A glicoquinase (GK, con Número EC:2.7.1.2) é un encima que cataliza a fosforilación da glicosa a glicosa 6-fosfato. A glicoquinase está presente nas células do fígado, páncreas, intestino, e cerebro de humanos e da maioría dos outros vertebrados. Neses órganos exerce un importante papel na regulación do metabolismo dos carbohidratos ao actuar como un sensor de glicosa, que impulsa cambios no metabolismo ou as funcións celulares en resposta ao incremento ou diminución dos niveis de glicosa, como os que ocorren despois dunha comida ou no xaxún. As mutacións no xene deste encima poden causar formas infrecuentes de diabetes ou hipoglicemia.
A glicoquinase é un isoencima hexoquinase, relacionado con polo menos outras tres hexoquinases homólogas. Todas as hexoquinases poden mediar a fosforilación da glicosa a glicosa 6-fosfato (G6P), que é o primeiro paso na síntese do glicóxeno e na glicólise. Porén, a glicoquinase está codificada nun xene diferente e as súas propiedades cinéticas distintivas permítenlle que interveña nun variado conxunto de funcións. A glicoquinase ten unha menor afinidade pola glicosa que as outras hexoquinases, e a súa actividade está localizada nuns poucos tipos celulares, mentres que as outras tres hexoquinases son as máis importantes na preparación da glicosa para a glicólise e a síntese de glicóxeno na maioría dos tecidos e órganos. Debido á súa reducida afinidade, a actividade da glicoquinase nas condicións fisiolóxicas normais varía substancialmente segundo a concentración de glicosa.
Nomenclatura Outros nomes alternativos deste encima son: hexoquinase IV humana, hexoquinase D, e ATP:D-hexosa 6-fosfotransferase, EC 2.7.1.1 (previamente 2.7.1.2). O nome común glicoquinase deriva da súa relativa especificidade pola glicosa en condicións fisiolóxicas e de que é un encima que fosforila (quinase).
Algúns bioquímicos teñen argumentado que o nome glicoquinase debería ser abandonado por ser enganoso, xa que este encima pode fosforilar outras hexosas nas condicións axeitadas e non só a glicosa, e porque hai encimas distantemente relacionados con ela en bacterias que teñen unha especificidade máis absoluta pola glicosa e que, por esa razón, merecerían máis o nome de glicoquinase e o EC 2.7.1.2. Non obstante, o nome glicoquinase segue a ser o preferido nos campos da medicina e fisioloxía de mamíferos.
Descubriuse en 2004 outra glicosa quinase de mamíferos chamada glicoquinase específica de ADP. O xene deste encima é distinto e similar ao de organismos primitivos. Depende do ADP en vez do ATP (o que suxire a posibilidade de que teña unha función máis efectiva durante a hipoxia), e o seu papel metabólico e importancia aínda debe ser dilucidado.
Catálise
Substratos e produtos
O principal substrato de importancia fisiolóxica deste encima é a glicosa, e o produto máis importante é a glicosa 6-fosfato (G6P). Outro substrato necesario, do cal deriva o fosfato, é a adenosina trifosfato (ATP), que se converte en adenosina difosfato (ADP) cando perde o fosfato. A reacción catalizada pola glicoquinase é:
Acción da glicoquinase sobre a glicosa.
O ATP participa na reacción en forma dun complexo co ión magnesio como un cofactor. Ademais, en certas condicións, a glicoquinase, igual que outras hexoquinases, pode inducir a fosforilación doutras hexosas (azucres de seis carbonos) e moléculas similares. Xa que logo, a reacción xeral da glicoquinase descríbese máis exactamente como: Hexosa + MgATP2- → hexosa-PO32- + MgADP- + H+
Entre as hexosas que funcionan como substratos están a manosa, frutosa, e glicosamina, pero a afinidade da glicoquinase por elas require concentracións que non se encontran nas células, polo que non hai unha actividade significativa.
Cinética A glicoquinase ten dúas importantes propiedades cinéticas que a distinguen doutras hexoquinases, e que lle permiten realizar o seu papel especial de sensor da glicosa. A glicoquinase ten unha afinidade pola glicosa menor que outras hexoquinases. A glicoquinase cambia a súa conformación e función en paralelo aos aumentos das concentracións de glicosa no rango fisioloxicamente importante entre 4 e 10 mmol/L (72–180 mg/dL). Está semisaturada a unha concentración de glicosa duns 8 mmol/L (144 mg/dL). A glicoquinase non é inhibida polo seu produto, a glicosa 6-fosfato. Isto permite unha continua saída do sinal (por exemplo, para promover a liberación de insulina) aínda que haxa cantidades significativas do seu produto.
Estas dúas características fan que poida regular unha vía metabólica "impulsada pola subministración", é dicir, a velocidade de reacción está impulsada pola subministración de glicosa e non pola demanda dos produtos finais.
Outra propiedade distintiva da glicoquinase é a súa moderada cooperatividade con glicosa, cun coeficiente de Hill (nH) de aproximadamente 1,7. A glicoquinase ten un único sitio de unión para a glicosa e é o único encima regulador monomérico coñecido que mostra cooperatividade de substrato. Postulouse que a natureza da cooperatividade implica unha "transición lenta" entre dous estados do encima diferentes con distintas taxas de actividade. Se consideramos que o estado dominante depende das concentracións de glicosa, a cooperatividade aparente que produciría sería similar á observada.
Debido a esta cooperatividade, a interacción cinética da glicoquinase coa glicosa non segue a clásica cinética de Michaelis-Menten. En vez de utilizar a Km para a glicosa, é mellor neste encima describir o seu nivel de semisaturación S0,5, que é a concentración á cal o encima está saturado ao 50% e activo.
O S0,5 e o nH extrapólanse a un "punto de inflexión" da curva describindo a actividade encimática como unha función da concentración de glicosa e 4 mmol/L. Noutras palabras, a unha concentración de glicosa de aproximadamente 72 mg/dL, que está preto do extremo baixo do rango normal, a actividade da glicoquinase é máis sensible a pequenos cambios na concentración de glicosa.
A relación cinética co outro substrato, o complexo MgATP, pode describirse pola cinética clásica de Michaelis-Menten, cunha afinidade de aproximadamente 0,3-0,4 mmol/L, bastante por debaixo da típica concentración intracelular de 2,5 mmol/L. O feito de que hai case sempre un exceso de ATP dispoñible implica que as concentracións de ATP raramente inflúen na actividade da glicoquinase.
A actividade específica máxima (kcat, tamén coñecida como taxa de recambio ou turnover rate) da glicoquinase cando está saturada con ambos os substratos é de 62/s.
Ideouse un "modelo matemático mínimo" baseado na información cinética mencionada para predicir a taxa de fosforilación da glicosa nas células beta (BGPR) da glicoquinase normal ("tipo salvaxe") e das súas formas mutantes coñecidas. A BGPR para a glicoquinase salvaxe é dun 28% a unha concentración de glicosa do 5 mmol/L, o que indica que o encima está funcionando a un 28% da capacidade ao limiar usual de glicosa necesario para causar a liberación de insulina.
Mecanismo Os grupos sulfhidrilo de varias cisteínas (Cys) rodean o sitio de unión da glicosa no encima. Todas excepto a Cys 230 son esenciais para o proceso catalítico, xa que forman varias pontes disulfuro durante a interacción cos substratos e reguladores. Polo menos nas células beta do páncreas, a proporción de moléculas de glicoquinase activas e inactivas está en parte determinada polo balance de oxidación dos grupos sulfhidrilo ou a redución de pontes disulfuro.
Estes grupos sulfhidrilo son bastante sensibles ao estado de oxidación das células, o que fai que a glicoquinase sexa un dos compoñentes celulares máis vulnerables ao estrés oxidativo, especialmente nas células beta.
Estrutura
A glicoquinase é unha proteína monomérica de 465 aminoácidos e unha masa molecular duns 50 kD. Hai polo menos dúas fisuras no encima para a unión de substancias, unha é o sitio activo, onde se une a glicosa e o MgATP, e a outra é para un suposto activador alostérico, que non foi aínda identificado.
O encima ten a metade do tamaño doutras hexoquinases, que manteñen un grao de estrutura dimérica. Comparte con outras hexoquinases e glicoquinases de mamífero e outras proteínas varias secuencias e a estrutura tridimensional dos sitios activos esenciais, como o sitio de unión para o ATP, por exemplo, e a estrutura común denomínase pregamento de actina.
Xenética A glicoquinase humana está codificada polo xene GCK do cromosoma 7. Este xene autosómico simple ten 10 exóns. Os xenes da glicoquinase doutros animais son homólogos do xene GCK humano.
Unha característica distintiva do xene é que comeza con dúas rexións promotoras posibles. O primeiro exón empezando polo extremo 5' contén dúas rexións promotoras específicas de tecido. A transcrición pode empezar por calquera dos promotores (dependendo do tecido) para que así o mesmo xene poida producir unha molécula lixeiramente diferente no fígado e noutros tecidos. As dúas isoformas da glicoquinase difiren só en 13-15 aminoácidos no extremo N-terminal da molécula, o cal produce só unha mínima diferenza na estrutura. As dúas isoformas teñen as mesmas características cinéticas e funcionais.
O primeiro promotor desde o extremo 5', denominado promotor de "augas arriba" (upstream) ou promotor neuroendócrino, é activo nas células dos illotes pancreáticos, tecido nervioso, e enterocitos do intestino delgado e produce neles a "isoforma neuroendócrina" da glicoquinase. O segundo promotor, o de "augas abaixo" (downstream) ou promotor hepático, é activo nos hepatocitos e dirixe a produción da "isoforma hepática". Os dous promotores teñen pouca ou ningunha homoloxía de secuencia e están separados por unha secuencia de 30 kbp, que non se atopou que teña diferenzas funcionais entre as isoformas. Os dous promotores son funcionalmente exclusivos e gobernados por un conxunto distinto de factores reguladores, para que así a expresión da glicoquinase poida ser regulada por separado en diferentes tecidos. Os dous promotores correspóndense con dous grandes tipos de funcións da glicoquinase: no fígado, a glicoquinase actúa como portal para o "procesamento en masa" da glicosa dispoñible, mentres que nas células neuroendócrinas actúa como sensor, iniciando respostas celulares que afectan ao metabolismo de carbohidratos de todo o corpo.
Distribución nos órganos A glicoquinase atopouse en células específicas de catro tipos de tecidos de mamíferos, que son: fígado, páncreas, intestino delgado, e partes do encéfalo. En todos xoga un papel fundamental na resposta ao aumento ou diminución dos niveis de glicosa no sangue. As células predominantes do fígado son os hepatocitos, e a glicoquinase encóntrase no fígado exclusivamente nelas. Durante a dixestión dunha comida de carbohidratos, cando a glicosa sanguínea está elevada e os niveis de insulina son altos, os hepatocitos retiran a glicosa do sangue e almacénana no seu interior en forma de glicóxeno. Despois de completarse a dixestión e absorción, o fígado fabrica glicosa tanto a partir de substratos non compostos de glicosa (por gliconeoxénese) coma do glicóxeno (glicoxenólise), e expórtaa ao sangue, para manter un adecuado nivel de glicosa sanguíneo durante o xaxún. Como a actividade da glicoquinase se eleva rapidamente a medida que a concentración de glicosa aumenta, o encima serve como un interruptor metabólico central que cambia o metabolismo hepático dos carbohidratos entre os estados de saciedade e xaxún. A fosforilación da glicosa a glicosa 6-fosfato feita pola glicoquinase facilita o almacenamento da glicosa en forma de glicóxeno e o seu uso para a glicólise. O promotor hepático adicional do seu xene permite que a glicoquinase sexa regulada de forma diferente nos hepatocitos e nas células neuroendócrinas. As células neuroendócrinas do páncreas, intestino, e cerebro comparten algúns aspectos comúns da produción de glicoquinase, regulación, e función. As células destes tecidos denomínanse en conxunto células "neuroendócrinas" neste contexto.