Het hexokinase (HK) is het enzym dat de eerste reactie van de glycolytische route katalyseert in vrijwel alle levende organismen, zowel prokaryoten als eukaryoten. Het is verantwoordelijk voor de overdracht van een fosforylgroep naar glucose, waardoor glucose-6P wordt geproduceerd, hoewel het ook andere suikers hexoses (6 koolstofatomen) kan fosforyleren.
Dit enzym is ingedeeld in een van de twee families van glucosekinase-enzymen (enzymen die fosforylgroepen overbrengen naar substraten zoals glucose): de hexokinase (HK) -familie, waarvan de leden zijn onderverdeeld in drie verschillende groepen die bekend staan als de HK-groep, de groep A en groep B.
Reactie gekatalyseerd door het enzym hexokinase (Bron: Jmun7616 via Wikimedia Commons)
De enzymen die tot de HK-familie behoren, worden gekenmerkt door het fosforyleren van glucose ten koste van ATP als een fosforylgroepdonormolecuul, en de leden ervan verschillen hoofdzakelijk van elkaar met betrekking tot hun molecuulgewicht en substraatspecificiteit.
De HK-groep omvat de enzymen van eukaryote organismen (ATP: D-hexose 6-fosfotransferasen), terwijl groep A wordt vertegenwoordigd door de enzymen van gramnegatieve bacteriën, cyanobacteriën, amitochondriënten protisten en trypanosomatiden, en groep B bevat de enzymen van grampositieve bacteriën en crenachea-organismen.
De enzymen van de groepen A en B worden ook wel glucokinasen (GlcK's) genoemd, omdat ze uitsluitend glucose kunnen fosforyleren, daarom worden deze enzymen ATP: D-glucose 6-fosfotransferasen genoemd.
Als glycolytisch enzym heeft hexokinase een groot metabolisch belang, aangezien deze belangrijke route zonder dit niet mogelijk zou zijn en cellen die sterk afhankelijk zijn van koolhydraatconsumptie, zoals de hersenen en spiercellen van veel zoogdieren, ernstige functionele en fysiologische belemmeringen zouden hebben bij algemeen.
Structuur
Zoals later zal worden gezien, bestaan er verschillende soorten hexokinase-enzymen in zoogdieren en andere gewervelde dieren (evenals in eencellige organismen zoals gist). Vier zijn beschreven bij zoogdieren: isovormen I, II, III en IV.
De eerste drie isozymen hebben een molecuulgewicht van 100 kDa, maar isozym IV heeft een molecuulgewicht van 50 kDa. Deze iso-enzymen (vooral I-III) vertonen een hoge sequentie-overeenkomst met elkaar wat betreft hun C- en N-uiteinden, evenals met andere leden van de hexokinasefamilie.
Het N-terminale domein van deze enzymen wordt beschouwd als het "regulerende" domein, terwijl de katalytische activiteit wordt uitgevoerd door het C-terminale domein (zoogdier HK II heeft actieve sites in beide domeinen).
Het N-terminale domein is verbonden met het C-terminale domein via een alfa-helix, elk heeft een molecuulgewicht van ongeveer 50 kDa en heeft een bindingsplaats voor glucose.
Geïnduceerd fit-model voor het enzym hexokinase (met betrekking tot zijn twee substraten: ATP en glucose) (Bron: Thomas Shafee via Wikimedia Commons)
De tertiaire structuur van deze enzymen is in wezen samengesteld uit β-gevouwen vellen gemengd met alfa-helices, waarvan het aandeel varieert met betrekking tot het enzym en de soort in kwestie; De bindingsplaats voor ATP, het andere substraat voor hexokinase, bestaat gewoonlijk uit vijf β-vellen en twee alfa-helices.
Kenmerken
Hexokinase heeft een transcendentale functie in het koolhydraatmetabolisme van de meeste levende wezens, aangezien het de eerste stap van de glycolytische route katalyseert en de fosforylering van glucose in de cel medieert.
Deze eerste stap van glycolyse, die bestaat uit de overdracht van een fosforylgroep van ATP (donor) naar glucose, wat glucose 6-fosfaat en ADP oplevert, is de eerste van de twee energie-investeringsstappen in de vorm van ATP.
Bovendien is de reactie die wordt gekatalyseerd door hexokinase de stap van "activering" van glucose voor de daaropvolgende verwerking ervan en vertegenwoordigt een stap van "toewijding", aangezien de aldus gefosforyleerde glucose de cel niet kan verlaten door middel van zijn conventionele transporteurs in het membraan. plasmatisch.
Het product van de reactie dat wordt gekatalyseerd door hexokinase, dat wil zeggen glucose-6-fosfaat, is een vertakkingspunt, aangezien het het eerste substraat is dat wordt gebruikt in de pentosefosfaatroute en bij de synthese van glycogeen bij veel dieren (en de zetmeel in planten).
In planten
De functie van hexokinase in planten verschilt niet veel van die van dieren of micro-organismen, maar bij hogere planten functioneert dit enzym ook als een "sensor" van de concentratie van suikers.
Het belang van deze functie in deze organismen heeft te maken met de deelname van suikers als regulerende factoren bij de expressie van genen die betrokken zijn bij verschillende metabolische processen, zoals:
- Fotosynthese
- De glyoxylaatcyclus
- De ademhaling
- De afbraak of synthese van zetmeel en sucrose
- Stikstofstofwisseling
- Verdediging tegen ziekteverwekkers
- Regulatie van de celcyclus
- De genezende reactie
- Pigmentatie
- Senescentie, onder anderen.
Deze functie van hexokinase als een "sensor" van de hoeveelheid intracellulaire glucose is ook beschreven voor gist en zoogdieren.
Vormen
In de natuur zijn er verschillende vormen van hexokinases en dit hangt fundamenteel af van de beschouwde soort.
Bij de mens en andere gewervelde dieren is bijvoorbeeld het bestaan van 4 verschillende isovormen van het enzym hexokinase in het cytosolische compartiment aangetoond, die zijn aangeduid met de Romeinse cijfers I, II, III en IV.
Isozymen I, II en III hebben een molecuulgewicht van 100 kDa, worden geremd door hun reactieproduct (glucose-6-fosfaat) en zijn sterk glucosegerelateerd, dat wil zeggen, ze hebben een zeer lage Km-constante. Deze enzymen hebben echter een slechte substraatspecificiteit, omdat ze andere hexosen zoals fructose en mannose kunnen fosforyleren.
Isoenzym IV, ook bekend als glucokinase (GlcK), heeft een molecuulgewicht van slechts 50 kDa en, ondanks dat het slecht verwant is (hoge waarden van Km), heeft het een hoge specificiteit voor glucose als substraat en wordt het er niet aan onderworpen regulerende mechanismen dan de andere drie iso-enzymen.
Glucokinase (isoenzym IV van de hexokinase van veel zoogdieren) wordt voornamelijk in de lever aangetroffen en helpt dit orgaan bij het "aanpassen" van zijn glucoseverbruik als reactie op variaties in dit substraat in het circulerende bloed.
De drie genen die coderen voor hexokinase I, II en III bij dieren lijken dezelfde 50 kDa voorouder te hebben die werd gedupliceerd en gefuseerd in het genoom, wat duidelijk lijkt wanneer wordt waargenomen dat de katalytische activiteit van vormen I en III bevindt zich alleen aan het C-terminale uiteinde.
Referenties
- Aronoff, SL, Berkowitz, K., Shreiner, B., & Want, L. (2004). Glucosemetabolisme en -regulatie: verder dan insuline en glucagon. Diabetes spectrum, 17 (3), 183-190.
- Harrington, GN en Bush, DR (2003). De bifunctionele rol van hexokinase in metabolisme en glucose-signalering. The Plant Cell, 15 (11), 2493-2496.
- Jang, JC, León, P., Zhou, L., & Sheen, J. (1997). Hexokinase als suikersensor in hogere planten. The Plant Cell, 9 (1), 5-19.
- Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B., en Murata, K. (2005). Hypothese: structuren, evolutie en voorouder van glucosekinasen in de hexokinasefamilie. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320-330.
- Mathews, KE (1998). Van Holde. Biochemie.
- Wilson, JE (2003). Isozymen van zoogdierhexokinase: structuur, subcellulaire lokalisatie en metabolische functie. Journal of Experimental Biology, 206 (12), 2049-2057.