Что такое гексокиназа?

Гексокиназный это белок, который классифицируется в основной группе фермента трансферазы, будучи весьма важным в метаболизме живых существ. 

Гексокиназа является первым ферментом в гликолитическом пути и превращает глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Он использует АТФ для фосфорилирования 6-гидроксильной группы глюкозы и ингибируется его продуктом, глюкозо-6-фосфатом. Он также страдает от положительного аллостерического регулирования фосфатом.

Таким образом, гексокиназа регулирует поступление глюкозы в энергетический обмен мозга и эритроцитов.

Глюкоза-6-фосфат и глюкоза синергически связываются с гексокиназой, так же как глюкоза и неорганический фосфат.

Фосфат играет небольшую роль в регуляции гексокиназы во время дыхания, так как гликолиз ограничен запасом глюкозы.

Во время периодов кислородного дефицита, больше АТФ должно поступать от гликолиза, так как пируват образует молочную кислоту, а не входит в цикл Креба.

Когда концентрация внеклеточной глюкозы составляет около 5 мМ, поток через гликолитический путь увеличивается до 100% пропускной способности..

Это происходит всякий раз, когда переносчик глюкозы в тканях мозга повышает внутриклеточную концентрацию глюкозы в 50 раз, и существует механизм для компенсации ингибирующего воздействия глюкозо-6-фосфата на гексокиназу..

Свойства гексокиназы

Гексокиназа - это большой гомодимер, состоящий из 920 аминокислот в каждой цепи. Поскольку оба потока идентичны, будет наблюдаться цепочка.

Вот вид цветной структуры от более светлой до более темной в направлении N-конца к C-концу.

Фермент состоит из множества альфа-спиралей и бета-листьев. Альфа-спирали образованы структурой спираль-поворот-спираль, и более внимательный взгляд на бета-листы покажет, что они образуют открытый альфа / бета-лист..

Гексокиназа способна связываться с двумя лигандами, глюкозой и глюкозо-6-фосфатом. Глюкоза связывается так, что может происходить гликолиз, а глюкозо-6-фосфат связывается как аллостерический ингибитор. Также может быть полезно увидеть эту структуру в стерео (Schroering, 2013).

Третичная структура гексокиназы включает открытый альфа / бета-лист. Существует много вариантов, связанных с этой структурой.

Он состоит из пяти бета-листов и трех альфа-спиралей. В этом открытом альфа / бета-листе четыре бета-листа параллельны, а один - в антипараллельных направлениях..

Альфа-спирали и бета-петли соединяют бета-листы для создания этого альфа / бета-листа. Расщелина указывает на АТФ-связывающий домен этого гликолитического фермента (Schneeberger, 1999).

реакция

Чтобы получить чистый выход АТФ в результате катаболизма глюкозы, сначала необходимо обратить АТФ в обратном направлении..

Во время стадии спиртовая группа в положении 6 молекулы глюкозы легко реагирует с концевой фосфатной группой АТФ, образуя глюкозо-6-фосфат и АДФ.

Для удобства фосфорильная группа (PO32-) представлена ​​как Ⓟ. Поскольку уменьшение свободной энергии настолько велико, эта реакция практически необратима в физиологических условиях.

У животных это фосфорилирование глюкозы, которое производит глюкозо-6-фосфат, катализируется двумя различными ферментами.

В большинстве клеток гексокиназа с высоким сродством к глюкозе вызывает реакцию.

Кроме того, печень содержит глюкокиназу (изоформа IV гексокиназы), которая требует гораздо более высокой концентрации глюкозы, прежде чем она вступит в реакцию..

Глюкокиназа работает только в чрезвычайных ситуациях, когда концентрация глюкозы в крови повышается до ненормально высокого уровня (Kornberg, 2013).

регулирование

При гликолизе реакции, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой, практически необратимы; поэтому ожидается, что эти ферменты играют как регуляторную, так и каталитическую роль. Фактически каждый из них служит контрольным сайтом.

Гексокиназа ингибируется ее продуктом, глюкозо-6-фосфатом. Высокие концентрации этой молекулы указывают на то, что клетке больше не требуется глюкоза для энергии, для хранения в качестве гликогена или в качестве источника биосинтетических предшественников, и глюкоза останется в крови.

Например, когда фосфофруктокиназа неактивна, концентрация фруктозы 6-фосфата увеличивается.

В свою очередь, уровень глюкозо-6-фосфата увеличивается, потому что он находится в равновесии с фруктозо-6-фосфатом. Следовательно, ингибирование фосфофруктокиназы приводит к ингибированию гексокиназы.

Тем не менее, печень, в соответствии с ее ролью в качестве монитора уровня глюкозы в крови, обладает специализированным изозимом гексокиназы, называемой глюкокиназой, которая не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (Berg JM, 2002.).

Гексокиназа против глюкокиназы

Гексокиназа имеет четыре разные изоформы, называемые I, II, III и IV. Изоформы гексокиназы I, II и III имеют молекулярную массу около 100000 и являются мономерами в большинстве условий.

Аминокислотные последовательности изоформ I-III идентичны до 70%. С другой стороны, N- и C-концевые половины изоформ I-III имеют сходные аминокислотные последовательности, вероятно, в результате дупликации и слияния генов..

Изоформа IV гексокиназы (глюкокиназа) имеет молекулярную массу 50000, аналогичную молекулярной массе гексокиназы дрожжей. Глюкокиназа демонстрирует значительное сходство последовательностей с N- и С-концевыми половинами изоформ I-III..

Несмотря на сходство последовательностей, функциональные свойства изоформ гексокиназы значительно различаются.

Изоформа I (далее гексокиназа I) регулирует стадию ограничения гликолиза в мозге и эритроцитах.

Продукт реакции, глюкозо-6-фосфат (Gluc-6-P), ингибирует обе изоформы I и II (но не изоформу IV) на микромолярных уровнях.

Однако неорганический фосфат (Pi) снимает ингибирование Gluc-6-P с гексокиназы I.

С-концевой домен гексокиназы I обладает каталитической активностью, тогда как сам N-концевой домен не обладает активностью, но участвует в положительной аллостерической регуляции продукта с помощью Pi.

Напротив, и C, и N-концевые части имеют сравнимую каталитическую активность в изоформе II..

Таким образом, среди изоформ гексокиназы церебральная гексокиназа проявляет уникальные регуляторные свойства, в которых физиологические уровни Pi могут обратить обратное ингибирование из-за физиологических уровней Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998)..

Гексокиназы типа I, II и III могут фосфорилировать различные гексозные сахара, включая глюкозу, фруктозу и маннозу, и, как таковые, участвуют в ряде метаболических путей (Enzymes of Glycolysis, S.F.).

Глюкокиназа печени отличается от других изоформ тремя аспектами:

• Он специфичен для D-глюкозы и не действует с другими гексозами
• Не ингибируется глюкозо-6-фосфатом
• Он на одну Км выше, чем другие изоформы (10 мМ против 0,1 мМ), что дает более низкое сродство к субстрату.

Печеночная глюкокиназа вступает в игру, когда концентрация сахара в крови высока, например, после еды с высоким содержанием углеводов.

Глюкокиназа очень важна в другом аспекте: сахарный диабет является недостаточным при заболевании.

При этом заболевании поджелудочная железа не может секретировать инсулин в нормальных количествах, уровень глюкозы в крови очень высок и образуется очень мало гликогена в печени (Lehninger, 1982).

ссылки

1. Александр Е Алешин, З. Г. (1998). Механизм регуляции гексокиназы: новые взгляды на кристаллическую структуру рекомбинантной гексокиназы головного мозга человека в комплексе с глюкозой и глюкозо-6-фосфатом. Структура, Том 6, Выпуск 1, 15, 39-50. 
2. Berg JM, T.J. (2002.). 5-е издание. Нью-Йорк :: Фримен.
3. Ферменты гликолиза. (S.F.). Восстановлено с ebi.ac.uk.
4. Корнберг Х. (2013, 22 мая). Метаболизм. Восстановлено с britannica.com.
5. Lehninger, A.L. (1982). Основы биохимии. Нью-Йорк: Стоит Издатель, Inc.
6. Schneeberger, B.M. (1999). Гексокиназа. Получено от chem.uwec.edu.
7. Schroering, K. (2013, 20 февраля). Структура и механизм гексокиназы. Восстановлено с сайта proteopedia.org.