Glukokináza

Většina glukokinázy u savců se nachází v játrech a glukokináza zajišťuje přibližně 95 % aktivity hexokinázy v hepatocytech. Fosforylace glukózy na glukóza-6-fosfát (G6P) glukokinázou je prvním krokem syntézy glykogenu i glykolýzy v játrech.

Když je k dispozici dostatek glukózy, probíhá syntéza glykogenu na periferii hepatocytů, dokud se buňky nenaplní glykogenem. Přebytečná glukóza se pak ve stále větší míře přeměňuje na triglyceridy, které se vyvážejí a ukládají v tukové tkáni. Aktivita glukokinázy v cytoplazmě stoupá a klesá s dostupnou glukózou.

G6P, produkt glukokinázy, je hlavním substrátem syntézy glykogenu a glukokináza má úzkou funkční a regulační vazbu na syntézu glykogenu. Při maximální aktivitě se GK a glykogen syntáza zřejmě nacházejí ve stejných periferních oblastech cytoplazmy hepatocytů, v nichž probíhá syntéza glykogenu. Přívod G6P ovlivňuje rychlost syntézy glykogenu nejen jako primárního substrátu, ale přímou stimulací glykogen syntázy a inhibicí glykogen fosforylázy.

Aktivita glukokinázy může být rychle zesílena nebo utlumena v reakci na změny v přívodu glukózy, typicky v důsledku jídla a hladovění. Regulace probíhá na několika úrovních a rychlostech a je ovlivňována mnoha faktory, které ovlivňují především dva obecné mechanismy:

1. Aktivita glukokinázy může být zesílena nebo snížena během několika minut působením regulačního proteinu glukokinázy (GKRP). Působení tohoto proteinu je ovlivňováno malými molekulami, jako je glukóza a fruktóza.
2. Množství glukokinázy lze zvýšit syntézou nového proteinu. Hlavním signálem pro zvýšení transkripce je inzulín, který působí hlavně prostřednictvím transkripčního faktoru zvaného sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) s výjimkou jater. K tomu dochází do hodiny po zvýšení hladiny inzulinu, například po sacharidovém jídle.

TranskripčníEdit

Inzulin působící prostřednictvím sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) je považován za nejdůležitější přímý aktivátor transkripce genu glukokinázy v hepatocytech. SREBP1c je transaktivátor typu basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ). Tato třída transaktivátorů se váže na sekvenci „E box“ genů pro řadu regulačních enzymů. Jaterní promotor v prvním exonu genu pro glukokinázu obsahuje takový E box, který je zřejmě hlavním prvkem odpovědi genu na inzulin v hepatocytech. Dříve se předpokládalo, že pro transkripci glukokinázy v hepatocytech musí být přítomen SREBP1c, nedávno se však ukázalo, že transkripce glukokinázy probíhá normálně u myší s vyřazeným SREBP1c. SREBP1c se zvyšuje v reakci na stravu s vysokým obsahem sacharidů, což se předpokládá jako přímý účinek častého zvyšování hladiny inzulínu. Zvýšenou transkripci lze zjistit za méně než hodinu poté, co jsou hepatocyty vystaveny stoupající hladině inzulínu.

Fruktóza-2,6-bisfosfát (F2,6P
2) také stimuluje transkripci GK, zdá se, že spíše prostřednictvím Akt2 než SREBP1c. Není známo, zda je tento účinek jedním z následných účinků aktivace inzulinových receptorů, nebo zda je nezávislý na působení inzulinu. Hladiny F2,6P
2 hrají další zesilující roli v glykolýze v hepatocytech.

Mezi další transakční faktory, u nichž se předpokládá, že hrají roli v regulaci transkripce jaterních buněk, patří:

1. Jaterní jaderný faktor-4-alfa (HNF4α) je osiřelý jaderný receptor důležitý pro transkripci mnoha genů pro enzymy metabolismu sacharidů a lipidů. Aktivuje transkripci GCK.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) je další transkripční aktivátor typu basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ).
3. Hepatic nuclear factor 6 (HNF6) je homeodoménový transkripční regulátor „one-cut class“. HNF6 se také podílí na regulaci transkripce glukoneogenních enzymů, jako je glukóza-6-fosfatáza a fosfoenolpyruvátkarboxykináza.

Hormonální a dietníEdit

Insulin je zdaleka nejdůležitější z hormonů, které mají přímý nebo nepřímý vliv na expresi a aktivitu glukokinázy v játrech. Zdá se, že inzulin ovlivňuje transkripci i aktivitu glukokinázy prostřednictvím mnoha přímých i nepřímých cest. Zatímco stoupající hladina glukózy v portální žíle zvyšuje aktivitu glukokinázy, současný vzestup inzulínu tento účinek zesiluje indukcí syntézy glukokinázy. Transkripce glukokinázy začíná stoupat během jedné hodiny po zvýšení hladiny inzulínu. Transkripce glukokinázy se stává téměř nedetekovatelnou při dlouhodobém hladovění, těžké sacharidové deprivaci nebo neléčeném diabetu s nedostatkem inzulinu.

Mezinformace, kterými inzulin indukuje glukokinázu, mohou zahrnovat obě hlavní intracelulární cesty účinku inzulinu, kaskádu extracelulárním signálem regulované kinázy (ERK 1/2) a kaskádu fosfoinositid 3-kinázy (PI3-K). Ta může působit prostřednictvím transaktivátoru FOXO1.

Jak by se však dalo očekávat vzhledem k jeho antagonistickému účinku na syntézu glykogenu, glukagon a jeho intracelulární druhý posel cAMP potlačuje transkripci a aktivitu glukokinázy, a to i v přítomnosti inzulinu.

Další hormony jako trijodtyronin (T
3) a glukokortikoidy poskytují za určitých okolností permisivní nebo stimulační účinky na glukokinázu. Biotin a kyselina retinová zvyšují transkripci mRNA GCK i aktivitu GK. Mastné kyseliny ve významném množství zesilují aktivitu GK v játrech, zatímco acyl CoA s dlouhým řetězcem ji inhibuje.

HepaticEdit

Glukokináza může být v hepatocytech rychle aktivována a inaktivována novým regulačním proteinem (glukokinázový regulační protein), který funguje tak, že udržuje neaktivní rezervu GK, která může být rychle k dispozici v reakci na stoupající hladinu glukózy v portální žíle.

GKRP se pohybuje mezi jádrem a cytoplazmou hepatocytů a může být vázána na mikrofilamentový cytoskelet. Vytváří reverzibilní komplexy 1:1 s GK a může ji přesouvat z cytoplazmy do jádra. Působí jako kompetitivní inhibitor vůči glukóze, takže aktivita enzymu je při vazbě snížena téměř na nulu. Komplexy GK:GKRP jsou při nízkých hladinách glukózy a fruktózy sekvestrovány v jádře. Jaderná sekvestrace může sloužit k ochraně GK před degradací cytoplazmatickými proteázami. GK se může rychle uvolnit z GKRP v reakci na zvyšující se hladinu glukózy. Na rozdíl od GK v beta buňkách není GK v hepatocytech spojena s mitochondriemi.

Fruktóza v malém (mikromolárním) množství (po fosforylaci ketohexokinázou na fruktóza-1-fosfát (F1P)) urychluje uvolňování GK z GKRP. Tato citlivost na přítomnost malého množství fruktózy umožňuje GKRP, GK a ketohexokináze fungovat jako „fruktózový senzorový systém“, který signalizuje, že se tráví smíšené sacharidové jídlo, a urychluje využití glukózy. Fruktóza-6-fosfát (F6P) však zesiluje vazbu GK na GKRP. F6P snižuje fosforylaci glukózy GK, když probíhá glykogenolýza nebo glukoneogeneze. F1P i F6P se vážou na stejné místo na GKRP. Předpokládá se, že vytvářejí 2 různé konformace GKRP, z nichž jedna je schopna vázat GK a druhá nikoli.

PankreatickáEdit

Ačkoli většina glukokinázy v těle je v játrech, menší množství v beta a alfa buňkách slinivky břišní, některých hypotalamických neuronech a specifických buňkách (enterocytech) střeva hraje stále více oceňovanou roli v regulaci metabolismu sacharidů. V souvislosti s funkcí glukokinázy se tyto typy buněk souhrnně označují jako neuroendokrinní tkáně a sdílejí některé aspekty regulace a funkce glukokinázy, zejména společný neuroendokrinní promotor. Z neuroendokrinních buněk jsou nejvíce studované a nejlépe pochopené beta buňky pankreatických ostrůvků. Je pravděpodobné, že mnohé z regulačních vztahů objevených v beta buňkách budou existovat i v ostatních neuroendokrinních tkáních s glukokinázou.

Signál pro inzulinEdit

V beta buňkách ostrůvků slouží aktivita glukokinázy jako hlavní řídicí prvek sekrece inzulinu v reakci na zvyšující se hladinu glukózy v krvi. Při spotřebě G6P zahajuje zvyšující se množství ATP řadu procesů, které vedou k uvolňování inzulinu. Jedním z bezprostředních důsledků zvýšeného buněčného dýchání je zvýšení koncentrace NADH a NADPH (souhrnně označovaných jako NAD(P)H). Tato změna redoxního stavu beta buněk má za následek zvýšení intracelulární hladiny vápníku, uzavření KATP kanálů, depolarizaci buněčné membrány, splynutí inzulínových sekrečních granulí s membránou a uvolnění inzulínu do krve.

Jako signál pro uvolnění inzulínu působí glukokináza největší vliv na hladinu cukru v krvi a celkový směr metabolismu sacharidů. Glukóza zase ovlivňuje jak okamžitou aktivitu, tak množství glukokinázy produkované v beta buňkách.

Regulace v beta buňkáchEdit

Glukóza okamžitě zesiluje aktivitu glukokinázy kooperativním efektem.

Druhý důležitý rychlý regulátor aktivity glukokinázy v beta buňkách probíhá přímou protein-proteinovou interakcí mezi glukokinázou a „bifunkčním enzymem“ (fosfofruktokináza-2/fruktóza-2,6-bisfosfatáza), který rovněž hraje roli v regulaci glykolýzy. Tato fyzikální asociace stabilizuje glukokinázu v katalyticky příznivé konformaci (poněkud opačný účinek vazby GKRP), která zvyšuje její aktivitu.

Již za 15 minut může glukóza stimulovat transkripci GCK a syntézu glukokinázy prostřednictvím inzulínu. Inzulín je produkován beta buňkami, ale část z něj působí na inzulínové receptory typu B beta buněk, což zajišťuje autokrinní zesílení aktivity glukokinázy s pozitivní zpětnou vazbou. K dalšímu zesílení dochází působením inzulinu (prostřednictvím receptorů typu A), který stimuluje vlastní transkripci.

Transkripce genu GCK je iniciována prostřednictvím „upstream“ neboli neuroendokrinního promotoru. Tento promotor má na rozdíl od jaterního promotoru prvky homologické s promotory jiných genů indukovaných inzulinem. Mezi pravděpodobné transakční faktory patří Pdx-1 a PPARγ. Pdx-1 je transkripční faktor s homeodoménou, který se podílí na diferenciaci pankreatu. PPARγ je jaderný receptor, který reaguje na glitazonové léky zvýšením citlivosti na inzulín.

Asociace s inzulínovými sekrečními granulemiEdit

Většina, ale ne všechna glukokináza, která se nachází v cytoplazmě beta buněk, je asociována s inzulínovými sekrečními granulemi a s mitochondriemi. Takto „vázaný“ podíl rychle klesá v reakci na zvyšující se hladinu glukózy a sekreci inzulínu. Předpokládá se, že vazba slouží k podobnému účelu jako jaterní regulační protein glukokinázy – chrání glukokinázu před degradací, takže je rychle k dispozici, jakmile stoupne hladina glukózy. Výsledkem je zesílení reakce glukokinázy na glukózu rychleji, než by to mohla udělat transkripce.

Potlačení glukagonu v alfa buňkáchEdit

Bylo také navrženo, že glukokináza hraje roli v detekci glukózy v alfa buňkách pankreatu, ale důkazy jsou méně konzistentní a někteří výzkumníci nenašli žádné důkazy o aktivitě glukokinázy v těchto buňkách. Buňky alfa se vyskytují v ostrůvcích slinivky břišní ve směsi s buňkami beta a dalšími buňkami. Zatímco beta buňky reagují na zvyšující se hladinu glukózy sekrecí inzulínu, alfa buňky reagují snížením sekrece glukagonu. Když koncentrace glukózy v krvi klesne na hypoglykemickou úroveň, alfa buňky uvolňují glukagon. Glukagon je bílkovinný hormon, který blokuje účinek inzulinu na hepatocyty, vyvolává glykogenolýzu, glukoneogenezi a sníženou aktivitu glukokinázy v hepatocytech. Do jaké míry je potlačení glukagonu přímým účinkem glukózy prostřednictvím glukokinázy v alfa buňkách, nebo nepřímým účinkem zprostředkovaným inzulinem nebo jinými signály z beta buněk, není dosud jisté.

HypothalamicEdit

Když všechny neurony využívají glukózu jako palivo, některé neurony vnímající glukózu mění rychlost svého vypalování v reakci na stoupající nebo klesající hladinu glukózy. Tyto neurony vnímající glukózu jsou soustředěny především ve ventromediálním jádru a arkuátním jádru hypotalamu, které regulují mnoho aspektů homeostázy glukózy (zejména reakci na hypoglykémii), využití paliva, pocit sytosti a chuť k jídlu a udržování hmotnosti. Tyto neurony jsou nejcitlivější na změny glukózy v rozmezí 0,5-3,5 mmol/l glukózy.

Glukokináza byla v mozku nalezena převážně ve stejných oblastech, které obsahují neurony vnímající glukózu, včetně obou hypotalamických jader. Inhibice glukokinázy ruší odpověď ventromediálního jádra na jídlo. Hladiny glukózy v mozku jsou však nižší než v plazmě, obvykle 0,5-3,5 mmol/l. Ačkoli toto rozmezí odpovídá citlivosti neuronů vnímajících glukózu, je pod optimální inflexní citlivostí pro glukokinázu. Na základě nepřímých důkazů a spekulací se předpokládá, že neuronální glukokináza je nějakým způsobem vystavena plazmatickým hladinám glukózy i v neuronech.

Enterocyty a inkretinEdit

Přestože byl prokázán výskyt glukokinázy v některých buňkách (enterocytech) tenkého střeva a žaludku, její funkce a regulace nebyly rozpracovány. Předpokládá se, že i zde glukokináza slouží jako senzor glukózy, což těmto buňkám umožňuje poskytnout jednu z prvních metabolických odpovědí na příchozí sacharidy. Předpokládá se, že se tyto buňky podílejí na inkretinových funkcích.