La fructosamina-3-quinasa o fructosamina-3-cinasa (FN3K) és un enzim present en nombrosos organismes, especialment en vertebrats, així com en determinades plantes i bacteris, fet que suggereix una funció conservada evolutivament. La seva funció principal és mitigar i revertir l'excés de glicació proteica mitjançant la fosforilació i desestabilització de les fructosamines, que són els productes inicials d'aquesta reacció.
L'acció de la FN3K evita la formació irreversible de productes finals d’una glicació avançada (AGE, de l'anglès advanced glycation end-products), els quals estan estretament relacionats amb patologies cròniques, entre les quals destaquen malalties cardiovasculars, diabetis, hipertensió i processos d'envelliment.
Estructura molecular miniatura|343x343px|Estructura cristal·logràfica de la FN3K extreta del Protein Data Bank (PDB ID: 9CXM). Veiem que es tracta d’un dímer amb dos monòmers, cadascun representat amb un color diferent. A la interfície del dímer es situen el lloc d’unió a l’ATP i els residus catalítics encarregats de catalitzar la fosforilació de les fructosamines. |esquerraL’enzim fructosamina-3-cinasa és una proteïna globular citosòlica, és a dir, presenta una estructura tridimensional arrodonida i compacta, amb la cadena d’aminoàcids està plegada sobre si mateixa. En les proteïnes globulars, els aminoàcids hidrofílics estan situats cap al medi aquós i els hidrofòbics es queden en la part interior de la molècula evitant el contacte amb l’aigua. L’estructura globular és molt comuna en els enzims perquè facilita que el centre actiu (lloc d’unió entre l’enzim i el substrat) quedi protegit, però sigui accessible al substrat permetent reaccions ràpides i eficients. El pes molecular de l’enzim és de 35 kDa aproximadament i aquest està format únicament per una cadena polipeptídica composta per 309 aminoàcids. En tractar-se d’una quinasa, el seu plegament proteic és el característic d’aquest tipus de proteïnes, amb dos dominis estructurals principals separats per una regió flexible: Domini N-terminal: Zona de mida reduïda formada per làmines beta antiparal·leles. Conté el motiu VAIK, característic de les quinases, i és responsable de la unió a l'ATP i dels ions Mg²⁺ (necessaris per estabilitzar el fosfat de l'ATP durant la reacció). Aquest domini s’encarrega de col·locar l’ATP al centre actiu adequadament.
Domini C-terminal: Aquest domini és de grandària major i hi predomina l'hèlix alfa. Conté els motius HRD i DFG, que formen el nucli catalític típic de les quinases. En aquest domini està situat el centre actiu, on es du a terme la transferència del grup fosfat de l'ATP al substrat de fructosamines proteiques. Separant ambdós dominis hi ha una regió flexible que permet dur a terme els ajustos conformacionals necessaris perquè durant la catàlisi es pugui tancar la cavitat catalítica.
El centre actiu de la FN3K està format principalment pels residus Asp217 i Asp234, imprescindibles per a la catàlisi i per a la coordinació del Mg²⁺. Aquests, juntament amb el Trp219, His288 i His291 modelen la cavitat i ajuden a posicionar correctament el substrat durant la catàlisi. A més, la FN3K conté diverses cisteïnes que tot i que no formen part de la catàlisi directa, són sensibles a l'estat redox i per tant poden modular l'activitat de l'enzim mitjançant la formació o ruptura de ponts disulfur. Per aquesta raó, quan el medi cel·lular està més oxidat, les cisteïnes formen ponts disulfur, canviant la conformació de la proteïna i reduint la seva activitat. En canvi, si el medi està reduït els ponts disulfur es trenquen fent que l'enzim recuperi la seva activitat habitual.
Tot i que estructuralment la FN3K mostra moltes semblances amb altres proteïnes quinasa metabòliques, aquesta presenta algunes característiques pròpies. A diferència de la majoria de les quinases de senyalització (PKA, PKC, MAPK…) la FN3K no fosforila proteïnes per dur a terme regulació cel·lular, sinó que actua com una quinasa metabòlica que s’encarrega de reparar proteïnes modificades per glicació. El fet que la FN3K tingui cisteïnes li confereix un comportament atípic dins la família enzimàtica, i això li permet reconèixer específicament les fructosamines unides a proteïnes i catalitzar la seva fosforilació mantenint la funcionalitat proteica sense afectar altres substrats i protegint la cèl·lula de l’estrès oxidatiu.
Recentment, en diverses anàlisis cristal·logràfiques s’han observat diferències estructurals entre la FN3K humana (HsFN3K) i la vegetal (AtFN3K). La HsFN3k està en forma de monòmer actiu en condicions fisiològiques, tot i que pot formar dímers reversibles mitjançant ponts disulfur en condicions oxidants, un mecanisme que modula parcialment la seva activitat. En canvi l’AtFN3K es troba en forma de dímer inactiu. Això passa perquè molècules de l’enzim intercanvien fragments de les seves cadenes β ("strand-exchange dimer"), impedint el funcionament correcte del centre actiu.
També s’ha observat que l’AtFN3K té un motiu estructural en forma de β-hairpin inexistent en la proteïna humana, aquest motiu no participa directament en la catàlisi; tot i això, apunta cap a la cavitat d’unió del substrat. Una altra diferència entre les dues FN3K homòlogues és que la FN3K humana presenta una extensió estructural entre els residus 116–138, absent en la AtFN3K, aquesta extensió forma una hèlix α3 prolongada i un bucle flexible entre les hèlixs α3 i α4. Es pensa que aquesta regió podria contribuir a l’estabilitat estructural de l’enzim o a la regulació de la seva activitat, tot i que la seva funció exacta encara no s’ha determinat.
Localització en el genoma El gen FN3K (Fructosamina-3-quinasa) es localitza al locus 17q25.3 del cromosoma 17 humà i comprèn aproximadament 34 kb de regió genòmica, incloent-hi també el seu homòleg FN3K-RP (fructosamina-3-quinasa Related Protein). Està organitzat en sis exons i codifica una proteïna d'uns 34kDa, àmpliament expressada en tots els teixits humans, amb una abundància especialment elevada en òrgans susceptibles a complicacions metabòliques i cardiovasculars, com el cor, els ronyons i el sistema vascular. Aquesta expressió constitueix un patró conservat en diversos mamífers indicant una funció biològicament rellevant i altament conservada evolutivament, ja que els homòlegs de la FN3K estan presents en tots els taxons, el que suggereix que la deglicació és un mecanisme ancestral de reparació de proteïnes. Les eucariotes simples i les procariotes només contenen una sola còpia del gen FN3K, mentre que les eucariotes complexes, incloent-hi els mamífers en codifiquen dues.
Diversos polimorfismes genètics han estat identificats dins la regió del gen FN3K. Els estudis genètics basats en centenars de SNPs han detectat variants independents que difereixen entre poblacions: 18 SNPs en població caucàsica no hispana i 54 en població afroamericana. Entre els polimorfismes funcionals més destacats hi ha variants localitzades a la regió promotora i a l'exó 6, com c.900C>G (rs1056534), associada amb menor concentració d'HbA1c i una aparició més tardana de diabetis tipus 2. Altres mutacions puntuals inclouen c.559C>T (p.R187X) i c.716A>G (p.Y239C), que afecten residus proteics crítics i podrien tenir impacte funcional. També s'han descrit variants sinònimes i intronques (p. ex., c.187A>C, IVS2+26A>G) que, tot i no alterar la seqüència d'aminoàcids, podrien influir en la regulació transcripcional o en l'estabilitat del transcrit.
Pel que fa a la regulació del gen, FN3K sembla modelable tant per mecanismes ambientals com epigenètics. L'exposició crònica al fum del tabac redueix la seva expressió pulmonar, possiblement mitjançant repressió transcripcional o una major degradació proteica, i l'estrès oxidatiu induït del fum pot afectar directament l'activitat enzimàtica. Addicionalment, tractaments farmacològics com la metformina poden incrementar els nivells sèrics de FN3K, suggerint una regulació adaptativa en resposta a canvis metabòlics i oxidatius.
En conjunt, aquestes dades indiquen que el gen FN3K, localitzat a 17q25.3, presenta una variabilitat genètica moderada amb polimorfismes funcionals i una regulació complexa, influenciada per factors genètics, epigenètics i ambientals. Aquesta combinació de variabilitat genètica i modulació reguladora podria tenir implicacions importants en la susceptibilitat individual a la glicació proteica i a les complicacions metabòliques i cardiovasculars associades.
Bases històriques de la glicació proteica El procés de glicació no enzimàtica -conegut posteriorment com a reacció de Maillard- va ser descrit per primera vegada pel químic francès Louis Camille Maillard a principis del segle XX, quan va observar que en escalfar aminoàcids en presència de sucres reductors es generava un color daurat característic. Aquest experiment el va dur a terme mentre investigava la biosíntesi de les proteïnes. L'any 1951 es va publicar el primer article sobre la reacció de Maillard. Aquest relacionava les reaccions entre els sucres i els compostos nitrogenats amb problemes alimentaris. Dos anys després, en el 1953, John E. Hodge va publicar un altre article on es postulaven els mecanismes i sistemes de la reacció. Aquest article va ser la base de posteriors estudis i el seu esquema es continua utilitzant àmpliament avui dia per descriure la reacció de Maillard. Inicialment, la glicació es va estudiar en l'àmbit de la química dels aliments, però posteriorment, es va observar la seva importància biològica en processos d'envelliment, diabetis i d'altres malalties com el càncer i la neurodegeneració.
Reacció de deglicació i paper de l'enzim FN3K La fructosamina-3-quinasa intervé en la deglicació enzimàtica de les fructosamines. Aquests compostos s'han format prèviament per glicació, també coneguda com a reacció de Maillard, una reacció no enzimàtica entre glúcids reductors com la glucosa, la fructosa o la ribosa i grups amino lliures (-NH2), principalment residus de lisina que es troben presents en proteïnes, lípids o àcids nucleics. Aquest conjunt de reaccions poden donar lloc a la formació d'AGEs. Aquest procés consta de diverses fases:miniatura|457x457px|Esquema del procés de glicació proteica no enzimàtica que mostra el paper reparador de l’enzim FN3K. Quan la glucosa reacciona amb els residus de lisina es forma una base de Schiff, que mitjançant els reordenaments d’Amadori es converteix en una fructosamina. Si la FN3K fosforila la fructosamina utilitzant ATP, aquesta s’elimina i la proteïna torna a ser funcional. Però si la fructosamina no pot ser reparada per la FN3K, aquesta pot evolucionar cap als productes finals de glicació avançada (AGEs), produint dany cel·lular i estrès oxidatiu. són productes inestables generats per una reacció de condensació entre el carbonil electrofílic d'un sucre reductor i un grup amino lliure, habitualment de lisina (Lys) o arginina (Arg). Aquest procés es desencadena per la tendència dels nucleòfils, espècies químiques amb un parell d'electrons lliures, en el cas de la lisina el grup amino (-NH2) i en el cas de l'arginina el grup radical de la guanidina, a compartir electrons amb molècules amb un dèficit d’aquests, en aquest cas el grup carbonil del glícid, en què el carboni presenta certa càrrega positiva i, per tant, és electrofílic. S'uneixen el sucre amb el grup amino a través d'un enllaç imina, un enllaç covalent que comporta l’alliberament d’una molècula d'aigua i és per això que aquesta base de Schiff és inestable. Si el sucre és una aldosa, el que farà serà ciclar-se en una aldosilamina N-substituïda. Aquesta reacció és ràpida i reversible. aquest procés dona lloc a una reorganització química de la base de Schiff, que es transforma en el producte d’Amadori, la fructosamina o ketoamina estable. Aquest reordenament dona lloc a estructures més estables que necessitaran la FN3K per no acumular-se.