Какво е хексокиназа?
Хексокиназата е протеин, който е класифициран в основната група на ензима трансфераза, като е много важен за метаболизма на живите същества.
Хексокиназата е първият ензим в гликолитичния път и превръща глюкозата в глюкозо-6-фосфат. Той използва АТР за фосфорилиране на 6-хидроксилната група на глюкоза и се инхибира от неговия продукт глюкозо-6-фосфат. Той също страда от положителна алостерична регулация от фосфат.
Така хексокиназата регулира потока на глюкоза в енергийния метаболизъм на мозъка и червените кръвни клетки.
Глюкозо-6-фосфат и глюкоза се свързват синергично с хексокиназа, както и глюкозата и неорганичния фосфат.
Фосфатът играе малка роля в регулирането на хексокиназата по време на дишането, тъй като гликолизата е ограничена от глюкозата.
По време на периоди на лишаване от кислород, повече АТР трябва да идва от гликолиза, тъй като пируватът образува млечна киселина, вместо да влиза в цикъла на Креб.
Когато концентрацията на извънклетъчната глюкоза е около 5 тМ, потокът през гликолитичния път нараства до 100% капацитет.
Това се случва винаги, когато транспортьорът на глюкоза в мозъчната тъкан повишава вътреклетъчните концентрации на глюкоза с 50 пъти и има механизъм за компенсиране на инхибиторните ефекти на глюкозо-6-фосфат върху хексокиназа.
Свойства на хексокиназа
Хексокиназата е голям хомодимер, съставен от 920 аминокиселини във всяка верига. Тъй като и двете нишки са идентични, ще се наблюдава верига.
Тук е представен изглед на оцветената структура от по-светла до по-тъмна в N-терминала към С-крайната посока.
Ензимът се състои от много алфа спирали и бета листа. Алфа хеликите се образуват от структура на спирала-обратна спирала, а по-внимателният поглед върху бета листа ще покаже, че те образуват отворен алфа / бета лист.
Хексокиназата е способна да се свърже с два лиганда, глюкоза и глюкозо-6-фосфат. Глюкозата е свързана така, че да може да настъпи гликолиза и глюкозо-6-фосфатът се свързва като алостеричен инхибитор. Също така може да бъде полезно да се види тази структура в стерео (Schroering, 2013).
Третичната структура на хексокиназата включва отворен алфа / бета лист. Има голяма част от вариациите, свързани с тази структура.
Състои се от пет бета листа и три алфа спирали. В този отворен алфа / бета лист, четири от бета листа са успоредни, а единият е в противопаралелни посоки.
Алфа спиралите и бета вериги свързват бета листата, за да произведат този алфа / бета отворен лист. Цепнатината показва АТР-свързващия домен на този гликолитичен ензим (Schneeberger, 1999).
реакция
За да се получи чист добив на АТФ от катаболизма на глюкозата, първо е необходимо да се обърне ATP.
По време на етапа, алкохолната група в позиция 6 на глюкозната молекула реагира лесно с крайната фосфатна група на АТФ, образувайки глюкозо-6-фосфат и АДФ.
За удобство, фосфориловата група (РО32-) е представена с Ⓟ. Тъй като намаляването на свободната енергия е толкова голямо, тази реакция е практически необратима при физиологични условия.
При животни това фосфорилиране на глюкоза, което произвежда глюкоза 6-фосфат, се катализира от два различни ензима.
В повечето клетки, хексокиназата с висок афинитет към глюкоза произвежда реакцията.
В допълнение, черният дроб съдържа глюкокиназа (изоформа IV на хексокиназа), която изисква много по-висока концентрация на глюкоза преди да реагира.
Глюкокиназата действа само при спешни случаи, когато концентрацията на глюкоза в кръвта се повишава до необичайно високи нива (Kornberg, 2013).
регулиране
При гликолизата, реакциите, катализирани от хексокиназа, фосфофруктокиназа и пируват киназа, са практически необратими; следователно се очаква, че тези ензими имат както регулаторни, така и каталитични роли. Всъщност всеки един от тях служи като контролна площадка.
Хексокиназата се инхибира от продукта, глюкоза 6-фосфат. Високите концентрации на тази молекула показват, че клетката вече не изисква глюкоза за енергия, за съхранение като гликоген, или като източник на биосинтетични прекурсори, а глюкозата ще остане в кръвта.
Например, когато фосфофруктокиназата е неактивна, концентрацията на фруктоза 6-фосфат се увеличава.
На свой ред, нивото на глюкоза 6-фосфат се увеличава, защото е в равновесие с фруктоза 6-фосфат. Следователно, инхибирането на фосфофруктокиназа води до инхибиране на хексокиназа.
Въпреки това, черният дроб, в съответствие с ролята си като монитор на нивата на кръвната захар, притежава специализиран изозим на хексокиназа, наречен глюкокиназа, която не се инхибира от глюкозо-6-фосфат (Berg JM, 2002).
Хексокиназа срещу глюкокиназа
Хексокиназата има четири различни изоформи, наречени I, II, III и IV. Хексокиназните изоформи I, II и III имат молекулни тегла от около 100, 000 и са мономери в повечето условия.
Аминокиселинните последователности на изоформите I-III са идентични на 70%. От друга страна, N- и С-крайните части на I-III изоформите имат сходни аминокиселинни последователности, вероятно в резултат на генно дублиране и сливане.
Изоформата IV на хексокиназа (глюкокиназа) има молекулно тегло 50, 000, подобно на това на дрождени хексокинази. Глюкокиназата показва значително сходство на последователността с N и С-крайните половини на изоформите I-III.
Въпреки сходството на последователността, функционалните свойства на изоформите на хексокиназа се различават значително.
Изоформа I (по-нататък, хексокиназа I) регулира стъпката на ограничаване на гликолизата в мозъка и червените кръвни клетки.
Продуктът от реакцията, глюкозо-6-фосфат (Gluc-6-P), инхибира двете изоформи I и II (но не IV изоформа) при микромоларни нива.
Обаче, неорганичен фосфат (Pi) облекчава инхибирането на Gluc-6-P от хексокиназа I.
С-терминалният домен на хексокиназа I притежава каталитична активност, докато самият N-краен домен няма активност, но участва в положителната алостерична регулация на продукта от Pi.
Обратно, както С, така и N-крайните части имат сравнима каталитична активност в изоформа II.
По този начин, сред изоформите на хексокиназата, церебралната хексокиназа проявява уникални регулаторни свойства, при които физиологичните нива на Pi могат да обърнат инхибирането, дължащо се на физиологичните нива на Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998).
Хексокинези от тип I, II и III могат да фосфорилират различни хексозни захари, включително глюкоза, фруктоза и маноза, и като такива са включени в редица метаболитни пътища (ензими на гликолиза, SF).
Глюкокиназата на черния дроб се различава от другите изоформи в три аспекта:
- Той е специфичен за D-глюкозата и не действа с други хексози
- Не се инхибира от глюкоза 6-фосфат
- Той е с Km по-висок от другите изоформи (10 тМ срещу 0.1 тМ), което дава по-нисък афинитет към субстрата.
Чернодробната глюкокиназа влиза в действие, когато концентрацията на кръвната захар е висока, например след хранене, богато на въглехидрати.
Глюкокиназата е много важна в друг аспект: захарният диабет е с дефицит на заболяването.
При това заболяване панкреасът не успява да секретира инсулин в нормални количества, кръвната глюкоза е много висока и се образува много малко гликоген в черния дроб (Lehninger, 1982).
