La pyruvate kinase (PYK) est l'enzyme qui catalyse la dernière étape de la voie glycolytique, qui implique le transfert irréversible du groupement phosphate d'une molécule de phosphoénolpyruvate (PEP) vers une molécule d'ADP, entraînant la synthèse d'une molécule d'ATP et un autre d'acide pyruvique ou de pyruvate.
Le pyruvate ainsi produit participe ensuite à diverses voies cataboliques et anaboliques (biosynthétiques): il peut être décarboxylé pour produire de l'acétyl-CoA, carboxylé pour produire de l'oxaloacétate, transaminate pour produire de l'alanine, oxydé pour produire de l'acide lactique ou il peut être orienté vers la gluconéogenèse pour la synthèse glucose.
Réaction catalysée par l'enzyme pyruvate kinase (Source: Noah Salzman via Wikimedia Commons)
Puisqu'elle participe à la glycolyse, cette enzyme est très importante pour le métabolisme des glucides de nombreux organismes, unicellulaires et multicellulaires, qui l'utilisent comme principale voie catabolique pour obtenir de l'énergie.
Un exemple de cellules strictement dépendantes de la glycolyse pour la production d'énergie est celui des érythrocytes de mammifères, pour lesquels une carence en l'une des enzymes impliquées dans cette voie peut avoir des effets considérablement négatifs.
Structure
Quatre isoformes de l'enzyme pyruvate kinase ont été décrites chez les mammifères:
- PKM1, typique des muscles
- PKM2, uniquement chez les fœtus (deux produits de traitement alternatif du même ARN messager)
- PKL, présente dans le foie et
- PKR, présente dans les érythrocytes (tous deux codés par le même gène PKLR, mais transcrits par des promoteurs différents).
Cependant, les analyses effectuées sur la structure des différentes enzymes pyruvate kinases dans la nature (dont ces 4 provenant de mammifères) montrent une grande similitude dans la structure générale, ainsi qu'en ce qui concerne l'architecture du site actif et les mécanismes de régulation.
De manière générale, il s'agit d'une enzyme de poids moléculaire de 200 kDa, caractérisée par une structure tétramère composée de 4 unités protéiques identiques, de plus ou moins 50 ou 60 kDa, et chacune avec 4 domaines, à savoir:
- Un petit domaine hélicoïdal à l'extrémité N-terminale (absent dans les enzymes bactériennes)
- Un domaine « A », identifié par une topologie de 8 feuillets β pliés et 8 hélices α
- Un domaine " B ", inséré entre la feuille bêta pliée numéro 3 et l'hélice alpha numéro 3 du domaine "A"
- Un domaine " C ", qui a une topologie α + β
Structure moléculaire de l'enzyme pyruvate kinase (Source: Jawahar Swaminathan et le personnel MSD de l'Institut européen de bioinformatique via Wikimedia Commons)
Trois sites ont été détectés dans les tétramères de pyruvate kinase de différents organismes: le site actif, le site effecteur et le site de liaison des acides aminés. Le site actif de ces enzymes est situé entre les domaines A et B, au voisinage du «site effecteur», qui appartient au domaine C.
Dans le tétramère, les domaines C forment une "petite" interface, tandis que les domaines A forment une interface plus grande.
Fonction
Comme déjà discuté, la pyruvate kinase catalyse la dernière étape de la voie glycolytique, c'est-à-dire le transfert d'un groupe phosphate du phosphoénolpyruvate (PEP) à une molécule d'ADP pour produire de l'ATP et une molécule de pyruvate ou d'acide pyruvique.
Les produits de la réaction catalysée par cette enzyme sont de la plus haute importance pour différents contextes métaboliques. Le pyruvate peut être utilisé de différentes manières:
- Dans des conditions aérobies, c'est-à-dire en présence d'oxygène, celui-ci peut être utilisé comme substrat d'une enzyme appelée complexe pyruvate déshydrogénase, à décarboxyler et à convertir en acétyl-CoA, une molécule qui peut entrer dans le cycle de Krebs dans les mitochondries ou participer à d'autres voies anaboliques telles que la biosynthèse des acides gras par exemple.
- En l'absence d'oxygène ou en anaérobiose, le pyruvate peut être utilisé par l'enzyme lactate déshydrogénase pour produire de l'acide lactique (oxydation) par un procédé appelé «fermentation lactique».
- De plus, le pyruvate peut être transformé en glucose par gluconéogenèse, en alanine par alanine transaminase, en oxaloacétate par pyruvate carboxylase, etc.
Il est important de se rappeler que dans la réaction catalysée par cette enzyme, la synthèse nette d'ATP se produit également, qui est prise en compte pour la glycolyse, produisant 2 molécules de pyruvate et 2 molécules d'ATP pour chaque molécule de glucose.
Ainsi, de ce point de vue, l'enzyme pyruvate kinase joue un rôle fondamental dans de nombreux aspects du métabolisme cellulaire, à tel point qu'elle est utilisée comme cible thérapeutique pour de nombreux pathogènes humains, parmi lesquels plusieurs protozoaires se distinguent.
Régulation
La pyruvate kinase est une enzyme extrêmement importante du point de vue du métabolisme cellulaire, car c'est celle qui forme le dernier composé issu de la voie du catabolisme du glucose: le pyruvate.
En plus d'être l'une des trois enzymes les plus régulées dans toute la voie glycolytique (les deux autres étant l'hexokinase (HK) et la phosphofructokinase (PFK)), la pyruvate kinase est une enzyme très importante pour le contrôle du flux métabolique et de la production d'ATP par glycolyse.
Il est activé par le phosphoénolpyruvate, l'un de ses substrats (régulation homotrope), ainsi que par d'autres sucres mono- et diphosphorylés, bien que sa régulation dépende du type d'isoenzyme considéré.
Certains textes scientifiques suggèrent que la régulation de cette enzyme dépend également de son architecture «multidomaine», puisque son activation semble dépendre de certaines rotations dans les domaines des sous-unités et d'altérations de la géométrie du site actif.
Pour de nombreux organismes, l'activation allostérique de la pyruvate kinase dépend du fructose 1,6-bisphosphate (F16BP), mais ce n'est pas le cas pour les enzymes végétales. D'autres enzymes sont également activées par l'AMP cyclique et le glucose 6-phosphate.
Par ailleurs, il a été montré que l'activité de la plupart des pyruvate kinases étudiées dépend fortement de la présence d'ions monovalents tels que le potassium (K +) et d'ions divalents tels que le magnésium (Mg + 2) et le manganèse (Mn + 2).).
Inhibition
La pyruvate kinase est principalement inhibée par des effecteurs allostériques physiologiques, de sorte que ces processus varient considérablement entre les différentes espèces et même entre les types de cellules et de tissus du même organisme.
Chez de nombreux mammifères, le glucagon, l'épinéphrine et l'AMPc ont des effets inhibiteurs sur l'activité de la pyruvate kinase, effets qui peuvent être neutralisés par l'insuline.
De plus, il a été démontré que certains acides aminés, comme la phénylalanine, peuvent avoir des actions en tant qu'inhibiteurs compétitifs de cette enzyme dans le cerveau.
Références
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