La hexoquinasa (HK) és l'enzim que catalitza la primera reacció de la ruta glucolítica virtualment en tots els organismes vius, tant en procariotes com en eucariotes. S'encarrega de la transferència d'un grup fosforil cap a la glucosa, produint glucosa-6P, encara que també pot fosforilar altres sucres hexoses (de 6 àtoms de carboni).
Aquest enzim es classifica dins d'una de les dues famílies d'enzims glucoses quinases (enzims que transfereixen grups fosforil a substrats com la glucosa): la família hexoquinasa (HK), els membres es subdivideixen en tres grups diferents coneguts com el grup HK, el grup A i el grup B.
Reacció catalitzada per l'enzim hexoquinasa (Font: Jmun7616 via Wikimedia Commons)
Els enzims pertanyents a la família HK es caracteritzen per fosforilar glucosa a costa d'ATP com a molècula donadora de grup fosforil, i els integrants de la mateixa difereixen entre si principalment pel que fa al seu pes molecular i especificitat de substrat.
A el grup HK pertanyen els enzims dels organismes eucariotes (ATP: D-hexosa 6-fosfotransferasas), mentrestant el grup A està representat pels enzims dels bacteris gramnegatius, cianobacteris, protistas amitocondriados i tripanosomátidos, i el grup B conté als enzims dels bacteris grampositius i dels organismes crenarqueotas.
Els enzims dels grups A i B es coneixen també com glucoquinasas (GlcKs), ja que són capaços de fosforilar exclusivament glucosa, raó per la qual aquests enzims s'anomenen ATP: D-glucosa 6-fosfotransferasas.
Com enzim glucolítica, l'hexoquinasa té gran importància metabòlica, ja que sense ella aquesta important ruta no seria possible i les cèl·lules altament dependents de l'consum de carbohidrats com, per exemple, les cèl·lules cerebrals i musculars de molts mamífers, tindrien seriosos impediments funcionals i fisiològics en general.
estructura
Com es veurà més endavant, en els mamífers i altres vertebrats (així com en organismes unicel·lulars com els llevats) ha diferents tipus d'enzims hexoquinasas. En els mamífers s'han descrit quatre: les isoformes I, II, III i IV.
Les primeres tres isoenzims tenen 100 kDa de pes molecular, però la isoenzim IV té 50 kDa. Aquestes isoenzims (especialment I-III) exhibeixen alta similitud de seqüència entre elles respecte als seus extrems C- i N-terminals, així com amb altres membres de la família hexoquinasa.
El domini N-terminal d'aquests enzims es considera el domini "regulador", mentre que l'activitat catalítica és duta a terme pel domini C-terminal (la HK II dels mamífers té llocs actius en tots dos dominis).
El domini N-terminal està unit a el domini C-terminal a través d'una hèlix alfa, cada un té més o menys 50 kDa de pes molecular i té un lloc d'unió per a la glucosa.
Model d'ajust induït per l'enzim hexoquinasa (respecte als seus dos substrats: l'ATP i la glucosa) (Font: Thomas Shafee via Wikimedia Commons)
L'estructura terciària d'aquests enzims està composta essencialment per làmines β-plegades barrejades amb hèlixs alfa, la proporció varia respecte a l'enzim ia l'espècie en qüestió; el lloc d'unió per l'ATP, l'altre substrat de la hexoquinasa, està compost usualment de cinc làmines β i dues hèlixs alfa.
funcions
La hexoquinasa té una funció transcendental en el metabolisme de carbohidrats de la major part dels éssers vius, ja que catalitza el primer pas de la ruta glucolítica, mitjançant la fosforilació de la glucosa a l'interior cel·lular.
Aquest primer pas de la glicòlisi, que consisteix en la transferència d'un grup fosforil des de l'ATP (donador) cap a la glucosa, rendint glucosa 6-fosfat i ADP, és el primer dels dos passos d'inversió d'energia en forma d'ATP.
A més, la reacció catalitzada per l'hexoquinasa és el pas de "activació" de la glucosa per al seu processament posterior i representa un pas de "compromís", ja que la glucosa així fosforilada no pot abandonar la cèl·lula per mitjà dels seus transportadors convencionals en la membrana plasmàtica.
El producte de la reacció catalitzada per l'hexoquinasa, és a dir, la glucosa 6-fosfat, és un punt de ramificació, ja que és el primer substrat emprat en la ruta de les pentoses fosfat i en la síntesi de glicogen en molts animals (i de l' midó en les plantes).
A les plantes
La funció de la hexoquinasa a les plantes no és molt diferent a la dels animals o els microorganismes, però, a les plantes superiors aquest enzim també funciona com a "sensor" de la concentració de sucres.
La importància d'aquesta funció en aquests organismes té a veure amb la participació dels sucres com a factors de regulació en l'expressió dels gens que estan implicats en diferents processos metabòlics com:
- La fotosíntesi
- El cicle de l'glioxilato
- La respiració
- La degradació o síntesi de midó i sacarosa
- El metabolisme de l'nitrogen
- La defensa enfront de patògens
- La regulació de l'cicle cel·lular
- La resposta de cicatrització
- La pigmentació
- La senescència, entre d'altres.
Aquesta funció de l'hexoquinasa com "sensor" de la quantitat de la quantitat de glucosa intracel·lular també ha estat descrita per als llevats i els mamífers.
formes
A la natura hi ha diferents formes de hexoquinasas i això depèn fonamentalment de l'espècie que es consideri.
En l'home i altres animals vertebrats, per exemple, s'ha demostrat l'existència de 4 isoformes diferents de l'enzim hexoquinasa en el compartiment citosòlic, a les quals s'ha denotat amb els números romans I, II, III i IV.
Les isoenzims I, II i III tenen 100 kDa de pes molecular, són inhibides pel seu producte de reacció (glucosa 6-fosfat) i són molt afins a la glucosa, és a dir, tenen una constant km molt baixa. No obstant això, aquests enzims tenen poca especificitat de substrat, podent fosforilar altres hexoses com la fructosa i la manosa.
La isoenzim IV, també coneguda com glucoquinasa (GlcK), té només 50 kDa de pes molecular i, tot i ser poc afí (alts valors de Km), té una elevada especificitat per la glucosa com a substrat i no està sotmesa als mateixos mecanismes de regulació que les altres tres isoenzims.
La glucoquinasa (isoenzim IV de la hexoquinasa de molts mamífers) es troba principalment en el fetge i ajuda a aquest òrgan en el "ajust" de la seva velocitat de consum de glucosa en resposta a les variacions d'aquest substrat en la sang circulant.
Els tres gens que codifiquen per a les hexoquinasas I, II i III en els animals semblen tenir un mateix ancestre de 50 kDa que es va duplicar i es va fusionar en el genoma, el que sembla evident quan s'observa que l'activitat catalítica de les formes I i III resideix únicament en l'extrem C-terminal.
referències
- Aronoff, SL, Berkowitz, K., Shreiner, B., & Want, L. (2004). Glucose metabolism and regulation: beyond insulin and glucagó. Diabetis spectrum, 17 (3), 183-190.
- Harrington, GN, & Bush, DR (2003). The bifunctional rol dels hexokinase in metabolism and glucose signaling. The Plant Cell, 15 (11), 2493-2496.
- Jang, JC, Lleó, P., Zhou, L., & Sheen, J. (1997). Hexokinase es a sugar sensor in higher plants. The Plant Cell, 9 (1), 5-19.
- Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B., & Murata, K. (2005). Hypothesis: structures, evolution, and Ancestor of glucose kinases in the hexokinase family. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320-330.
- Mathews, KE (1998). Van Holde. Bioquímica.
- Wilson, JE (2003). Isozymes of mammalian hexokinase: structure, subcellular localization and Metabolic function. Journal of Experimental Biology, 206 (12), 2049-2057.