Введение

Метаболический фермент

Фосфоглюкомутаза – это фермент, который переносит фосфатную группу на α-D-глюкозный мономер с 1-й позиции на 6-ю в прямом направлении или с 6-й позиции на 1-ю в обратном направлении. Более точно, он катализирует взаимопревращение глюкозо-1-фосфата и глюкозо-6-фосфата.

Роль в гликогенолизе

После того как гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролитическое расщепление глюкозильного остатка из полимера гликогена, освободившаяся глюкоза имеет фосфатную группу на первом атоме углерода. Эта молекула глюкозо-1-фосфата сама по себе не является полезным метаболическим промежуточным продуктом, но фосфоглюкомутаза катализирует её превращение в глюкозо-6-фосфат (механизм этой реакции представлен ниже). Метаболическая судьба глюкозо-6-фосфата зависит от потребностей клетки в момент его образования. Если клетке не хватает энергии, глюкозо-6-фосфат будет направляться по гликолитическому пути, в конечном итоге образуя две молекулы аденозинтрифосфата. Если клетке необходимы биосинтетические предшественники, глюкозо-6-фосфат поступает в пентозофосфатный путь, где он подвергается серии реакций с образованием рибоз и/или НАДФН, в зависимости от клеточных условий. Если гликогенолиз происходит в печени, глюкозо-6-фосфат может быть превращен в глюкозу ферментом глюкозо-6-фосфатазой; глюкоза, образованная в печени, затем высвобождается в кровоток для использования другими органами. В отличие от этого, мышечные клетки не содержат фермент глюкозо-6-фосфатазу, поэтому они не могут делиться своими запасами гликогена с остальным организмом.

Роль в гликогенезе

Фосфоглюкомутаза также действует в обратном направлении при высоком уровне глюкозы в крови. В этом случае фосфоглюкомутаза катализирует превращение глюкозо-6-фосфата (который легко образуется из глюкозы под действием гексокиназы) в глюкозо-1-фосфат. Этот глюкозо-1-фосфат затем может реагировать с UTP с образованием UDP-глюкозы в реакции, катализируемой UDP-глюкозопирофосфорилазой. При активации инсулином, гликогенсинтаза присоединяет глюкозу из комплекса UDP-глюкозы к полимеру гликогена.

Механизм реакции

Фосфоглюкомутаза катализирует перенос фосфорильной группы посредством обмена фосфорильной группой с субстратом. Эксперименты с использованием изотопной метки подтвердили, что эта реакция протекает через промежуточное соединение – глюкозо-1,6-бисфосфат. Первый этап прямой реакции – перенос фосфорильной группы от фермента к глюкозо-1-фосфату, в результате чего образуется глюкозо-1,6-бисфосфат и дефосфорилированная форма фермента. Исследования зависимости скорости реакции от концентрации субстрата и эксперименты по индукционному транспорту показали, что дефосфорилированный фермент затем облегчает перенос фосфорильной группы от промежуточного соединения глюкозо-1,6-бисфосфата к ферменту, восстанавливая фосфорилированную фосфоглюкомутазу и образуя глюкозо-6-фосфат (в прямом направлении). Последующие структурные исследования подтвердили, что единственным участком в ферменте, подвергающимся фосфорилированию и дефосфорилированию, является атом кислорода серинового остатка в активном центре (см. схему ниже). Для ферментативной активности необходим двухвалентный ион металла, обычно магний или кадмий, который, как было показано, непосредственно образует комплекс с фосфорильной группой, этерифицированной с серином активного центра. Образование промежуточного соединения глюкозо-1,6-бисфосфата аналогично взаимопревращению 2-фосфоглицерата и 3-фосфоглицерата, катализируемому фосфоглицератмутазой, в ходе которого в качестве промежуточного продукта образуется 2,3-бисфосфоглицерат.

Структура

В то время как фосфоглюкомутаза мышц кролика долгое время служила прототипом для изучения структуры этого фермента, более новые кристаллические структуры, полученные из бактерий, демонстрируют многие из тех же ключевых характеристик. Каждый мономер фосфоглюкомутазы можно разделить на четыре домена последовательности, I–IV, исходя из естественной пространственной конфигурации фермента (см. изображение справа). Каждый мономер состоит из четырех различных структурных единиц α/β, каждая из которых содержит одну из четырех цепей β-листа данного мономера и образована исключительно аминокислотными остатками из определенного домена последовательности (см. изображение справа).

Отношение к заболеванию

В мышцах человека содержится два изоэнзима фосфоглюкомутазы с почти идентичными каталитическими свойствами, PGM I и PGM II. У некоторых людей одна из этих форм отсутствует от рождения. Дефицит PGM1 известен как PGM1 CDG или синдром CDG типа 1t (CDG1T), ранее известный как болезнь накопления гликогена типа 14 (GSD XIV). Это заболевание является одновременно гликогенозом и врожденным нарушением гликозилирования, а также метаболической миопатией и врожденной ошибкой углеводного обмена. Дефицит ПГМ – это крайне редкое состояние, для которого не существует четко определенных физиологических симптомов. Диагностировать это состояние можно с помощью исследования анаэробного гликолиза in vitro, которое выявляет блокаду пути к образованию молочной кислоты после глюкозо-1-фосфата, но до глюкозо-6-фосфата. Выделяют две формы PGM1 CDG: 1) исключительно миогенная, и 2) мультисистемная (с поражением мышц и других органов). Хотя фенотип и тяжесть заболевания сильно варьируются, распространенными симптомами являются: непереносимость физических нагрузок, гипераммониемия, индуцированная физическими упражнениями, аномальное накопление гликогена в биоптате мышцы, повышенный уровень КФК в сыворотке крови, аномальный уровень трансферрина в сыворотке крови (потеря полных N-гликанов), низкий рост, волчья пасть, двудольная мягкая нёбо и гепатопатия. В состоянии покоя мышечные клетки используют глюкозу крови и свободные жирные кислоты; при физической нагрузке необходим мышечный гликоген в дополнение к глюкозе крови и свободным жирным кислотам. Зависимость от мышечного гликогена возрастает при интенсивных аэробных и всех анаэробных упражнениях. Эти исследования показали, что при прекращении упражнений или при достаточном образовании АТФ из других источников (например, свободных жирных кислот) резерв АТФ нормализуется, а накопление АМФ и других нуклеотидов превращается в нуклеозиды и покидает мышечную клетку, преобразуясь в мочевую кислоту, что известно как миогенная гиперурикемия. АМФ → ИМФ → Инозин → Гипоксантин → Ксантин → Мочевая кислота. К сожалению, в исследованиях PGM1 CDG анализировали только уровень аммиака и лактата в сыворотке крови, поэтому на данный момент неизвестно, развивается ли миогенная гиперурикемия у пациентов с PGM1 CDG.