Glucocinasa

La mayor parte de la glucocinasa de un mamífero se encuentra en el hígado, y la glucocinasa proporciona aproximadamente el 95% de la actividad de la hexoquinasa en los hepatocitos. La fosforilación de la glucosa en glucosa-6-fosfato (G6P) por parte de la glucoquinasa es el primer paso tanto de la síntesis de glucógeno como de la glucólisis en el hígado.

Cuando se dispone de abundante glucosa, la síntesis de glucógeno se produce en la periferia de los hepatocitos hasta que las células están repletas de glucógeno. A continuación, el exceso de glucosa se convierte cada vez más en triglicéridos para su exportación y almacenamiento en el tejido adiposo. La actividad de la glucocinasa en el citoplasma aumenta y disminuye con la glucosa disponible.

G6P, el producto de la glucocinasa, es el principal sustrato de la síntesis de glucógeno, y la glucocinasa tiene una estrecha asociación funcional y reguladora con la síntesis de glucógeno. Cuando están activas al máximo, la GK y la glucógeno sintasa parecen estar localizadas en las mismas zonas periféricas del citoplasma del hepatocito en las que se produce la síntesis de glucógeno. El suministro de G6P afecta a la tasa de síntesis de glucógeno no sólo como sustrato primario, sino por la estimulación directa de la glucógeno sintasa y la inhibición de la glucógeno fosforilasa.

La actividad de la glucocinasa puede ser rápidamente amplificada o amortiguada en respuesta a los cambios en el suministro de glucosa, típicamente resultantes de la alimentación y el ayuno. La regulación se produce a varios niveles y velocidades, y está influida por muchos factores que afectan principalmente a dos mecanismos generales:

1. La actividad de la glucocinasa puede amplificarse o reducirse en minutos por acciones de la proteína reguladora de la glucocinasa (GKRP). Las acciones de esta proteína están influenciadas por pequeñas moléculas como la glucosa y la fructosa.
2. La cantidad de glucocinasa puede aumentarse mediante la síntesis de nuevas proteínas. La insulina es la principal señal para el aumento de la transcripción, que opera principalmente a través de un factor de transcripción llamado proteína de unión a elementos reguladores de esteroles-1c (SREBP1c), excepto en el hígado. Esto ocurre una hora después de un aumento de los niveles de insulina, como después de una comida de carbohidratos.

TranscriptionalEdit

Se cree que la insulina que actúa a través de la proteína-1c de unión a elementos reguladores de esteroles (SREBP1c) es el activador directo más importante de la transcripción del gen de la glucoquinasa en los hepatocitos. SREBP1c es un transactivador de hélice básica-bucle-hélice (bHLHZ). Esta clase de transactivadores se une a la secuencia de la «caja E» de los genes para una serie de enzimas reguladoras. El promotor hepático del primer exón del gen de la glucoquinasa incluye dicha caja E, que parece ser el principal elemento de respuesta a la insulina del gen en los hepatocitos. Anteriormente se pensaba que SREBP1c debía estar presente para la transcripción de la glucoquinasa en los hepatocitos; sin embargo, recientemente se ha demostrado que la transcripción de la glucoquinasa se llevaba a cabo con normalidad en ratones knock out de SREBP1c. SREBP1c aumenta en respuesta a una dieta rica en carbohidratos, presumiblemente como efecto directo de la elevación frecuente de la insulina. El aumento de la transcripción puede detectarse en menos de una hora tras la exposición de los hepatocitos a niveles crecientes de insulina.

La fructosa-2,6-bisfosfato (F2,6P
2) también estimula la transcripción de GK, parece que por medio de Akt2 y no de SREBP1c. No se sabe si este efecto es uno de los efectos descendentes de la activación de los receptores de insulina o es independiente de la acción de la insulina. Los niveles de F2,6P
2 desempeñan otros papeles amplificadores en la glucólisis en los hepatocitos.

Otros factores transactores de los que se sospecha que desempeñan un papel en la regulación de la transcripción de las células hepáticas son:

1. El factor nuclear hepático-4-alfa (HNF4α) es un receptor nuclear huérfano importante en la transcripción de muchos genes para las enzimas del metabolismo de los carbohidratos y los lípidos. Activa la transcripción de GCK.
2. El factor estimulador de la corriente 1 (USF1) es otro transactivador de hélice básica-bucle-hélice (bHLHZ).
3. El factor nuclear hepático 6 (HNF6) es un regulador transcripcional de homeodominio de la «clase de un corte». El HNF6 también participa en la regulación de la transcripción de enzimas gluconeogénicas como la glucosa-6-fosfatasa y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa.

Hormonal y dietéticaEditar

La insulina es, con mucho, la más importante de las hormonas que tienen efectos directos o indirectos sobre la expresión y la actividad de la glucoquinasa en el hígado. La insulina parece afectar tanto a la transcripción como a la actividad de la glucoquinasa a través de múltiples vías directas e indirectas. Mientras que el aumento de los niveles de glucosa en la vena porta incrementa la actividad de la glucoquinasa, el aumento concomitante de la insulina amplifica este efecto mediante la inducción de la síntesis de la glucoquinasa. La transcripción de la glucocinasa comienza a aumentar una hora después del aumento de los niveles de insulina. La transcripción de la glucocinasa se vuelve casi indetectable en caso de inanición prolongada, privación severa de carbohidratos o diabetes deficiente de insulina no tratada.

Los mecanismos por los que la insulina induce la glucocinasa pueden implicar a las dos principales vías intracelulares de acción de la insulina, la cascada de la quinasa regulada por señales extracelulares (ERK 1/2) y la cascada de la fosfoinositida 3-cinasa (PI3-K). Esta última puede operar a través del transactivador FOXO1.

Sin embargo, como cabría esperar dado su efecto antagónico sobre la síntesis de glucógeno, el glucagón y su segundo mensajero intracelular AMPc suprimen la transcripción y la actividad de la glucoquinasa, incluso en presencia de insulina.

Otras hormonas como la triyodotironina (T
3) y los glucocorticoides proporcionan efectos permisivos o estimulantes sobre la glucoquinasa en determinadas circunstancias. La biotina y el ácido retinoico aumentan la transcripción del ARNm de la GCK, así como su actividad. Los ácidos grasos en cantidades significativas amplifican la actividad de la GK en el hígado, mientras que la cadena larga de acil CoA la inhibe.

HepaticEdit

La glucocinasa puede ser activada e inactivada rápidamente en los hepatocitos por una nueva proteína reguladora (proteína reguladora de la glucocinasa), que opera para mantener una reserva inactiva de GK, que puede estar disponible rápidamente en respuesta a niveles crecientes de glucosa en la vena porta.

La GKRP se mueve entre el núcleo y el citoplasma de los hepatocitos y puede estar unida al citoesqueleto de microfilamentos. Forma complejos reversibles 1:1 con GK, y puede trasladarla del citoplasma al núcleo. Actúa como un inhibidor competitivo con la glucosa, de manera que la actividad de la enzima se reduce a casi cero mientras está unida. Los complejos GK:GKRP se secuestran en el núcleo cuando los niveles de glucosa y fructosa son bajos. El secuestro nuclear puede servir para proteger a la GK de la degradación por las proteasas citoplasmáticas. La GK puede liberarse rápidamente de la GKRP en respuesta al aumento de los niveles de glucosa. A diferencia de la GK en las células beta, la GK en los hepatocitos no está asociada a las mitocondrias.

La fructosa en cantidades minúsculas (micromolares) (después de la fosforilación por la cetohexocinasa a fructosa-1-fosfato (F1P)) acelera la liberación de GK desde el GKRP. Esta sensibilidad a la presencia de pequeñas cantidades de fructosa permite que el GKRP, el GK y la cetohexocinasa actúen como un «sistema de detección de la fructosa», que señala que se está digiriendo una comida mixta de carbohidratos y acelera la utilización de la glucosa. Sin embargo, la fructosa 6-fosfato (F6P) potencia la unión de GK por GKRP. El F6P disminuye la fosforilación de la glucosa por el GK cuando la glucogenolisis o la gluconeogénesis están en marcha. Tanto la F1P como la F6P se unen al mismo sitio en la GKRP. Se postula que producen 2 conformaciones diferentes de la GKRP, una capaz de unirse a la GK y la otra no.

Edición pancreática

Aunque la mayor parte de la glucoquinasa del organismo se encuentra en el hígado, cantidades más pequeñas en las células beta y alfa del páncreas, ciertas neuronas hipotalámicas y células específicas (enterocitos) del intestino desempeñan un papel cada vez más apreciado en la regulación del metabolismo de los carbohidratos. En el contexto de la función de la glucoquinasa, estos tipos celulares se denominan colectivamente tejidos neuroendocrinos, y comparten algunos aspectos de la regulación y la función de la glucoquinasa, especialmente el promotor neuroendocrino común. De las células neuroendocrinas, las células beta de los islotes pancreáticos son las más estudiadas y mejor comprendidas. Es probable que muchas de las relaciones reguladoras descubiertas en las células beta existan también en los demás tejidos neuroendocrinos con glucocinasa.

Una señal para la insulinaEditar

En las células beta de los islotes, la actividad de la glucocinasa sirve como control principal para la secreción de insulina en respuesta a los niveles crecientes de glucosa en sangre. A medida que se consume la G6P, cantidades crecientes de ATP inician una serie de procesos que dan lugar a la liberación de insulina. Una de las consecuencias inmediatas del aumento de la respiración celular es el aumento de las concentraciones de NADH y NADPH (denominadas colectivamente NAD(P)H). Este cambio en el estado redox de las células beta provoca un aumento de los niveles de calcio intracelular, el cierre de los canales KATP, la despolarización de la membrana celular, la fusión de los gránulos secretores de insulina con la membrana y la liberación de insulina en la sangre.

Es como señal para la liberación de insulina que la glucoquinasa ejerce el mayor efecto sobre los niveles de azúcar en la sangre y la dirección general del metabolismo de los carbohidratos. La glucosa, a su vez, influye tanto en la actividad inmediata como en la cantidad de glucoquinasa producida en las células beta.

Regulación en las células betaEditar

La glucosa amplifica inmediatamente la actividad de la glucoquinasa por el efecto de cooperatividad.

Un segundo regulador rápido importante de la actividad de la glucocinasa en las células beta se produce por la interacción directa proteína-proteína entre la glucocinasa y la «enzima bifuncional» (fosfofructoquinasa-2/fructosa-2,6-bifosfatasa), que también desempeña un papel en la regulación de la glucólisis. Esta asociación física estabiliza la glucoquinasa en una conformación catalíticamente favorable (algo opuesto al efecto de la unión de la GKRP) que mejora su actividad.

En tan sólo 15 minutos, la glucosa puede estimular la transcripción de la GCK y la síntesis de la glucoquinasa por medio de la insulina. La insulina es producida por las células beta, pero parte de ella actúa sobre los receptores de insulina tipo B de las células beta, proporcionando una amplificación autocrina de retroalimentación positiva de la actividad de la glucoquinasa. La amplificación adicional se produce por la acción de la insulina (a través de los receptores de tipo A) para estimular su propia transcripción.

La transcripción del gen GCK se inicia a través del promotor «upstream» o neuroendocrino. Este promotor, en contraste con el promotor hepático, tiene elementos homólogos a otros promotores de genes inducidos por la insulina. Entre los probables factores transactores se encuentran Pdx-1 y PPARγ. Pdx-1 es un factor de transcripción de homeodominio que participa en la diferenciación del páncreas. PPARγ es un receptor nuclear que responde a los fármacos de glitazona aumentando la sensibilidad a la insulina.

Asociación con los gránulos secretores de insulinaEditar

Mucha, pero no toda, la glucoquinasa que se encuentra en el citoplasma de las células beta está asociada a los gránulos secretores de insulina y a las mitocondrias. La proporción así «unida» disminuye rápidamente en respuesta al aumento de la glucosa y de la secreción de insulina. Se ha sugerido que la unión cumple una función similar a la de la proteína reguladora de la glucoquinasa hepática: proteger a la glucoquinasa de la degradación para que esté rápidamente disponible a medida que aumenta la glucosa. El efecto es amplificar la respuesta de la glucoquinasa a la glucosa más rápidamente de lo que podría hacerlo la transcripción.

Supresión del glucagón en las células alfaEditar

También se ha propuesto que la glucoquinasa desempeña un papel en la detección de glucosa de las células alfa pancreáticas, pero las pruebas son menos consistentes, y algunos investigadores no han encontrado pruebas de la actividad de la glucoquinasa en estas células. Las células alfa se encuentran en los islotes pancreáticos, mezcladas con las células beta y otras. Mientras que las células beta responden al aumento de los niveles de glucosa segregando insulina, las células alfa responden reduciendo la secreción de glucagón. Cuando la concentración de glucosa en sangre desciende a niveles hipoglucémicos, las células alfa liberan glucagón. El glucagón es una hormona proteica que bloquea el efecto de la insulina en los hepatocitos, induciendo la glucogenolisis, la gluconeogénesis y la reducción de la actividad de la glucoquinasa en los hepatocitos. El grado en que la supresión del glucagón por la glucosa es un efecto directo de la glucosa a través de la glucoquinasa en las células alfa, o un efecto indirecto mediado por la insulina u otras señales de las células beta, es todavía incierto.

HipotálamoEditar

Aunque todas las neuronas utilizan la glucosa como combustible, ciertas neuronas sensoras de glucosa alteran sus tasas de disparo en respuesta a los niveles crecientes o decrecientes de glucosa. Estas neuronas sensoras de la glucosa se concentran principalmente en el núcleo ventromedial y el núcleo arqueado del hipotálamo, que regulan muchos aspectos de la homeostasis de la glucosa (especialmente la respuesta a la hipoglucemia), la utilización del combustible, la saciedad y el apetito, y el mantenimiento del peso. Estas neuronas son más sensibles a los cambios de glucosa en el rango de 0,5-3,5 mmol/L de glucosa.

La glucocinasa se ha encontrado en el cerebro en gran parte de las mismas áreas que contienen neuronas sensoras de glucosa, incluyendo ambos núcleos hipotalámicos. La inhibición de la glucocinasa suprime la respuesta del núcleo ventromedial a una comida. Sin embargo, los niveles de glucosa en el cerebro son inferiores a los del plasma, normalmente de 0,5 a 3,5 mmol/L. Aunque este rango coincide con la sensibilidad de las neuronas que detectan la glucosa, está por debajo de la sensibilidad de inflexión óptima para la glucoquinasa. La presunción, basada en pruebas indirectas y en la especulación, es que la glucoquinasa neuronal está expuesta de algún modo a los niveles de glucosa en plasma incluso en las neuronas.

Enterocitos e incretinaEditar

Aunque se ha demostrado que la glucoquinasa se produce en ciertas células (enterocitos) del intestino delgado y del estómago, su función y regulación no han sido elaboradas. Se ha sugerido que aquí, también, la glucoquinasa sirve como sensor de glucosa, permitiendo a estas células proporcionar una de las primeras respuestas metabólicas a los carbohidratos entrantes. Se sospecha que estas células están implicadas en las funciones de la incretina.