La hexoquinasa

Levadura y humano · modelo 3D

La hexoquinasa pasa un fosfato del ATP a la glucosa: da el primer paso con que la célula aprovecha el azúcar. Con ella se entiende cómo trabajan todas las enzimas del cuerpo, proteínas que aceleran una reacción y salen intactas de ella.

En una frase

La hexoquinasa es una enzima, una proteína que acelera una reacción sin gastarse en ella: se cierra sobre la glucosa y le pasa un fosfato del ATP.

Qué vas a aprender

Explicar qué es una enzima con el ejemplo de la hexoquinasa.
Decir qué es la energía de activación y qué hace una enzima con ella.
Describir cómo se cierra la hexoquinasa sobre la glucosa y para qué le sirve.
Distinguir entre acelerar una reacción y cambiar hacia dónde va.

Cómo funciona

De la glucosa a la hexoquinasa I humana

Tamaños calculados sobre la posición publicada de los átomos, por el lado más largo: el ATP, estirado; la enzima de levadura, abierta; la hexoquinasa I, humana.^{3, 5, 20}

La hexoquinasa de la levadura mide unos 8 nanómetros de largo, millonésimas de milímetro. A lo largo de una cabrían más de diez moléculas de glucosa en fila. Es una enzima. Una enzima es una proteína que acelera una reacción química y sale de ella igual que entró, de modo que puede repetirla una y otra vez. La de levadura repite la suya cientos de veces por segundo. Todas las enzimas del cuerpo trabajan de este modo.^{4, 5, 9}

Su reacción empieza con la glucosa, el azúcar que la célula va a partir. La enzima le pega un fosfato, un pequeño grupo formado por un átomo de fósforo con oxígenos alrededor. El fosfato lo toma del ATP, la molécula que la célula gasta para trabajar, que lleva tres en cadena y tiene su propio modelo en «El ciclo del ATP». Al final quedan la glucosa con un fosfato en un extremo y el ADP, que conserva dos. Es el primer paso del camino con que la célula parte la glucosa.^{1, 3}

La colina de energía, con y sin enzima

Sin enzima28,8 kcal/mol

Con hexoquinasa8,9 kcal/mol

Sin enzima se midió una reacción parecida, la del ATP con metanol, no con glucosa. Con enzima, la hexoquinasa de levadura.⁹

Antes de transformarse, las moléculas tienen que pasar por un estado de paso, inestable, que cuesta energía. Por eso una reacción posible puede tardar muchísimo. Ese coste de arranque es la energía de activación. Puede pensarse como una colina entre dos valles: en uno están las moléculas de partida, en el otro los productos, y solo cruzan las que llegan arriba.

Una enzima baja la colina. Sin ella, la reacción de la hexoquinasa sería lentísima: lo que la enzima hace en un segundo tardaría sin ayuda casi quince millones de años. La cifra sale de comparar con una reacción parecida sin enzima, no exactamente la misma: el ATP con metanol, un alcohol sencillo, en lugar de glucosa. Según quienes la midieron, parte de esa aceleración vendría de juntar la glucosa y el ATP y apartar el agua que los rodea.^{9, 17}

Una vuelta de la enzima

Entra la glucosa Con la hendidura abierta, la glucosa baja hasta el fondo.
La hendidura se cierra El lóbulo pequeño gira hacia el grande y se cierra sobre la glucosa.
Llega el ATP Parece hacer falta otro cambio de forma, además del cierre.
El fosfato salta a la glucosa El último fosfato del ATP pasa a la glucosa mucho antes que al agua.
Se abre y salen los productos Salen la glucosa con un fosfato y el ADP; la enzima queda como al empezar.
Y vuelta al primer paso

Hexoquinasa de levadura. El orden en que llegan la glucosa y el ATP es un esquema: no hay cristal con el ATP colocado para reaccionar.^{3, 6, 7, 8, 9, 12, 19, 20}

La enzima tiene dos lóbulos, dos bloques de distinto tamaño unidos como por una bisagra. Entre ellos queda una hendidura profunda. Sin glucosa, la hendidura está abierta. La glucosa entra hasta el fondo. Entonces el lóbulo pequeño gira hacia el grande y la hendidura se cierra sobre el azúcar. Comparando dos versiones de la enzima de la misma levadura, una abierta y otra cerrada, el giro ronda los 18 grados.

Esto se llama encaje inducido: la enzima no espera con la forma exacta de lo que va a transformar, sino que la adopta al recibirlo. La idea la propuso Koshland en 1958. La hexoquinasa de levadura pasó a ser su ejemplo clásico. El cierre le hace falta para trabajar, y la forma cerrada expone al agua menos superficie que la abierta.^{6, 7, 8, 18}

Dentro de la enzima, el agua compite con la glucosa. Si es el agua la que recibe el último fosfato del ATP, la reacción es una hidrólisis, y el fosfato se pierde sin llegar a la glucosa. Con la hexoquinasa, el fosfato acaba en la glucosa mucho antes que en el agua.

Con xilosa ocurre lo contrario. La xilosa es un azúcar parecido a la glucosa, pero la enzima no le pasa el fosfato. Cuando hay xilosa, la hexoquinasa de levadura gasta más ATP en agua.^{9, 12}

La enzima no cambia hacia dónde va la reacción. Es un principio general de la química, no una medida hecha con la hexoquinasa. Una enzima acelera por igual el camino de ida y el de vuelta. Así, la mezcla llega antes a su punto final, en el que ya no cambia: el equilibrio. La enzima no lo mueve.

Ejemplo: en un tubo hay glucosa y ATP. Con hexoquinasa, la mezcla llega pronto a un reparto que ya no varía. Sin ella tarda muchísimo más, pero cuando llega, el reparto es el mismo.^{13, 19}

Cómo se sabe

La forma se conoce por cristalografía de rayos X. Se hace cristalizar la proteína, se ilumina con rayos X y, por cómo se desvían, se calcula dónde está cada átomo. Las primeras estructuras de la hexoquinasa salieron del grupo de Steitz entre 1978 y 1980, con la levadura Saccharomyces cerevisiae: una sin azúcar y otra con glucosa. Al compararlas apareció el cierre. Pero eran dos versiones distintas de la enzima, y comparar dos enzimas no basta para saber si es la glucosa la que cierra la hendidura. Más tarde, en otra levadura, Kluyveromyces lactis, se cristalizó la misma enzima abierta y cerrada.^{6, 7, 21, 22}

En la hexoquinasa humana se ha cambiado una sola pieza del sitio de la reacción: la enzima se vuelve cientos o miles de veces más lenta, aunque siga sujetando casi igual sus moléculas. La colina con enzima se calculó con la hexoquinasa de levadura, midiendo por el calor que desprende la reacción lo deprisa que avanza a distintas temperaturas. La reacción sin enzima se midió aparte, en un medio algo menos básico, y pasar la diferencia a años solo vale si las cantidades de partida son las mismas.^{9, 23, 24}

Lo que sigue abierto

Sólido La hexoquinasa de levadura se cierra sobre la glucosa, y ese cierre hace falta para que trabaje.^{6, 7, 8}
Indicios Parece que hace falta otro cambio de forma además del cierre, ligado a la llegada del ATP. Aún no hay estructura de la enzima con el ATP colocado para reaccionar.^{19, 20, 23}
Abierto No está comprobado que el cierre de la hexoquinasa sirva también para que el fosfato no vaya al agua. Se ha propuesto así para otras enzimas que mueven fosfatos, las adenilato quinasas, que solo colocan sus piezas para la reacción al cerrarse.^{7, 12, 25}
Indicios Se ha propuesto que la glucosa se une primero a la enzima abierta, de un modo más flojo, antes del gran cierre.^{6, 8}
Abierto Un aspartato de la enzima le quitaría un protón a la glucosa para que reciba el fosfato; cuánto pesa ese paso en la velocidad total no está claro.^{9, 10, 26}

Lo que se suele confundir

Se suele pensarLa enzima se gasta en la reacción, como un ingrediente más.

En realidadSale de la reacción igual que entró y vuelve a empezar. La hexoquinasa de levadura repite el ciclo cientos de veces por segundo.^{3, 9}

Se suele pensarLa enzima tiene ya la forma exacta de la glucosa, como una cerradura con su llave.

En realidadLa hexoquinasa abierta no encaja del todo con la glucosa. Se cierra sobre ella al recibirla, cuando el lóbulo pequeño gira hacia el grande.^{6, 7}

Se suele pensarCon enzima, la reacción llega más lejos y da más producto.

En realidadSolo llega antes. La enzima acelera por igual la ida y la vuelta, y el equilibrio final es el mismo con ella o sin ella.¹³

Conceptos clave

Enzima: Proteína que acelera una reacción química y sale de ella sin gastarse, lista para repetirla.
Energía de activación: Coste de arranque de una reacción: la colina que las moléculas tienen que subir antes de transformarse.
Encaje inducido: Cambio de forma de una enzima al recibir la molécula que va a transformar. En la hexoquinasa, la hendidura se cierra sobre la glucosa.
Hidrólisis: Reacción en la que el agua rompe una molécula. En el ATP, el agua le arranca el último fosfato.
Equilibrio: Punto en el que una mezcla ya no cambia, porque la reacción va igual de deprisa en los dos sentidos.

Actividad de repaso

¿Qué hace la hexoquinasa con la glucosa?

La hexoquinasa pasa el último fosfato del ATP a la glucosa. Quedan glucosa con un fosfato y ADP.

¿Qué le ocurre a la hexoquinasa cuando entra la glucosa?

El lóbulo pequeño gira hacia el grande y la hendidura se cierra sobre la glucosa. Es el encaje inducido.

¿Por qué importa que el fosfato no se vaya al agua?

Si se va al agua, el ATP se gasta sin que la glucosa reciba nada. La hexoquinasa pasa el fosfato a la glucosa mucho más deprisa que al agua.

¿Cambia la enzima la cantidad final de producto?

No. La enzima acelera por igual la ida y la vuelta, y la mezcla llega antes al mismo equilibrio.

Para recordar

Una enzima es una proteína que acelera una reacción bajando su energía de activación y sale de ella sin gastarse.
La hexoquinasa se cierra sobre la glucosa y le pasa un fosfato del ATP mucho más deprisa que al agua.
La enzima no cambia hacia dónde va la reacción: solo hace que llegue antes.

Cómo está hecho este modelo

Cada pieza del modelo se ha contrastado con las fuentes. Aquí constan su valor y lo que se ha simplificado.

Pieza	Valor	Simplificación	Fuente
Hexoquinasa de levadura	Monómero de unos 51 kDa, con dos lóbulos y una hendidura profunda; unos 8,3 × 5,3 × 4,4 nm abierta (1IG8) y 7,6 × 5,3 × 4,3 nm cerrada (3B8A)	Cada aminoácido son dos esferas: el carbono alfa y el centro de su cadena lateral (892 esferas en las 467 posiciones que 1IG8 y 3B8A comparten al alinear sus secuencias). Abierta es la isoenzima PII (1IG8) y cerrada la PI (3B8A): dos isoenzimas con un 77 % de secuencia igual, no la misma enzima abierta y cerrada	^{3, 4, 5, 8}
Lóbulos grande y pequeño	Los residuos que separan los lóbulos no constan en lo leído	El reparto es mío: un ajuste de dos cuerpos rígidos entre 1IG8 y 3B8A deja en el lóbulo pequeño los residuos 68-216, 249-265 y 457-485 (numeración de 3B8A) y el resto en el grande. Las dos estructuras se superponen por el lóbulo grande, que queda fijo	^{5, 6}
Giro del cierre	17,8° entre PII abierta (1IG8) y PI cerrada (3B8A), que son isoenzimas distintas; las primeras estructuras daban 12°; en K. lactis la misma enzima gira hasta 28,1°	Solo se dibuja el par de S. cerevisiae; mi ajuste da 17,1°. Nada se interpola hacia K. lactis. El lóbulo pequeño gira como cuerpo rígido y lo que el giro no explica se reparte en línea recta. El cierre dura unos 5 s en la escena: ralentizado y con ritmo inventado (la velocidad real del cierre en levadura no consta)	^{6, 7, 8}
Boca de la hendidura	Unos 2 nm abierta y 0,9 nm cerrada entre los Cα de Thr174 y Glu301 (K. lactis, 3O80 y 3O8M)	El modelo es de S. cerevisiae: entre los residuos equivalentes de 3B8A (Thr175 y Glu302) la distancia va de 1,7 nm a 1,05 nm en mi interpolación. Es otra enzima, no la medida de K. lactis	^{5, 6}
Glucosa	Unos 0,64 nm; en el sitio, en la posición de la β-glucosa de 3B8A	Bolas y varillas sin hidrógenos; el O6, que recibe el fosfato, más grande y con halo. Llega en línea recta por la boca de la hendidura, en un camino inventado	^{5, 8}
MgATP en el sitio	No hay estructura de hexoquinasa con ATP colocado para reaccionar; 1DGK (HK I humana) trae ADP en el sitio activo de la mitad C, con el fósforo β a unos 0,83-0,87 nm del O6 de la glucosa. Los cristales de hexoquinasa de levadura que sí catalizan se crecieron con glucosa y ADP; los crecidos solo con glucosa no catalizan	Posición aproximada. Superpongo la mitad C de 1DGK sobre 3B8A (430 Cα alineados; su glucosa cae a 0,06 nm de la de 3B8A) y llevo el ADP a la levadura. El fosfato γ lo añado yo, unido al O3B y apuntando al O6: queda a 0,67 nm del O6, más lejos que en una postura de reacción, que no consta. Algunos átomos tocan esferas de la proteína (hasta 0,2 nm): el encaje no es real. El Mg2+ va a ojo junto a los fosfatos β y γ	^{5, 19, 20, 23}
Fosfato γ en tránsito	Pasa del ATP al O6 de la glucosa; la distancia del salto en postura de reacción no consta	Tetraedro amarillo que se desliza 0,51 nm en línea recta hasta quedar a 0,16 nm del O6. No se dibuja el estado de transición	^{9, 19, 26}
Aspartato que toma el protón	Un aspartato del sitio, el Asp211 en la levadura, quitaría el protón al 6-OH antes del ataque al fosfato γ (mecanismo propuesto; su peso en el paso limitante no está claro)	Es la esfera de la cadena lateral de Asp211 de 3B8A, cuyo OD2 está a 0,28 nm del O6 en el cristal. El protón es un punto blanco que va del O6 a esa esfera	^{5, 9, 10, 11, 26}
Agua en la hendidura	Al cerrarse, la enzima deja menos superficie expuesta al agua; el número de aguas expulsadas no consta	102 esferas de 0,28 nm en los huecos de la hendidura abierta de 1IG8, calculados por mí sobre una rejilla con algo de desorden. Al cerrarse salen por la boca y se desvanecen: número y camino inventados	^{7, 9}
Agua alrededor (parada sin agua)	Moléculas de unos 0,3 nm	150 esferas en una capa por el borde de la enzima cerrada, solo donde la proteína no las tapa. Posiciones inventadas, no del cristal
Corte de la hendidura	La hendidura cerrada queda dentro de la proteína	En las paradas del fosfato y del agua, las esferas que quedan delante de un plano junto a la glucosa encogen hasta desaparecer, salvo la del aspartato
Ciclo de la enzima	kcat de unos 270 por segundo en levadura, cifra de la literatura recogida en F29; isoenzima, temperatura y pH no constan	Un ciclo dura unos 18 s en la parada del fosfato y unos 9 s en la de la colina: unas 4.900 y 2.400 veces más lento. El orden (glucosa, ATP, cierre, protón, fosfato, apertura) y la salida de glucosa-6-fosfato y ADP por la boca son un esquema	⁹
MgATP suelto en agua	Sin enzima, el MgATP en agua tarda unos 210 días en gastarse a la mitad (25 °C, extrapolado)	La misma molécula que en la enzima, girando despacio entre 70 aguas esquemáticas; no reacciona en la escena	⁹
Barrera de energía	28,8 frente a 8,9 kcal/mol (sin enzima, MgATP con metanol a pH 7; con hexoquinasa de levadura, pH 8; 25 °C)	No se dibuja: la parada compara un MgATP suelto en agua con la enzima trabajando	⁹
HK I humana	Dos mitades con el plegamiento de la levadura unidas por una hélice; unos 13,5 × 6 × 6 nm	1CZA, mutante monomérico, residuos 16-913, en 1.719 esferas; entre centros de esfera mide 13,3 × 6,2 × 5,9 nm. Mitad N (16-475) en verde apagado y mitad C en verde fuerte; ese corte por número de residuo es mío	^{5, 14, 20}
Glucosa-6-fosfato en la HK I	En la mitad C ocupa el sitio del ATP; hay otra en la mitad N	Las dos de 1CZA en su sitio, con los carbonos en amarillo de aviso, y las dos glucosas de 1CZA. El ADP que 1CZA trae en un sitio de la mitad N no se dibuja. Están quietas: la entrada del freno no se anima	^{5, 14, 27}
Glucoquinasa humana	Inactiva sin glucosa (1V4T) y activa con glucosa (1V4S); unos 7,9 × 6,4 × 4,8 nm y 7,1 × 5,9 × 4,8 nm	857 esferas. Los residuos 157-179 no tienen coordenadas en 1V4T: crecen a medida que se cierra. La molécula activadora de 1V4S no se dibuja. En mi ajuste de dos cuerpos, el lóbulo pequeño (70-199 y 456-461) gira 111°, como cuerpo rígido más un resto en línea recta; la hélice α13 no se destaca	^{5, 28, 29}
Cierre de la glucoquinasa	Tras unir glucosa, el cambio de forma va a 0,45 por segundo de ida y 0,28 de vuelta	Bucle de 18 s: llega la glucosa, la enzima tarda unos 7 s en cerrarse y luego vuelve a abrirse. Ritmo de la escena, no el medido. La curva sigmoide no se representa	³⁰
Citoplasma y mitocondria	El tamaño de la mitocondria y el número de hexoquinasas por célula no constan	Trozo de unos 200 nm de ancho. La mitocondria es una cápsula de 90 nm de radio: una sola superficie semitransparente, sin membrana interna, crestas ni grosor de membrana	^{1, 2, 31}
Hexoquinasas libres	En cerebro de rata, cerca del 80 % de la hexoquinasa está unida a la mitocondria	34 copias con la forma de la levadura, cada una resumida en 40 esferas que agrupan las cuentas de 1IG8 y 3B8A; giran despacio y, en la última parada, se abren y cierran a destiempo. La proporción de la escena (34 libres, 18 unidas) no es la del cerebro de rata, y la mezcla de levadura y humano es intencionada	^{2, 5, 31}
HK I sobre la mitocondria	Se ancla a la porina por una hélice de su extremo N; no hay estructura de la enzima unida ni de su orientación sobre la membrana	18 copias de 1CZA, cada una en 48 esferas, de pie sobre su porina con el extremo N hacia la membrana y una inclinación al azar: orientación inventada. Sin los tetrámeros propuestos	^{1, 2, 16, 32}
Porina (VDAC)	Barril de 19 láminas β con una hélice N que recubre el poro	Cilindro hueco de 19 caras, 3,8 nm de ancho y 5 nm de alto: medidas inventadas, no constan. Sin la hélice interior. 30 en el trozo, 18 de ellas con hexoquinasa	^{2, 33}
Glucosa en la célula	Unos 0,64 nm	90 puntos de 2 nm, unas tres veces la glucosa real, que se agitan al azar; la cantidad es inventada	⁵

Hexoquinasa de levadura

Valor: Monómero de unos 51 kDa, con dos lóbulos y una hendidura profunda; unos 8,3 × 5,3 × 4,4 nm abierta (1IG8) y 7,6 × 5,3 × 4,3 nm cerrada (3B8A)^{3, 4, 5, 8}
Simplificación: Cada aminoácido son dos esferas: el carbono alfa y el centro de su cadena lateral (892 esferas en las 467 posiciones que 1IG8 y 3B8A comparten al alinear sus secuencias). Abierta es la isoenzima PII (1IG8) y cerrada la PI (3B8A): dos isoenzimas con un 77 % de secuencia igual, no la misma enzima abierta y cerrada

Lóbulos grande y pequeño

Valor: Los residuos que separan los lóbulos no constan en lo leído^{5, 6}
Simplificación: El reparto es mío: un ajuste de dos cuerpos rígidos entre 1IG8 y 3B8A deja en el lóbulo pequeño los residuos 68-216, 249-265 y 457-485 (numeración de 3B8A) y el resto en el grande. Las dos estructuras se superponen por el lóbulo grande, que queda fijo

Giro del cierre

Valor: 17,8° entre PII abierta (1IG8) y PI cerrada (3B8A), que son isoenzimas distintas; las primeras estructuras daban 12°; en K. lactis la misma enzima gira hasta 28,1°^{6, 7, 8}
Simplificación: Solo se dibuja el par de S. cerevisiae; mi ajuste da 17,1°. Nada se interpola hacia K. lactis. El lóbulo pequeño gira como cuerpo rígido y lo que el giro no explica se reparte en línea recta. El cierre dura unos 5 s en la escena: ralentizado y con ritmo inventado (la velocidad real del cierre en levadura no consta)

Boca de la hendidura

Valor: Unos 2 nm abierta y 0,9 nm cerrada entre los Cα de Thr174 y Glu301 (K. lactis, 3O80 y 3O8M)^{5, 6}
Simplificación: El modelo es de S. cerevisiae: entre los residuos equivalentes de 3B8A (Thr175 y Glu302) la distancia va de 1,7 nm a 1,05 nm en mi interpolación. Es otra enzima, no la medida de K. lactis

Glucosa

Valor: Unos 0,64 nm; en el sitio, en la posición de la β-glucosa de 3B8A^{5, 8}
Simplificación: Bolas y varillas sin hidrógenos; el O6, que recibe el fosfato, más grande y con halo. Llega en línea recta por la boca de la hendidura, en un camino inventado

MgATP en el sitio

Valor: No hay estructura de hexoquinasa con ATP colocado para reaccionar; 1DGK (HK I humana) trae ADP en el sitio activo de la mitad C, con el fósforo β a unos 0,83-0,87 nm del O6 de la glucosa. Los cristales de hexoquinasa de levadura que sí catalizan se crecieron con glucosa y ADP; los crecidos solo con glucosa no catalizan^{5, 19, 20, 23}
Simplificación: Posición aproximada. Superpongo la mitad C de 1DGK sobre 3B8A (430 Cα alineados; su glucosa cae a 0,06 nm de la de 3B8A) y llevo el ADP a la levadura. El fosfato γ lo añado yo, unido al O3B y apuntando al O6: queda a 0,67 nm del O6, más lejos que en una postura de reacción, que no consta. Algunos átomos tocan esferas de la proteína (hasta 0,2 nm): el encaje no es real. El Mg2+ va a ojo junto a los fosfatos β y γ

Fosfato γ en tránsito

Valor: Pasa del ATP al O6 de la glucosa; la distancia del salto en postura de reacción no consta^{9, 19, 26}
Simplificación: Tetraedro amarillo que se desliza 0,51 nm en línea recta hasta quedar a 0,16 nm del O6. No se dibuja el estado de transición

Aspartato que toma el protón

Valor: Un aspartato del sitio, el Asp211 en la levadura, quitaría el protón al 6-OH antes del ataque al fosfato γ (mecanismo propuesto; su peso en el paso limitante no está claro)^{5, 9, 10, 11, 26}
Simplificación: Es la esfera de la cadena lateral de Asp211 de 3B8A, cuyo OD2 está a 0,28 nm del O6 en el cristal. El protón es un punto blanco que va del O6 a esa esfera

Agua en la hendidura

Valor: Al cerrarse, la enzima deja menos superficie expuesta al agua; el número de aguas expulsadas no consta^{7, 9}
Simplificación: 102 esferas de 0,28 nm en los huecos de la hendidura abierta de 1IG8, calculados por mí sobre una rejilla con algo de desorden. Al cerrarse salen por la boca y se desvanecen: número y camino inventados

Agua alrededor (parada sin agua)

Valor: Moléculas de unos 0,3 nm
Simplificación: 150 esferas en una capa por el borde de la enzima cerrada, solo donde la proteína no las tapa. Posiciones inventadas, no del cristal

Corte de la hendidura

Valor: La hendidura cerrada queda dentro de la proteína
Simplificación: En las paradas del fosfato y del agua, las esferas que quedan delante de un plano junto a la glucosa encogen hasta desaparecer, salvo la del aspartato

Ciclo de la enzima

Valor: kcat de unos 270 por segundo en levadura, cifra de la literatura recogida en F29; isoenzima, temperatura y pH no constan⁹
Simplificación: Un ciclo dura unos 18 s en la parada del fosfato y unos 9 s en la de la colina: unas 4.900 y 2.400 veces más lento. El orden (glucosa, ATP, cierre, protón, fosfato, apertura) y la salida de glucosa-6-fosfato y ADP por la boca son un esquema

MgATP suelto en agua

Valor: Sin enzima, el MgATP en agua tarda unos 210 días en gastarse a la mitad (25 °C, extrapolado)⁹
Simplificación: La misma molécula que en la enzima, girando despacio entre 70 aguas esquemáticas; no reacciona en la escena

Barrera de energía

Valor: 28,8 frente a 8,9 kcal/mol (sin enzima, MgATP con metanol a pH 7; con hexoquinasa de levadura, pH 8; 25 °C)⁹
Simplificación: No se dibuja: la parada compara un MgATP suelto en agua con la enzima trabajando

HK I humana

Valor: Dos mitades con el plegamiento de la levadura unidas por una hélice; unos 13,5 × 6 × 6 nm^{5, 14, 20}
Simplificación: 1CZA, mutante monomérico, residuos 16-913, en 1.719 esferas; entre centros de esfera mide 13,3 × 6,2 × 5,9 nm. Mitad N (16-475) en verde apagado y mitad C en verde fuerte; ese corte por número de residuo es mío

Glucosa-6-fosfato en la HK I

Valor: En la mitad C ocupa el sitio del ATP; hay otra en la mitad N^{5, 14, 27}
Simplificación: Las dos de 1CZA en su sitio, con los carbonos en amarillo de aviso, y las dos glucosas de 1CZA. El ADP que 1CZA trae en un sitio de la mitad N no se dibuja. Están quietas: la entrada del freno no se anima

Glucoquinasa humana

Valor: Inactiva sin glucosa (1V4T) y activa con glucosa (1V4S); unos 7,9 × 6,4 × 4,8 nm y 7,1 × 5,9 × 4,8 nm^{5, 28, 29}
Simplificación: 857 esferas. Los residuos 157-179 no tienen coordenadas en 1V4T: crecen a medida que se cierra. La molécula activadora de 1V4S no se dibuja. En mi ajuste de dos cuerpos, el lóbulo pequeño (70-199 y 456-461) gira 111°, como cuerpo rígido más un resto en línea recta; la hélice α13 no se destaca

Cierre de la glucoquinasa

Valor: Tras unir glucosa, el cambio de forma va a 0,45 por segundo de ida y 0,28 de vuelta³⁰
Simplificación: Bucle de 18 s: llega la glucosa, la enzima tarda unos 7 s en cerrarse y luego vuelve a abrirse. Ritmo de la escena, no el medido. La curva sigmoide no se representa

Citoplasma y mitocondria

Valor: El tamaño de la mitocondria y el número de hexoquinasas por célula no constan^{1, 2, 31}
Simplificación: Trozo de unos 200 nm de ancho. La mitocondria es una cápsula de 90 nm de radio: una sola superficie semitransparente, sin membrana interna, crestas ni grosor de membrana

Hexoquinasas libres

Valor: En cerebro de rata, cerca del 80 % de la hexoquinasa está unida a la mitocondria^{2, 5, 31}
Simplificación: 34 copias con la forma de la levadura, cada una resumida en 40 esferas que agrupan las cuentas de 1IG8 y 3B8A; giran despacio y, en la última parada, se abren y cierran a destiempo. La proporción de la escena (34 libres, 18 unidas) no es la del cerebro de rata, y la mezcla de levadura y humano es intencionada

HK I sobre la mitocondria

Valor: Se ancla a la porina por una hélice de su extremo N; no hay estructura de la enzima unida ni de su orientación sobre la membrana^{1, 2, 16, 32}
Simplificación: 18 copias de 1CZA, cada una en 48 esferas, de pie sobre su porina con el extremo N hacia la membrana y una inclinación al azar: orientación inventada. Sin los tetrámeros propuestos

Porina (VDAC)

Valor: Barril de 19 láminas β con una hélice N que recubre el poro^{2, 33}
Simplificación: Cilindro hueco de 19 caras, 3,8 nm de ancho y 5 nm de alto: medidas inventadas, no constan. Sin la hélice interior. 30 en el trozo, 18 de ellas con hexoquinasa

Glucosa en la célula

Valor: Unos 0,64 nm⁵
Simplificación: 90 puntos de 2 nm, unas tres veces la glucosa real, que se agitan al azar; la cantidad es inventada

Referencias

Nawaz MH, Ferreira JC, Nedyalkova L et al. (2018). The catalytic inactivation of the N-half of human hexokinase 2 and structural and biochemical characterization of its mitochondrial conformation. Biosci Rep. doi:10.1042/BSR20171666
Wilson JE (2003). Isozymes of mammalian hexokinase: structure, subcellular localization and metabolic function. J Exp Biol. doi:10.1242/jeb.00241 (leído por el resumen)
Kuser PR, Krauchenco S, Antunes OA, Polikarpov I (2000). The high resolution crystal structure of yeast hexokinase PII with the correct primary sequence provides new insights into its mechanism of action. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M910412199 (leído por el resumen)
Steitz TA, Shoham M, Bennett WS (1981). Structural dynamics of yeast hexokinase during catalysis. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. doi:10.1098/rstb.1981.0058 (leído por el resumen)
Berman HM, Westbrook J, Feng Z et al. (2000). The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. doi:10.1093/nar/28.1.235 (leído por el resumen)
Kuettner EB, Kettner K, Keim A et al. (2010). Crystal structure of hexokinase KlHxk1 of Kluyveromyces lactis: a molecular basis for understanding the control of yeast hexokinase functions via covalent modification and oligomerization. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M110.185850
Bennett WS, Steitz TA (1978). Glucose-induced conformational change in yeast hexokinase. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.75.10.4848 (leído por el resumen)
Kuser P, Cupri F, Bleicher L, Polikarpov I (2008). Crystal structure of yeast hexokinase PI in complex with glucose: A classical "induced fit" example revised. Proteins. doi:10.1002/prot.21956 (leído por el resumen)
Stockbridge RB, Wolfenden R (2009). The intrinsic reactivity of ATP and the catalytic proficiencies of kinases acting on glucose, N-acetylgalactosamine, and homoserine: a thermodynamic analysis. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M109.017806
Lange AJ, Xu LZ, Van Poelwijk F, Lin K, Granner DK, Pilkis SJ (1991). Expression and site-directed mutagenesis of hepatic glucokinase. Biochem J. doi:10.1042/bj2770159 (leído por el resumen)
Kraakman LS, Winderickx J, Thevelein JM, De Winde JH (1999). Structure-function analysis of yeast hexokinase: structural requirements for triggering cAMP signalling and catabolite repression. Biochem J. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10493925/ (leído por el resumen)
Montero-Lomelí M (1992). Effect of dimethyl sulfoxide on phosphoryl transfer catalyzed by yeast hexokinase. Biochim Biophys Acta. doi:10.1016/0167-4838(92)90252-9 (leído por el resumen)
Stoner CD (1992). An investigation of the relationships between rate and driving force in simple uncatalysed and enzyme-catalysed reactions with applications of the findings to chemiosmotic reactions. Biochem J. doi:10.1042/bj2830541 (leído por el resumen)
Aleshin AE, Zeng C, Bourenkov GP, Bartunik HD, Fromm HJ, Honzatko RB (1998). The mechanism of regulation of hexokinase: new insights from the crystal structure of recombinant human brain hexokinase complexed with glucose and glucose-6-phosphate. Structure. doi:10.1016/s0969-2126(98)00006-9 (leído por el resumen)
Cornish-Bowden A, Cárdenas ML (1991). Hexokinase and 'glucokinase' in liver metabolism. Trends Biochem Sci. doi:10.1016/0968-0004(91)90115-c (leído por el resumen)
Aleshin AE, Fromm HJ, Honzatko RB (1998). Multiple crystal forms of hexokinase I: new insights regarding conformational dynamics, subunit interactions, and membrane association. FEBS Lett. doi:10.1016/s0014-5793(98)00952-1 (leído por el resumen)
Wolfenden R, Snider MJ (2001). The depth of chemical time and the power of enzymes as catalysts. Acc Chem Res. doi:10.1021/ar000058i (leído por el resumen)
Koshland DE (1958). Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.44.2.98 (leído por el resumen)
Wilkinson KD, Rose IA (1980). Glucose exchange and catalysis by two crystalline hexokinase x glucose complexes. Evidence for an obligatory ATP-dependent conformational change in catalysis. J Biol Chem. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7400133/ (leído por el resumen)
Aleshin AE, Kirby C, Liu X et al. (2000). Crystal structures of mutant monomeric hexokinase I reveal multiple ADP binding sites and conformational changes relevant to allosteric regulation. J Mol Biol. doi:10.1006/jmbi.1999.3494 (leído por el resumen)
Anderson CM, Stenkamp RE, Steitz TA (1978). Sequencing a protein by x-ray crystallography. II. Refinement of yeast hexokinase B co-ordinates and sequence at 2.1 A resolution. J Mol Biol. doi:10.1016/0022-2836(78)90374-1 (leído por el resumen)
Bennett WS, Steitz TA (1980). Structure of a complex between yeast hexokinase A and glucose. I. Structure determination and refinement at 3.5 A resolution. J Mol Biol. doi:10.1016/0022-2836(80)90102-3 (leído por el resumen)
Zeng C, Aleshin AE, Hardie JB, Harrison RW, Fromm HJ (1996). ATP-binding site of human brain hexokinase as studied by molecular modeling and site-directed mutagenesis. Biochemistry. doi:10.1021/bi960750e (leído por el resumen)
Zeng C, Aleshin AE, Chen G, Honzatko RB, Fromm HJ (1998). The roles of glycine residues in the ATP binding site of human brain hexokinase. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.273.2.700 (leído por el resumen)
Schulz GE (1992). Induced-fit movements in adenylate kinases. Faraday Discuss. doi:10.1039/fd9929300085 (leído por el resumen)
Lunin VV, Li Y, Schrag JD, Iannuzzi P, Cygler M, Matte A (2004). Crystal structures of Escherichia coli ATP-dependent glucokinase and its complex with glucose. J Bacteriol. doi:10.1128/JB.186.20.6915-6927.2004
Liu X, Kim CS, Kurbanov FT, Honzatko RB, Fromm HJ (1999). Dual mechanisms for glucose 6-phosphate inhibition of human brain hexokinase. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.274.44.31155 (leído por el resumen)
Kamata K, Mitsuya M, Nishimura T, Eiki J, Nagata Y (2004). Structural basis for allosteric regulation of the monomeric allosteric enzyme human glucokinase. Structure. doi:10.1016/j.str.2004.02.005 (leído por el resumen)
Larion M, Miller BG (2009). 23-Residue C-terminal alpha-helix governs kinetic cooperativity in monomeric human glucokinase. Biochemistry. doi:10.1021/bi9007534 (leído por el resumen)
Heredia VV, Thomson J, Nettleton D, Sun S (2006). Glucose-induced conformational changes in glucokinase mediate allosteric regulation: transient kinetic analysis. Biochemistry. doi:10.1021/bi060253q (leído por el resumen)
Kyriazi HT, Basford RE (1986). Intractable unphysiologically low adenylate energy charge values in synaptosome fractions: an explanatory hypothesis based on the fraction's heterogeneity. J Neurochem. doi:10.1111/j.1471-4159.1986.tb04531.x (leído por el resumen)
Rosano C, Sabini E, Rizzi M et al. (1999). Binding of non-catalytic ATP to human hexokinase I highlights the structural components for enzyme-membrane association control. Structure. doi:10.1016/s0969-2126(00)80032-5 (leído por el resumen)
Rister AB, Gudermann T, Schredelseker J (2022). E as in Enigma: The Mysterious Role of the Voltage-Dependent Anion Channel Glutamate E73. Int J Mol Sci. doi:10.3390/ijms24010269 (leído por el resumen)

La célula

Dos lóbulos

El cierre

El fosfato salta

Sin agua

La colina

El freno

De vuelta a la célula