Gli isozimi o più comunemente chiamati isoenzimi sono differenti proteine che catalizzano la stessa reazione.

Nel caso delle esochinasi catalizzano la prima reazione della glicolisi: il trasferimento del gamma-fosfato dall’ATP al C-6 del glucosio. L’avvio della reazione è dato dalla formazione del complesso Mg-ATP che successivamente si lega al complesso esochinasi-glucosio, si possono formare quindi i prodotti glucosio-6-fosfato e ADP che lasceranno l’enzima. Questo enzima è fortemente regolato per questo è una delle principali tappe controllo della glicolisi.

Hexokinase I complex with ATP analog, glucose, glucose-phosphate and Mg+2 ion Show:Asymmetric Unit Biological Assembly

Le quattro forme isoenzimatiche sono:

• Esochinasi I: è presente in tutti i tessuti dei mammiferi e rimane inalterata dalla maggior parte dei cambiamenti fisiologici, ormonali e metabolici;
• Esochinasi II: principale isoforma regolata, presente soprattutto nei miociti;
• Esochinasi III: isoforma substrato-inibita: basse concentrazioni di glucosio inibiscono questo enzima, poco è conosciuto sulla regolazione di questa isoforma;
• Esochinasi IV o glucochinasi: presente nelle cellule del fegato e del pancreas;

I differenti isoenzimi dell’esochinasi del fegato e del muscolo riflettono i differenti ruoli di questi due organi nel metabolismo dei carboidrati. Il muscolo consuma il glucosio per produrre energia, mentre il fegato è il principale regolatore di glucosio ematico.
Le prime tre forme dell’esochinasi servono per il catabolismo del glucosio che sarà trasformato in piruvato per produrre energia.
La glucochinasi, nel fegato, ha come scopo principale di inviare il glucosio in eccesso verso la formazione di glicogeno, nel pancreas, invece gioca un ruolo importante nella modulazione della secrezione di insulina.
Per permettere ciò, queste isoforme si differenziano anche per la loro affinità al substrato e per la loro regolazione.

Differenze nell’affinità al glucosio

L’affinità è la capacità di un enzima di riconoscere come substrato una determinata molecola ovvero la capacità di formare il complesso Enzima-Substrato.
Lo stato saturato di un enzima si ha quando tutti gli enzimi sono complessati con il substrato (forma ES) e quindi si raggiungerà la velocità massima della reazione catalizzata.
Un parametro conosciuto per ogni enzima è la concentrazione di substrato alla quale l’enzima stesso è per metà saturato. Nel caso di enzimi che seguono l’equazione di Michaelis-Menten questa concentrazione corrisponde alla K_m.

Nel nostro caso:

• La concentrazione fisiologica di glucosio ematico è 4-5 mM.
• L’esochinasi I e II hanno elevata affinità al glucosio infatti sono per metà saturate a contrazioni di glucosio pari a 0,1 mM per cui a condizioni fisiologiche agiscono alla massima velocità.
• Per la glucochinasi invece la concentrazione di glucosio alla quale l’enzima è per metà saturato è di circa 10 mM, quindi sarà efficiente solo ad alte concentrazioni di glucosio.

Differenze nella regolazione

Le esochinasi I e II sono inibite allostericamente dal loro prodotto di reazione, il glucosio-6-fosfato, con un’inibizione reversibile. L’esochinasi IV non è invece regolata dal suo prodotto di reazione ma viene inibita quando si lega a una proteina regolatrice, questa proteina ancora la glucochinasi all’interno del nucleo impedendole di catalizzare la reazione, il fruttosio-6-fosfato è un effettore allosterico che rende il legame con la proteina regolatrice molto più forte. Il glucosio compete con il fruttosio-6-fosfato e provoca la dissociazione dalla proteina rimuovendo l’inibizione. Negli epatociti il trasportatore GLUT2 mantiene equilibrata la concentrazione di glucosio nel citosol e quella ematica, è per questo che la glucochinasi risponde direttamente alle concentrazioni di glucosio ematico.

Utilità

Per queste caratteristiche:

• In caso di scarsa disponibilità di glucosio, negli epatociti, la glucochinasi non è in grado di fosforilare il glucosio che può lasciare la cellula e tornare a disposizione degli altri tessuti inibendo la patway di sintesi del glicogeno;
• In caso di elevata concentrazione di glucosio ematico, la glucochinasi è in grado di fosforilare il glucosio che poi in parte potrà diventare glicogeno.

Uniprot.org – HXK4_HUMAN
Reactome.org – Regulation of Glucokinase