ホスホフルクトキナーゼ, phosphofructokinase, PFK
- 概要: PFK とは
- アイソフォーム
- PFK の活性制御
- PFK の構造
- PFK の変異による病気
- 垂井病
- ガン
- PFK ノックアウトマウス
概要: PFK とは
ホスホフルクトキナーゼ（PFK, phosphofructokinase）は，解糖系 glycolysis の第 3 段階の反応を触媒する酵素である。フルクトース6-リン酸 から フルクトース1,6-二リン酸を合成する。
- ここは解糖系でも少ない不可逆反応で，解糖の重要なコントロールポイントの一つである。
- 10 以上の代謝産物によるアロステリック制御 を受けており，また多くのホルモンでも活性が制御される（1）。 これによって，解糖フラックスの厳密な制御が可能になっている。
アイソフォーム
PFK (PFK1) のアイソフォーム
ヒトの PFK には筋肉 muscle，肝臓 liver，血小板 platelet 型の 3 つがあり，それぞれ PFKM, PFKL, PFKP と呼ばれる（1I）。 PFKP は，繊維芽細胞 fibroblast タイプとみなされて PFKF と呼ばれることもある（2I）。 また，齧歯類では P ではなく C-type という言葉が使われる。
それぞれの組織における発現は完全に exclusive なわけではなく，複雑である。
通常の場合，これらが単に PFK と呼ばれるが，以下に述べる PFK2 と対比する場合には PFK1 という場合もある。
> 哺乳類では，成体の筋肉は M-type のみを発現する（2I）。
> 哺乳類では，成体の肝臓は主に L-type を発現する（2I）。
> 哺乳類では，その他の組織は M, L, P タイプを全て発現，ホモダイマーとヘテロダイマーが混在する（2I）。
PFK2
PFK 2 は，kinase domain と phosphatase domain が含まれる奇妙なタンパク質である（3）。構造は右図（4）。
Kinase domain（シアン）は，解糖系の中間体である F6P をリン酸化し，fructose-2,6-bisphosphate (F-2,6-BP) を作り出す。
F-2,6-BP は PFK を活性化し，解糖フラックスを増大させる。
Phosphatase domain（緑）は F-2,6-BP を脱リン酸化し，F6P に戻す。
PFK の活性制御
PFK が触媒する反応は，解糖系の律速段階として様々な分子による調節を受ける。筋肉では，エネルギー産生の制御を目的とした方向の変化を示すが，肝臓ではさらに複雑である（3）。解糖には，さまざまな生体分子を合成するための carbon skeleton を供給するという役割もあるため，肝臓ではこれに応じた制御も受けている。
PFK を活性化するもの
- cAMP
- AMP
- ADP
- フルクトース-1,6-二リン酸（筋肉）
- フルクトース-2,6-二リン酸（PFK を活性化するとともに，糖新生酵素 fructose 1,6-bisphosphatase を阻害する）
PFK の活性を抑制するもの
- クエン酸 citrate（肝臓）
- ATP（筋肉，肝臓）
- プロトン（筋肉）
- 長鎖脂肪酸
ATP, ADP, AMP による制御
これの意味するところは分かりやすい。
> 筋肉では ATP で不活性化，ADP および AMP で活性化（3）。
: ATP が少なくなると，解糖を促進してこれを作り出そうとする。
プロトン (pH)
> 筋肉では，pH が低下すると PFK の活性も低下する（3）。
: pH が低い状態とは，過剰な運動で乳酸 lactate が作られている状態と考えられる。これにブレーキをかける。
> 肝臓では，運動によって乳酸が生成するという状態はない，と書かれている（3）。
: 生理的にプロトンによる制御がないだけなのか，PFKL がプロトン感受性がないのか？
フルクトース 1,6-二リン酸 (F1,6BP)
> PFKM は micromolar level の F1,6-BP によって活性化される。
: F1,6-BP は反応生成物であるため，これによってポジティブフィードバックループが作られることになる。
クエン酸 Citrate
TCA 回路からのフィードバック制御である。
> PFK はクエン酸 citrate によるアロステリック阻害を受ける。
: 細胞内のクエン酸は，血中の遊離脂肪酸量が高く，脂肪分解が盛んなときに増える。
: Phosphofructkinase が阻害されると，細胞質には G6P が蓄積する。
: G6P は，グルコースリン酸化を行うヘキソキナーゼ hexokinase をアロステリック阻害する。
: これが，FFA が Glc 取り込みを阻害する古典的理論 glucose-free fatty acid cycle である。
PFK の構造
4 量体として機能する（1I）。
下の表は，ヒト PKFP に関するデータである。
| アミノ酸 | 機能 | 文献 |
| Arg48 | PFK に結合しているリン酸イオン PO43- と相互作用し，R48C mutant は citrate による阻害を受けにくくなる。しかし，ATP および F6P に対する作用は変わらない。 | 1 |
| Asn426 | Catalytic interface の近くに存在し，N426S mutant は ATP による疎外を受けにくくなる。 | 1 |
| Asp564 | Arg319 と電気的相互作用をし，D564N mutant は F6P との親和性や酵素反応速度が低下する。 | 1 |
PFK の変異と病気
垂井病 Tarui disease
グリコーゲン glycogen 分解に関連する酵素の異常によって，組織にグリコーゲンが多量に蓄積する病気を一般に 糖原病 glycogen storage disease という。複数のタイプがあるが，タイプ 7 が PFK の変異によるもので，とくに 垂井病 Tarui disease と名前がつけられている。筋力の低下，溶血などを伴う。
ガン Cancer
一般に，ガン細胞は十分な酸素がある状態でも解糖系が亢進している（ワーバーグ効果 Warburg effect）。 この現象に，解糖系の律速酵素である PFK が様々な形で関わっている。
- 多くのガンで，PFK1 の活性が高いこと，PFKP の発現が増大していることなどが報告されている（1D）。
- 少なくとも 44 の変異がガン組織から発見されている（1）。
PFK ノックアウトマウス
> PFKM KO mice は，トリアシルグリセロール TG の量が低下する（2）。 グリセロール部分の供給が不足するためと考えている。
: このマウスは，distal promoter に tag 配列が挿入されており，PFKM の発現が大幅に低下している。
: たとえば，脳 brain では 99% の PFKM の低下がみられる（転写量か？）。
: このマウスから単離された脂肪細胞では，脂肪合成は通常の約 40% であった。
: 脂肪分解 lipolysis も低下。
: 解糖系の中間体 DHAP は，TG 合成の際，グリセロールを経て TG の glycerol component になる。
: 脂肪細胞の糖代謝の律速段階は，GLUT4 によるグルコース取り込みであると考えられている。
: したがって，PFKM の影響が大きいというこの論文の結果は意外であった。
References
- Webb et al. 2015a. Structures of human phosphofructokinase-1 and atomic basis of cancer-associated mutations. Nature 523, 111-114.
- Getty-Kaushik et al. 2010a. Mice deficient in phosphofructokinase-M have greatly reduced fat stores. Obesity 18, 434-440.
- Berg et al. Biochemistry: 使っているのは 6 版ですが 7 版を紹介しています。
- By Hyunsuky - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10364749