磷酸甘油酸激酶 英文名：Phosphoglycerate kinase，簡稱 PGK（ PGK 1 是一種酶，可催化磷酸基團從 13 二磷酸甘油酸 13BPG 到 ADP 的可逆轉移，產生 3 磷酸甘油酸 3PG 和 ATP ： 13 二磷酸甘油酸 ADP 3 磷酸甘油酸 ATP 與所有激酶一樣，它是一種轉移酶。 PGK 是糖酵解中使用的主要酶，位於糖酵解途徑的第一個 ATP 生成步驟中。 在糖異生中，PGK 催化的反應向相反方向進行，生成 ADP 和 13BPG。 在人類中，迄今為止已鑑定出兩種 PGK 同工酶： PGK1 和 PGK2。 這些同工酶具有 8788 相同的氨基酸序列同一性，儘管它們在結構和功能上相似，但它們具有不同的定位：PGK2 由常染色體基因編碼，是減數分裂和減數分裂後生精細胞所獨有的，而 PGK1 在 X 上編碼 染色體，在所有細胞中普遍表達。 Chiarelli LR Morera SM Bianchi P Fermo E Zanella A Galizzi A Valentini G 2012 Molecular insights on pathogenic effects of mutations causing phosphoglycerate kinase deficiency PLOS ONE 7 2 e32065 Bibcode2012PLoSO732065C doi101371journalpone0032065 PMC 3279470 PMID 22348148 生物學功能 PGK 作為糖酵解中兩種 ATP 生成酶之一存在於所有生物體中。 在糖異生途徑中，PGK 催化逆反應。 在生化標準條件下，有利於糖酵解方向。 在光合生物的卡爾文迴圈中，PGK 催化 3PG 磷酸化，產生 13BPG 和 ADP，作為再生 15 二磷酸核酮糖反應的一部分。 據報道，PGK 對纖溶酶表現出硫醇還原酶活性，導致血管抑制素形成，從而抑制血管生成和腫瘤生長。 該酶還被證明參與哺乳動物細胞核中的 DNA 複製和修復。 Lay AJ Jiang XM Kisker O Flynn E Underwood A Condron R Hogg PJ December 2000 Phosphoglycerate kinase acts in tumour angiogenesis as a disulphide reductase Nature 408 6814 86973 Bibcode2000Natur408869L doi10103835048596 PMID 11130727 S2CID 4340557 人類同工酶 PGK2 僅在精子發生過程中表達，已被證明對小鼠精子功能至關重要。 Danshina PV Geyer CB Dai Q Goulding EH Willis WD Kitto GB McCarrey JR Eddy EM OBrien DA January 2010 Phosphoglycerate kinase 2 PGK2 is essential for sperm function and male fertility in mice Biology of Reproduction 82 1 13645 doi101095biolreprod109079699 PMC 2802118 PMID 19759366 結構 概述 PGK 存在於所有生物體中，其序列在整個進化過程中高度保守。 該酶以 415 個殘基單體形式存在，包含兩個幾乎相等大小的結構域，分別對應於蛋白質的 N 端和 C 端。 Dhar A Samiotakis A Ebbinghaus S Nienhaus L Homouz D Gruebele M Cheung MS October 2010 Structure function and folding of phosphoglycerate kinase are strongly perturbed by macromolecular crowding Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 41 1758691 Bibcode2010PNAS10717586D doi101073pnas1006760107 PMC 2955104 PMID 20921368 3 磷酸甘油酸 3PG 與 N 端結合，而核苷酸底物 MgATP 或 MgADP 與酶的 C 端結構域結合。 這種擴充套件的兩域結構與大規模的 鉸鏈彎曲 構象變化相關，類似於己糖激酶中發現的變化。 Kumar S Ma B Tsai CJ Wolfson H Nussinov R 1999 Folding funnels and conformational transitions via hingebending motions Cell Biochemistry and Biophysics 31 2 14164 doi101007BF02738169 PMID 10593256 S2CID 41924983 該蛋白質的兩個結構域被裂縫分開並由兩個 α 螺旋連線。 每個結構域的核心是一個被 α 螺旋包圍的 6 鏈平行 β 片層。 這兩個葉能夠獨立摺疊，這與摺疊路徑上存在單個結構域摺疊的中間體一致。 Yon JM Desmadril M Betton JM Minard P Ballery N Missiakas D GaillardMiran S Perahia D Mouawad L 1990 Flexibility and folding of phosphoglycerate kinase Biochimie 72 67 41729 doi10101603009084 90 90066p PMID 2124145 Zerrad L Merli A Schröder GF Varga A Gráczer É Pernot P Round A Vas M Bowler MW April 2011 A springloaded release mechanism regulates domain movement and catalysis in phosphoglycerate kinase The Journal of Biological Chemistry 286 16 140408 doi101074jbcM110206813 PMC 3077604 PMID 21349853 儘管任一底物的結合都會引發構象變化，但只有透過兩種底物的結合才會發生結構域閉合，從而導致磷酸基團的轉移。 該酶傾向於以開放構象存在，具有短時間的閉合和催化作用，這允許底物和產物透過結合位點快速擴散； PGK 的開放構象由於結構域閉合時蛋白質疏水區域的暴露而更加構象穩定。 鎂的作用 鎂離子通常與 PGK 的核苷酸底物磷酸基團絡合。 眾所周知，在沒有鎂的情況下，不會發生酶活性。 Varga A Palmai Z Gugolya Z Gráczer É Vonderviszt F Závodszky P Balog E Vas M December 2012 Importance of aspartate residues in balancing the flexibility and finetuning the catalysis of human 3phosphoglycerate kinase Biochemistry 51 51 10197207 doi101021bi301194t PMID 23231058 二價金屬協助酶配體遮蔽結合的磷酸基團的負電荷，從而發生親核攻擊；這種電荷穩定是磷酸轉移反應的典型特徵。 Cliff MJ Bowler MW Varga A Marston JP Szabó J Hounslow AM Baxter NJ Blackburn GM Vas M Waltho JP May 2010 Transition state analogue structures of human phosphoglycerate kinase establish the importance of charge balance in catalysis Journal of the American Chemical Society 132 18 650716 doi101021ja100974t PMID 20397725 據推測，當 PGK 結合兩種底物時，離子也可能促進結構域閉合。 疾病相關性 磷酸甘油酸激酶 PGK 缺陷是一種 X 連鎖隱性遺傳特徵，與人類溶血性貧血、精神障礙和肌病相關， Yoshida A Tani K 1983 Phosphoglycerate kinase abnormalities functional structural and genomic aspects Biomedica Biochimica Acta 42 1112 S2637 PMID 6689547 Beutler E January 2007 PGK deficiency British Journal of Haematology 136 1 311 doi101111j13652141200606351x PMID 17222195 S2CID 21111736 根據形式 存在溶血形式和肌病形式。 由於該性狀是 X 連鎖的，因此通常在具有一條 X 染色體的男性中完全表達；受影響的女性通常無症狀。 這種情況是由 Pgk1（編碼 PGK1 的基因）突變引起的，目前已發現 20 種突變。 在分子水平上，Pgk1 的突變會損害熱穩定性並抑制酶的催化活性。 PGK 是直接糖酵解途徑中唯一由 X 連鎖基因編碼的酶。 在溶血性貧血的情況下，紅細胞中會出現 PGK 缺乏。 目前，尚無針對 PGK 缺乏症的明確治療方法。 Rhodes M Ashford L Manes B Calder C Domm J Frangoul H February 2011 Bone marrow transplantation in phosphoglycerate kinase PGK deficiency British Journal of Haematology 152 4 5002 doi101111j13652141201008474x PMID 21223252 S2CID 37605904 PGK1 過度表達與胃癌有關，並且已發現其在體外會增加胃癌細胞的侵襲性。 Zieker D Königsrainer I Tritschler I Löffler M Beckert S Traub F Nieselt K Bühler S Weller M Gaedcke J Taichman RS Northoff H Brücher BL Königsrainer A March 2010 Phosphoglycerate kinase 1 a promoting enzyme for peritoneal dissemination in gastric cancer International Journal of Cancer 126 6 151320 doi101002ijc24835 PMC 2811232 PMID 19688824 該酶由腫瘤細胞分泌，參與血管生成過程，導致血管抑制素的釋放，抑制腫瘤血管生長。 由於其對核苷酸底物的廣泛特異性，已知 PGK 參與基於核苷酸的 HIV 抗逆轉錄病毒藥物的磷酸化和啟用。 Varga A Chaloin L Sági G Sendula R Gráczer E Liliom K Závodszky P Lionne C Vas M June 2011 Nucleotide promiscuity of 3phosphoglycerate kinase is in focus implications for the design of better antiHIV analogues Molecular BioSystems 7 6 186373 doi101039c1mb05051f PMID 21505655 GalloisMontbrun S Faraj A Seclaman E Sommadossi JP DevilleBonne D Véron M November 2004 Broad specificity of human phosphoglycerate kinase for antiviral nucleoside analogs Biochemical Pharmacology 68 9 174956 doi101016jbcp200406012 PMID 15450940 作用機制 沒有任何底物結合，PGK 以 開放 構象存在。 當丙糖和核苷酸底物分別與 N 端和 C 端結構域結合後，會發生廣泛的鉸鏈彎曲運動，使結構域及其結合的底物非常接近並導致 閉合 構象。 Banks R D Blake C C F Evans P R Haser R Rice D W Hardy G W Merrett M Phillips A W 28 June 1979 Sequence structure and activity of phosphoglycerate kinase a possible hingebending enzyme Nature 279 5716 773777 Bibcode1979Natur279773B doi101038279773a0 PMID 450128 S2CID 4321999 然後，在正向糖酵解反應的情況下，ADP 的 β 磷酸鹽引發對 13BPG 的 1 磷酸鹽的親核攻擊。 酶上的 Lys219 將磷酸基團引導至底物。 PGK 透過電荷穩定的過渡態進行，該過渡態有利於封閉酶中結合底物的排列，因為在過渡態中，所有三個磷酸氧都被配體穩定，而不是在初始結合態中只有兩個穩定的氧。 Bernstein BE Hol WG March 1998 Crystal structures of substrates and products bound to the phosphoglycerate kinase active site reveal the catalytic mechanism Biochemistry 37 13 442936 doi101021bi9724117 PMID 9521762 在糖酵解途徑中， 13BPG 是磷酸鹽供體，具有較高的磷醯基轉移潛力。 PGK 催化磷酸基團從 13BPG 轉移到 ADP，ATP 需要澄清 前面的糖酵解步驟的碳氧化反應（將甘油醛 3 磷酸轉化為 3 磷酸甘油酸）。 需要引用 人類同工酶 Category 位於人類 X 染色體的基因 Category 位於 6 號人類染色體的基因 參考文獻 category 酶 category 糖酵解