丙酮酸激酶的概述

发布日期:2026/9/26 8:01:04

糖酵解是生物体在缺氧条件下获取能量的主要途径，糖原经过一系列酶促反应生成丙酮酸，同时产生ATP和还原型辅酶I。丙酮酸激酶是糖酵解途径的限速酶之一，催化糖酵解最后一步反应产生丙酮酸和ATP，其活性变化影响糖酵解进程。丙酮酸激酶可发生多种蛋白质翻译后修饰，改变其功能和结构，影响其酶活性。

丙酮酸激酶结构

丙酮酸激酶几乎在所有生物体中都以同源四聚体存在，其单体亚基主要包括A、B、C、N4个结构域每个亚基大约由531个氨基酸残基组成，不同来源丙酮酸激酶各结构域之间氨基酸残基组成及数量存在一定差异;其单体分子质量约为60kDa，二聚体分子质量约为110kDa，四聚体分子质量约为220kDa。在哺乳动物中，丙酮酸激酶存在4种同工酶:丙酮酸激酶M1(pyruvate kinase type M1, PKM1)、丙酮酸激酶M2(pyruvate kinase type M2，PKM2)、L型丙酮酸激酶(L-type pyruvate kinase,PKL)及R型丙酮酸激酶(R-type pyruvate kinase,PKR)，其中PKM1、PKL、PKR以四聚体形式存在，PKM2以二聚体和四聚体形式存在。PKL和PKR在肝脏和红细胞中表达，PKM1在成熟细胞和分化细胞中表达，而PKM2在胚胎细胞和癌细胞等活跃生长的细胞中表达。如图1所示，A结构域是3个结构域中最大的，由2个跨越43~115(A1)和219~387残基(A2)的片段组成，由α-螺旋与β-折叠构成桶状拓扑结构;β结构域只包含1个8链，包含116~218残基，存在于A结构域β3链和α3螺旋之间;C结构域残基在388~530之间，具有1个α+β拓扑结构;N端残基在12~42之间，由1个短的螺旋-旋转螺旋序列组成[1]。

图1 丙酮酸激酶单体的结构

丙酮酸激酶的催化机理

丙酮酸激酶活性位点位于结构域A和B之间的一个口袋中，其活性位点包括2个精氨酸、1个赖氨酸、2个天冬氨酸和2个谷氨酸残基。丙酮酸激酶的活化除了需要1个一价阳离子(K⁺)外，大多数丙酮酸激酶还需要1个二价阳离子(Mg²⁺或Mn²⁺)。Mg或Mg²⁺与K⁺共同作用加大丙酮酸激酶活性部位暴露程度，磷酸烯醇式丙酮酸或其与ADP共同作用可降低丙酮酸激酶活性部位暴露程度。研究发现蛋白质翻译后修饰可以调控酶的活性，使丙酮酸激酶结构从四聚体转变为二聚体，可能是由于发生修饰后导致特定位点与1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diphosphate,FBP)的亲和力降低，破坏了FBP介导的丙酮酸激酶激活所需的信号转导网络，从而改变酶的活性，FBP的结合导致丙酮酸激酶四聚化，而FBP的释放会导致丙酮酸激酶转换为二聚体，如图2所示。

图2 丙酮酸激酶二聚体和四聚体之间切换

变构效应是指一些小分子化合物与蛋白质的特殊位点结合后改变蛋白质的理化特性和生物活性的现象。丙酮酸激酶是一种具有变构效应的酶，其活性受变构激活剂和抑制剂的调控，变构激活剂主要包括FBP、丝氨酸和5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸，ATP、草酸、丙氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和甲状腺激素可作为PKM2的变构抑制剂。PKM2受到FBP的正向调节，当其以低活性的二聚体形式存在时，会诱导FBP水平增加，当FBP达到一定高浓度后刺激PKM2二聚体向四聚体转变，从而促进糖酵解过程产生能量。研究发现，磷酸酪氨酸肽与PKM2结合导致变构激活剂FBP被释放，使PKM2构象发生变化、PKM2酶活性受到抑制。丝氨酸可以结合并激活PKM2，提高丙酮酸激酶对底物的亲和力，当丝氨酸水平较低时，对PKM2的变构激活效果降低，导致糖酵解途径中相关代谢物迅速转向丝氨酸的生物合成，以弥补丝氨酸的不足，一旦丝氨酸水平再次升高，PKM2形成四聚体，活性升高，催化丙酮酸的生成，去除糖酵解中间体。此外，5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸也可变构激活PKM2，当细胞葡萄糖饥饿时，细胞内5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸浓度升高，激活丙酮酸激酶活性[1]。

丙酮酸激酶的功能

丙酮酸激酶的功能主要包括代谢功能和非代谢功能，如图3所示。代谢功能主要是参与糖酵解过程，催化糖酵解最后一步反应。畜禽宰后肌肉糖酵解速率与肉品质密切相关，研究发现，丙酮酸激酶可作为肉色、嫩度的潜在生物标志物，高丙酮酸激酶浓度和活性意味着肌肉组织糖酵解代谢升高。研究表明，丙酮酸激酶同工酶M1/M2亚型含量与肉的红度值(a*)和高铁肌红蛋白还原酶活性呈负相关。氧化损伤可使蛋白质特定的氨基酸侧链不可逆地转化为碳基，研究发现，高嫩度组肉中细胞凋亡酶3活性降低增加了PKM2的氧化损伤，影响丙酮酸激酶结构和功能。在宰后不同肉品质处理组中，高品质组糖原含量较低，糖酵解时间延迟，丙酮酸激酶表达量下调。此外，研究发现，调控PKM的基因表达可改变丙酮酸激酶在体内的存在形式，改变酶的功能。丙酮酸激酶M1和M2亚型由PKM的基因对外显子9和10的选择性剪切表达。

图3 丙酮酸激酶的代谢功能和非代谢功能

Shen Linyuan等研究发现，miR-152(一种非编码RNA)可能通过靶向调控PKM基因表达来影响肌肉pH值，在原代猪细胞中过表达miR-152可抑制PKM基因表达，减少细胞中乳酸的产生，而抑制miR-152的表达可促进PKM基因表达，增加乳酸的产生，导致肉的pH值较低。Lu Zhuang等研究发现，热应激可以增加丙酮酸激酶的活性，宰后糖酵解速率加快，热应激14d后肌肉亮度值(L*)和滴水损失增加，pH值和剪切力降低。夏季运输3h后丙酮酸激酶活性增加，肌肉糖酵解迅速，肉品质降低，而在饲粮中添加单水肌酸能够减缓肌肉糖酵解速率。

丙酮酸激酶M2亚型具有非代谢功能，作为一种蛋白激酶，催化多种蛋白底物发生磷酸化，调节瓦氏效应、肿瘤细胞转移、基因表达、有丝分裂和胞质分裂进程、细胞增殖及凋亡等。通过体外结合和激酶分析发现，PKM2磷酸化p21激活激酶2(p21 activated kinase 2,PAK2)的Ser20、Ser141、Ser192和Ser197位点促进PAK2-热休克蛋白90的关联来稳定PAK2，以提高胰腺导管腺癌的细胞侵袭能力，促进肿瘤转移。PKM2可催化突触体相关蛋白23的Ser95位点磷酸化，促进肿瘤细胞外泌体释放。在肉品科学领域，丙酮酸激酶的代谢功能主要是调控宰后肌肉糖酵解，而非代谢功能在肉品科学领域中所发挥的作用仍不明确，是否可以利用这一特性改变肌肉蛋白功能、调控肉品质尚不清楚[1]。