Введение

Класс ферментов

Гексокиназа – это фермент, который необратимо фосфорилирует гексозы (шестиуглеродные сахара), образуя гексозофосфат. В большинстве организмов глюкоза является наиболее важным субстратом для гексокиназ, а глюкозо-6-фосфат – наиболее важным продуктом. Гексокиназа обладает способностью переносить неорганическую фосфатную группу из АТФ на субстрат. Гексокиназы не следует путать с глюкокиназой, которая является специфической гексокиназой, обнаруженной в печени. Все гексокиназы способны фосфорилировать несколько гексоз, но гексокиназа IV (D) часто ошибочно называется глюкокиназой, хотя она не более специфична к глюкозе, чем другие изоферменты млекопитающих.

Изменение

Гены, кодирующие гексокиназу, обнаружены во всех доменах жизни и присутствуют у широкого спектра видов – от бактерий, дрожжей и растений до человека и других позвоночных. Ферменты дрожжей, растений и позвоночных демонстрируют явные признаки последовательной гомологии, в то время как ферменты бактерий могут быть не связаны с ними. Они относятся к белкам актинового типа, обладающим общим ядром ATP-связывающего центра, окруженным более вариабельными последовательностями, определяющими аффинность к субстрату и другие свойства. В пределах одного вида могут встречаться несколько изоферментов гексокиназы, выполняющих различные функции.

Последствия фосфорилирования гексозой

Фосфорилирование гексозы, такой как глюкоза, часто ограничивает ее участие в ряде внутриклеточных метаболических процессов, таких как гликолиз или синтез гликогена. Это происходит потому, что фосфорилированные гексозы несут заряд, и поэтому их сложнее транспортировать за пределы клетки. У пациентов с эссенциальной фруктозурией основным способом метаболизма пищевой фруктозы является метаболизм фруктозы гексокиназой до фруктозо-6-фосфата; этот путь не играет существенной роли у здоровых людей.

Размер различных изоформ

Большинство бактериальных гексокиназ имеют размер около 50 кДа. Многоклеточные организмы, включая растения и животных, часто обладают более чем одной изоформой гексокиназы. Большинство из них имеют размер около 100 кДа и состоят из двух частей (N- и C-концевых доменов), которые демонстрируют значительную гомологию последовательностей. Это указывает на эволюционное происхождение путем дупликации и слияния 50кДа предковой гексокиназы, сходной с бактериальными.

Типы гексокиназы у млекопитающих

Существует четыре важных изофермента гексокиназы у млекопитающих, различающихся по субклеточному расположению, кинетике по отношению к различным субстратам и условиям, а также физиологической функции. Они были обозначены как гексокиназы А, В, С и D на основании их электрофоретической подвижности. Позднее предложенные альтернативные названия гексокиназы I, II, III и IV (соответственно) получили широкое распространение.

Гексокиназы I, II и III

Гексокиназы I, II и III называются изоферментами с низким Km из-за высокой аффинности к глюкозе (ниже 1 мМ). Гексокиназы I и II подчиняются кинетике Михаэлиса-Ментен при физиологических концентрациях субстратов. Все три сильно ингибируются своим продуктом – глюкозо-6-фосфатом. Молекулярная масса составляет около 100 кДа. Каждая из них состоит из двух сходных субъединиц по 50 кДа, но только в гексокиназе II обе субъединицы обладают функциональными активными центрами. Гексокиназа I/A обнаружена во всех тканях млекопитающих и считается "ферментом домашнего хозяйства", не подверженным влиянию большинства физиологических, гормональных и метаболических изменений. Гексокиназа II/B является основным регулируемым изоферментом во многих типах клеток и увеличена при многих видах рака. Она является гексокиназой, содержащейся в мышцах и сердце. Гексокиназа II также локализована во внешней мембране митохондрий, что обеспечивает ей прямой доступ к АТФ. Относительная удельная активность гексокиназы II возрастает с повышением pH, по крайней мере, в диапазоне от 6,9 до 8,5. Гексокиназа III/C ингибируется глюкозой как субстратом при физиологических концентрациях. О регуляторных характеристиках этого изофермента известно мало.

Гексокиназа IV ("глюкокиназа")

Гексокиназа IV млекопитающих, также известная как глюкокиназа, отличается от других гексокиназ кинетическими свойствами и функциями. Фосфорилирование на субклеточном уровне происходит при транслокации глюкокиназы между цитоплазмой и ядром клеток печени. Глюкокиназа способна фосфорилировать глюкозу только при достаточно высокой концентрации этого субстрата; она не подчиняется кинетике Генри-Михаэлиса-Ментен и не имеет значения Km; полунасыщение достигается при концентрациях глюкозы в 100 раз превышающих таковые для гексокиназ I, II и III. Гексокиназа IV является мономерным белком массой около 50 кДа, демонстрирует положительную кооперативность с глюкозой и не подвергается аллостерическому ингибированию своим продуктом – глюкозо-6-фосфатом. Присоединение заряженной фосфатной группы в 6-м положении гексоз также обеспечивает "удержание" глюкозы и аналогов глюкозы, таких как 2-дезоксиглюкоза (например, 2-дезоксиглюкоза и 2-фтор-2-дезоксиглюкоза), внутри клеток, поскольку заряженные фосфаты гексоз не способны легко проникать через клеточную мембрану.

Связь с митохондриями

Гексокиназы I и II могут физически ассоциироваться с наружной поверхностью внешней мембраны митохондрий посредством специфического связывания с порнином, или каналом, зависимым от напряжения, пропускающим анионы. Эта ассоциация обеспечивает гексокиназе прямой доступ к АТФ, генерируемому митохондриями, который является одним из двух субстратов гексокиназы. Уровень митохондриальной гексокиназы значительно повышен в быстрорастущих злокачественных опухолевых клетках, достигая значений в 200 раз превышающих таковые в нормальных тканях. Показано, что митохондриально-связанная гексокиназа является определяющим фактором чрезвычайно высоких скоростей гликолиза, протекающего в опухолевых клетках в аэробных условиях (так называемый эффект Варбурга, описанный Отто Генрихом Варбургом в 1930 году).

Недостаток

Дефицит гексокиназы – это генетическое аутосомно-рецессивное заболевание, вызывающее хроническую гемолитическую анемию. Хроническая гемолитическая анемия возникает из-за мутации в гене, кодирующем гексокиназу. Эта мутация приводит к снижению активности гексокиназы и, как следствие, к дефициту гексокиназы.