Qu'est-ce que l'hexokinase?

L'hexokinase est une protéine classée dans le groupe principal des enzymes transférases, qui joue un rôle très important dans le métabolisme des êtres vivants.

L'hexokinase est la première enzyme de la voie glycolytique et convertit le glucose en glucose-6-phosphate. Il utilise l'ATP pour phosphoryler le groupe 6-hydroxyle du glucose et est inhibé par son produit, le glucose-6-phosphate. Il souffre également d'une régulation allostérique positive par le phosphate.

Ainsi, l'hexokinase régule le flux de glucose dans le métabolisme énergétique du cerveau et des globules rouges.

Le glucose-6-phosphate et le glucose se lient de manière synergique à l'hexokinase, de même que le glucose et le phosphate inorganique.

Le phosphate joue un petit rôle dans la régulation de l'hexokinase pendant la respiration, car la glycolyse est limitée par l'apport en glucose.

En période de privation d'oxygène, la glycolyse doit générer davantage d'ATP, car le pyruvate forme de l'acide lactique au lieu d'entrer dans le cycle de Kreb.

Lorsque la concentration en glucose extracellulaire est d'environ 5 mM, le débit à travers la voie glycolytique augmente jusqu'à 100% de sa capacité.

Cela se produit chaque fois que le transporteur de glucose du tissu cérébral augmente de 50 fois les concentrations de glucose intracellulaire et qu'il existe un mécanisme pour compenser les effets inhibiteurs du glucose-6-phosphate sur l'hexokinase.

Propriétés de l'hexokinase

L'hexokinase est un grand homodimère composé de 920 acides aminés dans chaque chaîne. Puisque les deux fils sont identiques, une chaîne sera observée.

Voici une vue de la structure colorée du plus clair au plus sombre dans la direction N-terminale à C-terminale.

L'enzyme est composée de nombreuses hélices alpha et de feuilles bêta. Les hélices alpha sont formées par une structure hélice à tour de rôle, et un examen plus attentif des feuilles bêta indiquera qu'elles forment une feuille alpha / bêta ouverte.

L'hexokinase est capable de se lier à deux ligands, le glucose et le glucose-6-phosphate. Le glucose est lié pour que la glycolyse puisse se produire et le glucose-6-phosphate se lie en tant qu'inhibiteur allostérique. Il peut également être utile de voir cette structure en stéréo (Schroering, 2013).

La structure tertiaire de l'hexokinase comprend une feuille alpha / bêta ouverte. Il y a une grande quantité de variation associée à cette structure.

Il se compose de cinq feuilles bêta et de trois hélices alpha. Dans cette feuille alpha / bêta ouverte, quatre des feuilles bêta sont parallèles et une dans la direction anti-parallèle.

Les hélices alpha et les boucles bêta connectent les feuilles bêta pour produire cette feuille ouverte alpha / bêta. La fente indique le domaine de liaison à l'ATP de cette enzyme glycolytique (Schneeberger, 1999).

Réaction

Pour obtenir un rendement net en ATP à partir du catabolisme du glucose, il est d'abord nécessaire d'inverser l'ATP.

Au cours de l'étape, le groupe alcool en position 6 de la molécule de glucose réagit facilement avec le groupe phosphate terminal de l'ATP, formant ainsi le glucose-6-phosphate et l'ADP.

Par commodité, le groupe phosphoryle (PO32-) est représenté par. La diminution de l’énergie libre étant si importante, cette réaction est pratiquement irréversible dans des conditions physiologiques.

Chez les animaux, cette phosphorylation du glucose, qui produit le glucose 6-phosphate, est catalysée par deux enzymes différentes.

Dans la plupart des cellules, une hexokinase ayant une forte affinité pour le glucose produit la réaction.

En outre, le foie contient une glucokinase (isoforme IV de l'hexokinase), qui nécessite une concentration de glucose beaucoup plus élevée avant sa réaction.

La glucokinase ne fonctionne que dans les situations d'urgence, lorsque la concentration de glucose dans le sang atteint des niveaux anormalement élevés (Kornberg, 2013).

Règlement

Dans la glycolyse, les réactions catalysées par l'hexokinase, la phosphofructokinase et la pyruvate kinase sont pratiquement irréversibles; par conséquent, on s'attend à ce que ces enzymes jouent à la fois un rôle de régulateur et de catalyseur. En fait, chacun d’entre eux sert de site de contrôle.

L'hexokinase est inhibée par son produit, le glucose 6-phosphate. Des concentrations élevées de cette molécule indiquent que la cellule n'a plus besoin de glucose pour l'énergie, ni pour être stockée sous forme de glycogène, ni comme source de précurseurs biosynthétiques, et le glucose restera dans le sang.

Par exemple, lorsque la phosphofructokinase est inactive, la concentration en fructose 6-phosphate augmente.

À son tour, le niveau de glucose 6-phosphate augmente car il est en équilibre avec le fructose 6-phosphate. Par conséquent, l'inhibition de la phosphofructokinase entraîne l'inhibition de l'hexokinase.

Cependant, le foie, conformément à son rôle de moniteur des taux de glucose sanguin, possède une isozyme spécifique de l'hexokinase appelée glucokinase qui n'est pas inhibée par le glucose-6-phosphate (Berg JM, 2002.).

Hexokinase vs glucokinase

L'hexokinase a quatre isoformes différentes appelées I, II, III et IV. Les isoformes I, II et III de l'hexokinase ont des poids moléculaires d'environ 100 000 et sont des monomères dans la plupart des conditions.

Les séquences d'acides aminés des isoformes I à III sont identiques à 70%. D'autre part, les fragments N- et C-terminaux des isoformes I-III ont des séquences d'acides aminés similaires, probablement du fait de la duplication et de la fusion de gènes.

L'isoforme IV de l'hexokinase (glucokinase) a un poids moléculaire de 50 000, similaire à celui de l'hexokinase de levure. La glucokinase présente une similarité de séquence significative avec les moitiés N et C-terminales des isoformes I à III.

Malgré les similitudes de séquence, les propriétés fonctionnelles des isoformes de l'hexokinase diffèrent de manière significative.

L'isoforme I (ci-après hexokinase I) régule l'étape de limitation de la glycolyse dans le cerveau et les globules rouges.

Le produit de réaction, le glucose-6-phosphate (Gluc-6-P), inhibe les isoformes I et II (mais pas l'isoforme IV) à des niveaux micromolaires.

Cependant, le phosphate inorganique (Pi) soulage l'inhibition de la Gluc-6-P de l'hexokinase I.

Le domaine C-terminal de l'hexokinase I possède une activité catalytique, alors que le domaine N-terminal n'a aucune activité, mais est impliqué dans la régulation allostérique positive du produit par Pi.

En revanche, les parties C et N-terminales ont une activité catalytique comparable dans l'isoforme II.

Ainsi, parmi les isoformes de l'hexokinase, l'hexokinase cérébrale présente des propriétés régulatrices uniques dans lesquelles les taux physiologiques de Pi peuvent inverser l'inhibition en raison des taux physiologiques de Gluc-6-P (Alexander E Aleshin, 1998).

Les hexokinés des types I, II et III peuvent phosphoryler une variété de sucres hexoses, y compris le glucose, le fructose et le mannose, et sont donc impliqués dans de nombreuses voies métaboliques (Enzymes of Glycolysis, SF).

La glucokinase du foie diffère des autres isoformes en trois aspects:

  • Il est spécifique au D-glucose et n'agit pas avec d'autres hexoses
  • Il n’est pas inhibé par le glucose 6-phosphate
  • Il a un Km plus élevé que les autres isoformes (10 mM vs 0, 1 mM), ce qui confère une plus faible affinité au substrat.

La glucokinase hépatique entre en jeu lorsque la concentration de sucre dans le sang est élevée, par exemple après un repas riche en glucides.

La glucokinase est très importante sous un autre aspect: le diabète sucré est déficient dans la maladie.

Dans cette maladie, le pancréas ne sécrète pas d'insuline en quantité normale, la glycémie est très élevée et très peu de glycogène dans le foie se forme (Lehninger, 1982).