הקסוקינאז - Hexokinase

הדפס

מדריך בדיקות מעבדה
הקסוקינאז
Hexokinase
מעבדה	בדיקת דם במעבדה כימית או המטולוגית.
תחום	מטבוליזם של גלוקוז.
טווח ערכים תקין	לבני 12 חודשים ומעלה: שווה או נמוך מ-0.7-1.7 U/g Hb. לא נקבעו ערכי נורמה לתינוקות מתחת לגיל של 12 חודשים.
יוצר הערך	פרופ' בן-עמי סלע

מטרת הבדיקה: הערכה של מטופלים עם המוליזה כרונית על רקע Coombs שלילי.

הקסוקינאז הוא האנזים המזרחן הקסוזות (סוכרים בעלי 6 פחמנים) ליצירת הקסוז פוספט. ברוב האורגניזמים גלוקוז הוא המצע השכיח ביותר עבור הקסוקינאזות, וגלוקוז-6-פוספט (glucose-6-phosphate) הוא התוצר השכיח ביותר. הקסוקינאז מעביר קבוצת פוספאט אנאורגנית מ-ATP למצע שלו. אין לטעות בין הקסוקינאז לגלוקוקינאז שהוא הקסוקינאז ספציפי הנמצא בחיידקים (Cárdenas וחב' ב-Biochem J משנת 1984). גנים המקודדים להקסוקינאזות התגלו במספר מיני אורגניזמים החל מחיידקים, שמרים, וצמחים וכלה באדם ובבעלי חוליות אחרים. האנזימים משמרים, צמחים ובעלי חוליות הם בעלי הומולוגיה ניכרת של רצף חומצות האמינו שלהם, אך לחיידקים יש מבנה אחר (Cárdenas וחב' ב-Biochim Biophys Acta משנת 1998). הקסוקינאזות מקוטלגים כ-actin fold proteins, והם בעלי מבנה של אתר פעיל משותף הקושר ATP, כאשר מסביבו רצפים משתנים הקובעים את הזיקה שלהם למצעיהם. למספר הקסוקינאזות וש איזואנזימים שונים. הריאקציה התוך-תאית יכולה להיות מסוכמת כדלהלן:

⁺Hexose-CH₂OH + MgATP² > Hexose-CH₂O-PO² + MgADP^- + H

בה hexose-CH₂OH מייצג כל אחת ממספר הקסוזות (כדוגמת גלוקוז) המכילים שייר נגיש של CH₂OH.

זרחון של הקסוז מוגבל לרוב לתהליכים מטבוליים תוך-תאיים כגון גליקוליזה וסינתזה של גליקוגן. זאת כיוון שהקסוזות מזורחנות טעונות מטען חשמלי, ולכן מתקשות יותר לצאת מהתא. במטופלים עם fructosuria המטבוליזם של פרוקטוז על ידי הקסוקינאז ל-fructose-6-phosphate היא שיטה ראשית של מטבוליזם של פרוקטוז המגיע מהדיאטה, ואינה משמעותית באנשים בריאים. רוב ההקסוקינאזות החיידקיות הן בגודל של 50 קילודלטון. אורגניזמים רב-תאיים הכוללים צמחים ובעלי חיים, מכילים לרוב יותר מאיזופורם יחיד של הקסוקינאז. רובם בעלי הקסוקינאזות בגודל של 100 קילודלטון, ומורכבים משני חצאים בעלי הומולוגיה ברצף חומצות האמינו שלהם. נתון זה רומז למקור אבולוציוני שעובר דופליקציה ואיחוי של הקסוקינאז קדמון בגודל של 50 קילודלטון, הדומה לזה של חיידקים.

סוגים של הקסוקינאזות של יונקים

ישנם 4 איזואנזימים חשובים ביונקים השונים במיקום התוך-תאי ובקינטיקה שלהם, בהקשר של מצעים ומצבים ותפקוד פיזיולוגי. איזואנזימים אלה המוגדרים כ-C, B, A ו-D, על בסיס הניידות האלקטרופורטית שלהם (Gonzales וחב' ב-Biocim Biophys Res Commun משנת 1964). הגדרות מאוחרות יותר של ארבעת איזואנזימים אלה הן III, II, I ו-V‏ (Katzen וחב' באותו כתב עת משנת 1965), והן מקובלות היום יותר. הקסוקינאזות II, I ו-IIIL שלוש הקסוקינאזות אלה הן איזואנזימים בעלי Km נמוך בגלל זיקה גבוהה לגלוקוז (מתחת ל-mM 1. הקסוקינאזות I ו-II פועלות על פי הקינטיקות של Michaelis-Menten בריכוזים פיזיולוגיים של המצעים. כל שלוש ההקסוקינאזות הללו מעוכבות על ידי תוצר הריאקציה שלהן glucose-6-phophate. המשקל המולקולרי של שלוש הקסוקינאזות אלה הוא 100 קילודלטון, וכל אחת מהן מורכבת משני חצאים של 50 קילודלטון כל אחד, אך רק בהקסוקינאז II לשני חצאי המולקולה יש אתרים פעילים פיזיולוגית. הקסוקינאז I/A מופיע בכל הרקמות של יונקים, ונחשב לאנזים "housekeeping" שאינו מושפע על ידי רוב השינויים הפיזיולוגיים, מטבוליים והורמונליים. הקסוקינאז II/B מהווה את האיזואנזים העיקרי בסוגי תאים רבים, וריכוזו עולה בסוגי סרטן רבים. זהו ההקסוקינאז הנמצא בשרירים ובלב. הקסוקינאז II מופיע גם בממברנה החיצונית של המיטוכונדריה ולכן הוא יכול להיות בעל גישה ישירה ל-ATP. הפעילות הספציפית היחסית של הקסוקינאז II עולה עם ה-pH לפחות בתחום pH של 6.9-8.5. (Simchikov ו-Heneberg ב-Sci Rep משנת 2019). הקסוקינאז III/C מעוכב על ידי גלוקוז בריכוזים פיזיולוגיים. רק מעט ידוע על התכונות הרגולטוריות של איזואנזים זה.

גלוקוקינאז יכול לזרחן גלוקוז אם הריכוז של גלוקוז גבוה דיו; הוא אינו נוהג על פי הקינטיקה של Henri-Michaelis-Menten ואיו לו Km; הוא רווי למחצה בריכוזי גלוקוז הגבוהים פי-100 שבאלה המשמשים את ההרסוקינאזות II ,I ו-III. הקסוקינאזה IV הוא מונומרי בגודל של 50 קילודלטון, הוא מגלה קואופרטיביות עם גלוקוז ואינו מעוכב באופן אלוסטרי על ידי התוצר שלו, glucose-6-phosphate. הקסוקינאז IV נמצא בכבד, בלבלב, בהיפותלמוס, במעי הדק, וייתכן גם בתאים נוירואנדוקריניים ותפקידו הרגולטורי חשוב במטבוליזם של פחמימות. בתאי בטא של תאי הלבלב, הקסוקינאז זה משמש כסנסור לווסת את הפרשת אינסולין, ובאותה מידה הוא מווסת גם את הפרשת גלוקגון מתאי α בלבלב. בהפטוציטים שבכבד, גלוקוקינאז מגיב לשינויים ברמות גלוקוז על ידי הגברת או הפחתת הסינתזה של גליקוגן.

הקסוקינאזות וגליקוליזה

גלוקוז ייחודי בכך שהוא יכול לשמש לייצור ATP על ידי כל התאים בנוכחות או בהיעדרות של חמצן מולקולרי (O₂). השלב הראשון בגליקוליזה הוא הזרחון של גלוקוז על ידי הקסוקינאז. על ידי קטליזה של זרחון גלוקוז ליצירת glucose-6-phosphate, הקסוקינאז שומר את ריכוזי הגרדיאנט המאפשרים את הטרנספורט של גלוקוז לתוך התא. ריאקציה זו גם מאתחלת את כל המסלולים הפיזיולוגיים הרלוונטיים של שימוש בגלוקוז, כולל גלקוליזה ומסלול ה-pentose phosphate ‏(Robey ו-Hay ב-Oncogene משנת 2006). ההוספה של קבוצת פוספאט טעונה בעמדה 6 של ההקסוזות, מאבטחת את "הלכידה" של גלוקוז ושל deoxyhexose-2 בתוך התאים, שכן הקסוז פוספאטים טעונים אינם יכולים לחצות בקלות את ממברנת התא ולצאת החוצה ממנו.

הקשר בין הקסוקינאזוות והמיטוכונדריה

הקסוקינאזות I ו-II יכולות להתחבר פיזית לממברנה החיצונית של ממברנת המיטוכונדריה, על ידי קישור ספציפי ל-porin, שהיא תעלת אניונים תלויה בוולטאז'. קשר זה מעניק זמינות ישירה של הקסוקינאז ל-ATP הנוצר במיטוכונדריה, שהוא אחד משני המצעים של הקסוקינאז. אנזים מיטוכונדריאלי זה מוגבר באופן ניכר בתאי סרטן ממאירים המתחלקים במהירות, לרמה שהיא פי-200 יותר גבוהה מאשר ברקמות בריאות. הקסוקינאז הקשור למיטוכונדריה נמצא ככוח מניע לגליקוליזה בשיעור גבוה המתרחשת באופן אארובי בתאים סרטניים (מה שמוגדר כתופעת Warburg, המכונה גם גליקוליזה אירובית המאפיינת תאי סרטן ומוגדרת כגליקוליזה מוגברת בסביבה עשירה בחמצן. במטבוליזם של תאים נורמליים קצב הגליקוליזה יורד כאשר רמות גבוהות של חמצן. לעומת זאת, תאים סרטניים ממשיכים לייצר ATP במסלול הגליקוליזה גם כאשר הסביבה רוויה בחמצן. למעשה ורבורג מצא כי רוב ה-ATP המיוצר על ידי תאי סרטן נוצר דרך גליקוליזה (Bustamante ו-Pedersen ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 1977).

חסר בהקסוקינאז

הפעילות של הקסוקינאז דועכת עם ההזדקנות של אריתרוציטים. באלה עם מחלה המוליטית יש בדרך כלל פעילות מוגברת של הקסוקינאז באריתרוציטים, כיוון שהתאים השורדים צעירים יותר. חסר בהקסוקינאז תואר באלה עם מחלת Fanconi, בהם יש אברציות כרומוזומליות בולטות (Löhr וחב' משנת 1965). יחס יותר ישיר בין חסר בהקסוקינאז לבין אנמיה נמצא ב-3 משפחות לא קרובות בהן אדם עם אנמיה המוליטית חמורה ולפיכך הכיל אוכלוסיית אריתרוציטים מאוד צעירה, היה בעל פעילות הקסוקיאז באריתרוציטים שהייתה נורמלית או מעט נמוכה (Valentine וחב' משנת 1967). דרגת האנמיה נעה בין מתונה לחמורה. חסר בהקסוקינאז מועבר כמפגע אוטוזומלי-רצסיבי.

משמעות קלינית

חסר בהקסוקינאזה היא סיבה נדירה לאנמיה המוליטית כרונית לא-ספרוציטית. המשמעות הקלינית של חסר הקסוקינאז באה לביטוי בהופעה מוקדמת של אנמיה עם חומרה משתנה הנעה בין צורה מתונה לחמורה. בחלק מהמטופלים יש פגיעה נוירולוגית שהמנגנון שלה אינו ברור. השוואה של פעילת הקסוקינאז לפעילות של אנזימים אחרים באריתרוציטים עשויה להיות מאוד יעילה. הטרוזיגוטים הם בעלי פעילות נורמלית נמוכה של הקסוקינאז, והם לא אמורים להיות מושפעים קלינית במצב זה. פעילות מוגברת של הקסוקינאז יכולה להימצא כאשר הרטיקולוציטים מוגברים, ואין לה משמעות אבחונית למציאת חסר של הקסוקינאז.

עיכוב של hexokinase על ידי glucose-6-phosphate

הקסוקינאזות II ,I ו-III מעוכבות על ידי G-6-P באופן לא תחרותי ביחס לגלוקוז, אך העיכוב הוא תחרותי ביחס ל-ATP. העיכוב על ידי G-6-P מתרחש בריכוזים פיזיולוגיים, מה שמאשש את המשמעות הפיזיולוגית של עיכוב זה. הריאקציה עוברת אנטגוניזם על ידי פוספאט אנאורגני במקרה של הקסוקינאז I, אך לא על ידי הקסוקינאז II. עיכוב זה דורש מקטע השונה מזה הקושר גלוקוז, כפי שמסתבר על ידי הממצא שתוצר הפוספורילציה (mannose-6-phosphate או deoxy-glucose-6-phosphate‏-)2 של מספר מצעים טובים עבור הקסוקינאז I הם מעכבים גרועים בהשוואה ל-G-6-P. בשלב מסוים הייתה מחשבה שהמחצית האמינו-טרמינלית הלא-קטליטית, מכילה את האתר האלוסטרי G-6-P, אך מחשבה זו נשללה לנוכח העובדה שהמחצית הקרבוקסי-טרמינלית של האנזים, רגישה לעיכוב על ידי G-6-P. מחקרים מבניים, מצביעים על כך ש-G-6-P נקשר לשני החצאים של הקסוקינאז I בעמדות החופפות את אתרי הקישור של ATP. נתונים אלה תומכים בעובדה שעיכוב על ידי G-6-P הוא תחרותי בניגוד ל-ATP , אך לא בניגוד לגלוקוז.

הוראות לביצוע הבדיקה

עדיף ליטול את הדם למבחנה כימית (פקק צהוב), אך ניתן גם ליטול את הדם למבחנת ספירת-דם (EDTA) פקק בצבע ארגמן-תכלכל. אין לשלוח את דגימת הדם למעבדה במבחנה המקורית, ויש להעביר את הדם למבחנת פלסטיק. יש לפסול דם המוליטי. יש לשמור את דגימת הנסיוב/פלזמה לאחר הסרכוז בקירור שםהדגימה יציבה למשך 20 יום. עירוי דם סמוך לבדיקת הקסוקינאז עלול לגרום למיסוך הפעילות האינטרינזית של האנזים ולגרום לתוצאות לא אמינות (Koralkova וחב' ב-Blood Cells Mol Dis משנת 2016).

ראו גם

• חזרה לדף מדריך בדיקות מעבדה
• בדיקות מעבדה - אבחון מחלות ומפגעים מטבוליים-גנטיים

המידע שבדף זה נכתב על ידי פרופ' בן-עמי סלע, המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-שומר;
החוג לגנטיקה מולקולארית וביוכימיה, פקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב (יוצר הערך)