Hexokináza (HK) je enzým, ktorý katalyzuje prvú reakciu glykolytickej dráhy prakticky vo všetkých živých organizmov, a to ako prokaryot a eukaryoty. Je zodpovedný za prenos fosforylovej skupiny na glukózu za vzniku glukózy-6P, hoci môže fosforylovať aj iné cukry hexózy (6 atómov uhlíka).
Tento enzým je klasifikovaný v jednej z dvoch rodín enzýmov glukózovej kinázy (enzýmy, ktoré prenášajú fosforylové skupiny na substráty, ako je glukóza): skupina hexokinázy (HK), ktorej členovia sú rozdelení do troch rôznych skupín známych ako skupina HK, skupina A a skupina B.
Reakcia katalyzovaná enzýmom hexokináza (Zdroj: Jmun7616 cez Wikimedia Commons)
Enzýmy patriace do rodiny HK sú charakterizované fosforyláciou glukózy na úkor ATP ako donorovej molekuly fosforylovej skupiny a jej členovia sa od seba líšia hlavne z hľadiska ich molekulovej hmotnosti a substrátovej špecificity.
Skupina HK zahŕňa enzýmy eukaryotických organizmov (ATP: D-hexóza 6-fosfotransferázy), zatiaľ čo skupina A je zastúpená enzýmami gramnegatívnych baktérií, cyanobaktérií, amitochondriových protistov a trypanosomatidov a skupina B obsahuje enzýmy gram-pozitívnych baktérií a organizmov crenachea.
Enzýmy skupín A a B sú známe aj ako glukokinázy (GlcKs), pretože sú schopné výlučne fosforylovať glukózu, a preto sa tieto enzýmy nazývajú ATP: D-glukóza-6-fosfotransferázy.
Ako glykolytický enzým má hexokináza veľký metabolický význam, pretože bez neho by táto dôležitá cesta nebola možná a bunky vysoko závislé od spotreby uhľohydrátov, ako sú mozgové a svalové bunky mnohých cicavcov, by mali vážne funkčné a fyziologické prekážky v všeobecne.
štruktúra
Ako bude zrejmé neskôr, u cicavcov a iných stavovcov (ako aj v jednobunkových organizmoch, ako sú kvasinky) existujú rôzne typy enzýmov hexokinázy. U cicavcov boli opísané štyri: izoformy I, II, III a IV.
Prvé tri izozýmy majú molekulovú hmotnosť 100 kDa, ale izozým IV má 50 kDa. Tieto izoenzýmy (najmä I-III) vykazujú vysokú sekvenčnú podobnosť medzi sebou, pokiaľ ide o ich C- a N-konce, ako aj s ostatnými členmi hexokinázovej rodiny.
N-terminálna doména týchto enzýmov sa považuje za "regulačnú" doménu, zatiaľ čo katalytická aktivita sa vykonáva prostredníctvom C-terminálnej domény (cicavčie HK II má aktívne miesta v oboch doménach).
N-terminálna doména je spojená s C-terminálnou doménou pomocou alfa helixu, pričom každá má molekulovú hmotnosť zhruba 50 kDa a má väzbové miesto pre glukózu.
Indukovaný fit model enzýmu hexokinázy (vzhľadom na jeho dva substráty: ATP a glukózu) (Zdroj: Thomas Shafee prostredníctvom Wikimedia Commons)
Terciárna štruktúra týchto enzýmov sa v podstate skladá z ß-zložených listov zmiešaných s alfa helixmi, ktorých pomer sa líši v závislosti od enzýmu a príslušného druhu; Väzbové miesto pre ATP, ďalší substrát pre hexokinázu, je obvykle zložené z piatich p listov a dvoch alfa helixov.
Vlastnosti
Hexokináza má transcendentnú funkciu v metabolizme uhľohydrátov väčšiny živých bytostí, pretože katalyzuje prvý krok glykolytickej dráhy a sprostredkuje fosforyláciu glukózy vo vnútri bunky.
Tento prvý krok glykolýzy, ktorý spočíva v prevode fosforylovej skupiny z ATP (donor) na glukózu, pričom sa získa glukóza-6-fosfát a ADP, je prvým z dvoch investičných krokov do energie vo forme ATP.
Ďalej je reakcia katalyzovaná hexokinázou krokom „aktivácie“ glukózy pre jej následné spracovanie a predstavuje krok „záväzku“, pretože takto fosforylovaná glukóza nemôže opustiť bunku pomocou svojich konvenčných transportérov v membráne. plazmatické.
Produkt reakcie katalyzovanej hexokinázou, tj glukóza-6-fosfát, je bodom vetvenia, pretože je to prvý substrát používaný v pentózofosfátovej ceste a pri syntéze glykogénu u mnohých zvierat (a škrob v rastlinách).
V rastlinách
Funkcia hexokinázy v rastlinách sa príliš nelíši od funkcie zvierat alebo mikroorganizmov, ale vo vyšších rastlinách tento enzým tiež funguje ako „senzor“ koncentrácie cukrov.
Dôležitosť tejto funkcie v týchto organizmoch súvisí s účasťou cukrov ako regulačných faktorov pri expresii génov, ktoré sa podieľajú na rôznych metabolických procesoch, ako sú:
- Fotosyntéza
- Glyoxylátový cyklus
- Dýchanie
- Degradácia alebo syntéza škrobu a sacharózy
- Metabolizmus dusíka
- Obrana proti patogénom
- Regulácia bunkového cyklu
- Liečebná reakcia
- Pigmentácia
- okrem iného senesencia.
Táto funkcia hexokinázy ako "senzora" množstva intracelulárnej glukózy bola tiež opísaná pre kvasinky a cicavce.
Tvary
V prírode existujú rôzne formy hexokináz, čo v zásade závisí od uvažovaného druhu.
Napríklad u človeka a iných stavovcov bola preukázaná existencia 4 rôznych izoforiem enzýmu hexokinázy v cytosolovom kompartmente, ktoré boli označené rímskymi číslicami I, II, III a IV.
Izoenzýmy I, II a III majú molekulovú hmotnosť 100 kDa, sú inhibované svojim reakčným produktom (glukóza-6-fosfát) a sú veľmi príbuzné glukóze, to znamená, že majú veľmi nízku Km konštantu. Tieto enzýmy však majú zlú substrátovú špecificitu a sú schopné fosforylovať ďalšie hexózy, ako napríklad fruktózu a manózu.
Izoenzým IV, tiež známy ako glukokináza (GlcK), má iba 50 kDa v molekulovej hmotnosti a napriek tomu, že je málo príbuzný (vysoké hodnoty Km), má vysokú špecificitu pre glukózu ako substrát a nepodlieha im regulačné mechanizmy ako ostatné tri izoenzýmy.
Glukokináza (izoenzým IV hexokinázy mnohých cicavcov) sa nachádza hlavne v pečeni a pomáha tomuto orgánu pri „úprave“ jeho rýchlosti spotreby glukózy v reakcii na zmeny tohto substrátu v cirkulujúcej krvi.
Zdá sa, že tri gény, ktoré kódujú hexokinázu I, II a III u zvierat, majú rovnakého predka 50 kDa, ktorý bol duplikovaný a fúzovaný v genóme, čo sa zdá zrejmé, keď sa zistí, že katalytická aktivita foriem I a II III leží iba na konci C-konca.
Referencie
- Aronoff, SL, Berkowitz, K., Shreiner, B., & Want, L. (2004). Metabolizmus a regulácia glukózy: mimo inzulínu a glukagónu. Diabetes spektrum, 17 (3), 183-190.
- Harrington, GN a Bush, DR (2003). Bifunkčná úloha hexokinázy v metabolizme a glukózovej signalizácii. The Plant Cell, 15 (11), 2493-2496.
- Jang, JC, León, P., Zhou, L., & Sheen, J. (1997). Hexokináza ako senzor cukru vo vyšších rastlinách. The Plant Cell, 9 (1), 5-19.
- Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B. a Murata, K. (2005). Hypotéza: štruktúry, vývoj a predchodca glukózových kináz v rodine hexokináz. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320-330.
- Mathews, KE (1998). Van Holde. Biochémie.
- Wilson, JE (2003). Izozýmy cicavčej hexokinázy: štruktúra, subcelulárna lokalizácia a metabolická funkcia. Journal of Experimental Biology, 206 (12), 2049-2057.