Was ist Hexokinase?

Hexokinase ist ein Protein, das in die Hauptgruppe eines Transferaseenzyms eingeordnet wird und für den Stoffwechsel von Lebewesen von großer Bedeutung ist.

Hexokinase ist das erste Enzym auf dem glykolytischen Weg und wandelt Glucose in Glucose-6-phosphat um. Es verwendet ATP zur Phosphorylierung der 6-Hydroxylgruppe von Glucose und wird durch das Produkt Glucose-6-phosphat gehemmt. Es leidet auch an einer positiven allosterischen Regulation durch Phosphat.

So reguliert Hexokinase den Glukosefluss im Energiestoffwechsel des Gehirns und der roten Blutkörperchen.

Glucose-6-phosphat und Glucose binden ebenso wie Glucose und anorganisches Phosphat synergistisch an Hexokinase.

Phosphat spielt eine geringe Rolle bei der Regulation der Hexokinase während der Atmung, da die Glykolyse durch die Glukoseversorgung begrenzt wird.

Während Perioden des Sauerstoffmangels muss mehr ATP aus der Glykolyse stammen, da Pyruvat Milchsäure bildet, anstatt in den Kreb-Zyklus einzutreten.

Wenn die extrazelluläre Glucosekonzentration etwa 5 mM beträgt, erhöht sich der Fluss durch den glykolytischen Weg auf bis zu 100% Kapazität.

Dies tritt immer dann auf, wenn der Glukosetransporter des Gehirngewebes die intrazellulären Glukosekonzentrationen um das 50-fache erhöht und es einen Mechanismus gibt, um die hemmenden Wirkungen von Glukose-6-phosphat auf Hexokinase zu kompensieren.

Eigenschaften der Hexokinase

Hexokinase ist ein großes Homodimer, das aus 920 Aminosäuren in jeder Kette besteht. Da beide Fäden identisch sind, wird eine Kette beobachtet.

Hier ist eine Ansicht der farbigen Struktur von heller zu dunkler in der Richtung von N-terminal zu C-terminal.

Das Enzym besteht aus vielen Alpha-Helices und Beta-Blättern. Die Alpha-Helices werden durch eine Helix-Turn-Helix-Struktur gebildet, und ein genauerer Blick auf die Beta-Blätter zeigt, dass sie ein offenes Alpha / Beta-Blatt bilden.

Hexokinase ist in der Lage, an zwei Liganden, Glucose und Glucose-6-phosphat, zu binden. Glucose wird gebunden, so dass Glykolyse auftreten kann, und Glucose-6-phosphat bindet als allosterischer Inhibitor. Es kann auch nützlich sein, diese Struktur in Stereo zu sehen (Schroering, 2013).

Die Tertiärstruktur der Hexokinase umfasst ein offenes Alpha / Beta-Faltblatt. Mit dieser Struktur ist eine große Variationsbreite verbunden.

Es besteht aus fünf Beta-Blättern und drei Alpha-Helices. In diesem offenen Alpha / Beta-Sheet sind vier der Beta-Sheets parallel und einer in antiparalleler Richtung.

Die Alpha-Helices und Beta-Loops verbinden die Beta-Sheets, um dieses Alpha / Beta-Open-Sheet zu erstellen. Die Spalte zeigt die ATP-Bindungsdomäne dieses glykolytischen Enzyms an (Schneeberger, 1999).

Reaktion

Um eine Netto-ATP-Ausbeute aus dem Glucose-Katabolismus zu erhalten, ist es zunächst erforderlich, das ATP umzukehren.

Während des Schritts reagiert die Alkoholgruppe in Position 6 des Glucosemoleküls leicht mit der terminalen Phosphatgruppe von ATP unter Bildung von Glucose-6-phosphat und ADP.

Der Einfachheit halber wird die Phosphorylgruppe (PO32-) durch Ⓟ dargestellt. Da die freie Energie so stark abnimmt, ist diese Reaktion unter physiologischen Bedingungen praktisch irreversibel.

Bei Tieren wird diese Phosphorylierung von Glucose, die Glucose-6-phosphat produziert, durch zwei verschiedene Enzyme katalysiert.

In den meisten Zellen löst eine Hexokinase mit einer hohen Affinität für Glucose die Reaktion aus.

Darüber hinaus enthält die Leber eine Glukokinase (Isoform IV der Hexokinase), die eine viel höhere Konzentration an Glukose erfordert, bevor sie reagiert.

Glukokinase wirkt nur in Notfällen, wenn die Konzentration von Glukose im Blut ungewöhnlich hoch ist (Kornberg, 2013).

Verordnung

Bei der Glykolyse sind die durch Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase katalysierten Reaktionen praktisch irreversibel. Es wird daher erwartet, dass diese Enzyme sowohl regulatorische als auch katalytische Funktionen haben. Tatsächlich dient jeder von ihnen als Kontrollstelle.

Hexokinase wird durch das Produkt Glucose-6-phosphat gehemmt. Hohe Konzentrationen dieses Moleküls weisen darauf hin, dass die Zelle keine Glukose mehr zur Energiegewinnung, zur Speicherung als Glykogen oder als Quelle für Biosynthesevorläufer benötigt und Glukose im Blut zurückbleibt.

Wenn beispielsweise Phosphofructokinase inaktiv ist, steigt die Konzentration von Fructose-6-phosphat an.

Der Glucose-6-Phosphat-Spiegel steigt wiederum an, da er sich im Gleichgewicht mit Fructose-6-Phosphat befindet. Daher führt die Hemmung der Phosphofructokinase zur Hemmung der Hexokinase.

Die Leber besitzt jedoch in Übereinstimmung mit ihrer Rolle als Überwachung des Blutzuckerspiegels ein spezialisiertes Isozym der Hexokinase, genannt Glucokinase, das nicht durch Glucose-6-phosphat gehemmt wird (Berg JM, 2002).

Hexokinase vs Glucokinase

Hexokinase hat vier verschiedene Isoformen, die als I, II, III und IV bezeichnet werden. Hexokinaseisoformen I, II und III haben Molekulargewichte von etwa 100.000 und sind unter den meisten Bedingungen Monomere.

Die Aminosäuresequenzen der Isoformen I-III sind zu 70% identisch. Andererseits weisen die N- und C-terminalen Einheiten der I-III-Isoformen ähnliche Aminosäuresequenzen auf, wahrscheinlich als Ergebnis von Genduplikation und -fusion.

Die Isoform IV der Hexokinase (Glucokinase) hat ein Molekulargewicht von 50.000, ähnlich dem der Hefehexokinase. Glucokinase zeigt eine signifikante Sequenzähnlichkeit mit den N- und C-terminalen Hälften der Isoformen I-III.

Trotz Sequenzähnlichkeiten unterscheiden sich die funktionellen Eigenschaften von Hexokinase-Isoformen signifikant.

Isoform I (im Folgenden Hexokinase I) reguliert den Begrenzungsschritt der Glykolyse im Gehirn und in den roten Blutkörperchen.

Das Reaktionsprodukt Glucose-6-phosphat (Gluc-6-P) inhibiert sowohl die Isoformen I als auch die Isoformen II (jedoch nicht die Isoformen IV) in mikromolaren Mengen.

Anorganisches Phosphat (Pi) lindert jedoch die Hemmung von Gluc-6-P durch Hexokinase I.

Die C-terminale Domäne von Hexokinase I besitzt katalytische Aktivität, während die N-terminale Domäne selbst keine Aktivität besitzt, sondern an der positiven allosterischen Regulation des Produkts durch Pi beteiligt ist.

Im Gegensatz dazu weisen sowohl der C- als auch der N-terminale Teil eine vergleichbare katalytische Aktivität in Isoform II auf.

Daher zeigt die zerebrale Hexokinase unter den Hexokinase-Isoformen einzigartige regulatorische Eigenschaften, bei denen physiologische Spiegel von Pi die Hemmung aufgrund physiologischer Spiegel von Gluc-6-P umkehren können (Alexander E Aleshin, 1998).

Hexokine vom Typ I, II und III können eine Vielzahl von Hexosezuckern, einschließlich Glucose, Fructose und Mannose, phosphorylieren und sind als solche an einer Reihe von Stoffwechselwegen beteiligt (Enzyme of Glycolysis, SF).

Die Glukokinase der Leber unterscheidet sich von den anderen Isoformen in drei Punkten:

• Es ist spezifisch für D-Glucose und wirkt nicht mit anderen Hexosen zusammen
• Es wird nicht durch Glucose-6-phosphat gehemmt
• Es hat einen Km-Wert höher als die anderen Isoformen (10 mM gegenüber 0, 1 mM), was eine geringere Affinität zum Substrat ergibt.

Hepatische Glukokinase kommt ins Spiel, wenn der Blutzuckerspiegel beispielsweise nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit hoch ist.

Glucokinase ist in einem anderen Aspekt sehr wichtig: Diabetes mellitus ist in der Krankheit unzulänglich.

Bei dieser Krankheit scheidet die Bauchspeicheldrüse kein Insulin in normalen Mengen aus, der Blutzucker ist sehr hoch und es wird sehr wenig Leberglykogen gebildet (Lehninger, 1982).