فوسفوفروكتوكيناز 2

إنزيم فوسفوفروكتوكيناز-2 ( 6-فوسفوفروكتو-2-كيناز ، PFK-2 ) أو فركتوز ثنائي الفوسفاتاز-2 ( FBPase-2 ) هو إنزيم مسؤول بشكل غير مباشر عن تنظيم معدلات تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز في الخلايا. يحفز هذا الإنزيم تكوين وتحلل منظم ألوستيري هام، وهو فركتوز-2،6-ثنائي الفوسفات (Fru-2,6-P2 ₎ ، انطلاقًا من الركيزة فركتوز-6-فوسفات . يساهم Fru-2,6-P2 _في الخطوة المحددة لمعدل تحلل الجلوكوز، حيث ينشط إنزيم فوسفوفروكتوكيناز 1 في مسار تحلل الجلوكوز، ويثبط فركتوز-1،6-ثنائي الفوسفاتاز 1 في عملية تكوين الجلوكوز. ^{[ 1 ]} بما أن فركتوز-2،6-ثنائي الفوسفات (Fru-2,6-P2 ₎ ينظم بشكل تفاضلي تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز، فإنه يعمل كإشارة رئيسية للتبديل بين المسارين المتضادين. ^{[ 1 ]} ولأن إنزيم فوسفوفروكتوكيناز-2 (PFK-2) ينتج فركتوز-2،6-ثنائي الفوسفات (Fru-2,6-P2 ₎ استجابةً للإشارات الهرمونية، يمكن التحكم في عملية الأيض بشكل أكثر حساسية وكفاءة لتتوافق مع احتياجات الكائن الحي من تحلل الجلوكوز. [2] يشارك هذا الإنزيم في استقلاب الفركتوز والمانوز. ويُعد هذا الإنزيم مهمًا في تنظيم استقلاب ^{الكربوهيدرات في الكبد} ، ويوجد بكميات كبيرة في الكبد والكلى والقلب . في الثدييات ، غالبًا ما تشفر عدة جينات أشكالًا متماثلة مختلفة، يختلف كل منها في توزيعه النسيجي ونشاطه الإنزيمي . ^{[ 3 ]} تشبه العائلة الموصوفة هنا إنزيمات فوسفوفروكتوكيناز التي تعمل بالطاقة المستمدة من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP ) . ومع ذلك، فإن تسلسلها لا يتشابه كثيراً ، على الرغم من أن بعض البقايا تبدو أساسية لتفاعلها مع فركتوز 6-فوسفات . ^{[ 4 ]}

يُعرف إنزيم PFK-2 باسم "الإنزيم ثنائي الوظيفة" نظرًا لبنيته المميزة: فعلى الرغم من وجود نطاقيه على نفس البروتين المتجانس ، إلا أنهما يعملان كإنزيمين مستقلين. ^{[ 5 ]} يعمل أحد طرفيه كنطاق كيناز (لإنزيم PFK-2)، بينما يعمل الطرف الآخر كنطاق فوسفاتاز (لإنزيم FBPase-2). ^{[ 6 ]}

في الثدييات، تشفر الآليات الجينية أشكالًا مختلفة من إنزيم فوسفوفركتوكيناز-2 (PFK-2) لتلبية احتياجات الأنسجة المختلفة. وبينما تبقى الوظيفة العامة كما هي، تتميز الأشكال المختلفة باختلافات طفيفة في الخصائص الإنزيمية، وتخضع لأساليب تنظيمية مختلفة؛ وسيتم مناقشة هذه الاختلافات لاحقًا. ^{[ 7 ]}

تنقسم وحدات البروتين ثنائي الوظيفة بوضوح إلى نطاقين وظيفيين. يقع نطاق الكيناز في الطرف الأميني (N-terminal). ^{[ 8 ]} ويتكون من صفيحة بيتا مركزية سداسية الخيوط، بخمسة خيوط متوازية وخيط طرفي مضاد للتوازي، محاطة بسبعة حلزونات ألفا (α-helics). ^{[ 6 ]} يحتوي هذا النطاق على طية ربط النيوكليوتيدات (nbf) في الطرف الكربوكسيلي (C-terminal) للخيط بيتا الأول. ^{[ 9 ]} ويبدو أن نطاق PFK-2 وثيق الصلة بعائلة البروتينات الرابطة للنيوكليوتيدات الأحادية، بما في ذلك أدينيلات سيكلاز . ^{[ 10 ]}

من جهة أخرى، يقع نطاق الفوسفاتاز في الطرف الكربوكسيلي. ^{[ 11 ]} وهو يُشبه عائلة البروتينات التي تشمل ميوتيزات الفوسفوجليسيرات والفوسفاتازات الحمضية. ^{[ 10 ] [ 12 ]} يتميز هذا النطاق ببنية مختلطة من نوع ألفا/بيتا، مع صفيحة بيتا مركزية سداسية الخيوط، بالإضافة إلى نطاق فرعي حلزوني ألفا إضافي يُغطي الموقع النشط المفترض للجزيء. ^{[ 6 ]} وأخيرًا، تُعدّل المنطقة الطرفية الأمينية نشاطي PFK-2 وFBPase2، وتُثبّت شكل ثنائي الوحدات للإنزيم. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

على الرغم من أن هذا النواة التحفيزية المركزية تبقى محفوظة في جميع أشكال إنزيم فوسفوفركتوكيناز-2 (PFK-2)، إلا أن هناك اختلافات هيكلية طفيفة بين الأشكال المتماثلة نتيجة لاختلاف تسلسل الأحماض الأمينية أو التضفير البديل. ^{[ 14 ]} وباستثناءات قليلة، يبلغ حجم إنزيمات PFK-2 عادةً حوالي 55 كيلو دالتون. ^{[ 1 ]}

يفترض الباحثون أن البنية ثنائية الوظيفة الفريدة لهذا الإنزيم نشأت من حدث اندماج جيني بين إنزيم PFK-1 بكتيري بدائي وإنزيم ميوتيز/فوسفاتاز بدائي. ^{[ 15 ]}

تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذا الإنزيم في تصنيع أو تحلل منظم التحلل الفراغي Fru-2,6-P ₂ استجابةً لاحتياجات التحلل السكري للخلية أو الكائن الحي، كما هو موضح في الرسم التخطيطي المصاحب.

في علم الإنزيمات ، يُعد إنزيم 6-فوسفوفروكتو-2-كيناز ( EC 2.7.1.105 ) إنزيمًا يحفز التفاعل الكيميائي التالي :

ATP + بيتا-د-فركتوز 6-فوسفات${\displaystyle \rightleftharpoons }$ADP + بيتا-D-فركتوز 2،6-ثنائي الفوسفات ^{[ 16 ]}

وبالتالي، يقوم نطاق الكيناز بتحليل ATP لفسفرة ذرة الكربون رقم 2 في فركتوز-6-فوسفات، منتجًا Fru-2,6-P ₂ و ADP _. ويتشكل وسيط فوسفوهيستيدين خلال التفاعل. ^{[ 17 ]}

في الطرف الآخر، يقوم نطاق فوسفاتاز الفركتوز-2،6-ثنائي الفوسفات 2 ( EC 3.1.3.46 ) بإزالة الفوسفات من Fru-2,6-P ₂ بإضافة الماء. هذا التفاعل الكيميائي المعاكس هو:

بيتا-د-فركتوز 2،6-ثنائي الفوسفات + _H₂O${\displaystyle \rightleftharpoons }$ د-فركتوز 6-فوسفات + فوسفات ^{[ 18 ]}

نظراً لوظائف الإنزيم المزدوجة، يمكن تصنيفه إلى عدة عائلات. فمن خلال تصنيفه وفقاً لتفاعل الكيناز، ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة الترانسفيرازات ، وتحديداً تلك التي تنقل مجموعات الفوسفور ( فوسفوتراسفيرازات ) باستخدام مجموعة كحولية كمستقبل. ^{[ 16 ]} من ناحية أخرى، يُعد تفاعل الفوسفاتاز سمة مميزة لعائلة الهيدرولازات ، وتحديداً تلك التي تعمل على روابط أحادي إستر الفوسفور . ^{[ 18 ]}

في جميع الأشكال المتغايرة تقريبًا، يخضع إنزيم فوسفوفروكتوكيناز-2 (PFK-2) لتعديل تساهمي عبر الفسفرة/إزالة الفسفرة بناءً على الإشارات الهرمونية للخلية. قد تؤدي فسفرة بقايا محددة إلى تغيير يُثبّت وظيفة نطاق الكيناز أو الفوسفاتاز. وبالتالي، تتحكم إشارة التنظيم هذه في ما إذا كان سيتم تصنيع أو تحلل F-2,6- _{P2 .} ^{[ 19 ]}

علاوة على ذلك، فإن التنظيم التآزري لإنزيم فوسفوفروكتوكيناز 2 (PFK2) مشابه جدًا لتنظيم إنزيم فوسفوفروكتوكيناز 1 ( PFK1 ) . ^{[ 20 ]} تشير المستويات العالية من الأدينوسين أحادي الفوسفات ( AMP ) أو مجموعة الفوسفات إلى حالة شحنة منخفضة الطاقة، وبالتالي تحفز إنزيم PFK2. من ناحية أخرى، يشير التركيز العالي للفوسفينول بيروفات (PEP) والسترات إلى وجود مستوى عالٍ من السلائف الحيوية، وبالتالي يثبط إنزيم PFK2. على عكس إنزيم PFK1، لا يتأثر إنزيم PFK2 بتركيز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). ^{[ 21 ]}

الإنزيمات المتماثلة هي إنزيمات تحفز نفس التفاعل ولكنها مشفرة بتسلسلات أحماض أمينية مختلفة، وبالتالي، تظهر اختلافات طفيفة في خصائص البروتين. في البشر، تشمل الجينات الأربعة التي تشفر بروتينات فوسفوفركتوكيناز 2: PFKFB-1 و PFKFB2 و PFKFB3 و PFKFB4 . ^{[ 5 ]}

تم الإبلاغ حتى الآن عن العديد من الأشكال المتغايرة للبروتين في الثدييات، وينشأ الاختلاف إما عن طريق نسخ إنزيمات مختلفة أو التضفير البديل. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} في حين أن البنية الأساسية التي تحفز تفاعل PFK-2/FBPase-2 محفوظة بشكل كبير بين الأشكال المتغايرة، فإن الاختلافات الرئيسية تنشأ من تسلسلات جانبية شديدة التباين في نهايتي الأمين والكربوكسيل للأشكال المتغايرة. ^{[ 14 ]} ولأن هذه المناطق غالبًا ما تحتوي على مواقع فسفرة، فإن التغييرات في تركيب الأحماض الأمينية أو طول النهاية قد تؤدي إلى حركية وخصائص إنزيمية مختلفة تمامًا. ^{[ 1 ] [ 14 ]} يختلف كل متغير في نسيج التعبير الأساسي، والاستجابة لتنظيم بروتين كيناز، ونسبة نشاط نطاق الكيناز/الفوسفاتاز. ^{[ 25 ]} في حين أنه قد تتكون أنواع متعددة من الإنزيمات المتغايرة في نسيج واحد، يتم تحديد الإنزيمات المتغايرة من خلال تعبيرها النسيجي الأساسي ونسيج اكتشافها أدناه. ^{[ 26 ]}

PFKB1: الكبد والعضلات والجنين

يقع هذا الجين على الكروموسوم X، وهو الأكثر شهرةً بين الجينات الأربعة، لا سيما لأنه يُشفّر إنزيم الكبد الذي خضع لدراسات مكثفة. ^{[ 22 ]} ينتج عن التضفير المتغير للرنا المرسال لجين PFKB1 ثلاثة محفزات مختلفة (L وM وF)، وبالتالي ثلاثة متغيرات خاصة بالأنسجة تختلف في تنظيمها: ^{[ 27 ]}

• النوع L: نسيج الكبد
  • ينشط الأنسولين وظيفة إنزيم فوسفوفروكتوكيناز-2 (PFK-2) في الكبد، مما يشير إلى وفرة جلوكوز الدم المتاح لعملية تحلل الجلوكوز. ينشط الأنسولين فوسفاتاز البروتين الذي يزيل الفوسفات من مركب PFK-2، مما يؤدي إلى زيادة نشاط PFK-2. بعد ذلك، يزيد PFK-2 من إنتاج 2،6-ثنائي فوسفات الفركتوز (F-2,6-P2 ₎ . وبما أن هذا الناتج ينشط PFK-1 بشكل غير مباشر، فإنه ينشط عملية تحلل الجلوكوز ويمنع استحداث الجلوكوز. ^{[ 28 ]}
  • على النقيض، يزيد الجلوكاجون من نشاط إنزيم FBPase-2. عند انخفاض تركيز الجلوكوز في الدم، يُحفز الجلوكاجون سلسلة من إشارات cAMP ، وبدوره، يقوم بروتين كيناز A (PKA) بفسفرة السيرين 32 بالقرب من الطرف الأميني. يُعطل هذا قدرة الإنزيم ثنائي الوظيفة على العمل ككيناز، ويُثبت نشاط الفوسفاتاز. بالتالي، يُقلل الجلوكاجون من تركيز F-2,6-P2 _، ويُبطئ معدلات تحلل الجلوكوز، ويُحفز مسار استحداث الجلوكوز. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

• النوع M: نسيج العضلات الهيكلية؛ النوع F: الخلايا الليفية ونسيج الجنين ^{[ 31 ]}
  • على عكس معظم أنسجة PFK-2 الأخرى، فإن PFK-2 في كل من العضلات الهيكلية والأنسجة الجنينية يُنظَّم حصراً بواسطة تركيزات فركتوز-6-فوسفات. لا توجد في الإكسون الأول مواقع تنظيمية تتطلب الفسفرة/إزالة الفسفرة لإحداث تغيير في الوظيفة. تعمل التركيزات العالية من فركتوز-6-فوسفات على تنشيط وظيفة الكيناز وزيادة معدلات تحلل الجلوكوز، بينما تعمل التركيزات المنخفضة من فركتوز-6-فوسفات على تثبيت عمل الفوسفاتاز. ^{[ 27 ]}

PFKB3: الدماغ، والمشيمة، والتحفيز

يقع جين PFKB3 على الكروموسوم 10، وينتج عنه شكلان رئيسيان من البروتين: الشكل القابل للتحفيز والشكل الموجود في كل مكان. ^{[ 34 ]} يختلف هذان الشكلان في عملية التضفير البديل للإكسون 15 في نهايتهما الكربوكسيلية. ^{[ 35 ]} ومع ذلك، فهما متشابهان في أن الجلوكاجون يُنشّط مسار AMP الحلقي في كليهما؛ مما يؤدي إلى قيام بروتين كيناز A، أو بروتين كيناز C، أو بروتين كيناز المُنشّط بواسطة AMP، بفسفرة بقايا تنظيمية على سيرين 461 في النهاية الكربوكسيلية لتثبيت وظيفة كيناز PFK-2. ^{[ 36 ]} علاوة على ذلك، يتميز كلا الشكلين المتماثلين المنسوخين من هذا الجين بمعدل نشاط كيناز مرتفع ومهيمن بشكل خاص، كما يتضح من نسبة نشاط الكيناز/الفوسفاتاز البالغة 700 (بينما تبلغ نسب PFK-2/FBPase-2 في نظائر الكبد والقلب والخصية 1.5 و80 و4 على التوالي). ^{[ 37 ]} لذلك، ينتج PFKB3 على وجه الخصوص كميات كبيرة من F-2,6-P2 _ويحافظ على معدلات عالية من تحلل الجلوكوز. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

• النوع الأول: قابل للتحريض
  • يُعزى اسم هذا النظير البروتيني إلى زيادة تعبيره استجابةً للإجهاد الناتج عن نقص الأكسجين؛ إذ يُحفز تكوينه نقص الأكسجين. ويُعبر عن هذا النوع بكثرة في الخلايا سريعة التكاثر، وخاصة الخلايا السرطانية. ^{[ 39 ]}
• النوع U: موجود في كل مكان؛ ^{[ 40 ]} يُعرف أيضًا باسم المشيمي ^{[ 41 ]} أو الدماغي ^{[ 42 ] [ 43 ]}
  • على الرغم من اكتشافها بشكل منفصل في أنسجة المشيمة، وجزر بيتا البنكرياسية، والدماغ، إلا أن الأشكال المتغايرة المختلفة تبدو متطابقة. ^{[ 21 ]} تتطلب جميع الأنسجة التي اكتُشفت فيها طاقة كبيرة للعمل، مما قد يفسر ميزة PFKB3 المتمثلة في نسبة نشاط الكيناز إلى الفوسفاتاز العالية. ^{[ 37 ] [ 44 ]}
  • يحتوي النظير الدماغي على وجه الخصوص على مناطق طرفية N و C طويلة بحيث يكون هذا النوع أكبر بمرتين تقريبًا من PFK-2 النموذجي، حيث يبلغ وزنه حوالي 110 كيلو دالتون. ^{[ 45 ]}

PFKB4: الخصية (النوع T)

يُعبِّر الجين PFKB4، الموجود على الكروموسوم 3، عن إنزيم PFK-2 في أنسجة الخصية البشرية. ^{[ 46 ]} وتُشابه إنزيمات PFK-2 المُشفَّرة بواسطة الجين PFK-4 في حجمها إنزيم الكبد، إذ يبلغ وزنها الجزيئي حوالي 54 كيلو دالتون، ومثل أنسجة العضلات، لا تحتوي على موقع فسفرة لبروتين كيناز. ^{[ 40 ]} ورغم أن الأبحاث التي تُوضِّح آليات تنظيم هذا النظير البروتيني لا تزال قليلة، فقد أكدت الدراسات أن تعديلًا من عوامل نسخ متعددة في المنطقة المجاورة 5' يُنظِّم كمية التعبير عن PFK-2 في أنسجة الخصية النامية. ^{[ 26 ]} وقد رُبط هذا النظير البروتيني تحديدًا بتعديله وزيادة تعبيره بشكل مفرط لبقاء خلايا سرطان البروستاتا. ^{[ 47 ]}

نظرًا لأن هذه العائلة من الإنزيمات تحافظ على معدلات تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز، فإنها تُظهر إمكانات كبيرة للاستخدام العلاجي في التحكم في عمليات الأيض، لا سيما في داء السكري والخلايا السرطانية. ^{[ 6 ] [ 25 ]} كما تُظهر البيانات أن جميع جينات PFK-2 (على الرغم من أن استجابة جين PFKB3 تظل الأكثر وضوحًا) يتم تنشيطها عند نقص الأكسجين. ^{[ 48 ]} وقد وُجد أن التحكم في نشاط PFK-2/FBP-ase2 مرتبط بوظائف القلب، وخاصة في حالات نقص التروية ، والتحكم في نقص الأكسجة . ^{[ 49 ]} يفترض الباحثون أن هذه الخاصية الاستجابية لجينات PFK-2 قد تكون تكيفًا فسيولوجيًا قويًا تطوريًا. ^{[ 48 ]} ومع ذلك، تُظهر العديد من أنواع الخلايا السرطانية البشرية (بما في ذلك سرطان الدم، وسرطان الرئة، وسرطان الثدي، وسرطان القولون، وسرطان البنكرياس، وسرطان المبيض) فرطًا في التعبير عن PFK3 و/أو PFK4؛ ومن المرجح أن يلعب هذا التغير في الأيض دورًا في تأثير واربورغ . ^{[ 25 ] [ 50 ]}

وأخيرًا، يرتبط جين Pfkfb2 الذي يرمز لبروتين PFK2/FBPase2 بالاستعداد للإصابة بالفصام . ^{[ 51 ]}

• فان شافتينجن إي، هيرس إتش جي (1981). "فوسفوفروكتوكيناز 2: الإنزيم الذي يُكوّن فركتوز 2،6-ثنائي الفوسفات من فركتوز 6-فوسفات وATP". مجلة بحوث الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية ، 101 (3): 1078-1084 . رمز Bibcode : 1981BBRC..101.1078S . doi : 10.1016/0006-291X(81)91859-3 . PMID 6458291 . 

• إنزيم الفركتوز + 2,6-بيسفوسفاتاز في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• إنزيم 6-فوسفوفروكتوكيناز من نبات رشاد أذن الفأر (Arabidopsis thaliana) موجود على موقع genome.jp

تتضمن هذه المقالة نصًا من Pfam و InterPro IPR013079، وكلاهما من الملكية العامة.