Glukokinaasi

Suurin osa nisäkkään glukokinaasista on maksassa, ja glukokinaasi tuottaa noin 95 % hepatosyyttien heksokinaasiaktiivisuudesta. Glukokinaasin suorittama glukoosin fosforylaatio glukoosi-6-fosfaatiksi (G6P) on sekä glykogeenisynteesin että glykolyysin ensimmäinen vaihe maksassa.

Kun glukoosia on runsaasti saatavilla, glykogeenisynteesi etenee hepatosyyttien periferiassa, kunnes solut täyttyvät glykogeenistä. Ylimääräinen glukoosi muuttuu tällöin yhä enemmän triglyserideiksi, jotka viedään ja varastoidaan rasvakudokseen. Glukokinaasiaktiivisuus sytoplasmassa nousee ja laskee käytettävissä olevan glukoosin mukaan.

G6P, glukokinaasin tuote, on glykogeenisynteesin pääasiallinen substraatti, ja glukokinaasilla on läheinen toiminnallinen ja säätelyyn liittyvä yhteys glykogeenisynteesiin. Kun GK ja glykogeenisyntaasi ovat maksimaalisesti aktiivisia, ne näyttävät sijaitsevan samoilla hepatosyyttien sytoplasman perifeerisillä alueilla, joilla glykogeenisynteesi tapahtuu. G6P:n saanti vaikuttaa glykogeenisynteesin nopeuteen paitsi ensisijaisena substraattina myös stimuloimalla suoraan glykogeenisyntaasia ja estämällä glykogeenifosforylaasia.

Glukokinaasiaktiivisuus voi nopeasti voimistua tai vaimentua vastauksena glukoosin saannin muutoksiin, jotka tyypillisesti johtuvat syömisestä ja paastosta. Säätely tapahtuu useilla tasoilla ja nopeuksilla, ja siihen vaikuttavat monet tekijät, jotka vaikuttavat pääasiassa kahteen yleiseen mekanismiin:

1. Glukokinaasiaktiivisuutta voidaan vahvistaa tai vähentää minuuteissa glukokinaasia säätelevän proteiinin (GKRP) vaikutuksesta. Tämän proteiinin toimintaan vaikuttavat pienet molekyylit, kuten glukoosi ja fruktoosi.
2. Glukokinaasin määrää voidaan lisätä syntetisoimalla uutta proteiinia. Insuliini on pääasiallinen signaali transkription lisääntymiselle, joka toimii pääasiassa sterolia säätelevää elementtiä sitovaa proteiinia-1c (SREBP1c) kutsutun transkriptiotekijän välityksellä, paitsi maksassa. Tämä tapahtuu tunnin kuluessa insuliinipitoisuuden noususta, kuten hiilihydraattiaterian jälkeen.

TranskriptioEdit

Sterolia säätelevää elementtiä sitovan proteiini-1c:n (SREBP1c) välityksellä vaikuttavan insuliinin ajatellaan olevan tärkein suora glukokinaasigeenin transkription aktivaattori hepatosyyteissä. SREBP1c on bHLHZ-transaktivaattori (basic helix-loop-helix zipper). Tämän luokan transaktivaattorit sitoutuvat useiden säätelyentsyymien geenien E-box-sekvenssiin. Maksan promoottori glukokinaasigeenin ensimmäisessä eksonissa sisältää tällaisen E-boxin, joka näyttää olevan geenin pääasiallinen insuliinivaste-elementti hepatosyyteissä. Aiemmin ajateltiin, että SREBP1c:n on oltava läsnä, jotta glukokinaasin transkriptio tapahtuisi hepatosyyteissä, mutta hiljattain osoitettiin, että glukokinaasin transkriptio tapahtui normaalisti SREBP1c:n tyrmäyshiirissä. SREBP1c lisääntyy vasteena runsaasti hiilihydraatteja sisältävälle ruokavaliolle, minkä oletetaan olevan usein esiintyvän insuliinin nousun suora vaikutus. Lisääntynyt transkriptio voidaan havaita alle tunnissa sen jälkeen, kun hepatosyytit on altistettu nouseville insuliinipitoisuuksille.

Fruktoosi-2,6-bisfosfaatti (F2,6P
2) stimuloi myös GK:n transkriptiota, ilmeisesti pikemminkin Akt2:n kuin SREBP1c:n välityksellä. Ei tiedetä, onko tämä vaikutus yksi insuliinireseptorien aktivoitumisen jälkivaikutuksista vai insuliinin vaikutuksesta riippumaton. F2,6P
2:n tasoilla on muita vahvistavia rooleja hepatosyyttien glykolyysissä.

Muut transaktiotekijät, joilla epäillään olevan merkitystä maksasolujen transkription säätelyssä, ovat:

1. Hepaattinen ydintekijä-4-alfatekijä (HNF4α) on harvinainen nukleaarinen reseptori, jolla on tärkeä merkitys monien hiilihydraatti- ja rasva-aineenvaihdunnan entsyymejä koskevien geenien transkription kannalta. Se aktivoi GCK:n transkriptiota.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) on toinen basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ) -transaktivaattori.
3. Hepaattinen ydintekijä 6 (HNF6) on homeodomeenin omaava transkriptionaalinen säätelijä, joka kuuluu ns. one-cut-luokkaan. HNF6 osallistuu myös glukoneogeenisten entsyymien, kuten glukoosi-6-fosfataasin ja fosfoenolipyruvaattikarboksykinaasin, transkription säätelyyn.

Hormonaaliset ja ravitsemuksellisetEdit

Insuliini on ylivoimaisesti tärkein niistä hormoneista, joilla on suoria tai epäsuoria vaikutuksia glukokinaasin ilmentymiseen ja toimintaan maksassa. Insuliini näyttää vaikuttavan sekä glukokinaasin transkriptioon että aktiivisuuteen useiden suorien ja epäsuorien reittien kautta. Portaalilaskimon glukoosipitoisuuden nousu lisää glukokinaasiaktiivisuutta, mutta samanaikainen insuliinin nousu voimistaa tätä vaikutusta indusoimalla glukokinaasin synteesiä. Glukokinaasin transkriptio alkaa nousta tunnin kuluessa insuliinipitoisuuden noususta. Glukokinaasin transkriptio muuttuu lähes havaitsemattomaksi pitkittyneessä nälässä, vaikeassa hiilihydraattien puutteessa tai hoitamattomassa insuliinipuutosdiabeteksessa.

Mekanismit, joilla insuliini indusoi glukokinaasia, voivat liittyä molempiin tärkeimpiin solunsisäisiin insuliinin vaikutustapoihin, solunulkoisen signaalin säätelemän kinaasin kaskadiin (ERK 1/2 -kaskaadiin) ja fosfoinositidi-3-kaanin kaskadiin (PI3-K). Jälkimmäinen saattaa toimia FOXO1-transaktivaattorin kautta.

Mutta kuten odotettavissa olisi, kun otetaan huomioon sen antagonistinen vaikutus glykogeenisynteesiin, glukagoni ja sen solunsisäinen toinen sanansaattaja cAMP tukahduttavat glukokinaasin transkriptiota ja aktiivisuutta myös insuliinin läsnä ollessa.

Muut hormonit, kuten trijodityroniini (T
3) ja glukokortikoidit, vaikuttavat glukokinaasiin sallivasti tai stimuloivasti tietyissä olosuhteissa. Biotiini ja retinohappo lisäävät GCK:n mRNA:n transkriptiota sekä GK:n aktiivisuutta. Rasvahapot vahvistavat merkittävinä määrinä GK:n aktiivisuutta maksassa, kun taas pitkäketjuinen asyyli-CoA estää sitä.

HepaticEdit

Glukokinaasi voi aktivoitua ja inaktivoitua nopeasti hepatosyyteissä uudenlaisen säätelijäproteiinin (glukokinaasin säätelijäproteiini) avulla, joka toimii niin, että se ylläpitää GK:n inaktiivista varantoa, joka voidaan saada nopeasti käyttöön vasteena portaalilaskimossa nousevalle glukoositasolle.

GKRP liikkuu hepatosyyttien tuman ja sytoplasman välillä ja saattaa olla sidoksissa mikrofilamenttien sytoskelettiin. Se muodostaa palautuvia 1:1-komplekseja GK:n kanssa ja voi siirtää sitä sytoplasmasta tumaan. Se toimii kilpailevana inhibiittorina glukoosin kanssa siten, että sitoutuneena entsyymin aktiivisuus vähenee lähes nollaan. GK:GKRP-kompleksit sekvestoituvat ytimeen, kun glukoosi- ja fruktoosipitoisuudet ovat alhaiset. Ydinsekvestraatio saattaa suojata GK:ta sytoplasman proteaasien aiheuttamalta hajoamiselta. GK voi vapautua nopeasti GKRP:stä glukoosipitoisuuden noustessa. Toisin kuin GK beetasoluissa, GK hepatosyyteissä ei liity mitokondrioihin.

Fruktoosi pieninä (mikromolaarisina) määrinä (sen jälkeen, kun se on fosforyloitu ketoheksokinaasilla fruktoosi-1-fosfaatiksi (F1P)) nopeuttaa GK:n vapautumista GKRP:stä. Tämä herkkyys pienille määrille fruktoosia antaa GKRP:lle, GK:lle ja keto-heksokinaasille mahdollisuuden toimia ”fruktoosia aistivana järjestelmänä”, joka ilmoittaa, että hiilihydraattisekoitettua ateriaa ollaan sulattamassa, ja kiihdyttää glukoosin hyödyntämistä. Fruktoosi-6-fosfaatti (F6P) kuitenkin voimistaa GKRP:n sitoutumista GK:hon. F6P vähentää glukoosin fosforylaatiota GK:ssa, kun glykogenolyysi tai glukoneogeneesi on käynnissä. F1P ja F6P sitoutuvat molemmat samaan kohtaan GKRP:ssä. On oletettu, että ne tuottavat kaksi erilaista GKRP:n konformaatiota, joista toinen pystyy sitomaan GK:ta ja toinen ei.

HaimaEdit

Vaikka suurin osa elimistön glukokinaasista on maksassa, pienemmillä määrillä haiman beeta- ja alfasoluissa, tietyissä hypotalamuksen neuroneissa ja tietyissä suoliston soluissa (enterosyyteissä) on yhä enemmän arvostettu rooli hiilihydraattiaineenvaihdunnan säätelyssä. Glukokinaasin toiminnan yhteydessä näitä solutyyppejä kutsutaan yhteisesti neuroendokriinisiksi kudoksiksi, ja niillä on yhteisiä piirteitä glukokinaasin säätelyssä ja toiminnassa, erityisesti yhteinen neuroendokriininen promoottori. Neuroendokriinisistä soluista haiman saarekkeiden beetasolut ovat eniten tutkittuja ja parhaiten ymmärrettyjä. On todennäköistä, että monet beetasoluissa havaituista säätelysuhteista ovat olemassa myös muissa neuroendokriinisissä kudoksissa, joissa on glukokinaasia.

Signaali insuliinilleEdit

Saarekkeiden beetasoluissa glukokinaasiaktiivisuus toimii pääasiallisena säätelynä insuliinin erittymiselle vasteena veren glukoosipitoisuuden nousuun. Kun G6P:tä kulutetaan, kasvavat ATP-määrät käynnistävät sarjan prosesseja, jotka johtavat insuliinin vapautumiseen. Yksi lisääntyneen soluhengityksen välittömistä seurauksista on NADH:n ja NADPH:n (yhdessä NAD(P)H) pitoisuuksien nousu. Tämä muutos beetasolujen redox-statuksessa johtaa solunsisäisten kalsiumpitoisuuksien nousuun, KATP-kanavien sulkeutumiseen, solukalvon depolarisaatioon, insuliinia erittävien rakeiden sulautumiseen kalvoon ja insuliinin vapautumiseen vereen.

Signaalina insuliinin vapautumiselle glukokinaasi vaikuttaa eniten verensokeritasoihin ja hiilihydraattiaineenvaihdunnan yleiseen suuntaan. Glukoosi puolestaan vaikuttaa sekä välittömään aktiivisuuteen että beetasoluissa tuotetun glukokinaasin määrään.

Säätely beetasoluissaEdit

Glukoosi vahvistaa välittömästi glukokinaasin aktiivisuutta kooperatiivisuusvaikutuksella.

Toinen tärkeä nopea glukokinaasiaktiivisuuden säätelijä beetasoluissa tapahtuu glukokinaasin ja ”bifunktionaalisen entsyymin” (fosfofruktokinaasi-2/fruktoosi-2,6-bisfosfataasi) välisestä suorasta proteiini-proteiini-vuorovaikutuksesta, jolla on merkitystä myös glykolyysin säätelyssä. Tämä fyysinen assosiaatio stabiloi glukokinaasin katalyyttisesti suotuisaan konformaatioon (hieman päinvastainen vaikutus kuin GKRP:n sitoutumisella), joka lisää sen aktiivisuutta.

Glukoosi voi stimuloida GCK:n transkriptiota ja glukokinaasin synteesiä insuliinin välityksellä jo 15 minuutissa. Insuliini on beetasolujen tuottamaa, mutta osa siitä vaikuttaa beetasolujen B-tyypin insuliinireseptoreihin, mikä tarjoaa autokriinisen positiivisen takaisinkytkennän, joka vahvistaa glukokinaasiaktiivisuutta. Lisävahvistusta tapahtuu insuliinin vaikutuksesta (A-tyypin reseptorien kautta), joka stimuloi sen omaa transkriptiota.

GCK-geenin transkriptio käynnistyy ”ylävirran” eli neuroendokriinisen promoottorin kautta. Tässä promoottorissa, toisin kuin maksapromoottorissa, on elementtejä, jotka ovat homologisia muiden insuliinin indusoimien geenipromoottorien kanssa. Todennäköisiä transaktiotekijöitä ovat muun muassa Pdx-1 ja PPARγ. Pdx-1 on homeodomain-transkriptiotekijä, joka osallistuu haiman erilaistumiseen. PPARγ on ydinreseptori, joka reagoi glitatsonilääkkeisiin lisäämällä insuliiniherkkyyttä.

Assosiaatio insuliinia erittäviin granuloihinMuutos

Betasolujen sytoplasmasta löytyvästä glukokinaasista suuri osa, mutta ei kaikki, on assosioitunut insuliinia erittäviin granuloihin ja mitokondrioihin. Näin ”sidottu” osuus laskee nopeasti vastauksena glukoosin nousuun ja insuliinin eritykseen. On ehdotettu, että sitoutumisella on samanlainen tarkoitus kuin maksan glukokinaasin säätelyproteiinilla – se suojaa glukokinaasia hajoamiselta, jotta se on nopeasti käytettävissä glukoosin noustessa. Vaikutuksena on, että glukokinaasivaste glukoosiin voimistuu nopeammin kuin transkriptio voisi sitä tehdä.

Glukagonin tukahduttaminen alfasoluissaMuutos

On myös ehdotettu, että glukokinaasilla on rooli haiman alfasolujen glukoosin aistimisessa, mutta todisteet eivät ole yhtä johdonmukaisia, ja jotkin tutkijat ovat havainneet, ettei näissä soluissa ole mitään todisteita glukokinaasin toiminnasta. Alfasoluja esiintyy haiman saarekkeissa sekoittuneena beetasoluihin ja muihin soluihin. Beetasolut reagoivat glukoosipitoisuuden nousuun erittämällä insuliinia, kun taas alfasolut reagoivat vähentämällä glukagonin eritystä. Kun veren glukoosipitoisuus laskee hypoglykemialliselle tasolle, alfasolut vapauttavat glukagonia. Glukagoni on proteiinihormoni, joka estää insuliinin vaikutuksen hepatosyytteihin, indusoi glykogenolyysiä, glukoneogeneesiä ja vähentää glukokinaasiaktiivisuutta hepatosyyteissä. Se, missä määrin glukagonin tukahduttaminen glukoosilla on suora glukoosin vaikutus alfasolujen glukokinaasin välityksellä vai insuliinin tai muiden beetasoluista tulevien signaalien välittämää epäsuoraa vaikutusta, on vielä epävarmaa.

Hypotalamuksen muokkaus

Kun kaikki neuronit käyttävät glukoosia polttoaineenaan, tietyt glukoosia aistivat neuronit muuttavat laukaisunopeuttaan vasteena nouseville tai laskeville glukoositasoille. Nämä glukoosia aistivat neuronit ovat keskittyneet pääasiassa hypotalamuksen ventromediaaliseen ytimeen ja kaarevaan ytimeen, jotka säätelevät monia glukoosin homeostaasin näkökohtia (erityisesti vastetta hypoglykemiaan), polttoaineen käyttöä, kylläisyyttä ja ruokahalua sekä painon ylläpitoa. Nämä neuronit ovat herkimpiä glukoosimuutoksille alueella 0,5-3,5 mmol/l glukoosia.

Glukokinaasia on löydetty aivoista pitkälti samoilta alueilta, jotka sisältävät glukoosia aistivia neuroneja, mukaan lukien molemmat hypotalamuksen ytimet. Glukokinaasin estäminen kumoaa ventromediaalisen ytimen vasteen aterialle. Aivojen glukoosipitoisuudet ovat kuitenkin alhaisemmat kuin plasman glukoosipitoisuudet, tyypillisesti 0,5-3,5 mmol/l. Vaikka tämä alue vastaa glukoosia aistivien neuronien herkkyyttä, se on glukokinaasin optimaalisen käänneherkkyyden alapuolella. Epäsuoriin todisteisiin ja spekulaatioihin perustuva oletus on, että neuronien glukokinaasi altistuu jollain tavalla plasman glukoosipitoisuuksille myös neuroneissa.

Enterosyytit ja inkretiiniMuutos

Vaikka glukokinaasia on osoitettu esiintyvän tietyissä ohutsuolen ja mahalaukun soluissa (enterosyytit), sen toimintaa ja säätelyä ei ole selvitetty. On ehdotettu, että myös täällä glukokinaasi toimii glukoosisensorina, jolloin nämä solut voivat antaa yhden varhaisimmista metabolisista vasteista saapuviin hiilihydraatteihin. On epäilty, että nämä solut osallistuvat inkretiinitoimintoihin.