Crystallographic Structure of Phosphofructokinase-2 from Escherichia coli in Complex with Two ATP Molecules. Implications for Substrate Inhibition

Phosphofructokinase-1 and -2 (Pfk-1 and Pfk-2, respectively) from Escherichia coli belong to different homologous superfamilies. However, in spite of the lack of a common ancestor, they share the ability to catalyze the same reaction and are inhibited by the substrate MgATP. Pfk-2, an ATP-dependent 6-phosphofructokinase member of the ribokinase-like superfamily, is a homodimer of 66 kDa subunits whose oligomerization state is necessary for catalysis and stability. The presence of MgATP favors the tetrameric form of the enzyme. In this work, we describe the structure of Pfk-2 in its inhibited tetrameric form, with each subunit bound to two ATP molecules and two Mg ions. The present structure indicates that substrate inhibition occurs due to the sequential binding of two MgATP molecules per subunit, the first at the usual site occupied by the nucleotide in homologous enzymes and the second at the allosteric site, making a number of direct and Mg-mediated interactions with the first. Two configurations are observed for the second MgATP, one of which involves interactions with Tyr23 from the adjacent subunit in the dimer and the other making an unusual non-Watson-Crick base pairing with the adenine in the substrate ATP. The oligomeric state observed in the crystal is tetrameric, and some of the structural elements involved in the binding of the Substrate and allosteric ATPs are also participating in the dimer-dimer interface. This structure also provides the grounds to compare analogous features of the nonhomologous phosphofructokinases from E. coli. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Enhancing itaconic acid production by Aspergillus terreus

Aspergillus terreus is successfully used for industrial production of itaconic acid. The acid is formed from cis-aconitate, an intermediate of the tricarboxylic (TCA) cycle, by catalytic action of cis-aconitate decarboxylase. It could be assumed that strong anaplerotic reactions that replenish the pool of the TCA cycle intermediates would enhance the synthesis and excretion rate of itaconic acid. In the phylogenetic close relative Aspergillus niger, upregulated metabolic flux through glycolysis has been described that acted as a strong anaplerotic reaction. Deregulated glycolytic flux was caused by posttranslational modification of 6-phosphofructo-1-kinase (PFK1) that resulted in formation of a highly active, citrate inhibition-resistant shorter form of the enzyme. In order to avoid complex posttranslational modification, the native A. niger pfkA gene has been modified to encode for an active shorter PFK1 fragment. By the insertion of the modified A. niger pfkA genes into the A. terreus strain, increased specific productivities of itaconic acid and final yields were documented by transformants in respect to the parental strain. On the other hand, growth rate of all transformants remained suppressed which is due to the low initial pH value of the medium, one of the prerequisites for the accumulation of itaconic acid by A. terreus mycelium. © 2010 Springer-Verlag.

Impact of neonatal total parenteral nutrition and early glucose-enriched diet on glucose metabolism and physical phenotypes in Guinea Pig

Les oxydants infusés avec la nutrition parentéral (NP) néonatale induisent une modification du métabolisme des lipides et du glucose, donnant lieu à l’âge adulte à un phénotype de carence énergétique (faible poids, baisse de l’activité physique). L’hypothèse qu’une diète précoce riche en glucose prévient ces symptômes plus tard dans la vie, fut évalué chez le cobaye par un ANOVA en plan factoriel complet à deux facteurs (p < 0:05) : NP du jour 3 à 7, suivit d’une nourriture régulière (chow) (NP+) vs. chow à partir du 3ième jour (NP-), combiné avec une eau de consommation enrichie en glucose (G+) ou non (G-) à partir de la 3ième semaine. Les paramètres suivant ont été mesurés à l’âge de 9 semaine: taux de croissance, activité physique, activité de phosphofructokinase-1 et glucokinase (GK), niveau hépatique de glucose-6-phosphate (G6P), glycogène, pyruvate et potentiel redox du glutathion, poids du foie, glycémie, tolérance au glucose, concentrations hépatiques et plasmatiques en triacylglycérides (TG) et cholestérol. Le groupe G+ (vs. G-) avait un taux de croissance plus bas, une activité de GK et une concentration en G6P plus élevée, et un potentiel redox plus bas (moins oxydé). Le niveau plasmatique de TG était moins élevé dans le groupe NP+ (vs. NP-). Les traitements n’eurent aucun effet sur les autres paramètres. Ces résultats suggèrent qu’indépendamment de la NP, une alimentation riche en glucose stimule la glycolyse et déplace l’état redox vers un statut plus réduit, mais ne surmonte pas les effets de la NP sur le phénotype physique de carence énergétique.

Rôle de l’urée dans la dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’insuffisance rénale chronique

L’insuffisance rénale chronique (IRC) se définit par un défaut de filtration glomérulaire et est associée à plusieurs désordres. La perturbation de l’homéostasie glucidique en fait partie. L’homéostasie glucidique est contrôlée principalement par l’insuline, soit l’hormone sécrétée en réponse au glucose par les cellules bêta-pancréatiques contenues dans les îlots de Langerhans. La préservation de la fonction de la cellule bêta est essentielle au maintien de l’homéostasie glucidique. Il a été démontré que la sécrétion de l'insuline est altérée au cours l'IRC, cependant les mécanismes demeurent peu connus. Au cours de l’IRC, l’accumulation chronique de toxines urémiques pourrait contribuer à la défaillance de la cellule bêta. L’urée est une toxine urémique majeure et sa toxicité a été récemment rapportée dans plusieurs tissus. Le but de ce mémoire était donc de vérifier le rôle de l’urée dans la dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC. Nous avons démontré que l’exposition des îlots de souris à des concentrations pathologiques d’urée entraîne une diminution de la sécrétion d’insuline via l’augmentation du stress oxydant et des O-glycosylations. Ce défaut est dû à une perturbation du métabolisme intracellulaire du glucose. Entre autres, nous avons observé une baisse de la glycolyse associée à la réduction de l’activité enzymatique de la phosphofructokinase-1. Ces résultats démontrent un effet toxique direct de l’urée sur la sécrétion d’insuline et permettent de mieux comprendre le mécanisme de dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC.

Rôle de l’urée dans la dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’insuffisance rénale chronique

L’insuffisance rénale chronique (IRC) se définit par un défaut de filtration glomérulaire et est associée à plusieurs désordres. La perturbation de l’homéostasie glucidique en fait partie. L’homéostasie glucidique est contrôlée principalement par l’insuline, soit l’hormone sécrétée en réponse au glucose par les cellules bêta-pancréatiques contenues dans les îlots de Langerhans. La préservation de la fonction de la cellule bêta est essentielle au maintien de l’homéostasie glucidique. Il a été démontré que la sécrétion de l'insuline est altérée au cours l'IRC, cependant les mécanismes demeurent peu connus. Au cours de l’IRC, l’accumulation chronique de toxines urémiques pourrait contribuer à la défaillance de la cellule bêta. L’urée est une toxine urémique majeure et sa toxicité a été récemment rapportée dans plusieurs tissus. Le but de ce mémoire était donc de vérifier le rôle de l’urée dans la dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC. Nous avons démontré que l’exposition des îlots de souris à des concentrations pathologiques d’urée entraîne une diminution de la sécrétion d’insuline via l’augmentation du stress oxydant et des O-glycosylations. Ce défaut est dû à une perturbation du métabolisme intracellulaire du glucose. Entre autres, nous avons observé une baisse de la glycolyse associée à la réduction de l’activité enzymatique de la phosphofructokinase-1. Ces résultats démontrent un effet toxique direct de l’urée sur la sécrétion d’insuline et permettent de mieux comprendre le mécanisme de dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC.

Binding and regulatory properties of phosphofructokinase from swine kidney

The influence of fructose 2,6-bisphosphate on the activation of purified swine kidney phosphofructokinase as a function of the concentration of fructose 6P, ATP and citrate was investigated. The purified enzyme was nearly completely inhibited in the presence of 2 mM ATP. The addition of 20 nM fructose 2,6-P2 reversed the inhibition and restored more than 80% of the activity. In the absence of fructose 2,6-P2 the reaction showed a sigmoidal dependence on fructose-6-phosphate. The addition of 10 nM fructose 2,6-bisphosphate decreased the K0.5 for fructose 6-phosphate from 3 mM to 0.4 mM in the presence of 1.5 mM ATP. These results clearly show that fructose 2,6-bisphosphate increases the affinity of the enzyme for fructose 6-phosphate and decreases the inhibitory effect of ATP. The extent of inhibition by citrate was also significantly decreased in the presence of fructose 2,6-phosphate. The influence of various effectors of phosphofructokinase on the binding of ATP and fructose 6-P to the enzyme was examined in gel filtration studies. It was found that kidney phosphofructokinase binds 5.6 moles of fructose 6-P per mole of enzyme, which corresponds to about one site per subunit of tetrameric enzyme. The KD for fructose 6-P was 13 microM and in the presence of 0.5 mM ATP it increased to 27 microM. The addition of 0.3 mM citrate also increased the KD for fructose 6-P to about 40 microM. AMP, 10 microM, decreased the KD to 5 microM and the addition of fructose 2,6-phosphate decreased the KD for fructose 6-P to 0.9 microM. The addition of these compounds did not effect the maximal amount of fructose 6-P bound to the enzyme, which indicated that the binding site for these compounds might be near, but was not identical to the fructose 6-P binding site. The enzyme bound a maximum of about 12.5 moles of ATP per mole, which corresponds to 3 moles per subunit. The KD of the site with the highest affinity for ATP was 4 microM, and it increased to 15 microM in the presence of fructose 2,6-bisphosphate. The addition of 50 microM fructose 1,6-bisphosphate increased the KD for ATP to 5.9 microM. AMP increased the KD to 5.9 microM whereas 0.3 mM citrate decreased the KD for ATP to about 2 microM.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS).

The Crystal Complex of Phosphofructokinase-2 of Escherichia coli with Fructose-6-phosphate KINETIC AND STRUCTURAL ANALYSIS OF THE ALLOSTERIC ATP INHIBITION

Substrate inhibition by ATP is a regulatory feature of the phosphofructokinases isoenzymes from Escherichia coli (Pfk-1 and Pfk-2). Under gluconeogenic conditions, the loss of this regulation in Pfk-2 causes substrate cycling of fructose-6-phosphate (fructose-6-P) and futile consumption of ATP delaying growth. In the present work, we have broached the mechanism of ATP-induced inhibition of Pfk-2 from both structural and kinetic perspectives. The crystal structure of Pfk-2 in complex with fructose-6-P is reported to a resolution of 2 angstrom. The comparison of this structure with the previously reported inhibited form of the enzyme suggests a negative interplay between fructose-6-P binding and allosteric binding of MgATP. Initial velocity experiments show a linear increase of the apparent K(0.5) for fructose-6-P and a decrease in the apparent k(cat) as a function of MgATP concentration. These effects occur simultaneously with the induction of a sigmoidal kinetic behavior (n(H) of approximately 2). Differences and resemblances in the patterns of fructose-6-P binding and the mechanism of inhibition are discussed for Pfk-1 and Pfk-2, as an example of evolutionary convergence, because these enzymes do not share a common ancestor.

Putative pyrophosphate phosphofructose 1-kinase genes identified in sugarcane may be getting energy from pyrophosphate

Pyrophosphate-dependent phosphofructokinase (PPi-PFK) has been detected in several types of plant cells, but the gene has not been reported in sugar cane. Using Citrux paradixi PPi-PFK gene (AF095520 and AF095521) sequences to search the sugar cane EST database, we have identified both the α and β subunits of this enzyme. The deduced amino acid sequences showed 76 and 80% similarity with the corresponding α and β subunits of C. paradisi. A high degree of similarity was also observed among the PFK β subunits when the alignment of the sugar cane sequences was compared to those of Ricinus communis and Solanum tuberosum, it appears that α and β are two distinct subunits; they were found at different concentrations in several sugar cane tissues. It remains to be determined if the different gene expression levels have some physiological importance and how they affect sucrose synthesis, export, and storage in vacuoles. A comparison between the amino acid sequences of β PFKs from a variety of organisms allowed us to identify the two critical Asp residues typical of this enzyme's activity site and the other binding sites; these residues are tightly conserved in all members of this protein family. Apparently, there are catalytic residues on the β subunit of the pyrophosphate-dependent enzyme.