Τι είναι η Εξοκινάση;

Το εξοκινάση είναι μια πρωτεΐνη που είναι ταξινομημένη στην κύρια ομάδα ενός ενζύμου τρανσφεράσης, που είναι αρκετά σημαντική στο μεταβολισμό των ζώντων όντων. 

Η εξακινάση είναι το πρώτο ένζυμο στην γλυκολυτική οδό και μετατρέπει τη γλυκόζη σε 6-φωσφορική γλυκόζη. Χρησιμοποιεί το ΑΤΡ για τη φωσφορυλίωση της ομάδας 6-υδροξυλίου της γλυκόζης και αναστέλλεται από το προϊόν της 6-φωσφορική γλυκόζη. Υποφέρει επίσης από θετική αλλοστερική ρύθμιση από φωσφορικά.

Έτσι, η εξοκινάση ρυθμίζει τη ροή της γλυκόζης στον ενεργειακό μεταβολισμό του εγκεφάλου και των ερυθρών αιμοσφαιρίων.

Η 6-φωσφορική γλυκόζη και η γλυκόζη δεσμεύονται συνεργικά με την εξοκινάση, όπως και η γλυκόζη και το ανόργανο φωσφορικό.

Το φωσφορικό παίζει μικρό ρόλο στη ρύθμιση της εξοκινάσης κατά τη διάρκεια της αναπνοής, καθώς η γλυκόλυση περιορίζεται από την παροχή γλυκόζης.

Κατά τη διάρκεια περιόδων στέρησης οξυγόνου, περισσότερο ATP πρέπει να προέρχεται από τη γλυκόλυση αφού το πυροσταφυλικό σχηματίζει γαλακτικό οξύ αντί να εισέλθει στον κύκλο Kreb.

Όταν η συγκέντρωση της εξωκυτταρικής γλυκόζης είναι περίπου 5 mM, η ροή διαμέσου της γλυκολυτικής οδού αυξάνεται μέχρι την ικανότητα 100%.

Αυτό συμβαίνει όταν ο μεταφορέας γλυκόζης στον ιστό του εγκεφάλου αυξάνει τις συγκεντρώσεις γλυκόζης ενδοκυτταρική 50 φορές και υπάρχει ένας μηχανισμός για την αντιστάθμιση των ανασταλτικές επιδράσεις της 6-φωσφορικής γλυκόζης για εξοκινάσης.

Ιδιότητες της εξοκινάσης

Η εξακινάση είναι ένα μεγάλο ομοδιμερές που αποτελείται από 920 αμινοξέα σε κάθε αλυσίδα. Επειδή και τα δύο νήματα είναι πανομοιότυπα, παρατηρείται αλυσίδα.

Εδώ είναι μια άποψη της έγχρωμης δομής από ελαφρύτερο σε σκοτεινότερο στην κατεύθυνση Ν-τερματικού προς C-τερματικό.

Το ένζυμο αποτελείται από πολλές άλφα έλικες και φύλλα βήτα. Οι άλφα έλικες σχηματίζονται από μια δομή ελικοειδούς-έλικας και μια πιο προσεκτική ματιά στα φύλλα βήτα δείχνει ότι σχηματίζουν ένα ανοιχτό φύλλο άλφα / βήτα.

Η εξακινάση είναι ικανή να συνδέεται με δύο προσδέματα, γλυκόζη και 6-φωσφορική γλυκόζη. Η γλυκόζη δεσμεύεται έτσι ώστε να μπορεί να συμβεί γλυκόλυση και η 6-φωσφορική γλυκόζη δεσμεύεται ως αλλοστερικός αναστολέας. Μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο να δούμε αυτή τη δομή σε στερεοφωνικό (Schroering, 2013).

Η τριτοταγής δομή της εξοκινάσης περιλαμβάνει ένα ανοικτό φύλλο άλφα / βήτα. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές που συνδέονται με αυτή τη δομή.

Αποτελείται από πέντε φύλλα βήτα και από τρεις άλφα έλικες. Σε αυτό το ανοιχτό φύλλο άλφα / βήτα, τέσσερα από τα φύλλα βήτα είναι παράλληλα και το ένα βρίσκεται στις αντιπαράλληλες κατευθύνσεις.

Οι έλικες άλφα και βήτα βήτα συνδέουν τα φύλλα beta για να παράγουν αυτό το ανοιχτό φύλλο άλφα / βήτα. Η σχισμή υποδεικνύει την περιοχή δέσμευσης ΑΤΡ αυτού του γλυκολυτικού ενζύμου (Schneeberger, 1999).

Αντίδραση

Προκειμένου να επιτευχθεί μια καθαρή απόδοση ΑΤΡ από τον καταβολισμό της γλυκόζης, πρέπει πρώτα να αναστραφεί η ΑΤΡ.

Κατά τη διάρκεια του σταδίου, η ομάδα αλκοόλης στη θέση 6 του μορίου γλυκόζης αντιδρά εύκολα με την τελική φωσφορική ομάδα του ΑΤΡ, σχηματίζοντας 6-φωσφορική γλυκόζη και ADP.

Για ευκολία, η φωσφορυλική ομάδα (ΡΟ32-) παριστάνεται με Ⓟ. Επειδή η μείωση της ελεύθερης ενέργειας είναι τόσο μεγάλη, αυτή η αντίδραση είναι ουσιαστικά μη αναστρέψιμη υπό φυσιολογικές συνθήκες.

Στα ζώα, αυτή η φωσφορυλίωση γλυκόζης, η οποία παράγει 6-φωσφορική γλυκόζη, καταλύεται από δύο διαφορετικά ένζυμα.

Στα περισσότερα κύτταρα, μία εξωκινάση με υψηλή συγγένεια για τη γλυκόζη παράγει την αντίδραση.

Επιπλέον, το ήπαρ περιέχει μια γλυκοκινάση (ισομορφή IV της εξοκινάσης), η οποία απαιτεί πολύ μεγαλύτερη συγκέντρωση γλυκόζης πριν αντιδράσει.

Η γλυκοκινάση λειτουργεί μόνο σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, όταν η συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα αυξάνεται σε ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα (Kornberg, 2013).

Κανονισμού

Στη γλυκόλυση, οι αντιδράσεις που καταλύονται από εξοκινάση, φωσφοφρουκτοκινάση και πυροσταφυλική κινάση είναι πρακτικά μη αναστρέψιμες. ως εκ τούτου, αναμένεται ότι αυτά τα ένζυμα έχουν ρυθμιστικούς και καταλυτικούς ρόλους. Στην πραγματικότητα, καθεμία από αυτές χρησιμεύει ως σημείο ελέγχου.

Η εξακινάση αναστέλλεται από το προϊόν της, 6-φωσφορική γλυκόζη. Υψηλές συγκεντρώσεις αυτού του μορίου υποδεικνύουν ότι το κύτταρο δεν απαιτεί πλέον τη γλυκόζη για αποθήκευση ενέργειας ως γλυκογόνο, ή ως πηγή βιοσυνθετικών προδρόμων, και γλυκόζη στο αίμα βούληση.

Για παράδειγμα, όταν η φωσφοφρουκτοκινάση είναι ανενεργή, η συγκέντρωση της 6-φωσφορικής φρουκτόζης αυξάνεται.

Με τη σειρά του, το επίπεδο 6-φωσφορικής γλυκόζης αυξάνεται επειδή είναι σε ισορροπία με 6-φωσφορική φρουκτόζη. Συνεπώς, η αναστολή της φωσφοφρουκτοκινάσης οδηγεί στην αναστολή της εξοκινάσης.

Ωστόσο, το ήπαρ, ανάλογα με το ρόλο του ως επίπεδα γλυκόζης στο αίμα μόνιτορ, έχει μια εξειδικευμένη ισοένζυμο της εξοκινάσης που ονομάζεται γλυκοκινάση δεν αναστέλλεται από 6-φωσφορική γλυκόζη (JM Berg, 2002).

Εξοκινάση έναντι γλυκοκινάσης

Η εξακινάση έχει τέσσερις διαφορετικές ισομορφές που ονομάζονται I, II, III και IV. Οι ισόμορφες της εξατοκινάσης Ι, II και III έχουν μοριακά βάρη περίπου 100.000 και είναι μονομερή στις περισσότερες συνθήκες.

Οι αλληλουχίες αμινοξέων των ισομορφών Ι-ΙΙΙ είναι ταυτόσημες με 70%. Από την άλλη πλευρά, τα Ν- και Ο-τερματικά μισά των Ι-ΙΙΙ ισομορφών έχουν παρόμοιες αλληλουχίες αμινοξέων, πιθανώς ως αποτέλεσμα γονιδιακής επικάλυψης και σύντηξης.

Η ισομορφή IV της εξοκινάσης (γλυκοκινάση) έχει ένα μοριακό βάρος 50.000, παρόμοιο με αυτό της εξωκινάσης ζύμης. Η γλυκοκινάση παρουσιάζει σημαντική ομοιότητα αλληλουχίας με τα Ν και C-τερματικά μισά των Ι-ΙΙΙ ισομορφών.

Παρά τις ομοιότητες αλληλουχιών, οι λειτουργικές ιδιότητες των ισομορφών εξοκινάσης διαφέρουν σημαντικά.

Η ισομορφία Ι (στη συνέχεια η εξοκινάση Ι) ρυθμίζει το στάδιο περιορισμού της γλυκόλυσης στον εγκέφαλο και τα ερυθροκύτταρα.

Το προϊόν της αντίδρασης 6-φωσφορικής γλυκόζης (Gluc-6-Ρ), αναστέλλει αμφότερες τις ισομορφές Ι και II (αλλά όχι IV ισομορφή) σε μικρομοριακά επίπεδα.

Ωστόσο, το ανόργανο φωσφορικό (Pi) ανακουφίζει την αναστολή του Gluc-6-P από την εξοκινάση Ι.

Το C-τερματικό πεδίο της εξοκινάσης Ι έχει καταλυτική, ενώ το Ν-τερματικό πεδίο το ίδιο δεν έχει δραστικότητα δραστηριότητα, αλλά εμπλέκεται στην θετική προϊόν αλλοστερική ρύθμιση από Pi.

Αντιθέτως, αμφότερα τα τερματικά και το Ν-τερματικά μέρη έχουν συγκρίσιμη καταλυτική δραστικότητα στην ισομορφή II.

Έτσι, μεταξύ των ισομορφών της εξοκινάσης, εγκεφαλικής εξοκινάση εμφανίζει μοναδικές ρυθμιστικών ιδιοτήτων σε φυσιολογικά επίπεδα της Pi μπορεί να αντιστρέψει την αναστολή λόγω φυσιολογικά επίπεδα Gluc - 6 - Ρ (Ε Aleshin Alexander, 1998).

Οι εξοκινάσες τύπου Ι, II και III μπορεί να φωσφορυλιώσει μια ποικιλία σακχάρων εξόζης, συμπεριλαμβανομένης της γλυκόζης, φρουκτόζης και μαννόζη, και ως τέτοια εμπλέκονται σε έναν αριθμό μεταβολικών οδών (Enzymes της γλυκόλυσης, S.F.).

Η γλυκοκινάση του ήπατος διαφέρει από τις άλλες ισομορφές σε τρεις όψεις:

• Είναι συγκεκριμένο για τη D-γλυκόζη και δεν δρα με άλλα hexoses
• Δεν αναστέλλεται από την 6-φωσφορική γλυκόζη
• Έχει ένα Km υψηλότερο από τις άλλες ισομορφές (10mM έναντι 0.1mM) που δίνει μια μικρότερη συγγένεια στο υπόστρωμα.

Η ηπατική γλυκοκινάση τίθεται σε λειτουργία όταν η συγκέντρωση του σακχάρου στο αίμα είναι υψηλή, για παράδειγμα, μετά από ένα γεύμα υψηλό σε υδατάνθρακες.

Η γλυκοκινάση είναι πολύ σημαντική σε μια άλλη πτυχή: ο σακχαρώδης διαβήτης είναι ανεπαρκής στην ασθένεια.

Σε αυτή την ασθένεια, το πάγκρεας αποτυγχάνει να εκκρίνει την ινσουλίνη σε κανονικές ποσότητες, η γλυκόζη του αίματος είναι πολύ υψηλή και σχηματίζεται πολύ μικρό γλυκογόνο του ήπατος (Lehninger, 1982).

Αναφορές

1. Alexander E Aleshin, Ζ. G. (1998). Ο μηχανισμός ρύθμισης της εξοκινάσης: νέες ιδέες από την κρυσταλλική δομή της ανασυνδυασμένης εξωκινάσης ανθρώπινου εγκεφάλου συμπλεγμένου με γλυκόζη και 6-φωσφορική γλυκόζη. Δομή, τόμος 6, τεύχος 1, 15, 39-50. 
2. Berg JM, Τ. J. (2002). 5η έκδοση. Νέα Υόρκη :: W H Freeman.
3. Ένζυμα της γλυκόλυσης. (S.F.). Ανάκτηση από ebi.ac.uk.
4. Kornberg, Η. (2013, 22 Μαΐου). Μεταβολισμός Ανάκτηση από britannica.com.
5. Lehninger, Α. L. (1982). Αρχές Βιοχημείας. Νέα Υόρκη: Worth Publisher, Inc.
6. Schneeberger, Β. Μ. (1999). ΕΞΟΚΙΝΑΣΕ. Ανακτήθηκε από το chem.uwec.edu.
7. Schroering, Κ. (2013, 20 Φεβρουαρίου). Η Δομή και ο Μηχανισμός της Εξοκινάσης. Ανάκτηση από την ιστοσελίδα proteopedia.org.