Що таке гексокіназа?

The гексокінази є білком, який класифікується в основній групі ферменту трансферази, що є досить важливим у метаболізмі живих істот. 

Гексокіназа є першим ферментом в гліколітичному шляху і перетворює глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Він використовує АТФ для фосфорилювання 6-гідроксильної групи глюкози і інгібується її продуктом глюкозо-6-фосфатом. Він також страждає від позитивного аллостеричного регулювання фосфатами.

Таким чином, гексокіназа регулює потік глюкози в енергетичному метаболізмі головного мозку і еритроцитів.

Глюкозо-6-фосфат і глюкоза зв'язуються синергічно з гексокіназою, як і глюкоза і неорганічний фосфат.

Фосфат відіграє невелику роль у регуляції гексокінази під час дихання, оскільки гліколіз обмежується запасом глюкози.

У періоди позбавлення кисню, більше АТФ повинно виходити з гліколізу, оскільки піруват утворює молочну кислоту замість того, щоб вступати в цикл Креба..

Коли концентрація позаклітинної глюкози становить близько 5 мМ, потік через гліколітичний шлях збільшується до 100%.

Це відбувається всякий раз, коли транспортер глюкози в тканинах головного мозку підвищує внутрішньоклітинні концентрації глюкози в 50 разів і існує механізм компенсації інгібуючого впливу глюкозо-6-фосфату на гексокіназу..

Властивості гексокінази

Гексокіназа являє собою великий гомодимер, що складається з 920 амінокислот у кожному ланцюзі. Оскільки обидві нитки однакові, буде спостерігатися ланцюжок.

Ось вид на кольорову структуру від більш світлого до темного в N-кінцевому напрямку до С-кінцевого напрямку.

Фермент складається з багатьох альфа-спіралей і бета-листків. Альфа-спіралі утворені структурою спіралі-повороту-спіралі, і ближчий погляд на бета-листи вказують на те, що вони утворюють відкритий альфа-бета-лист.

Гексокіназа здатна зв'язуватися з двома лігандами, глюкозою і глюкозо-6-фосфатом. Глюкоза пов'язана таким чином, що може відбуватися гліколіз, і глюкозо-6-фосфат зв'язується як аллостеричний інгібітор. Також може бути корисно бачити цю структуру в стерео (Schroering, 2013).

Третинна структура гексокінази включає відкритий альфа-бета-лист. Існує багато варіацій, пов'язаних з цією структурою.

Він складається з п'яти бета-листів і трьох альфа-спіралей. У цьому відкритому альфа / бета-листі чотири з бета-листів є паралельними, а один знаходиться в антипараллельних напрямках.

Альфа-спіралі і бета-петлі з'єднують бета-листи для отримання цього альфа-бета-відкритого аркуша. Ущелина вказує на АТФ-зв'язуючий домен цього гліколітичного ферменту (Schneeberger, 1999)..

Реакція

Для отримання чистого виходу АТФ з катаболізму глюкози необхідно в першу чергу змінити АТФ.

Під час стадії спиртової групи в положенні 6 молекули глюкози легко реагує з кінцевою фосфатною групою АТФ, утворюючи глюкозо-6-фосфат і АДФ \ t.

Для зручності фосфорильна група (PO32-) представлена ​​Ⓟ. Оскільки зменшення вільної енергії настільки велике, ця реакція практично незворотна у фізіологічних умовах.

У тварин це фосфорилювання глюкози, що продукує глюкозо-6-фосфат, каталізується двома різними ферментами.

У більшості клітин реакція відбувається з гексокінази з високою спорідненістю до глюкози.

Крім того, печінка містить глюкокіназу (ізоформа IV гексокінази), яка вимагає набагато більш високу концентрацію глюкози перед її реагуванням.

Глюкокіназа працює тільки в надзвичайних ситуаціях, коли концентрація глюкози в крові підвищується до аномально високих рівнів (Kornberg, 2013).

Положення

У гліколізі реакції, що каталізуються гексокіназою, фосфофруктокіназою і піруваткіназою, практично незворотні; отже, очікується, що ці ферменти мають як регуляторні, так і каталітичні ролі. Фактично кожен з них служить контрольним майданчиком.

Гексокіназа інгібується своїм продуктом, глюкозою 6-фосфатом. Високі концентрації цієї молекули вказують на те, що клітина більше не потребує глюкози для отримання енергії, для зберігання як глікоген, або як джерело біосинтетичних попередників, і глюкоза залишиться в крові.

Наприклад, коли фосфофруктокиназа неактивна, концентрація фруктози 6-фосфату збільшується.

У свою чергу, рівень глюкозо-6-фосфату збільшується, оскільки він знаходиться в рівновазі з фруктозою 6-фосфатом. Тому інгібування фосфофруктокинази призводить до інгібування гексокінази.

Однак печінка, відповідно до своєї ролі, як монітора рівня глюкози в крові, має спеціалізований ізозим гексокінази, званий глюкокіназою, що не інгібується глюкозо-6-фосфатом (Berg JM, 2002)..

Гексокіназа проти глюкокінази

Гексокіназа має чотири різні ізоформи, які називаються I, II, III і IV. Ізоформи I, II і III гексокінази мають молекулярну масу близько 100000 і є мономерами в більшості умов.

Амінокислотні послідовності ізоформ I-III ідентичні 70%. З іншого боку, N- і С-кінцеві половини ізоформ I-III мають подібні амінокислотні послідовності, ймовірно, в результаті дуплікації генів і злиття.

Ізоформа IV гексокінази (глюкокінази) має молекулярну масу 50000, подібну до молекулярної маси гексокінази дріжджів. Глюкокіназа демонструє значну схожість послідовностей з N і С-кінцевими половинами ізоформ I-III.

Незважаючи на схожість послідовностей, функціональні властивості ізоформ гексокінази значно відрізняються.

Ізоформ I (далі - гексокіназа I) регулює етап обмеження гліколізу в мозку і еритроцитах.

Продукт реакції, глюкозо-6-фосфат (Gluc-6-P), інгібує як ізоформи I, так і II (але не ізоформи IV) на мікромолярних рівнях.

Однак неорганічний фосфат (Pi) звільняє інгібування Gluc-6-P від ​​гексокінази I.

C-кінцевий домен гексокінази I володіє каталітичною активністю, в той час як сам N-кінцевий домен не має активності, але бере участь у позитивній аллостерической регуляції продукту Pi.

Навпаки, як C, так і N-кінцеві частини мають порівнянну каталітичну активність в ізоформі II.

Таким чином, серед ізоформ гексокінази гексокіназа головного мозку виявляє унікальні регуляторні властивості, при яких фізіологічні рівні Pi можуть змінювати інгібування через фізіологічні рівні Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998)..

Гексокіназа типу I, II і III може фосфорилювати різноманітні гексозні цукру, включаючи глюкозу, фруктозу і маннозу, і як такі беруть участь у ряді метаболічних шляхів (ферменти гликолиза, S.F.).

Глюкокіназа печінки відрізняється від інших ізоформ трьома аспектами:

• Він специфічний для D-глюкози і не діє з іншими гексозами
• Він не пригнічується глюкозо-6-фосфатом
• Вона має один Км вище, ніж інші ізоформи (10 мМ проти 0,1 мМ), що дає більш низьку спорідненість до субстрату.

Печінкова глюкокіназа вступає в гру, коли концентрація цукру в крові висока, наприклад, після їжі з високим вмістом вуглеводів.

Глюкокіназа є дуже важливою в іншому аспекті: цукровий діабет має недостатнє захворювання.

При цьому захворюванні підшлункова залоза не здатна секретувати інсулін в нормальних кількостях, глюкоза в крові дуже висока і утворюється дуже мало глікогену печінки (Lehninger, 1982).

Список літератури

1. Олександр Е. Алешин, З. Г. (1998). Механізм регулювання гексокінази: нові уявлення з кристалічної структури рекомбінантного людського мозку гексокінази, комплексовані з глюкозою і глюкозо-6-фосфатом. Структура, том 6, випуск 1, 15, 39-50. 
2. Berg JM, T.J. (2002). 5-е видання. Нью-Йорк :: W H Freeman.
3. Ферменти гліколізу. (S.F.). Відновлено з ebi.ac.uk.
4. Корнберг, H. (2013, 22 травня). Метаболізм Відновлено з britannica.com.
5. Lehninger, A.L. (1982). Принципи біохімії. Нью-Йорк: Worth Publisher, Inc.
6. Schneeberger, B. M. (1999). Гексокіназа. Отримано з chem.uwec.edu.
7. Schroering, K. (2013, 20 лютого). Структура і механізм гексокінази. Відновлений з proteopedia.org.