Cos'è l'esochinasi?
L'esochinasi è una proteina classificata nel gruppo principale dell'enzima transferasi, essendo piuttosto importante nel metabolismo degli esseri viventi.
L'esochinasi è il primo enzima nella via glicolitica e converte il glucosio in glucosio-6-fosfato. Utilizza l'ATP per fosforilare il gruppo 6-idrossile di glucosio ed è inibito dal suo prodotto, glucosio-6-fosfato. Soffre anche di regolazione allosterica positiva da parte del fosfato.
Pertanto, l'esochinasi regola il flusso di glucosio nel metabolismo energetico del cervello e dei globuli rossi.
Glucosio-6-fosfato e glucosio legano sinergicamente ad esochinasi, così come glucosio e fosfato inorganico.
Il fosfato svolge un ruolo limitato nella regolazione dell'esocinasi durante la respirazione, poiché la glicolisi è limitata dalla fornitura di glucosio.
Durante i periodi di privazione dell'ossigeno, più ATP deve provenire dalla glicolisi poiché il piruvato forma acido lattico invece di entrare nel ciclo di Kreb.
Quando la concentrazione di glucosio extracellulare è di circa 5 mM, il flusso attraverso la via glicolitica aumenta fino al 100% della capacità.
Ciò si verifica ogni volta che il trasportatore di glucosio nel tessuto cerebrale eleva le concentrazioni di glucosio intracellulare di 50 volte e esiste un meccanismo per compensare gli effetti inibitori del glucosio-6-fosfato su esochinasi.
Proprietà di hexokinase
L'esochinasi è un grande omodimero composto da 920 amminoacidi in ciascuna catena. Poiché entrambi i fili sono identici, verrà osservata una catena.
Ecco una vista della struttura colorata da più chiara a più scura nella direzione N-terminale a C-terminale.
L'enzima è composto da molte eliche alfa e foglie beta. Le eliche alfa sono formate da una struttura ad elica a giro elica e uno sguardo più ravvicinato ai fogli beta indicherà che formano un foglio alfa / beta aperto.
L'esochinasi è in grado di legarsi a due ligandi, glucosio e glucosio-6-fosfato. Il glucosio è legato in modo che si possa verificare la glicolisi e il glucosio-6-fosfato si lega come un inibitore allosterico. Può anche essere utile vedere questa struttura in stereo (Schroering, 2013).
La struttura terziaria di esochinasi include un foglio alfa / beta aperto. C'è una grande quantità di variazioni associate a questa struttura.
Consiste di cinque fogli beta e tre eliche alfa. In questo foglio alfa / beta aperto, quattro dei fogli beta sono paralleli e uno è nelle direzioni anti-parallele.
Le alfa eliche e i loop beta collegano i fogli beta per produrre questo foglio aperto alfa / beta. La schisi indica il dominio di legame ATP di questo enzima glicolitico (Schneeberger, 1999).
reazione
Per ottenere una resa netta di ATP dal catabolismo del glucosio, è prima necessario invertire l'ATP.
Durante la fase, il gruppo alcolico in posizione 6 della molecola di glucosio reagisce facilmente con il gruppo fosfato terminale di ATP, formando glucosio-6-fosfato e ADP.
Per comodità, il gruppo fosforile (PO32-) è rappresentato da Ⓟ. Poiché la diminuzione dell'energia libera è così grande, questa reazione è praticamente irreversibile in condizioni fisiologiche.
Negli animali, questa fosforilazione del glucosio, che produce glucosio 6-fosfato, è catalizzata da due diversi enzimi.
Nella maggior parte delle cellule, una esochinasi con un'alta affinità per il glucosio produce la reazione.
Inoltre, il fegato contiene una glucochinasi (isoforma IV di esochinasi), che richiede una concentrazione molto più elevata di glucosio prima che reagisca.
La glucochinasi funziona solo in caso di emergenza, quando la concentrazione di glucosio nel sangue sale a livelli anormalmente elevati (Kornberg, 2013).
regolazione
Nella glicolisi, le reazioni catalizzate da esochinasi, fosfofuctokinasi e piruvato chinasi sono praticamente irreversibili; pertanto, si prevede che questi enzimi abbiano ruoli sia regolatori che catalitici. In effetti, ognuno di essi funge da sito di controllo.
L'esochinasi è inibita dal suo prodotto, glucosio 6-fosfato. Alte concentrazioni di questa molecola indicano che la cellula non richiede più il glucosio per produrre energia, per la conservazione come glicogeno o come fonte di precursori biosintetici e il glucosio sarà lasciato nel sangue.
Ad esempio, quando la fosfofuctokinasi è inattiva, aumenta la concentrazione di fruttosio 6-fosfato.
A sua volta, il livello di glucosio 6-fosfato aumenta perché è in equilibrio con il fruttosio 6-fosfato. Pertanto, l'inibizione della fosfofuctokinasi porta all'inibizione di esochinasi.
Tuttavia, il fegato, in conformità con il suo ruolo di monitoraggio dei livelli di glucosio nel sangue, possiede un isoenzima specializzato di esochinasi chiamato glucochinasi che non è inibito dal glucosio-6-fosfato (Berg JM, 2002.).
Esochinasi vs glucochinasi
L'esochinasi ha quattro diverse isoforme chiamate I, II, III e IV. Le isoforme di esochinasi I, II e III hanno pesi molecolari di circa 100.000 e sono monomeri nella maggior parte delle condizioni.
Le sequenze amminoacidiche delle isoforme I-III sono identiche al 70%. D'altro canto, le frazioni N- e C-terminale delle isoforme I-III hanno sequenze di amminoacidi simili, probabilmente come risultato della duplicazione genica e della fusione.
L'isoforma IV di esochinasi (glucochinasi) ha un peso molecolare di 50.000, simile a quella di esochinasi di lievito. La glucochinasi mostra una significativa somiglianza di sequenza con le metà N e C-terminale delle isoforme I-III.
Nonostante le somiglianze di sequenza, le proprietà funzionali delle isoforme di esochinasi differiscono in modo significativo.
Isoform I (in seguito, esochinasi I) regola la fase di limitazione della glicolisi nel cervello e nei globuli rossi.
Il prodotto di reazione, glucosio-6-fosfato (Gluc-6-P), inibisce entrambe le isoforme I e II (ma non l'isoforma IV) a livelli micromolari.
Tuttavia, il fosfato inorganico (Pi) allevia l'inibizione di Gluc-6-P da esochinasi I.
Il dominio C-terminale di esochinasi I possiede attività catalitica, mentre il dominio N-terminale stesso non ha attività, ma è coinvolto nella regolazione allosterica positiva del prodotto da parte di Pi.
Al contrario, entrambe le parti C e N-terminale hanno un'attività catalitica comparabile nell'isoforma II.
Così, tra le isoforme di esochinasi, l'esochinasi cerebrale mostra proprietà regolatorie uniche in cui i livelli fisiologici di Pi possono inibire l'inibizione a causa dei livelli fisiologici di Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998).
Le esochine di tipo I, II e III possono fosforilare una varietà di zuccheri esosi, inclusi glucosio, fruttosio e mannosio, e come tali sono coinvolti in un certo numero di vie metaboliche (enzimi della glicolisi, SF).
La glucochinasi del fegato differisce dalle altre isoforme in tre aspetti:
- È specifico per il D-glucosio e non agisce con altri esosi
- Non è inibito dal glucosio 6-fosfato
- Ha un Km più alto rispetto alle altre isoforme (10mM vs 0.1mM) che conferisce una minore affinità al substrato.
La glucochinasi epatica entra in gioco quando la concentrazione di zucchero nel sangue è elevata, ad esempio dopo un pasto ricco di carboidrati.
La glucochinasi è molto importante in un altro aspetto: il diabete mellito è carente nella malattia.
In questa malattia, il pancreas non riesce a secernere insulina in quantità normali, la glicemia è molto alta e si forma pochissimo glicogeno epatico (Lehninger, 1982).
