Glucokinase

La majeure partie de la glucokinase chez un mammifère se trouve dans le foie, et la glucokinase fournit environ 95% de l’activité hexokinase dans les hépatocytes. La phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate (G6P) par la glucokinase est la première étape de la synthèse du glycogène et de la glycolyse dans le foie.

Lorsqu’une quantité suffisante de glucose est disponible, la synthèse du glycogène se déroule à la périphérie des hépatocytes jusqu’à ce que les cellules soient remplies de glycogène. L’excès de glucose est alors de plus en plus converti en triglycérides pour être exporté et stocké dans le tissu adipeux. L’activité de la glucokinase dans le cytoplasme augmente et diminue avec le glucose disponible.

Le G6P, produit de la glucokinase, est le principal substrat de la synthèse du glycogène, et la glucokinase a une association fonctionnelle et réglementaire étroite avec la synthèse du glycogène. Lorsqu’elles sont actives au maximum, la GK et la glycogène synthase semblent être situées dans les mêmes zones périphériques du cytoplasme des hépatocytes dans lesquelles se produit la synthèse du glycogène. L’apport de G6P affecte le taux de synthèse du glycogène non seulement en tant que substrat primaire, mais aussi par la stimulation directe de la glycogène synthase et l’inhibition de la glycogène phosphorylase.

L’activité de la glucokinase peut être rapidement amplifiée ou amortie en réponse aux changements de l’apport en glucose, résultant généralement de l’alimentation et du jeûne. La régulation se produit à plusieurs niveaux et vitesses, et est influencée par de nombreux facteurs qui affectent principalement deux mécanismes généraux :

1. L’activité de la glucokinase peut être amplifiée ou réduite en quelques minutes par les actions de la protéine régulatrice de la glucokinase (GKRP). Les actions de cette protéine sont influencées par de petites molécules comme le glucose et le fructose.
2. La quantité de glucokinase peut être augmentée par la synthèse d’une nouvelle protéine. L’insuline est le principal signal d’augmentation de la transcription, opérant principalement par le biais d’un facteur de transcription appelé sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) sauf dans le foie. Cela se produit dans l’heure qui suit une augmentation du taux d’insuline, comme après un repas de glucides.

TranscriptionnelEdit

L’insuline agissant par l’intermédiaire de la protéine-1c de liaison à l’élément régulateur des stérols (SREBP1c) serait l’activateur direct le plus important de la transcription du gène de la glucokinase dans les hépatocytes. La SREBP1c est un transactivateur de type bHLHZ (basic helix-loop-helix zipper). Cette classe de transactivateurs se lie à la séquence « E box » des gènes d’un certain nombre d’enzymes régulatrices. Le promoteur hépatique dans le premier exon du gène de la glucokinase comprend une telle boîte E, qui semble être le principal élément de réponse à l’insuline du gène dans les hépatocytes. On pensait auparavant que SREBP1c devait être présent pour la transcription de la glucokinase dans les hépatocytes ; cependant, il a été récemment démontré que la transcription de la glucokinase s’effectuait normalement chez les souris knock-out SREBP1c. SREBP1c augmente en réponse à un régime riche en glucides, ce qui est présumé être un effet direct de l’élévation fréquente du taux d’insuline. L’augmentation de la transcription peut être détectée en moins d’une heure après que les hépatocytes aient été exposés à des niveaux d’insuline croissants.

Le fructose-2,6-bisphosphate (F2,6P
2) stimule également la transcription de GK, il semble que ce soit par le biais d’Akt2 plutôt que de SREBP1c. On ne sait pas si cet effet est l’un des effets en aval de l’activation des récepteurs de l’insuline ou s’il est indépendant de l’action de l’insuline. Les niveaux de F2,6P
2 jouent d’autres rôles amplificateurs de la glycolyse dans les hépatocytes.

Les autres facteurs transactants suspectés de jouer un rôle dans la régulation de la transcription des cellules hépatiques comprennent :

1. Le facteur nucléaire hépatique-4-alpha (HNF4α) est un récepteur nucléaire orphelin important dans la transcription de nombreux gènes pour les enzymes du métabolisme des glucides et des lipides. Il active la transcription de la GCK.
2. Le facteur de stimulation en amont 1 (USF1) est un autre transactivateur de type basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ).
3. Le facteur nucléaire hépatique 6 (HNF6) est un régulateur transcriptionnel à homéodomaine de la « classe à une coupe ». HNF6 est également impliqué dans la régulation de la transcription des enzymes gluconéogènes telles que la glucose-6-phosphatase et la phosphoénolpyruvate carboxykinase.

Hormonal et diététiqueEdit

L’insuline est de loin la plus importante des hormones qui ont des effets directs ou indirects sur l’expression et l’activité de la glucokinase dans le foie. L’insuline semble affecter à la fois la transcription et l’activité de la glucokinase par de multiples voies directes et indirectes. Alors que l’augmentation des niveaux de glucose dans la veine porte augmente l’activité de la glucokinase, l’augmentation concomitante de l’insuline amplifie cet effet en induisant la synthèse de la glucokinase. La transcription de la glucokinase commence à augmenter dans l’heure qui suit l’augmentation des taux d’insuline. La transcription de la glucokinase devient presque indétectable en cas de famine prolongée, de privation sévère de glucides ou de diabète insulinodépendant non traité.

Les mécanismes par lesquels l’insuline induit la glucokinase peuvent impliquer les deux principales voies intracellulaires d’action de l’insuline, la cascade de la kinase régulée par le signal extracellulaire (ERK 1/2) et la cascade de la phosphoinositide 3-kinase (PI3-K). Cette dernière peut agir par l’intermédiaire du transactivateur FOXO1.

Cependant, comme on pouvait s’y attendre étant donné son effet antagoniste sur la synthèse du glycogène, le glucagon et son second messager intracellulaire AMPc suppriment la transcription et l’activité de la glucokinase, même en présence d’insuline.

D’autres hormones telles que la triiodothyronine (T
3) et les glucocorticoïdes exercent des effets permissifs ou stimulants sur la glucokinase dans certaines circonstances. La biotine et l’acide rétinoïque augmentent la transcription de l’ARNm de la GCK ainsi que l’activité de la GK. Les acides gras en quantités importantes amplifient l’activité de la GK dans le foie, tandis que l’acyl CoA à longue chaîne l’inhibe.

HépatiqueEdit

La glucokinase peut être rapidement activée et inactivée dans les hépatocytes par une nouvelle protéine régulatrice (protéine régulatrice de la glucokinase), qui opère pour maintenir une réserve inactive de GK, qui peut être rendue rapidement disponible en réponse à l’augmentation des niveaux de glucose de la veine porte.

La GKRP se déplace entre le noyau et le cytoplasme des hépatocytes et peut être attachée au cytosquelette des microfilaments. Il forme des complexes réversibles 1:1 avec la GK, et peut la déplacer du cytoplasme vers le noyau. Il agit comme un inhibiteur compétitif avec le glucose, de sorte que l’activité de l’enzyme est réduite à presque zéro lorsqu’il est lié. Les complexes GK:GKRP sont séquestrés dans le noyau lorsque les niveaux de glucose et de fructose sont faibles. La séquestration nucléaire peut servir à protéger la GK de la dégradation par les protéases cytoplasmiques. La GK peut être rapidement libérée de la GKRP en réponse à l’augmentation des niveaux de glucose. Contrairement à la GK dans les cellules bêta, la GK dans les hépatocytes n’est pas associée aux mitochondries.

Le fructose en quantités infimes (micromolaires) (après phosphorylation par la cétohexokinase en fructose-1-phosphate (F1P)) accélère la libération de la GK à partir du GKRP. Cette sensibilité à la présence de petites quantités de fructose permet à la GKRP, à la GK et à la cétohexokinase d’agir comme un  » système de détection du fructose « , qui signale qu’un repas mixte de glucides est en cours de digestion et accélère l’utilisation du glucose. Cependant, le fructose 6-phosphate (F6P) potentialise la liaison de la GK par la GKRP. Le F6P diminue la phosphorylation du glucose par le GK lorsque la glycogénolyse ou la gluconéogenèse sont en cours. Le F1P et le F6P se lient tous deux au même site sur le GKRP. On postule qu’ils produisent 2 conformations différentes de GKRP, l’une capable de se lier à la GK et l’autre non.

PancréatiqueEdit

Bien que la majeure partie de la glucokinase de l’organisme se trouve dans le foie, de plus petites quantités dans les cellules bêta et alpha du pancréas, certains neurones hypothalamiques et des cellules spécifiques (entérocytes) de l’intestin jouent un rôle de plus en plus apprécié dans la régulation du métabolisme des glucides. Dans le contexte de la fonction de la glucokinase, ces types de cellules sont collectivement appelés tissus neuroendocriniens, et ils partagent certains aspects de la régulation et de la fonction de la glucokinase, notamment le promoteur neuroendocrinien commun. Parmi les cellules neuroendocrines, les cellules bêta des îlots pancréatiques sont les plus étudiées et les mieux comprises. Il est probable que de nombreuses relations de régulation découvertes dans les cellules bêta existeront également dans les autres tissus neuroendocriniens à glucokinase.

Un signal pour l’insulineEdit

Dans les cellules bêta des îlots, l’activité de la glucokinase sert de contrôle principal pour la sécrétion d’insuline en réponse à l’augmentation des niveaux de glucose dans le sang. Lorsque le G6P est consommé, des quantités croissantes d’ATP initient une série de processus qui aboutissent à la libération d’insuline. L’une des conséquences immédiates de l’augmentation de la respiration cellulaire est une augmentation des concentrations de NADH et de NADPH (collectivement dénommées NAD(P)H). Ce changement dans le statut redox des cellules bêta entraîne une augmentation des niveaux de calcium intracellulaire, la fermeture des canaux KATP, la dépolarisation de la membrane cellulaire, la fusion des granules sécréteurs d’insuline avec la membrane et la libération d’insuline dans le sang.

C’est en tant que signal pour la libération d’insuline que la glucokinase exerce le plus grand effet sur les niveaux de sucre dans le sang et la direction générale du métabolisme des glucides. Le glucose, à son tour, influence à la fois l’activité immédiate et la quantité de glucokinase produite dans les cellules bêta.

Régulation dans les cellules bêtaEdit

Le glucose amplifie immédiatement l’activité de la glucokinase par l’effet de coopérativité.

Un deuxième régulateur rapide important de l’activité de la glucokinase dans les cellules bêta se produit par une interaction directe protéine-protéine entre la glucokinase et « l’enzyme bifonctionnelle » (phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase), qui joue également un rôle dans la régulation de la glycolyse. Cette association physique stabilise la glucokinase dans une conformation catalytiquement favorable (un peu à l’opposé de l’effet de la liaison GKRP) qui renforce son activité.

En seulement 15 minutes, le glucose peut stimuler la transcription de la GCK et la synthèse de la glucokinase par l’intermédiaire de l’insuline. L’insuline est produite par les cellules bêta, mais une partie d’entre elle agit sur les récepteurs d’insuline de type B des cellules bêta, fournissant une amplification autocrine à rétroaction positive de l’activité de la glucokinase. Une amplification supplémentaire se produit par l’action de l’insuline (via les récepteurs de type A) pour stimuler sa propre transcription.

La transcription du gène de la GCK est initiée par le promoteur « amont », ou neuroendocrine. Ce promoteur, contrairement au promoteur hépatique, possède des éléments homologues à d’autres promoteurs de gènes induits par l’insuline. Parmi les facteurs transactants probables figurent Pdx-1 et PPARγ. Pdx-1 est un facteur de transcription à homéodomaine impliqué dans la différenciation du pancréas. PPARγ est un récepteur nucléaire qui répond aux médicaments de type glitazone en augmentant la sensibilité à l’insuline.

Association avec les granules sécréteurs d’insulineEdit

Une grande partie, mais pas la totalité, de la glucokinase présente dans le cytoplasme des cellules bêta est associée aux granules sécréteurs d’insuline et aux mitochondries. La proportion ainsi « liée » diminue rapidement en réponse à l’augmentation du glucose et de la sécrétion d’insuline. Il a été suggéré que la liaison a un rôle similaire à celui de la protéine régulatrice de la glucokinase hépatique – protéger la glucokinase de la dégradation afin qu’elle soit rapidement disponible lorsque le glucose augmente. L’effet est d’amplifier la réponse de la glucokinase au glucose plus rapidement que la transcription ne pourrait le faire.

Suppression du glucagon dans les cellules alphaEdit

Il a également été proposé que la glucokinase joue un rôle dans la détection du glucose des cellules alpha du pancréas, mais les preuves sont moins cohérentes, et certains chercheurs n’ont trouvé aucune preuve de l’activité de la glucokinase dans ces cellules. Les cellules alpha sont présentes dans les îlots pancréatiques, mélangées à des cellules bêta et à d’autres cellules. Alors que les cellules bêta réagissent à l’augmentation de la glycémie en sécrétant de l’insuline, les cellules alpha réagissent en réduisant la sécrétion de glucagon. Lorsque la concentration de glucose dans le sang tombe à des niveaux hypoglycémiques, les cellules alpha libèrent du glucagon. Le glucagon est une hormone protéique qui bloque l’effet de l’insuline sur les hépatocytes, induisant la glycogénolyse, la néoglucogenèse et une réduction de l’activité de la glucokinase dans les hépatocytes. Le degré auquel la suppression du glucagon par le glucose est un effet direct du glucose via la glucokinase dans les cellules alpha, ou un effet indirect médié par l’insuline ou d’autres signaux provenant des cellules bêta, est encore incertain.

HypothalamicEdit

Alors que tous les neurones utilisent le glucose comme carburant, certains neurones capteurs de glucose modifient leur taux de tir en réponse à des niveaux croissants ou décroissants de glucose. Ces neurones capteurs de glucose sont concentrés principalement dans le noyau ventromédial et le noyau arqué de l’hypothalamus, qui régulent de nombreux aspects de l’homéostasie du glucose (notamment la réponse à l’hypoglycémie), l’utilisation du carburant, la satiété et l’appétit, et le maintien du poids. Ces neurones sont les plus sensibles aux variations du glucose dans la fourchette de 0,5 à 3,5 mmol/L.

La glucokinase a été trouvée dans le cerveau dans les mêmes zones que celles qui contiennent les neurones sensibles au glucose, y compris les deux noyaux hypothalamiques. L’inhibition de la glucokinase abolit la réponse du noyau ventromédian à un repas. Cependant, les niveaux de glucose dans le cerveau sont inférieurs aux niveaux plasmatiques, généralement de 0,5 à 3,5 mmol/l. Bien que cette fourchette corresponde à la sensibilité des neurones sensibles au glucose, elle est inférieure à la sensibilité d’inflexion optimale de la glucokinase. La présomption, basée sur des preuves indirectes et des spéculations, est que la glucokinase neuronale est en quelque sorte exposée aux niveaux de glucose plasmatique même dans les neurones.

Entérocytes et incrétineEdit

Bien qu’il ait été démontré que la glucokinase est présente dans certaines cellules (entérocytes) de l’intestin grêle et de l’estomac, sa fonction et sa régulation n’ont pas été élaborées. Il a été suggéré qu’ici aussi, la glucokinase sert de capteur de glucose, permettant à ces cellules de fournir l’une des premières réponses métaboliques aux glucides entrants. On soupçonne que ces cellules sont impliquées dans les fonctions des incrétines.