Glucógeno fosforilasa - Glycogen phosphorylase
| Fosforilasa | |||||||||
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 La estructura cristalina del complejo de glucógeno fosforilasa-AMP de músculo de conejo. Sitio alostérico de AMP (amarillo), Ser14 fosforilado (naranja), sitio de unión de glucógeno (azul), sitio catalítico (rojo).
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| Identificadores | |||||||||
| CE no. | 2.4.1.1 | ||||||||
| No CAS. | 9035-74-9 | ||||||||
| Bases de datos | |||||||||
| IntEnz | Vista IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entrada BRENDA | ||||||||
| FÁCIL | NiceZyme vista | ||||||||
| KEGG | Entrada KEGG | ||||||||
| MetaCyc | camino metabólico | ||||||||
| PRIAM | perfil | ||||||||
| Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | ||||||||
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La glucógeno fosforilasa es una de las enzimas fosforilasa ( EC 2.4.1.1 ). La glucógeno fosforilasa cataliza el paso limitante de la glucogenólisis en animales al liberar glucosa-1-fosfato del enlace alfa-1,4-glucosídico terminal. La glucógeno fosforilasa también se estudia como una proteína modelo regulada tanto por fosforilación reversible como por efectos alostéricos .
Mecanismo
La glucógeno fosforilasa descompone el glucógeno en subunidades de glucosa (consulte también la figura siguiente):
(cadena de glucógeno α-1,4) n + Pi ⇌ (cadena de glucógeno α-1,4) n-1 + α-D-glucosa-1-fosfato.
El glucógeno queda con una molécula de glucosa menos y la molécula de glucosa libre está en forma de glucosa-1-fosfato . Para que se utilice para el metabolismo , la enzima fosfoglucomutasa debe convertirlo en glucosa-6-fosfato .
Aunque la reacción es reversible in vitro , dentro de la célula la enzima solo funciona en la dirección de avance como se muestra a continuación porque la concentración de fosfato inorgánico es mucho más alta que la de glucosa-1-fosfato.
La glucógeno fosforilasa sólo puede actuar sobre cadenas lineales de glucógeno (enlace glicosídico α1-4). Su trabajo se detendrá inmediatamente a cuatro residuos de la rama α1-6 (que son extremadamente comunes en el glucógeno). En estas situaciones, es necesaria la enzima desramificante , que enderezará la cadena en esa área. Además, la enzima transferasa desplaza un bloque de 3 residuos de glucosilo de la rama exterior al otro extremo, y luego se requiere una enzima glucosidasa α1-6 para romper el residuo α1-6 restante (glucosa única) que permanece en el nuevo residuo lineal. cadena. Una vez hecho todo esto, la glucógeno fosforilasa puede continuar. La enzima es específica de las cadenas α1-4, ya que la molécula contiene una hendidura de 30 angstrom de largo con el mismo radio que la hélice formada por la cadena de glucógeno; esto acomoda 4-5 residuos de glucosilo, pero es demasiado estrecho para las ramas. Esta grieta conecta el sitio de almacenamiento de glucógeno con el sitio catalítico activo.
La glucógeno fosforilasa tiene un fosfato de piridoxal (PLP, derivado de la vitamina B 6 ) en cada sitio catalítico. El fosfato de piridoxal se enlaza con residuos básicos (en este caso Lys680) y forma covalentemente una base de Schiff . Una vez que se forma el enlace de la base de Schiff, que mantiene la molécula de PLP en el sitio activo, el grupo fosfato en el PLP dona fácilmente un protón a una molécula de fosfato inorgánico, lo que permite que el fosfato inorgánico sea desprotonado a su vez por el oxígeno que forma el α-1 , 4 enlace glicosídico. El PLP se desprotona fácilmente porque su carga negativa no solo se estabiliza dentro del grupo fosfato, sino también en el anillo de piridina, por lo que la base conjugada resultante de la desprotonación de PLP es bastante estable. El oxígeno protonado ahora representa un buen grupo saliente , y la cadena de glucógeno se separa del glucógeno terminal en forma S N 1 , lo que da como resultado la formación de una molécula de glucosa con un carbocatión secundario en la posición 1. Finalmente, el fosfato inorgánico desprotonado actúa como nucleófilo y se une al carbocatión, lo que da como resultado la formación de glucosa-1-fosfato y una cadena de glucógeno acortada por una molécula de glucosa.
También hay un mecanismo alternativo propuesto que involucra un oxígeno cargado positivamente en una conformación de media silla.
Estructura
El monómero de glucógeno fosforilasa es una proteína grande, compuesta por 842 aminoácidos con una masa de 97,434 kDa en las células musculares. Si bien la enzima puede existir como un monómero o tetrámero inactivo, es biológicamente activa como un dímero de dos subunidades idénticas.
En los mamíferos, las principales isoenzimas de la glucógeno fosforilasa se encuentran en el músculo, el hígado y el cerebro. El tipo de cerebro predomina en el cerebro adulto y los tejidos embrionarios, mientras que los tipos de hígado y músculo son predominantes en el hígado y el músculo esquelético de adultos, respectivamente.
El dímero de glucógeno fosforilasa tiene muchas regiones de importancia biológica, que incluyen sitios catalíticos , sitios de unión de glucógeno, sitios alostéricos y un residuo de serina fosforilado reversiblemente. Primero, los sitios catalíticos están relativamente enterrados, a 15 Å de la superficie de la proteína y de la interfaz de la subunidad. Esta falta de fácil acceso del sitio catalítico a la superficie es significativa porque hace que la actividad de la proteína sea altamente susceptible a la regulación, ya que los pequeños efectos alostéricos podrían aumentar en gran medida el acceso relativo del glucógeno al sitio.
Quizás el sitio regulador más importante es Ser14, el sitio de fosforilación reversible muy cerca de la interfaz de la subunidad. El cambio estructural asociado con la fosforilación, y con la conversión de la fosforilasa b en fosforilasa a, es la disposición de los residuos 10 a 22 originalmente desordenados en hélices α. Este cambio aumenta la actividad de la fosforilasa hasta en un 25% incluso en ausencia de AMP y mejora aún más la activación de AMP.
El sitio alostérico de unión de AMP en las isoformas musculares de la glucógeno fosforilasa está cerca de la interfaz de la subunidad al igual que Ser14. La unión de AMP en este sitio, correspondiente a un cambio del estado T de la enzima al estado R, da como resultado pequeños cambios en la estructura terciaria en la interfaz de la subunidad que conducen a grandes cambios en la estructura cuaternaria. La unión de AMP hace girar las hélices de la torre (residuos 262-278) de las dos subunidades 50˚ entre sí a través de una mayor organización e interacciones entre subunidades. Esta rotación de las hélices de la torre conduce a una rotación de las dos subunidades en 10˚ entre sí y, lo que es más importante, altera los residuos 282-286 (el bucle 280s) que bloquean el acceso al sitio catalítico en el estado T pero no lo hacen en el estado R.
El sitio final, quizás el más curioso, de la proteína glucógeno fosforilasa es el llamado sitio de almacenamiento de glucógeno. Los residuos 397-437 forman esta estructura, que permite que la proteína se una covalentemente a la cadena de glucógeno a 30 Å completos del sitio catalítico. Este sitio es muy probablemente el sitio en el que la enzima se une a los gránulos de glucógeno antes de iniciar la escisión de las moléculas terminales de glucosa. De hecho, el 70% de la fosforilasa dimérica en la célula existe como unida a gránulos de glucógeno en lugar de flotar libremente.
Significación clínica
| fosforilasa, glucógeno; músculo (síndrome de McArdle, enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo V) | |||||||
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| Identificadores | |||||||
| Símbolo | PYGM | ||||||
| Gen NCBI | 5837 | ||||||
| HGNC | 9726 | ||||||
| OMIM | 608455 | ||||||
| RefSeq | NM_005609 | ||||||
| UniProt | P11217 | ||||||
| Otros datos | |||||||
| Número CE | 2.4.1.1 | ||||||
| Lugar | Chr. 11 q12-q13.2 | ||||||
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| fosforilasa, glucógeno; hígado (enfermedad de ella, enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo VI) | |||||||
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| Identificadores | |||||||
| Símbolo | PYGL | ||||||
| Gen NCBI | 5836 | ||||||
| HGNC | 9725 | ||||||
| OMIM | 232700 | ||||||
| RefSeq | NM_002863 | ||||||
| UniProt | P06737 | ||||||
| Otros datos | |||||||
| Número CE | 2.4.1.1 | ||||||
| Lugar | Chr. 14 q11.2-24.3 | ||||||
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| fosforilasa, glucógeno; cerebro | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identificadores | |||||||
| Símbolo | PYGB | ||||||
| Gen NCBI | 5834 | ||||||
| HGNC | 9723 | ||||||
| OMIM | 138550 | ||||||
| RefSeq | NM_002862 | ||||||
| UniProt | P11216 | ||||||
| Otros datos | |||||||
| Número CE | 2.4.1.1 | ||||||
| Lugar | Chr. 20 p11.2-p11.1 | ||||||
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Se ha propuesto la inhibición de la glucógeno fosforilasa como un método para tratar la diabetes tipo 2 . Dado que se ha demostrado que la producción de glucosa en el hígado aumenta en pacientes con diabetes tipo 2, la inhibición de la liberación de glucosa de los suministros de glucógeno del hígado parece ser un enfoque válido. La clonación de la glucógeno fosforilasa de hígado humano (HLGP) reveló un nuevo sitio de unión alostérico cerca de la interfaz de la subunidad que no está presente en la glucógeno fosforilasa de músculo de conejo (RMGP) normalmente utilizada en los estudios. Este sitio no era sensible a los mismos inhibidores que los del sitio alostérico de AMP, y el mayor éxito se ha obtenido sintetizando nuevos inhibidores que imitan la estructura de la glucosa, ya que la glucosa-6-fosfato es un inhibidor conocido de HLGP y estabiliza a los menos activos. Estado T. Estos derivados de glucosa han tenido cierto éxito en la inhibición de HLGP, con valores de Ki previstos tan bajos como 0,016 mM.
Las mutaciones en la isoforma muscular de la glucógeno fosforilasa (PYGM) están asociadas con la enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo V (GSD V, enfermedad de McArdle). Hasta la fecha se han identificado más de 65 mutaciones en el gen PYGM que conducen a la enfermedad de McArdle. Los síntomas de la enfermedad de McArdle incluyen debilidad muscular, mialgia y falta de resistencia, todos derivados de niveles bajos de glucosa en el tejido muscular.
Las mutaciones en la isoforma hepática de la glucógeno fosforilasa (PYGL) están asociadas con la enfermedad de Hers ( enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo VI ). La enfermedad de ella a menudo se asocia con síntomas leves que normalmente se limitan a hipoglucemia y, a veces, es difícil de diagnosticar debido a la actividad enzimática residual.
La isoforma cerebro de la glucógeno fosforilasa (PYGB) se ha propuesto como un biomarcador para el cáncer gástrico .
Regulación
La glucógeno fosforilasa se regula mediante el control alostérico y mediante la fosforilación . La fosforilasa ay la fosforilasa b existen cada una en dos formas: estado inactivo T (tenso) y estado R (relajado). La fosforilasa b está normalmente en el estado T, inactiva debido a la presencia fisiológica de ATP y glucosa 6 fosfato, y la fosforilasa a está normalmente en el estado R (activa). Existe una isoenzima de glucógeno fosforilasa en el hígado sensible a la concentración de glucosa, ya que el hígado actúa como un exportador de glucosa. En esencia, la fosforilasa hepática responde a la glucosa, lo que provoca una transición muy sensible de la forma R a la T, inactivándola; además, la fosforilasa hepática es insensible al AMP.
Las hormonas como la epinefrina , insulina y glucagón regulan la glucógeno fosforilasa usando sistemas de amplificación de segundo mensajero ligados a proteínas G . El glucagón activa la adenilato ciclasa a través de un receptor acoplado a proteína G (GPCR) acoplado a G s que, a su vez, activa la adenilato ciclasa para aumentar las concentraciones intracelulares de AMPc. El cAMP se une a la proteína quinasa A (PKA) y la activa . PKA fosforila la fosforilasa quinasa , que a su vez fosforila la glucógeno fosforilasa b en Ser14, convirtiéndola en la glucógeno fosforilasa activa a.
En el hígado, el glucagón también activa otro GPCR que desencadena una cascada diferente, lo que resulta en la activación de la fosfolipasa C (PLC). El PLC provoca indirectamente la liberación de calcio del retículo endoplásmico de los hepatocitos al citosol. La mayor disponibilidad de calcio se une a la subunidad de calmodulina y activa la glucógeno fosforilasa quinasa. La glucógeno fosforilasa quinasa activa la glucógeno fosforilasa de la misma manera mencionada anteriormente.
La glucógeno fosforilasa b no siempre está inactiva en el músculo, ya que puede ser activada alostéricamente por AMP. Un aumento en la concentración de AMP, que se produce durante el ejercicio intenso, indica la demanda de energía. El AMP activa la glucógeno fosforilasa b cambiando su conformación de una forma tensa a una relajada. Esta forma relajada tiene propiedades enzimáticas similares a las de la enzima fosforilada. Un aumento en la concentración de ATP se opone a esta activación al desplazar al AMP del sitio de unión de nucleótidos, lo que indica reservas de energía suficientes.
Al ingerir una comida, se produce una liberación de insulina , lo que indica la disponibilidad de glucosa en la sangre. La insulina activa indirectamente la proteína fosfatasa 1 (PP1) y la fosfodiesterasa a través de una cascada de transducción de señales. PP1 desfosforila la glucógeno fosforilasa a, reformando la glucógeno fosforilasa b inactiva. La fosfodiesterasa convierte cAMP en AMP. Juntos, disminuyen la concentración de cAMP e inhiben la PKA. Como resultado, PKA ya no puede iniciar la cascada de fosforilación que termina con la formación de glucógeno fosforilasa a (activa). En general, la señalización de la insulina disminuye la glucogenólisis para preservar las reservas de glucógeno en la célula y desencadena la glucogénesis .
Significado historico
La glucógeno fosforilasa fue la primera enzima alostérica que se descubrió. Fue aislado y su actividad caracterizada en detalle por Carl F. Cori , Gerhard Schmidt y Gerty T. Cory . Arda Green y Gerty Cori lo cristalizaron por primera vez en 1943 e ilustraron que la glucógeno fosforilasa existía en las formas a o b dependiendo de su estado de fosforilación, así como en los estados R o T basados en la presencia de AMP.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Voet JG, Voet D (1995). "Capítulo 17: metabolismo del glucógeno" . Bioquímica (2ª ed.). Nueva York: J. Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-58651-7.
- Voet JG, Voet D (2004). "Capítulo 18: metabolismo del glucógeno" . Bioquímica (3ª ed.). Nueva York: J. Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-19350-0.
- Goodsell DS (1 de diciembre de 2001). "Glucógeno fosforilasa" . Molécula del mes . Banco de datos de proteínas RCSB . Consultado el 10 de enero de 2009 .
- Diwan JJ. "Metabolismo del glucógeno" . Molecular Bioquímica I . Instituto Politécnico Rensselaer. Archivado desde el original el 25 de enero de 2009 . Consultado el 10 de enero de 2009 .
enlaces externos
- Entrada de GeneReviews / NCBI / NIH / UW sobre la enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo VI: enfermedad de ella
- Glucógeno + fosforilasa en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P11217 (Glucógeno fosforilasa de músculo humano) en el PDBe-KB .
- Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P06737 (Glucógeno fosforilasa de hígado humano) en el PDBe-KB .
- Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P11216 (Glucógeno fosforilasa del cerebro humano) en el PDBe-KB .
