otro extremo, el dominio de la fructosa-2,6-bisfosfato 2-fosfatasa ( EC 3.1.3.46 ) desfosforila la Fru-2,6-P ₂ con la adición de agua. Esta reacción química opuesta es:

beta-D-fructosa 2,6-bisfosfato + H ₂ O${\displaystyle \rightleftharpoons }$ D-fructosa 6-fosfato + fosfato ^{[ 18 ]}

Debido a sus funciones duales, esta enzima puede clasificarse en varias familias. Según su actividad quinasa, pertenece a la familia de las transferasas , específicamente a aquellas que transfieren grupos fosforados ( fosfotransferasas ) con un grupo alcohol como aceptor. ^{[ 16 ]} Por otro lado, su actividad fosfatasa es característica de la familia de las hidrolasas , específicamente de aquellas que actúan sobre enlaces monoéster fosfóricos . ^{[ 18 ]}

En casi todas las isoformas, la PFK-2 sufre una modificación covalente mediante fosforilación/desfosforilación en función de la señalización hormonal celular. La fosforilación de un residuo específico puede provocar un cambio que estabiliza la función del dominio quinasa o fosfatasa. Esta señal de regulación controla, por lo tanto, si el F-2,6-P2 _se sintetizará o se degradará. ^{[ 19 ]}

Además, la regulación alostérica de PFK2 es muy similar a la de PFK1 . ^{[ 20 ]} Los altos niveles de AMP o del grupo fosfato indican un estado de carga de baja energía y, por lo tanto, estimulan PFK2. Por otro lado, una alta concentración de fosfoenolpiruvato (PEP) y citrato indica un alto nivel de precursores biosintéticos y, por consiguiente, inhibe PFK2. A diferencia de PFK1, PFK2 no se ve afectada por la concentración de ATP. ^{[ 21 ]}

Las isoenzimas proteicas son enzimas que catalizan la misma reacción, pero están codificadas con secuencias de aminoácidos diferentes y, por lo tanto, presentan ligeras diferencias en sus características proteicas. En los seres humanos, los cuatro genes que codifican las proteínas fosfofructocinasa 2 incluyen PFKFB-1 , PFKFB2 , PFKFB3 y PFKFB4 . ^{[ 5 ]}

Se han descrito hasta la fecha múltiples isoformas de la proteína en mamíferos, cuyas diferencias se deben a la transcripción de distintas enzimas o al empalme alternativo. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Si bien el núcleo estructural que cataliza la reacción PFK-2/FBPase-2 está altamente conservado entre las isoformas, las principales diferencias surgen de secuencias flanqueantes altamente variables en los extremos amino y carboxilo de las isoformas. ^{[ 14 ]} Debido a que estas áreas suelen contener sitios de fosforilación, los cambios en la composición de aminoácidos o en la longitud del extremo pueden dar lugar a cinéticas y características enzimáticas muy diferentes. ^{[ 1 ] [ 14 ]} Cada variante difiere en su tejido primario de expresión, su respuesta a la regulación por proteína quinasa y la proporción de actividad del dominio quinasa/fosfatasa. ^{[ 25 ]} Aunque un tejido puede contener múltiples tipos de isoenzimas, estas se identifican a continuación por su expresión en el tejido primario y el tejido de descubrimiento. ^{[ 26 ]}

PFKB1: Hígado, músculo y feto

Ubicado en el cromosoma X, este gen es el más conocido de los cuatro genes, particularmente porque codifica la enzima hepática altamente investigada. ^{[ 22 ]} El empalme variable del ARNm de PFKB1 produce tres promotores diferentes (L, M y F) y, por lo tanto, tres variantes específicas de tejido que difieren en la regulación: ^{[ 27 ]}

• Tipo L: tejido hepático
  • La insulina activa la función de la PFK-2 hepática para indicar que hay una alta disponibilidad de glucosa en sangre para la glucólisis. La insulina activa una proteína fosfatasa que desfosforila el complejo PFK-2 y favorece su actividad. Posteriormente, la PFK-2 aumenta la producción de F-2,6-P₂ _. Dado que este producto activa alostéricamente la PFK-1, activa la glucólisis e inhibe la gluconeogénesis. ^{[ 28 ]}
  • Por el contrario, el glucagón aumenta la actividad de la FBPasa-2. A bajas concentraciones de glucosa en sangre, el glucagón desencadena una cascada de señalización de AMPc y, a su vez, la proteína quinasa A (PKA) fosforila la serina 32 cerca del extremo N-terminal. Esto inactiva la capacidad de la enzima bifuncional para actuar como quinasa y estabiliza la actividad fosfatasa. Por lo tanto, el glucagón disminuye las concentraciones de F-2,6-P2 _, ralentiza las tasas de glucólisis y estimula la vía de la gluconeogénesis. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

• Tipo M: tejido muscular esquelético; Tipo F: fibroblastos y tejido fetal ^{[ 31 ]}
  • A diferencia de la mayoría de los demás tejidos que contienen PFK-2, la PFK-2 tanto en el músculo esquelético como en el tejido fetal está regulada exclusivamente por las concentraciones de fructosa-6-fosfato. En su primer exón, no existen sitios reguladores que requieran fosforilación/desfosforilación para provocar un cambio en su función. Las altas concentraciones de F-6-P activan la función quinasa e incrementan las tasas de glucólisis, mientras que las bajas concentraciones de F-6-P estabilizan la acción fosfatasa. ^{[ 27 ]}

PFKB3: Cerebral, placentario e inducible

PFKB3 se encuentra en el cromosoma 10 y transcribe dos isoformas principales: una inducible y otra ubicua. ^{[ 34 ]} Estas formas difieren en el empalme alternativo del exón 15 en su extremo C. ^{[ 35 ]} Sin embargo, son similares en que, para ambas, el glucagón activa una vía de AMP cíclico; esto da como resultado que la proteína quinasa A, la proteína quinasa C o la proteína quinasa activada por AMP fosforilen un residuo regulador en la serina 461 en el extremo C para estabilizar la función de la quinasa PFK-2. ^{[ 36 ]} Además, ambas isoformas transcritas de este gen se caracterizan por tener una tasa dominante particularmente alta de actividad quinasa, como lo indica una relación de actividad quinasa/fosfatasa de 700 (mientras que las isoenzimas del hígado, el corazón y los testículos tienen respectivamente relaciones PFK-2/FBPasa-2 de 1,5, 80 y 4). ^{[ 37 ]} Por lo tanto, PFKB3 en particular produce constantemente grandes cantidades de F-2,6-P ₂ y mantiene altas tasas de glucólisis. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

• Tipo I: Inducible
  • El nombre de esta isoforma se debe a su mayor expresión en respuesta al estrés hipóxico; su formación se induce por la falta de oxígeno. Este tipo se expresa en gran medida en células de rápida proliferación, especialmente en células tumorales. ^{[ 39 ]}
• Tipo U: Ubicuo; ^{[ 40 ]} también conocido como placentario ^{[ 41 ]} o cerebral ^{[ 42 ] [ 43 ]}
  • Aunque se descubrieron por separado en los tejidos placentario, de los islotes β pancreáticos o cerebrales, las diversas isoformas parecen idénticas. ^{[ 21 ]} Todos los tejidos en los que se descubrió requieren mucha energía para funcionar, lo que podría explicar la ventaja de PFKB3 de una relación de actividad quinasa-fosfatasa tan alta. ^{[ 37 ] [ 44 ]}
  • La isoforma cerebral en particular tiene regiones N- y C-terminales largas, de modo que este tipo es casi el doble de grande que la PFK-2 típica, alrededor de 110 kDa. ^{[ 45 ]}

PFKB4: Testículo (tipo T)

El gen PFKB4, ubicado en el cromosoma 3, expresa PFK-2 en el tejido testicular humano. ^{[ 46 ]} Las enzimas PFK-2 codificadas por PFK-4 son comparables en tamaño a la enzima hepática, alrededor de 54 kDa, y al igual que el tejido muscular, no contienen un sitio de fosforilación de proteína quinasa. ^{[ 40 ]} Si bien se han realizado menos investigaciones para aclarar los mecanismos de regulación de esta isoforma, los estudios han confirmado que la modificación por múltiples factores de transcripción en la región flanqueante 5' regula la cantidad de expresión de PFK-2 en el tejido testicular en desarrollo. ^{[ 26 ]} Esta isoforma se ha implicado particularmente en la modificación y la hiperexpresión para la supervivencia de las células de cáncer de próstata. ^{[ 47 ]}

Debido a que esta familia de enzimas mantiene las tasas de glucólisis y gluconeogénesis, presenta un gran potencial para la acción terapéutica en el control del metabolismo, particularmente en la diabetes y las células cancerosas. ^{[ 6 ] [ 25 ]} Los datos también demuestran que todos los genes PFK-2 (aunque la respuesta del gen PFKB3 sigue siendo la más drástica) se activaron por limitaciones de oxígeno. ^{[ 48 ]} Se encontró que el control de la actividad de PFK-2/FBP-ase2 estaba vinculado al funcionamiento del corazón, particularmente para la isquemia , y al control contra la hipoxia . ^{[ 49 ]} Los investigadores plantean la hipótesis de que esta característica de respuesta de los genes PFK-2 puede ser una fuerte adaptación fisiológica evolutiva. ^{[ 48 ]} Sin embargo, muchos tipos de células cancerosas humanas (incluidos los cánceres de leucemia, pulmón, mama, colon, páncreas y ovario) demuestran una sobreexpresión de PFK3 y/o PFK4; este cambio en el metabolismo probablemente juega un papel en el efecto Warburg . ^{[ 25 ] [ 50 ]}

Por último, el gen Pfkfb2 que codifica la proteína PFK2/FBPase2 está vinculado a la predisposición a la esquizofrenia . ^{[ 51 ]}

• Van Schaftingen E, Hers HG (1981). "Fosfofructocinasa 2: la enzima que forma fructosa 2,6-bisfosfato a partir de fructosa 6-fosfato y ATP". Biochem. Biophys. Res. Commun . 101 (3): 1078– 84. Bibcode : 1981BBRC..101.1078S . doi : 10.1016/0006-291X(81)91859-3 . PMID 6458291 . 

• Fructosa+2,6-bisfosfatasa en los Encabezamientos de Materia Médica (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• 6-fosfofructocinasa de Arabidopsis thaliana en genome.jp

Este artículo incorpora textos de dominio público de Pfam e InterPro IPR013079.