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Glycogen-Phosphorylase

Struktur der Glycogen-Phosphorylase

In vivo und in vitro kommt die Glycogen-Phosphorylase als stabiles Homodimer vor. Nach der Aktivierung durch AMP formen sich Tetramere durch isologe Aneinanderlagerung von zwei Dimeren. Die Untereinheiten eines Dimers können jeweils in eine C- und eine N-terminale Domäne eingeteilt werden. Über eine Schiff´sche Base am Lys680 ist das Coenzym Pyridoxalphosphat an die Untereinheiten gebunden.

Aktivierung durch AMP

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Abb.1
Glycogen-Phosphorylase (PDB-Code: 1GPA)

Die Glycogen-Phosphorylase b muss durch AMP aktiviert werden und wandelt sich dadurch von der T- in die R-Form um. Die Bindung von AMP erfolgt an der Aktivierungsstelle; diese befindet sich zwischen der Helix 2 (Aminosäurereste 48-78) der einen Untereinheit und einer Loop-Struktur (Aminosäurereste 41-47) der anderen Untereinheit. AMP ist ein starker Aktivator ( K d = 3mM) und bindet fest an das Enzym. Im inaktiven Komplex hat der Purin-Ring des AMP keinen Kontakt mit dem Enzym und bindet weniger fest. Die Inhibitoren konkurrieren mit dem Aktivator AMP um die Bindung an das allosterische Zentrum. Die phosphorylierte Glycogen-Phosphorylase a ist nicht von der Aktivierung durch AMP abhängig, obwohl die Aktivität dieser Form durch AMP um 25 % gesteigert werden kann. Das Enzym kann auch durch Sulfat-Ionen aktiviert werden, die bei hohen Konzentrationen als "Phosphoserin-Gruppe" fungieren und an AMP und das aktive Zentrum binden.

Phosphorylierung von Ser14

Ser14 liegt am N-terminalen Ende der Untereinheiten am allosterischen Zentrum. Die allosterischen Zentren der beiden Untereinheiten liegen nahe beinander (Abstand: etwa 20 Å) an der Kontaktstelle der beiden Untereinheiten. In Folge der Phosphorylierung des Ser14 bei der Aktivierung der Glycogen-Phosphorylase b drehen sich die ersten 22 Aminosäuren des N-Terminus um etwa 36 Å. Die Phosphat-Gruppe bildet daraufhin Ionenbindungen zum Arg69 der Helix 2 der eigenen Untereinheit und zum Arg43 der Schleife der anderen Untereinheit aus (beide in blau dargestellt). Bemerkenswert ist hier, dass beide Aktivatoren (AMP und Ser14) mit den gleichen Strukturen (Helix, Loop), aber dort mit unterschiedlichen Aminosäureresten interagieren. Durch die Aktivierung dreht sich jede Untereinheit um 3,5°; das aktive Zentrum wird dadurch für das Substrat leichter zugänglich (Start Animation).

Aktives Zentrum

Die Kommunikation des allosterischen mit dem etwa 66 Å entfernt liegenden aktiven Zentrum erfolgt über Veränderungen in der Quartärstruktur. Das aktive Zentrum liegt etwa 15 Å tief in einem Einschnitt zwischen dem N- und dem C-Terminus jeder Untereinheit, in der Nähe des Pyridoxalphosphat-Restes. Im aktiven Zentrum konkurriert der Inhibitor Glucose mit Glucose-1-phosphat um die Bindung. Besonderen Einfluss auf die Zugänglichkeit des aktiven Zentrums und die Affinität des Substrats, bzw. Inhibitors scheint eine "Schleife" (Loop) zu haben, die aus den Aminosäureresten 277-287 besteht. Diesem Loop kommt die Funktion eines "Türöffners" zu, dabei scheinen die Reste Asp283 (blau), Asn284 (pink) und Phe285 (magenta) besonders wichtig zu sein. Vor allem die Seitenkette des Asn284 stabilisiert durch Ausbildung von Wasserstoff-Brücken und Van der Waals-Bindungen mit anderen Aminosäureresten im C-Terminus und im Substrat die Stellung des Loops. Zur Aktivierung des Enzyms drehen sich die N- und C-terminale Domäne um ca. 5° voneinander weg. Dadurch bewegt sich der Loop und gibt die Spalte zum aktiven Zentrum frei (Start Animation). Andere Enzyme besitzen ähnliche Loops zur Regulation der Aktivierung, so z.B. die Phosphofructokinase und die Aspartat-Transcarbamylase. (Zurück zur ursprünglichen Darstellung.)

Glycogen-Speicher

In vivo ist ein beträchtlicher Teil der Phosphorylase mit Glycogen-Partikeln assoziiert. Es bilden sich Komplexe mit einem Durchmesser von ca. 400 Å, in denen sich noch weitere Enzyme befinden, die für den Glycogen-Abbau wichtig sind. Die Glycogen-Speicherstelle (Glycogen-Subdomäne; Aminosäurereste 397-437) liegt an der Oberfläche der Untereinheit an einer Helix und interagiert mit dem aktiven Zentrum über Veränderungen der Tertiärstruktur.

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