Glucokinase

Der größte Teil der Glucokinase in Säugetieren befindet sich in der Leber, und die Glucokinase stellt etwa 95 % der Hexokinase-Aktivität in Hepatozyten. Die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-Phosphat (G6P) durch Glucokinase ist der erste Schritt sowohl der Glykogensynthese als auch der Glykolyse in der Leber.

Wenn ausreichend Glukose zur Verfügung steht, erfolgt die Glykogensynthese an der Peripherie der Hepatozyten, bis die Zellen mit Glykogen gefüllt sind. Überschüssige Glukose wird dann zunehmend in Triglyceride umgewandelt, die exportiert und im Fettgewebe gespeichert werden. Die Aktivität der Glucokinase im Zytoplasma steigt und fällt mit der verfügbaren Glucose.

G6P, das Produkt der Glucokinase, ist das Hauptsubstrat der Glykogensynthese, und die Glucokinase steht in engem funktionellen und regulatorischen Zusammenhang mit der Glykogensynthese. Bei maximaler Aktivität scheinen GK und Glykogensynthase in denselben peripheren Bereichen des Hepatozytenzytoplasmas lokalisiert zu sein, in denen die Glykogensynthese stattfindet. Die Zufuhr von G6P beeinflusst die Geschwindigkeit der Glykogensynthese nicht nur als primäres Substrat, sondern auch durch direkte Stimulierung der Glykogensynthase und Hemmung der Glykogenphosphorylase.

Die Aktivität der Glukokinase kann als Reaktion auf Veränderungen in der Glukosezufuhr, die typischerweise durch Essen und Fasten verursacht werden, schnell verstärkt oder gedämpft werden. Die Regulierung erfolgt auf verschiedenen Ebenen und in verschiedenen Geschwindigkeiten und wird von vielen Faktoren beeinflusst, die sich hauptsächlich auf zwei allgemeine Mechanismen auswirken:

1. Die Glucokinase-Aktivität kann innerhalb von Minuten durch die Wirkung des Glucokinase-Regulationsproteins (GKRP) verstärkt oder verringert werden. Die Wirkung dieses Proteins wird durch kleine Moleküle wie Glucose und Fructose beeinflusst.
2. Die Menge der Glucokinase kann durch die Synthese von neuem Protein erhöht werden. Insulin ist das Hauptsignal für eine erhöhte Transkription, die hauptsächlich über einen Transkriptionsfaktor namens sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) erfolgt, außer in der Leber. Dies geschieht innerhalb einer Stunde nach einem Anstieg des Insulinspiegels, etwa nach einer Kohlenhydratmahlzeit.

TranskriptionBearbeiten

Insulin, das über das Sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) wirkt, ist vermutlich der wichtigste direkte Aktivator der Glucokinase-Gentranskription in Hepatozyten. SREBP1c ist ein bHLHZ-Transaktivator (basic helix-loop-helix zipper). Diese Klasse von Transaktivatoren bindet an die „E-Box“-Sequenz von Genen für eine Reihe von regulatorischen Enzymen. Der Leberpromotor im ersten Exon des Glucokinase-Gens enthält eine solche E-Box, die das wichtigste Insulin-Reaktions-Element des Gens in Hepatozyten zu sein scheint. Bisher war man davon ausgegangen, dass SREBP1c für die Transkription von Glucokinase in Hepatozyten vorhanden sein muss. Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass die Transkription von Glucokinase in SREBP1c-Knock-out-Mäusen normal verläuft. SREBP1c steigt als Reaktion auf eine kohlenhydratreiche Ernährung an, vermutlich als direkte Auswirkung eines häufigen Insulinanstiegs. Eine erhöhte Transkription lässt sich in weniger als einer Stunde nachweisen, nachdem die Hepatozyten steigenden Insulinspiegeln ausgesetzt wurden.

Fructose-2,6-bisphosphat (F2,6P
2) stimuliert ebenfalls die GK-Transkription, offenbar eher über Akt2 als über SREBP1c. Es ist nicht bekannt, ob diese Wirkung zu den nachgeschalteten Effekten der Aktivierung von Insulinrezeptoren gehört oder unabhängig von der Insulinwirkung ist. Die Spiegel von F2,6P
2 spielen eine weitere verstärkende Rolle bei der Glykolyse in Hepatozyten.

Andere transagierende Faktoren, die vermutlich eine Rolle bei der Regulierung der Transkription in Leberzellen spielen, sind:

1. Hepatischer Nuklearfaktor-4-alpha (HNF4α) ist ein verwaister nuklearer Rezeptor, der für die Transkription vieler Gene für Enzyme des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels wichtig ist. Er aktiviert die GCK-Transkription.
2. Der Upstream Stimulatory Factor 1 (USF1) ist ein weiterer Basic Helix-Loop-Helix-Zipper (bHLHZ)-Transaktivator.
3. Hepatischer Nuklearfaktor 6 (HNF6) ist ein Homöodomänen-Transkriptionsregulator der „One-Cut-Klasse“. HNF6 ist auch an der Regulierung der Transkription glukoneogener Enzyme wie Glukose-6-Phosphatase und Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase beteiligt.

Hormonelle und diätetischeEdit

Insulin ist bei weitem das wichtigste der Hormone, die direkte oder indirekte Auswirkungen auf die Expression und Aktivität der Glukokinase in der Leber haben. Insulin scheint sowohl die Transkription als auch die Aktivität der Glucokinase über mehrere direkte und indirekte Wege zu beeinflussen. Während steigende Pfortader-Glukosespiegel die Glukokinase-Aktivität erhöhen, verstärkt der gleichzeitige Anstieg von Insulin diesen Effekt durch Induktion der Glukokinase-Synthese. Die Glucokinase-Transkription beginnt innerhalb einer Stunde nach dem Anstieg des Insulinspiegels zu steigen. Die Glucokinase-Transkription ist bei längerem Hungern, schwerem Kohlenhydratentzug oder unbehandeltem Insulinmangel-Diabetes fast nicht mehr nachweisbar.

Die Mechanismen, durch die Insulin die Glucokinase induziert, können die beiden wichtigsten intrazellulären Wege der Insulinwirkung betreffen, die Kaskade der extrazellulären signalregulierten Kinase (ERK 1/2) und die Phosphoinositid-3-Kinase (PI3-K)-Kaskade. Letztere kann über den FOXO1-Transaktivator wirken.

Wie jedoch angesichts seiner antagonistischen Wirkung auf die Glykogensynthese zu erwarten wäre, unterdrücken Glucagon und sein intrazellulärer zweiter Botenstoff cAMP die Transkription und Aktivität der Glucokinase, selbst in Gegenwart von Insulin.

Andere Hormone wie Trijodthyronin (T
3) und Glucocorticoide haben unter bestimmten Umständen permissive oder stimulierende Wirkungen auf die Glucokinase. Biotin und Retinsäure erhöhen die GCK-mRNA-Transkription und die GK-Aktivität. Fettsäuren in signifikanten Mengen verstärken die GK-Aktivität in der Leber, während langkettiges Acyl-CoA sie hemmt.

HepaticEdit

Glucokinase kann in Hepatozyten durch ein neuartiges Regulationsprotein (Glucokinase-Regulationsprotein) schnell aktiviert und inaktiviert werden, wodurch eine inaktive GK-Reserve aufrechterhalten wird, die als Reaktion auf steigende Glucosespiegel in der Pfortader schnell verfügbar gemacht werden kann.

GKRP bewegt sich zwischen Zellkern und Zytoplasma der Hepatozyten und kann an das Mikrofilament-Zytoskelett gebunden sein. Es bildet reversible 1:1-Komplexe mit GK und kann es aus dem Zytoplasma in den Zellkern verschieben. Es wirkt als kompetitiver Inhibitor mit Glukose, so dass die Enzymaktivität bei Bindung auf nahezu Null reduziert wird. GK:GKRP-Komplexe werden im Zellkern sequestriert, wenn die Glukose- und Fruktosekonzentration niedrig ist. Die Sequestrierung im Zellkern kann dazu dienen, GK vor dem Abbau durch zytoplasmatische Proteasen zu schützen. GK kann als Reaktion auf steigende Glukosespiegel schnell aus GKRP freigesetzt werden. Anders als GK in Betazellen ist GK in Hepatozyten nicht mit Mitochondrien assoziiert.

Fructose in winzigen (mikromolaren) Mengen (nach Phosphorylierung durch Ketohexokinase zu Fructose-1-Phosphat (F1P)) beschleunigt die Freisetzung von GK aus GKRP. Dank dieser Empfindlichkeit gegenüber geringen Fruktosemengen können GKRP, GK und Ketohexokinase als „Fruktose-Sensorsystem“ fungieren, das signalisiert, dass eine gemischte Kohlenhydratmahlzeit verdaut wird, und die Verwertung von Glukose beschleunigt. Fructose-6-phosphat (F6P) verstärkt jedoch die Bindung von GK durch GKRP. F6P verringert die Phosphorylierung von Glukose durch GK, wenn die Glykogenolyse oder Glukoneogenese im Gange ist. F1P und F6P binden beide an dieselbe Stelle auf GKRP. Es wird vermutet, dass sie zwei verschiedene Konformationen von GKRP erzeugen, von denen eine in der Lage ist, GK zu binden und die andere nicht.

PankreasEdit

Obwohl sich der größte Teil der Glucokinase im Körper in der Leber befindet, spielen kleinere Mengen in den Beta- und Alphazellen der Bauchspeicheldrüse, bestimmten hypothalamischen Neuronen und bestimmten Zellen (Enterozyten) des Darms eine zunehmend geschätzte Rolle bei der Regulierung des Kohlenhydratstoffwechsels. Im Zusammenhang mit der Glukokinasefunktion werden diese Zelltypen als neuroendokrine Gewebe bezeichnet, und sie haben einige Aspekte der Glukokinase-Regulierung und -Funktion gemeinsam, insbesondere den gemeinsamen neuroendokrinen Promotor. Von den neuroendokrinen Zellen sind die Betazellen der Pankreasinseln die am meisten untersuchten und am besten verstandenen. Es ist wahrscheinlich, dass viele der in den Betazellen entdeckten regulatorischen Beziehungen auch in den anderen neuroendokrinen Geweben mit Glukokinase bestehen.

Ein Signal für InsulinEdit

In den Betazellen der Inselzellen dient die Glukokinaseaktivität als Hauptkontrolle für die Sekretion von Insulin als Reaktion auf steigende Blutzuckerspiegel. Wenn G6P verbraucht wird, setzen steigende Mengen an ATP eine Reihe von Prozessen in Gang, die zur Freisetzung von Insulin führen. Eine der unmittelbaren Folgen der gesteigerten Zellatmung ist ein Anstieg der NADH- und NADPH-Konzentrationen (zusammenfassend als NAD(P)H bezeichnet). Diese Verschiebung des Redoxstatus der Betazellen führt zu einem Anstieg des intrazellulären Kalziumspiegels, zum Schließen der KATP-Kanäle, zur Depolarisierung der Zellmembran, zur Verschmelzung der Insulinsekretionsgranula mit der Membran und zur Freisetzung von Insulin in das Blut.

Als Signal für die Insulinfreisetzung übt die Glucokinase den größten Einfluss auf den Blutzuckerspiegel und die Gesamtrichtung des Kohlenhydratstoffwechsels aus. Glukose wiederum beeinflusst sowohl die unmittelbare Aktivität als auch die Menge der in den Betazellen produzierten Glukokinase.

Regulation in BetazellenEdit

Glukose verstärkt die Glukokinase-Aktivität unmittelbar durch den Kooperativitätseffekt.

Eine zweite wichtige schnelle Regulierung der Glucokinase-Aktivität in Betazellen erfolgt durch eine direkte Protein-Protein-Interaktion zwischen der Glucokinase und dem „bifunktionellen Enzym“ (Phosphofructokinase-2/Fructose-2,6-Bisphosphatase), das auch bei der Regulation der Glykolyse eine Rolle spielt. Diese physische Assoziation stabilisiert die Glucokinase in einer katalytisch günstigen Konformation (etwas entgegengesetzt zur Wirkung der GKRP-Bindung), was ihre Aktivität erhöht.

In nur 15 Minuten kann Glukose die GCK-Transkription und die Glucokinase-Synthese über Insulin stimulieren. Insulin wird von den Betazellen produziert, aber ein Teil davon wirkt auf die B-Typ-Insulinrezeptoren der Betazellen und sorgt für eine autokrine positive Rückkopplung der Glukokinaseaktivität. Eine weitere Verstärkung erfolgt durch die Wirkung von Insulin (über Rezeptoren vom A-Typ) zur Stimulierung seiner eigenen Transkription.

Die Transkription des GCK-Gens wird durch den „vorgelagerten“ oder neuroendokrinen Promotor eingeleitet. Dieser Promotor weist im Gegensatz zum Leberpromotor Elemente auf, die anderen Insulin-induzierten Genpromotoren ähneln. Zu den wahrscheinlichen transagierenden Faktoren gehören Pdx-1 und PPARγ. Pdx-1 ist ein Homöodomänen-Transkriptionsfaktor, der an der Differenzierung des Pankreas beteiligt ist. PPARγ ist ein nuklearer Rezeptor, der auf Glitazon-Medikamente reagiert, indem er die Insulinsensitivität erhöht.

Assoziation mit insulinsekretorischen GranulaEdit

Ein Großteil, aber nicht die gesamte Glucokinase, die im Zytoplasma von Betazellen gefunden wird, ist mit insulinsekretorischen Granula und mit Mitochondrien assoziiert. Der Anteil der so „gebundenen“ Glukokinase nimmt als Reaktion auf einen Anstieg der Glukose und der Insulinsekretion rasch ab. Es wurde vermutet, dass die Bindung einen ähnlichen Zweck erfüllt wie das hepatische Glukokinase-Regulationsprotein – es schützt die Glukokinase vor dem Abbau, so dass sie bei steigendem Glukosegehalt schnell verfügbar ist. Dadurch wird die Glucokinase-Antwort auf Glukose schneller verstärkt, als dies durch Transkription möglich wäre.

Unterdrückung von Glucagon in AlphazellenEdit

Es wurde auch vorgeschlagen, dass Glucokinase eine Rolle bei der Glukosesensierung der Alphazellen der Bauchspeicheldrüse spielt, aber die Beweise sind weniger konsistent, und einige Forscher haben keine Beweise für Glucokinase-Aktivität in diesen Zellen gefunden. Alphazellen kommen in den Inselzellen der Bauchspeicheldrüse vor, gemischt mit Betazellen und anderen Zellen. Während die Betazellen auf steigende Glukosespiegel mit der Ausschüttung von Insulin reagieren, verringern die Alphazellen die Glukagonsekretion. Wenn die Blutzuckerkonzentration auf ein hypoglykämisches Niveau sinkt, setzen die Alphazellen Glukagon frei. Glucagon ist ein Proteinhormon, das die Wirkung von Insulin auf die Hepatozyten blockiert, indem es die Glykogenolyse, die Gluconeogenese und eine verringerte Glucokinase-Aktivität in den Hepatozyten induziert. Inwieweit die Unterdrückung von Glukagon durch Glukose eine direkte Wirkung von Glukose über die Glukokinase in den Alphazellen oder eine indirekte Wirkung ist, die durch Insulin oder andere Signale von den Betazellen vermittelt wird, ist noch ungewiss.

HypothalamusBearbeiten

Während alle Neuronen Glukose als Brennstoff verwenden, ändern bestimmte glukosesensitive Neuronen ihre Feuerungsrate als Reaktion auf steigende oder fallende Glukosespiegel. Diese glukosesensitiven Neuronen sind vor allem im ventromedialen Kern und im Nucleus arcuatus des Hypothalamus konzentriert, die viele Aspekte der Glukosehomöostase (insbesondere die Reaktion auf Hypoglykämie), der Brennstoffnutzung, des Sättigungsgefühls und des Appetits sowie der Gewichtserhaltung regulieren. Diese Neuronen reagieren am empfindlichsten auf Glukoseveränderungen im Bereich von 0,5-3,5 mmol/L Glukose.

Glucokinase wurde im Gehirn in weitgehend denselben Bereichen gefunden, die glukosesensitive Neuronen enthalten, einschließlich der beiden Hypothalamuskerne. Die Hemmung der Glucokinase hebt die Reaktion des ventromedialen Kerns auf eine Mahlzeit auf. Der Glukosespiegel im Gehirn ist jedoch niedriger als der Plasmaspiegel, typischerweise 0,5-3,5 mmol/L. Dieser Bereich entspricht zwar der Empfindlichkeit der glukosesensitiven Neuronen, liegt aber unterhalb der optimalen Wendesensitivität für die Glukokinase. Die Vermutung, die sich auf indirekte Beweise und Spekulationen stützt, ist, dass die neuronale Glucokinase auch in den Neuronen in irgendeiner Weise dem Plasmaglukosespiegel ausgesetzt ist.

Enterozyten und InkretinEdit

Während Glucokinase nachweislich in bestimmten Zellen (Enterozyten) des Dünndarms und des Magens vorkommt, sind ihre Funktion und Regulierung nicht geklärt. Es wurde vermutet, dass die Glucokinase auch hier als Glukosesensor dient und es diesen Zellen ermöglicht, eine der frühesten metabolischen Reaktionen auf eintreffende Kohlenhydrate zu geben. Es wird vermutet, dass diese Zellen an den Inkretinfunktionen beteiligt sind.