Гексокиназы (HK) представляет собой фермент , который катализирует первую реакцию гликолиза практически во всех живых организмах, как прокариот и эукариот. Он отвечает за перенос фосфорильной группы на глюкозу с образованием глюкозы-6P, хотя он также может фосфорилировать гексозу других сахаров (6 атомов углерода).
Этот фермент относится к одному из двух семейств ферментов глюкозокиназ (ферментов, которые переносят фосфорильные группы на субстраты, такие как глюкоза): семейство гексокиназ (HK), члены которого подразделяются на три разные группы, известные как группа HK, группа А и группа Б.
Реакция, катализируемая ферментом гексокиназой (Источник: Jmun7616 через Wikimedia Commons)
Ферменты, принадлежащие к семейству HK, характеризуются фосфорилированием глюкозы за счет АТФ как молекулы-донора фосфорильной группы, и его члены отличаются друг от друга, главным образом, своей молекулярной массой и субстратной специфичностью.
Группа HK включает ферменты эукариотических организмов (АТФ: D-гексозо-6-фосфотрансферазы), в то время как группа A представлена ферментами грамотрицательных бактерий, цианобактерий, протистов амитохондрий и трипаносоматидов, а группа B содержит ферменты грамположительных бактерий и организмов crenachea.
Ферменты групп A и B также известны как глюкокиназы (GlcKs), поскольку они способны исключительно фосфорилировать глюкозу, поэтому эти ферменты называются АТФ: D-глюкозо-6-фосфотрансферазами.
Как гликолитический фермент, гексокиназа имеет большое метаболическое значение, поскольку без нее этот важный путь был бы невозможен, а клетки, сильно зависящие от потребления углеводов, такие как клетки мозга и мышечные клетки многих млекопитающих, имели бы серьезные функциональные и физиологические препятствия для Общее.
Структура
Как будет показано позже, различные типы ферментов гексокиназы существуют у млекопитающих и других позвоночных (а также у одноклеточных организмов, таких как дрожжи). Четыре были описаны у млекопитающих: изоформы I, II, III и IV.
Первые три изофермента имеют молекулярную массу 100 кДа, а изофермент IV - 50 кДа. Эти изоферменты (особенно I-III) демонстрируют высокое сходство последовательностей друг с другом в отношении их C- и N-концов, а также с другими членами семейства гексокиназ.
N-концевой домен этих ферментов считается «регуляторным» доменом, в то время как каталитическая активность осуществляется за счет C-концевого домена (HK II млекопитающих имеет активные центры в обоих доменах).
N-концевой домен связан с C-концевым доменом через альфа-спираль, каждый имеет молекулярную массу примерно 50 кДа и имеет сайт связывания для глюкозы.
Модель индуцированного соответствия для фермента гексокиназы (в отношении двух его субстратов: АТФ и глюкозы) (Источник: Томас Шафи через Wikimedia Commons)
Третичная структура этих ферментов по существу состоит из β-складчатых листов, смешанных с альфа-спиралями, пропорция которых варьируется в зависимости от фермента и рассматриваемых видов; Сайт связывания АТФ, другого субстрата гексокиназы, обычно состоит из пяти β-листов и двух альфа-спиралей.
Характеристики
Гексокиназа выполняет трансцендентную функцию в метаболизме углеводов у большинства живых существ, так как она катализирует первую стадию гликолитического пути, опосредуя фосфорилирование глюкозы внутри клетки.
Этот первый этап гликолиза, который состоит из переноса фосфорильной группы от АТФ (донора) к глюкозе, с образованием глюкозо-6-фосфата и АДФ, является первым из двух этапов инвестирования энергии в форме АТФ.
Кроме того, реакция, катализируемая гексокиназой, представляет собой стадию «активации» глюкозы для ее последующего процессинга и представляет собой стадию «фиксации», поскольку фосфорилированная таким образом глюкоза не может покинуть клетку посредством своих обычных переносчиков в мембране. плазматическая.
Продукт реакции, катализируемой гексокиназой, то есть глюкозо-6-фосфат, является точкой разветвления, поскольку он является первым субстратом, используемым в пентозофосфатном пути и в синтезе гликогена у многих животных (и крахмал в растениях).
В растениях
Функция гексокиназы у растений не сильно отличается от функции животных или микроорганизмов, однако у высших растений этот фермент также действует как «датчик» концентрации сахаров.
Важность этой функции в этих организмах связана с участием сахаров как регуляторных факторов в экспрессии генов, участвующих в различных метаболических процессах, таких как:
- Фотосинтез
- Глиоксилатный цикл
- Дыхание
- Разложение или синтез крахмала и сахарозы
- Азотный обмен
- Защита от патогенов
- Регуляция клеточного цикла
- Исцеляющий ответ
- пигментация
- Старение, среди прочего.
Эта функция гексокиназы как «сенсора» количества внутриклеточной глюкозы также была описана для дрожжей и млекопитающих.
Формы
В природе существуют разные формы гексокиназ, и это в основном зависит от рассматриваемых видов.
Например, у человека и других позвоночных животных было продемонстрировано существование 4 различных изоформ фермента гексокиназы в цитозольном компартменте, которые были обозначены римскими цифрами I, II, III и IV.
Изоферменты I, II и III имеют молекулярную массу 100 кДа, ингибируются продуктом их реакции (глюкозо-6-фосфат) и очень связаны с глюкозой, то есть имеют очень низкую константу Km. Однако эти ферменты обладают плохой субстратной специфичностью, поскольку они способны фосфорилировать другие гексозы, такие как фруктоза и манноза.
Изофермент IV, также известный как глюкокиназа (GlcK), имеет молекулярную массу всего 50 кДа и, несмотря на слабое родство (высокие значения Km), обладает высокой специфичностью к глюкозе в качестве субстрата и не подвержен им. регуляторные механизмы, чем три других изофермента.
Глюкокиназа (изофермент IV гексокиназы многих млекопитающих) в основном находится в печени и помогает этому органу «регулировать» скорость потребления глюкозы в ответ на изменения этого субстрата в циркулирующей крови.
Три гена, кодирующие гексокиназу I, II и III у животных, по-видимому, имеют одного и того же предка 50 кДа, который был продублирован и слит в геноме, что кажется очевидным, если наблюдать, что каталитическая активность форм I и III находится только на С-конце.
Ссылки
- Аронофф, С.Л., Берковиц, К., Шрейнер, Б., & Хант, Л. (2004). Метаболизм и регуляция глюкозы: помимо инсулина и глюкагона. Спектр диабета, 17 (3), 183-190.
- Харрингтон, Дж. Н., и Буш, Д. Р. (2003). Бифункциональная роль гексокиназы в метаболизме и передаче сигналов глюкозы. Растительная клетка, 15 (11), 2493-2496.
- Джанг, Дж. К., Леон, П., Чжоу, Л., и Шин, Дж. (1997). Гексокиназа как сенсор сахара у высших растений. Растительная клетка, 9 (1), 5-19.
- Кавай, С., Мукаи, Т., Мори, С., Миками, Б., и Мурата, К. (2005). Гипотеза: структуры, эволюция и предок глюкозокиназ в семействе гексокиназ. Журнал биологии и биоинженерии, 99 (4), 320–330.
- Мэтьюз, К.Э. (1998). Ван Холд. Биохимия.
- Уилсон, Дж. Э. (2003). Изоферменты гексокиназы млекопитающих: структура, субклеточная локализация и метаболическая функция. Журнал экспериментальной биологии, 206 (12), 2049-2057.