ホスホフルクトキナーゼ1

ホスホフルクトキナーゼ-1 ( PFK-1 ) は、解糖系の最も重要な調節酵素( EC 2.7.1.11 ) の1 つです。これは4 つのサブユニットから構成されるアロステリック酵素であり、多くの活性化因子と阻害因子によって制御されています。PFK-1 は、解糖系の重要な「律速」ステップである、フルクトース 6-リン酸とATPをフルクトース 1,6-ビスリン酸とADPに変換する反応を触媒します。解糖系は、嫌気呼吸と好気呼吸の両方の基礎となっています。ホスホフルクトキナーゼ (PFK) は、ATP 依存性リン酸化を触媒してフルクトース-6-リン酸をフルクトース 1,6-ビスリン酸と ADP に変換するため、解糖系の主要な調節ステップの 1 つです。^{[ 1 ]} PFKはアロステリック阻害によって解糖を調節することができ、このようにして細胞はエネルギー要求に応じて解糖の速度を増減させることができます。たとえば、ATPとADPの比率が高いとPFKと解糖が阻害されます。真核生物と原核生物におけるPFKの調節の主な違いは、真核生物ではPFKがフルクトース2,6-ビスリン酸によって活性化されることです。フルクトース2,6-ビスリン酸の目的はATP阻害を克服することであり、これにより真核生物はグルカゴンやインスリンなどのホルモンによる調節に対してより高い感受性を持つことができます。^{[ 2 ]}

哺乳類のPFK1は、340kD ^{[ 3 ]の}四量体であり、筋肉（M）、肝臓（L）、血小板（P）の3種類のサブユニットのさまざまな組み合わせから構成されています。PFK1四量体の構成は、存在する組織の種類によって異なります。たとえば、成熟した筋肉はMアイソザイムのみを発現するため、筋肉PFK1はM4のホモ四量体のみで構成されています。肝臓と腎臓は主にLアイソフォームを発現します。赤血球では、MサブユニットとLサブユニットの両方がランダムに四量体化して、M4、L4、および酵素の3つのハイブリッド型（ML3、M2L2、M3L）を形成します。その結果、さまざまなアイソザイムプールの速度論的特性と調節特性は、サブユニットの構成に依存します。 PFK活性とアイソザイム含有量の組織特異的な変化は、さまざまな組織で観察されている解糖速度と糖新生速度の多様性に大きく寄与している。 ^{[ 4 ]}

PFK1はアロステリック酵素であり、二量体の二量体であるという点でヘモグロビンと類似した構造を持つ。 ^{[ 5 ]}各二量体の半分にはATP結合部位があり、もう半分には基質（フルクトース-6-リン酸または（F6P））結合部位と別のアロステリック結合部位がある。^{[ 6 ]}

四量体の各サブユニットは319個のアミノ酸からなり、2つのドメインから構成される。1つは基質であるATPに結合するドメイン、もう1つはフルクトース-6-リン酸に結合するドメインである。各ドメインはベータバレル構造であり、円筒形のベータシートがアルファヘリックスに囲まれている。

各サブユニットの各活性部位の反対側には、二量体内のサブユニット間の界面にアロステリック部位がある。ATPとAMPはこの部位をめぐって競合する。N末端ドメインはATP結合の触媒的役割を持ち、C末端は調節的役割を持つ^{[ 7 ]。}

PFK1はアロステリック酵素であり、その活性はアロステリズムの対称性モデル^{[ 8 ]}を用いて説明できる。このモデルでは、酵素的に不活性なT状態から活性なR状態への協調的な遷移が起こる。F6PはR状態の酵素には高い親和性で結合するが、T状態の酵素には結合しない。PFK1に結合するF6P分子ごとに、酵素はT状態からR状態へと徐々に変化する。したがって、PFK1活性をF6P濃度の増加に対してプロットしたグラフは、従来アロステリック酵素に関連付けられてきたシグモイド曲線の形状をとる。

PFK1 はホスホトランスフェラーゼファミリーに属し、ATP からフルクトース-6-リン酸への γ-リン酸の転移を触媒します。PFK1 の活性部位は、ATP-Mg2+ 結合部位と F6P 結合部位の両方から構成されています。大腸菌PFK1の基質結合に関与すると考えられる残基には、Asp127とArg171があります。^{[ 9 ]} B. stearothermophilus PFK1では、Arg162 残基の正に帯電した側鎖が、F6P の負に帯電したリン酸基と水素結合塩橋を形成し、この相互作用により R 状態が T 状態よりも安定化され、 F6P 結合のホモトロピック効果の一部に関与しています。T 状態では、酵素のコンフォメーションがわずかに変化し、以前 Arg162 が占めていた空間がGlu161に置き換わります。隣接するアミノ酸残基間のこの位置の交換により、F6P が酵素に結合する能力が阻害されます。

AMPやADPなどのアロステリック活性化因子は、アロステリック部位に結合することで、酵素の構造変化を誘導し、R状態の形成を促進する。同様に、ATPやPEPなどの阻害因子は同じアロステリック部位に結合し、T状態の形成を促進することで、酵素活性を阻害する。

炭素1のヒドロキシル酸素はATPのβリン酸に求核攻撃を行う。これらの電子はATPのβリン酸とγリン酸の間の無水物酸素に押し込まれる。^{[ 10 ] [ 11 ]}

PFK1は、哺乳類の解糖経路において最も重要な制御部位である。この段階は、生理的条件下で非常に発エルゴン性であるだけでなく、解糖経路に特有の最初の不可逆反応である決定段階であるため、厳密な制御を受けている。これにより、グルコース、および他の単糖であるガラクトースとフルクトースが解糖経路を下る際の精密な制御が可能となる。この酵素の反応前は、グルコース-6-リン酸はペントースリン酸経路を下るか、グリコーゲン合成のためにグルコース-1-リン酸に変換される可能性がある。

PFK1は高濃度のATPによってアロステリック阻害されるが、AMPはATPの阻害作用を逆転させる。したがって、細胞内のATP/AMP比が低下すると酵素活性が増加する。このように、エネルギーチャージが低下すると解糖が促進される。PFK1は、基質と阻害剤の両方であるATPに対する親和性が異なる2つの部位を持つ。^{[ 3 ]}

PFK1は、ATPの阻害効果を増強する低pHレベルによっても阻害されます。筋肉が嫌気的に機能し、過剰な量の乳酸を生成するとpHが低下します（ただし、乳酸自体がpH低下の原因ではありません^{[ 12 ]}）。この阻害効果は、過剰な酸の蓄積によって生じる損傷から筋肉を保護する役割を果たします。^{[ 3 ]}

最後に、PFK1はPEP 、クエン酸、およびATPによってアロステリックに阻害されます。ホスホエノールピルビン酸は、解糖経路のさらに下流で生成される物質です。クレブス回路の酵素が最大速度に近づくとクエン酸が蓄積しますが、通常の生理的条件下でクエン酸がPFK-1を阻害するのに十分な濃度まで蓄積するかどうかは疑問です。ATP濃度の上昇はエネルギー過剰を示し、PFK1上にアロステリック調節部位を持ち、そこでPFK1の基質に対する親和性を低下させます。

PFK1は高濃度のAMPによってアロステリックに活性化されるが、最も強力な活性化因子はフルクトース2,6-ビスリン酸であり、これはPFK2によってフルクトース-6-リン酸から生成される。したがって、F6Pが豊富にあると、フルクトース2,6-ビスリン酸（F-2,6-BP）の濃度が高くなる。F-2,6-BPの結合により、PFK1のF6Pに対する親和性が高まり、ATPの阻害効果が減少する。これは、グルコースが豊富にあるときに解糖が促進されるフィードフォワード刺激の一例である。^{[ 3 ]}

PFK活性はグルカゴンによる合成抑制によって低下する。グルカゴンはプロテインキナーゼAを活性化し、それがPFK2のキナーゼ活性を遮断する。これによりF6PからのF-2,6-BPの合成が逆転し、PFK1が不活性化される。

PFK1の精密な制御により、解糖と糖新生が同時に起こることは防がれています。しかし、F6PとF-1,6-BPの間では基質循環が起こっています。フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（FBPase）は、F-1,6-BPを加水分解してF6Pに戻す反応を触媒し、その逆反応はPFK1によって触媒されます。解糖中には少量のFBPase活性があり、糖新生中にはいくらかのPFK1活性があります。このサイクルにより、代謝シグナルの増幅とATP加水分解による熱発生が可能になります。

セロトニン（5-HT）は5-HT（2A）受容体に結合することでPFKを増加させ、ホスホリパーゼCを介してPFKのチロシン残基をリン酸化します。これにより、骨格筋細胞内でPFKが再分布します。PFKは解糖系のフラックスを調節するため、セロトニンは解糖系において調節的な役割を果たします^{[ 13 ]。}

ヒトにはホスホフルクトキナーゼ遺伝子が3つ存在する。

• PFKL –肝臓
• PFKM –筋肉
• PFKP –血小板

PFKM遺伝子の遺伝子変異によりタルイ病が発症する。タルイ病はグリコーゲン蓄積症の一種で、特定の細胞型がエネルギー源として炭水化物を利用する能力が損なわれる。 ^{[ 14 ]}

タルイ病は、筋力低下（ミオパチー）や運動誘発性痙攣、ミオグロビン尿（尿中にミオグロビンが存在し、筋肉の破壊を示す）、代償性溶血などの症状を伴うグリコーゲン蓄積症です。ATPは、解糖によるATPの不必要な産生を防ぐために、PFKの天然のアロステリック阻害剤です。しかし、Asp(543)Alaの変異により、ATPの阻害効果が強くなる可能性があります（PFKの阻害性アロステリック結合部位への結合が増加するため）。^{[ 15 ] [ 16 ]}

ホスホフルクトキナーゼ変異と癌：癌細胞は急速な細胞増殖と分裂によるエネルギー要求を満たすために、ホスホフルクトキナーゼ1酵素が過剰に活性化している場合に、より効果的に生存します。^{[ 17 ] [ 18 ]} 癌細胞が急速に増殖および分裂すると、最初は血液供給が十分でないため、低酸素状態（酸素欠乏）になる可能性があり、これがPFKのセリン529のO-GlcNAc化を引き起こします。この修飾はPFK1活性を阻害し、癌の増殖を促進します。これは、高いPFK1活性が癌に必要であるという見解とは対照的です。これは、活性酸素種を解毒するためのNADPHを生成するために、グルコースの流れをペントースリン酸経路に方向転換するためである可能性があります。^{[ 19 ]}

単純ヘルペスウイルス1型とホスホフルクトキナーゼ：HIV、HCMV、マヤロウイルスなどの一部のウイルスは、MOI依存的にPFKの活性を増加させることで、解糖などの細胞代謝経路に影響を与えます。ヘルペスウイルスがPFK活性を増加させるメカニズムは、セリン残基で酵素をリン酸化することです。HSV-1誘導解糖はATP含量を増加させ、これはウイルスの複製に不可欠です。^{[ 20 ]}

• PFK2（フルクトース6-リン酸を1箇所でフルクトース2,6-ビスリン酸に変換するか、または別の箇所でその逆の反応を行う）
• PFP （ ATPではなく無機ピロリン酸を用いて、フルクトース6-リン酸とフルクトース1,6-ビスリン酸を可逆的に相互変換する酵素）
• フルクトースビスホスファターゼ（フルクトース1,6-ビスリン酸を加水分解してフルクトース6-リン酸にする酵素）

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるホスホフルクトキナーゼ-1
• Proteopedia.org ホスホフルクトキナーゼ
• UniProt : P08237 (ATP依存性6-ホスホフルクトキナーゼ、筋肉型)のPDBで利用可能なすべての構造情報の概要( PDBe-KB ) 。
• UniProt : Q01813 (ATP依存性6-ホスホフルクトキナーゼ、血小板型)のPDBで利用可能なすべての構造情報の概要( PDBe-KB ) 。