Glukokinase

De fleste glukokinaser i pattedyr findes i leveren, og glukokinase står for ca. 95 % af hexokinaseaktiviteten i hepatocytter. Fosforylering af glukose til glukose-6-fosfat (G6P) af glukokinase er det første trin i både glykogensyntese og glykolyse i leveren.

Når der er rigeligt med glukose til rådighed, foregår glykogensyntesen i hepatocytternes periferi, indtil cellerne er fyldt op med glykogen. Overskydende glukose omdannes derefter i stigende grad til triglycerider til eksport og lagring i fedtvævet. Glucokinaseaktiviteten i cytoplasmaet stiger og falder med den tilgængelige glukose.

G6P, produktet af glucokinase, er det vigtigste substrat for glycogensyntese, og glucokinase har en tæt funktionel og regulerende forbindelse med glycogensyntese. Når GK og glycogensyntase er maksimalt aktive, synes de at være placeret i de samme perifere områder af hepatocytcytoplasmaet, hvor glycogensyntesen finder sted, som i de samme perifere områder af hepatocytcytoplasmaet. Tilførslen af G6P påvirker hastigheden af glykogensyntese ikke kun som det primære substrat, men ved direkte stimulering af glykogensyntase og hæmning af glykogenphosphorylase.

Glucokinaseaktiviteten kan hurtigt forstærkes eller dæmpes som reaktion på ændringer i glukosetilførslen, typisk som følge af spisning og faste. Reguleringen sker på flere niveauer og hastigheder og påvirkes af mange faktorer, der hovedsageligt påvirker to generelle mekanismer:

1. Glukokinaseaktiviteten kan forstærkes eller reduceres på få minutter ved handlinger fra det glukokinase-regulerende protein (GKRP). Dette proteins handlinger påvirkes af små molekyler såsom glukose og fruktose.
2. Mængden af glukokinase kan øges ved syntese af nyt protein. Insulin er det vigtigste signal for øget transkription, der hovedsageligt virker via en transkriptionsfaktor kaldet sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) undtagen i leveren. Dette sker inden for en time efter en stigning i insulinniveauet, som f.eks. efter et kulhydratmåltid.

TranscriptionalEdit

Insulin, der virker via sterolregulerende elementbindingsprotein-1c (SREBP1c), menes at være den vigtigste direkte aktivator af glukokinase-genets transkription i hepatocytter. SREBP1c er en grundlæggende helix-loop-helix-zipper (bHLHZ)-transaktivator. Denne klasse af transaktivatorer binder sig til “E-boks”-sekvensen af generne for en række regulerende enzymer. Leverpromotoren i den første exon af glukokinase-genet indeholder en sådan E-boks, som synes at være det vigtigste insulinresponselement for genet i hepatocytter. Det blev tidligere antaget, at SREBP1c skal være til stede for at transkription af glukokinase i hepatocytter, men det blev for nylig vist, at glukokinase-transkriptionen blev udført normalt i SREBP1c knock out-mus. SREBP1c stiger som reaktion på en kulhydratrig diæt, formodentlig som en direkte virkning af hyppig insulinforhøjelse. Øget transkription kan påvises i mindre end en time, efter at hepatocytter er udsat for stigende insulinniveauer.

Fructose-2,6-bisphosphat (F2,6P
2) stimulerer også GK-transkription, det ser ud til at ske via Akt2 snarere end SREBP1c. Det vides ikke, om denne virkning er en af de nedstrømsvirkninger af aktivering af insulinreceptorer eller uafhængig af insulinvirkning. Niveauer af F2,6P
2 spiller andre forstærkende roller i glykolysen i hepatocytter.

Andre transaktorer, der mistænkes for at spille en rolle i levercellers transkriptionsregulering, omfatter:

1. Hepatisk nukleær faktor-4-alpha (HNF4α) er en forældreløs nukleær receptor, der er vigtig i transkriptionen af mange gener for enzymer i kulhydrat- og lipidmetabolismen. Den aktiverer GCK-transkription.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) er en anden basic helix-loop-helix-helix zipper (bHLHZ)-transaktivator.
3. Hepatisk nukleær faktor 6 (HNF6) er en homeodomænetranskriptionel regulator af “one-cut-klassen”. HNF6 er også involveret i reguleringen af transkription af glukoneogene enzymer såsom glukose-6-fosfatase og phosphoenolpyruvatcarboxykinase.

Hormonelle og diætetiskeRediger

Insulin er langt det vigtigste af de hormoner, der har direkte eller indirekte virkninger på glukokinase-ekspression og -aktivitet i leveren. Insulin synes at påvirke både glucokinase transkription og aktivitet gennem flere direkte og indirekte veje. Mens stigende glukoseniveauer i portalvenen øger glukokinaseaktiviteten, forstærker den samtidige stigning af insulin denne effekt ved at inducere glukokinasesyntese. Glucokinase-transkriptionen begynder at stige inden for en time efter stigende insulinniveauer. Glukokinase-transkriptionen bliver næsten ikke påviselig ved længerevarende sult, alvorlig kulhydratmangel eller ubehandlet insulinmanglende diabetes.

Mekanismerne, hvormed insulin inducerer glukokinase, kan involvere begge de vigtigste intracellulære insulinvirkningsveje, den ekstracellulære signalregulerede kinase (ERK 1/2)-kaskade og fosfo-inositid 3-kinase (PI3-K)-kaskaden. Sidstnævnte kan fungere via FOXO1-transaktivatoren.

Men som forventet i betragtning af dets antagonistiske virkning på glykogensyntese undertrykker glucagon og dets intracellulære second messenger cAMP glucokinase-transkription og -aktivitet, selv i tilstedeværelse af insulin.

Andre hormoner som triiodothyronin (T
3) og glukokortikoider giver under visse omstændigheder en permissiv eller stimulerende virkning på glukokinase. Biotin og retinsyre øger GCK mRNA-transkriptionen såvel som GK-aktiviteten. Fedtsyrer i betydelige mængder forstærker GK-aktiviteten i leveren, mens langkædede acyl-CoA hæmmer den.

HepaticEdit

Glukokinase kan hurtigt aktiveres og inaktiveres i hepatocytter af et nyt regulatorisk protein (glukokinase-regulatorisk protein), som fungerer til at opretholde en inaktiv reserve af GK, som hurtigt kan gøres tilgængelig som reaktion på stigende niveauer af glukose i portalvenen.

GKRP bevæger sig mellem kerne og cytoplasma i hepatocytterne og kan være bundet til mikrofilamentcytoskelettet. Den danner reversible 1:1-komplekser med GK og kan flytte det fra cytoplasmaet til kernen. Det virker som en kompetitiv inhibitor med glukose, således at enzymaktiviteten reduceres til næsten nul, mens det er bundet. GK:GKRP-komplekser er bundet i kernen, mens glukose- og fruktoseniveauet er lavt. Kerne-sekestrering kan tjene til at beskytte GK mod nedbrydning af cytoplasmatiske proteaser. GK kan hurtigt frigøres fra GKRP som reaktion på stigende glukoseniveauer. I modsætning til GK i betaceller er GK i hepatocytter ikke associeret med mitokondrier.

Fructose i meget små (mikromolære) mængder (efter fosforylering af ketohexokinase til fructose-1-fosfat (F1P)) fremskynder frigivelsen af GK fra GKRP. Denne følsomhed over for tilstedeværelsen af små mængder fructose gør det muligt for GKRP, GK og ketohexokinase at fungere som et “fructose-sensorsystem”, der signalerer, at et blandet kulhydratmåltid er ved at blive fordøjet, og fremskynder udnyttelsen af glucose. Fructose-6-fosfat (F6P) potenserer imidlertid GKRP’s binding af GK af GKRP. F6P mindsker GK’s fosforylering af glukose, når glykogenolyse eller glukoneogenese er i gang. F1P og F6P binder begge til det samme sted på GKRP. Det postuleres, at de producerer 2 forskellige konformationer af GKRP, hvoraf den ene er i stand til at binde GK og den anden ikke.

PancreaticEdit

Og selv om størstedelen af glukokinasen i kroppen findes i leveren, spiller mindre mængder i beta- og alfacellerne i pancreas, visse hypothalamiske neuroner og specifikke celler (enterocytter) i tarmen en stadig mere værdsat rolle i reguleringen af kulhydratmetabolismen. I forbindelse med glukokinasefunktion betegnes disse celletyper kollektivt som neuroendokrine væv, og de deler nogle aspekter af glukokinase-regulering og -funktion, især den fælles neuroendokrine promotor. Blandt de neuroendokrine celler er betacellerne i bugspytkirteløerne de mest undersøgte og bedst forståede. Det er sandsynligt, at mange af de reguleringsforhold, der er opdaget i betacellerne, også vil eksistere i de andre neuroendokrine væv med glukokinase.

Et signal for insulinRediger

I betacellerne i øerne tjener glukokinaseaktiviteten som en hovedkontrol for sekretionen af insulin som reaktion på stigende blodglukoseniveauer. Efterhånden som G6P forbruges, igangsætter stigende mængder ATP en række processer, der resulterer i frigivelse af insulin. En af de umiddelbare konsekvenser af den øgede cellulære respiration er en stigning i NADH- og NADPH-koncentrationerne (tilsammen benævnt NAD(P)H). Dette skift i betacellernes redoxstatus resulterer i stigende intracellulære calciumniveauer, lukning af KATP-kanalerne, depolarisering af cellemembranen, sammensmeltning af de insulinsekretoriske granula med membranen og frigivelse af insulin i blodet.

Det er som signal for insulinfrigivelse, at glukokinase udøver den største effekt på blodsukkerniveauet og den overordnede retning af kulhydratmetabolismen. Glukose påvirker til gengæld både den umiddelbare aktivitet og mængden af glukokinase, der produceres i betacellerne.

Regulering i betacellerRediger

Glukose forstærker straks glukokinaseaktiviteten ved hjælp af samarbejdseffekten.

En anden vigtig hurtig regulator af glukokinaseaktiviteten i betaceller sker ved direkte protein-protein-interaktion mellem glukokinase og det “bifunktionelle enzym” (phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisfosfatase), som også spiller en rolle i reguleringen af glykolyse. Denne fysiske association stabiliserer glukokinase i en katalytisk gunstig konformation (noget modsat virkningen af GKRP-binding), der øger dets aktivitet.

I løbet af blot 15 minutter kan glukose stimulere GCK-transkription og glukokinase-syntese via insulin. Insulin produceres af betacellerne, men noget af det virker på betacellernes B-type insulinreceptorer, hvilket giver en autokrin positiv feedbackforstærkning af glukokinaseaktiviteten. Yderligere forstærkning sker ved insulinvirkning (via receptorer af A-typen) for at stimulere sin egen transkription.

Transskriptionen af GCK-genet initieres gennem den “opstrøms” eller neuroendokrine promotor. Denne promotor har i modsætning til leverpromotoren elementer, der er homologe med andre insulininducerede genpromotorer. Blandt de sandsynlige transaktionsfaktorer er Pdx-1 og PPARγ. Pdx-1 er en transkriptionsfaktor med homeodomæne, der er involveret i differentieringen af bugspytkirtlen. PPARγ er en nukleær receptor, der reagerer på glitazonmedicin ved at øge insulinfølsomheden.

Associering med insulinsekretoriske granulaEdit

Meget, men ikke alt glukokinase, der findes i cytoplasmaet af betaceller, er associeret med insulinsekretoriske granula og med mitokondrier. Den andel, der således er “bundet”, falder hurtigt som reaktion på stigende glukose og insulinsekretion. Det er blevet foreslået, at bindingen tjener et formål svarende til det hepatiske glukokinase-reguleringsprotein, der beskytter glukokinase mod nedbrydning, således at det hurtigt er tilgængeligt, når glukosen stiger. Effekten er at forstærke glukokinasesvaret på glukose hurtigere end transkription kunne gøre det.

Undertrykkelse af glukagon i alfacellerRediger

Det er også blevet foreslået, at glukokinase spiller en rolle i glukosesensoreringen i de pancreatiske alfaceller, men beviserne er mindre konsistente, og nogle forskere har ikke fundet noget bevis for glukokinaseaktivitet i disse celler. Alphaceller forekommer i bugspytkirteløer, blandet med betaceller og andre celler. Mens betaceller reagerer på stigende glukoseniveauer ved at udskille insulin, reagerer alfacellerne ved at reducere glukagonudskillelsen. Når blodglukosekoncentrationen falder til et hypoglykæmisk niveau, frigiver alfacellerne glukagon. Glucagon er et proteinhormon, der blokerer insulins virkning på hepatocytter og inducerer glykogenolyse, glukoneogenese og nedsat glukokinaseaktivitet i hepatocytter. Det er stadig uvist, i hvilken grad glukoseundertrykkelse af glukagon er en direkte effekt af glukose via glukokinase i alfaceller eller en indirekte effekt formidlet af insulin eller andre signaler fra betaceller.

HypothalamiskRediger

Som alle neuroner bruger glukose som brændstof, ændrer visse glukose-sensoriske neuroner deres fyringshastighed som reaktion på stigende eller faldende glukoseniveauer. Disse glukosesensorerende neuroner er primært koncentreret i den ventromediale kerne og den buede kerne i hypothalamus, som regulerer mange aspekter af glukosehomeostase (især responsen på hypoglykæmi), brændstofudnyttelse, mæthed og appetit samt vægtvedligeholdelse. Disse neuroner er mest følsomme over for glukoseændringer i intervallet 0,5-3,5 mmol/L glukose.

Glukokinase er fundet i hjernen i stort set de samme områder, der indeholder glukosefølsomme neuroner, herunder begge de hypothalamiske kerner. Hæmning af glucokinase ophæver ventromedialkernens respons på et måltid. Glukoseniveauerne i hjernen er imidlertid lavere end plasmaniveauerne, typisk 0,5-3,5 mmol/L. Selv om dette interval svarer til glukosefølsomme neuroners følsomhed, er det under den optimale bøjningsfølsomhed for glukokinase. Formodningen, baseret på indirekte beviser og spekulationer, er, at neuronal glukokinase på en eller anden måde er udsat for plasmaglukoseniveauet selv i neuronerne.

Enterocytter og inkretinRediger

Mens glukokinase er blevet vist at forekomme i visse celler (enterocytter) i tyndtarmen og maven, er dens funktion og regulering ikke blevet udredt. Det er blevet foreslået, at glukokinase også her tjener som glukosesensor, hvilket gør det muligt for disse celler at give en af de tidligste metaboliske reaktioner på indkommende kulhydrater. Man har mistanke om, at disse celler er involveret i inkretinfunktioner.