Co to jest heksokinaza?

Heksokinaza to białko sklasyfikowane w głównej grupie enzymu transferazy, które jest dość ważne w metabolizmie istot żywych.

Heksokinaza jest pierwszym enzymem na szlaku glikolitycznym i przekształca glukozę w glukozo-6-fosforan. Wykorzystuje ATP do fosforylacji grupy 6-hydroksylowej glukozy i jest hamowany przez jej produkt, glukozo-6-fosforan. Cierpi również na pozytywną regulację allosteryczną przez fosforan.

Tak więc heksokinaza reguluje przepływ glukozy w metabolizmie energetycznym mózgu i czerwonych krwinek.

Glukozo-6-fosforan i glukoza wiążą się synergistycznie z heksokinazą, podobnie jak glukoza i nieorganiczny fosforan.

Fosforan odgrywa niewielką rolę w regulacji heksokinazy podczas oddychania, ponieważ glikoliza jest ograniczona przez dostarczanie glukozy.

W okresach niedoboru tlenu więcej ATP musi pochodzić z glikolizy, ponieważ pirogronian tworzy kwas mlekowy zamiast wchodzić w cykl Kreba.

Gdy pozakomórkowe stężenie glukozy wynosi około 5 mM, przepływ przez szlak glikolityczny zwiększa się do 100% pojemności.

Dzieje się tak zawsze, gdy transporter glukozy z tkanki mózgowej podwyższa wewnątrzkomórkowe stężenia glukozy o 50-krotnie i istnieje mechanizm kompensujący hamujące działanie glukozo-6-fosforanu na heksokinazę.

Właściwości heksokinazy

Heksokinaza to duży homodimer złożony z 920 aminokwasów w każdym łańcuchu. Ponieważ oba wątki są identyczne, łańcuch będzie obserwowany.

Oto widok kolorowej struktury od jaśniejszej do ciemniejszej w kierunku N-końcowym do C-końcowego.

Enzym składa się z wielu helis alfa i liści beta. Helisy alfa są utworzone przez strukturę helisy-skrętu-helisy, a bliższe spojrzenie na arkusze beta będzie wskazywać, że tworzą one otwarty arkusz alfa / beta.

Heksokinaza jest zdolna do wiązania się z dwoma ligandami, glukozą i glukozo-6-fosforanem. Glukoza jest związana tak, że może wystąpić glikoliza, a glukozo-6-fosforan wiąże się jako inhibitor allosteryczny. Przydatne może być także obejrzenie tej struktury w stereo (Schroering, 2013).

Trzeciorzędowa struktura heksokinazy obejmuje otwarty arkusz alfa / beta. Z tą strukturą wiąże się duża zmienność.

Składa się z pięciu arkuszy beta i trzech helis alfa. W tym otwartym arkuszu alfa / beta cztery arkusze beta są równoległe i jeden znajduje się w kierunkach antyrównoległych.

Helisy alfa i pętle beta łączą arkusze beta w celu utworzenia tego otwartego arkusza alfa / beta. Szczelina wskazuje domenę wiążącą ATP tego enzymu glikolitycznego (Schneeberger, 1999).

Reakcja

W celu uzyskania wydajności netto ATP z katabolizmu glukozy konieczne jest najpierw odwrócenie ATP.

Podczas etapu grupa alkoholowa w pozycji 6 cząsteczki glukozy łatwo reaguje z końcową grupą fosforanową ATP, tworząc glukozo-6-fosforan i ADP.

Dla wygody grupa fosforylowa (PO32-) jest reprezentowana przez Ⓟ. Ponieważ spadek darmowej energii jest tak duży, reakcja ta jest praktycznie nieodwracalna w warunkach fizjologicznych.

U zwierząt ta fosforylacja glukozy, która wytwarza glukozo-6-fosforan, jest katalizowana przez dwa różne enzymy.

W większości komórek heksokinaza o wysokim powinowactwie do glukozy powoduje reakcję.

Ponadto wątroba zawiera glukokinazę (izoformę IV heksokinazy), która wymaga znacznie wyższego stężenia glukozy, zanim zareaguje.

Glukokinaza działa tylko w sytuacjach awaryjnych, gdy stężenie glukozy we krwi wzrasta do nienormalnie wysokich poziomów (Kornberg, 2013).

Rozporządzenie

W glikolizie reakcje katalizowane przez heksokinazę, fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową są praktycznie nieodwracalne; dlatego oczekuje się, że enzymy te pełnią zarówno rolę regulacyjną, jak i katalityczną. W rzeczywistości każdy z nich służy jako strona kontrolna.

Heksokinaza jest hamowana przez swój produkt, 6-fosforan glukozy. Wysokie stężenia tej cząsteczki wskazują, że komórka nie potrzebuje już glukozy do energii, do przechowywania jako glikogen lub jako źródło prekursorów biosyntezy, a glukoza pozostanie we krwi.

Na przykład, gdy fosfofruktokinaza jest nieaktywna, stężenie 6-fosforanu fruktozy wzrasta.

Z kolei poziom 6-fosforanu glukozy wzrasta, ponieważ jest w równowadze z 6-fosforanem fruktozy. Dlatego hamowanie fosfofruktokinazy prowadzi do hamowania heksokinazy.

Jednakże wątroba, zgodnie ze swoją rolą jako monitorowania poziomu glukozy we krwi, posiada wyspecjalizowany izozym heksokinazy zwany glukokinazą, który nie jest hamowany przez glukozo-6-fosforan (Berg JM, 2002.).

Heksokinaza a glukokinaza

Heksokinaza ma cztery różne izoformy zwane I, II, III i IV. Izoformy heksokinazy I, II i III mają masy cząsteczkowe około 100 000 i są monomerami w większości warunków.

Sekwencje aminokwasowe izoform I-III są identyczne z 70%. Z drugiej strony, ugrupowania N- i C-końcowe izoform I-III mają podobne sekwencje aminokwasowe, prawdopodobnie w wyniku duplikacji genu i fuzji.

Izoforma IV heksokinazy (glukokinazy) ma masę cząsteczkową 50 000, podobną do heksokinazy drożdżowej. Glukokinaza wykazuje znaczące podobieństwo sekwencji do N i C-końcowych połówek izoform I-III.

Pomimo podobieństw sekwencji właściwości funkcjonalne izoform heksokinazy znacznie się różnią.

Izoforma I (zwana dalej heksokinazą I) reguluje etap ograniczania glikolizy w mózgu i krwinkach czerwonych.

Produkt reakcji, glukozo-6-fosforan (Gluc-6-P), hamuje obie izoformy I i II (ale nie izoformę IV) na poziomie mikromolowym.

Jednak nieorganiczny fosforan (Pi) łagodzi hamowanie Gluc-6-P z heksokinazy I.

Domena C-końcowa heksokinazy I ma aktywność katalityczną, podczas gdy sama domena N-końcowa nie ma aktywności, ale bierze udział w dodatniej regulacji allosterycznej produktu przez Pi.

Przeciwnie, zarówno części C, jak i N-końcowe mają porównywalną aktywność katalityczną w izoformie II.

Tak więc wśród izoform heksokinazy heksokinaza mózgowa wykazuje unikalne właściwości regulacyjne, w których fizjologiczne poziomy Pi mogą odwracać hamowanie z powodu fizjologicznych poziomów Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998).

Heksokinezy typu I, II i III mogą fosforylować różne cukry heksozowe, w tym glukozę, fruktozę i mannozę, i jako takie są zaangażowane w wiele szlaków metabolicznych (enzymy glikolizy, SF).

Glukokinaza wątroby różni się od pozostałych izoform w trzech aspektach:

• Jest specyficzny dla D-glukozy i nie działa z innymi heksozami
• Nie hamuje go 6-fosforan glukozy
• Ma Km wyższe niż inne izoformy (10 mM w porównaniu z 0, 1 mM), co daje niższe powinowactwo do substratu.

Glukokinaza wątrobowa wchodzi w grę, gdy stężenie cukru we krwi jest wysokie, na przykład po posiłku bogatym w węglowodany.

Glukokinaza jest bardzo ważna w innym aspekcie: cukrzyca ma niedobór choroby.

W tej chorobie trzustka nie wydziela insuliny w normalnych ilościach, poziom glukozy we krwi jest bardzo wysoki i powstaje bardzo mało glikogenu wątrobowego (Lehninger, 1982).