Glükokináz

A legtöbb glükokináz az emlősökben a májban található, és a glükokináz biztosítja a hepatociták hexokináz-aktivitásának körülbelül 95%-át. A glükóz glükóz-6-foszfáttá (G6P) foszforilálása a glükokináz által a májban mind a glikogénszintézis, mind a glikolízis első lépése.

Ha bőséges glükóz áll rendelkezésre, a glikogénszintézis a hepatociták perifériáján folyik, amíg a sejtek meg nem telnek glikogénnel. A felesleges glükóz ekkor egyre inkább trigliceridekké alakul át, amelyeket exportálnak és a zsírszövetben tárolnak. A glükokináz aktivitása a citoplazmában a rendelkezésre álló glükózzal emelkedik és csökken.

A glükokináz terméke, a G6P a glikogénszintézis fő szubsztrátja, és a glükokináz szoros funkcionális és szabályozási kapcsolatban áll a glikogénszintézissel. Maximálisan aktív állapotban a GK és a glikogén-szintáz a jelek szerint a hepatocita citoplazma ugyanazon perifériás területein helyezkedik el, ahol a glikogénszintézis is zajlik. A G6P-ellátás nemcsak elsődleges szubsztrátként, hanem a glikogén-szintáz közvetlen stimulálása és a glikogén-foszforiláz gátlása révén is befolyásolja a glikogénszintézis sebességét.

A glükokináz aktivitása gyorsan felerősödhet vagy csillapodhat a glükózellátás változásaira válaszul, amelyek jellemzően evésből és koplalásból erednek. A szabályozás több szinten és sebességgel történik, és számos tényező befolyásolja, amelyek főként két általános mechanizmusra hatnak:

1. A glükokináz aktivitás percek alatt felerősíthető vagy csökkenthető a glükokináz szabályozó fehérje (GKRP) hatására. E fehérje hatását kis molekulák, például glükóz és fruktóz befolyásolják.
2. A glükokináz mennyisége új fehérje szintézisével növelhető. Az inzulin a fő jel a megnövekedett transzkripcióhoz, amely elsősorban a máj kivételével a sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) nevű transzkripciós faktoron keresztül működik. Ez az inzulinszint emelkedését követő egy órán belül következik be, például szénhidrátos étkezés után.

TranscriptionalEdit

A sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) faktoron keresztül ható inzulin a glükokináz génátírás legfontosabb közvetlen aktivátorának tekinthető a májsejtekben. A SREBP1c egy bázikus hélix-hurok-hélix cipzár (bHLHZ) transzaktivátor. A transzaktivátorok ezen osztálya számos szabályozó enzim génjének “E box” szekvenciájához kötődik. A máj promótere a glükokináz gén első exonjában tartalmaz egy ilyen E-dobozt, amely a jelek szerint a gén fő inzulinreagáló eleme a hepatocitákban. Korábban úgy gondolták, hogy a SREBP1c-nek jelen kell lennie a glükokináz transzkripciójához a hepatocitákban, azonban nemrégiben kimutatták, hogy a glükokináz transzkripciója normálisan zajlik SREBP1c knock out egerekben. A SREBP1c emelkedik a magas szénhidráttartalmú étrendre adott válaszként, feltehetően a gyakori inzulinszint-emelkedés közvetlen hatásaként. A megnövekedett transzkripció kevesebb mint egy órán belül kimutatható, miután a hepatocitákat növekvő inzulinszintnek tették ki.

A fruktóz-2,6-biszfoszfát (F2,6P
2) szintén serkenti a GK transzkripcióját, úgy tűnik, inkább az Akt2, mint a SREBP1c útján. Nem ismert, hogy ez a hatás az inzulinreceptorok aktiválásának egyik downstream hatása vagy az inzulin hatásától független. Az F2,6P
2 szintje egyéb erősítő szerepet játszik a glikolízisben a hepatocitákban.

A májsejtek transzkripciójának szabályozásában feltételezhetően szerepet játszó egyéb transzakciós faktorok:

1. A hepatikus nukleáris faktor-4-alfa (HNF4α) egy árva nukleáris receptor, amely fontos a szénhidrát- és lipidanyagcsere enzimeinek számos génjének átírásában. Aktiválja a GCK transzkripciót.
2. Az upstream stimuláló faktor 1 (USF1) egy másik bázikus hélix-hurok-hélix cipzár (bHLHZ) transzaktivátor.
3. A hepatikus nukleáris faktor 6 (HNF6) egy homeodomain transzkripciós szabályozó a “one-cut osztályból”. A HNF6 részt vesz a glükoneogén enzimek, például a glükóz-6-foszfatáz és a foszfoenolpiruvát-karboxikináz transzkripciójának szabályozásában is.

Hormonális és étrendiEdit

A májban a glükokináz expressziójára és aktivitására közvetlenül vagy közvetve ható hormonok közül messze az inzulin a legfontosabb. Úgy tűnik, hogy az inzulin több közvetlen és közvetett útvonalon keresztül befolyásolja mind a glükokináz transzkripcióját, mind az aktivitását. Míg a portális véna glükózszintjének emelkedése növeli a glükokináz aktivitását, az inzulin egyidejű emelkedése a glükokináz szintézis indukciója révén felerősíti ezt a hatást. A glükokináz transzkripciója az inzulinszint emelkedését követő egy órán belül emelkedni kezd. A glükokináz transzkripció szinte kimutathatatlanná válik hosszan tartó éhezés, súlyos szénhidrátmegvonás vagy kezeletlen inzulinhiányos cukorbetegség esetén.

A mechanizmusok, amelyek révén az inzulin indukálja a glükokinázt, az inzulin mindkét fő intracelluláris hatásútját, az extracelluláris jel-szabályozott kináz (ERK 1/2) kaszkádot és a foszfoinozid-3-kináz (PI3-K) kaszkádot érinthetik. Ez utóbbi a FOXO1 transzaktivátoron keresztül működhet.

Amint azonban a glikogénszintézisre gyakorolt antagonista hatása miatt várható lenne, a glükagon és intracelluláris második hírvivője, a cAMP elnyomja a glükokináz transzkripcióját és aktivitását, még inzulin jelenlétében is.

Más hormonok, mint a trijódtironin (T
3) és a glükokortikoidok bizonyos körülmények között megengedő vagy serkentő hatást gyakorolnak a glükokinázra. A biotin és a retinsav növeli a GCK mRNS átírását, valamint a GK aktivitását. A zsírsavak jelentős mennyiségben erősítik a GK aktivitását a májban, míg a hosszú láncú acil-CoA gátolja azt.

HepaticEdit

A glükokináz gyorsan aktiválható és inaktiválható a hepatocitákban egy új szabályozó fehérje (glükokináz szabályozó fehérje) által, amely a GK inaktív tartalékának fenntartása érdekében működik, amely a portális véna glükózszintjének emelkedésére válaszul gyorsan elérhetővé tehető.

A GKRP a hepatociták sejtmagja és citoplazmája között mozog, és a mikrofilamentum citoszkeletonhoz kapcsolódhat. A GK-val reverzibilis 1:1 komplexeket képez, és képes azt a citoplazmából a sejtmagba mozgatni. A glükózzal kompetitív inhibitorként viselkedik, így az enzimaktivitás kötött állapotban közel nullára csökken. A GK:GKRP-komplexek a sejtmagban szekvenálódnak, amíg a glükóz- és fruktózszint alacsony. A nukleáris szekesztráció a GK védelmét szolgálhatja a citoplazmatikus proteázok általi lebontástól. A GK gyorsan felszabadulhat a GKRP-ből a glükózszint emelkedésére válaszul. A béta-sejtekben lévő GK-val ellentétben a hepatocitákban a GK nem kapcsolódik a mitokondriumokhoz.

A fruktóz apró (mikromoláris) mennyiségben (a ketohexokináz által fruktóz-1-foszfáttá (F1P) foszforilálást követően) felgyorsítja a GK felszabadulását a GKRP-ből. Ez a kis mennyiségű fruktóz jelenlétére való érzékenység lehetővé teszi, hogy a GKRP, a GK és a ketohexokináz “fruktózérzékelő rendszerként” működjön, amely jelzi, hogy a vegyes szénhidrátos étkezés emésztése folyamatban van, és felgyorsítja a glükóz felhasználását. A fruktóz-6-foszfát (F6P) azonban potencírozza a GK GKRP általi kötődését. Az F6P csökkenti a glükóz GK általi foszforilációját, amikor glikogenolízis vagy glükoneogenezis van folyamatban. Az F1P és az F6P is ugyanahhoz a helyhez kötődik a GKRP-n. Feltételezik, hogy a GKRP 2 különböző konformációját hozzák létre, az egyik képes a GK-t megkötni, a másik nem.

PankreászSzerkesztés

Bár a szervezetben lévő glükokináz nagy része a májban található, kisebb mennyiségben a hasnyálmirigy béta- és alfa-sejtjeiben, bizonyos hipotalamusz neuronokban és a bél bizonyos sejtjeiben (enterocitákban) egyre nagyobb szerepet játszik a szénhidrát-anyagcsere szabályozásában. A glükokináz működésével összefüggésben ezeket a sejttípusokat együttesen neuroendokrin szöveteknek nevezzük, és a glükokináz szabályozásának és működésének bizonyos aspektusai közösek, különösen a közös neuroendokrin promóter. A neuroendokrin sejtek közül a hasnyálmirigy szigetsejtjeinek béta-sejtjei a leginkább tanulmányozott és legjobban megértett sejtek. Valószínű, hogy a béta-sejtekben felfedezett szabályozási összefüggések közül sok a többi neuroendokrin szövetben is létezik glükokinázzal.

Az inzulin jelzéseSzerkesztés

A szigetek béta-sejtjeiben a glükokináz aktivitása a vércukorszint emelkedésére válaszul történő inzulinszekréció fő szabályozójaként szolgál. Ahogy a G6P elfogy, a növekvő mennyiségű ATP olyan folyamatok sorozatát indítja el, amelyek az inzulin felszabadulását eredményezik. A fokozott sejtlégzés egyik közvetlen következménye a NADH és a NADPH (együttesen NAD(P)H) koncentrációjának emelkedése. A béta-sejtek redox-státuszának ez a változása az intracelluláris kalciumszint emelkedését, a KATP-csatornák záródását, a sejtmembrán depolarizációját, az inzulinszekréciós granulumok összeolvadását a membránnal és az inzulin vérbe történő felszabadulását eredményezi.

A glükokináz az inzulin felszabadulásának jeleként gyakorolja a legnagyobb hatást a vércukorszintre és a szénhidrát-anyagcsere általános irányára. A glükóz viszont befolyásolja mind az azonnali aktivitást, mind a béta-sejtekben termelődő glükokináz mennyiségét.

Szabályozás a béta-sejtekbenSzerkesztés

A glükóz a kooperatív hatás révén azonnal felerősíti a glükokináz aktivitását.

A béta-sejtekben a glükokináz aktivitás második fontos gyors szabályozója a glükokináz és a glikolízis szabályozásában is szerepet játszó “bifunkcionális enzim” (foszfofruktokináz-2/fruktóz-2,6-biszfoszfatáz) közötti közvetlen fehérje-fehérje kölcsönhatás révén jön létre. Ez a fizikai társulás a glükokinázt egy katalitikusan kedvező konformációban stabilizálja (a GKRP-kötés hatásával némileg ellentétes módon), ami fokozza az aktivitását.

A glükóz már 15 perc alatt képes inzulinon keresztül stimulálni a GCK transzkripcióját és a glükokináz szintézisét. Az inzulint a béta-sejtek termelik, de egy része a béta-sejtek B-típusú inzulinreceptoraira hat, így biztosítva a glükokináz aktivitás autokrin pozitív visszacsatolású erősítését. További erősítés történik az inzulin hatására (az A-típusú receptorokon keresztül) a saját transzkripciójának serkentésére.

A GCK gén transzkripciója az “upstream” vagy neuroendokrin promóteren keresztül indul. Ez a promóter, ellentétben a máj promóterével, más inzulin indukálta génpromóterekkel homológ elemeket tartalmaz. A valószínűsíthető transzakciós faktorok közé tartozik a Pdx-1 és a PPARγ. A Pdx-1 egy homeodomain transzkripciós faktor, amely részt vesz a hasnyálmirigy differenciálódásában. A PPARγ egy nukleáris receptor, amely a glitazon gyógyszerekre az inzulinérzékenység fokozásával reagál.

Asszociáció az inzulinszekréciós granulákkalSzerkesztés

A béta-sejtek citoplazmájában található glükokináz nagy része, de nem az összes, az inzulinszekréciós granulákkal és a mitokondriumokkal van kapcsolatban. Az így “megkötött” arány gyorsan csökken a növekvő glükóz és az inzulinszekréció hatására. Azt feltételezik, hogy a kötődés a máj glükokináz szabályozó fehérjéhez hasonló célt szolgál – védi a glükokinázt a lebomlástól, hogy a glükóz emelkedésével gyorsan rendelkezésre álljon. Ennek hatására a glükokináz glükózra adott válasza gyorsabban felerősödik, mint ahogy azt a transzkripció megtehetné.

A glükagon elnyomása az alfa-sejtekbenSzerkesztés

Azt is javasolták, hogy a glükokináz szerepet játszik a hasnyálmirigy alfa-sejtjeinek glükózérzékelésében, de a bizonyítékok kevésbé következetesek, és egyes kutatók nem találtak bizonyítékot a glükokináz aktivitására ezekben a sejtekben. Az alfa-sejtek a hasnyálmirigy szigeteiben fordulnak elő, béta- és más sejtekkel keveredve. Míg a béta-sejtek az emelkedő glükózszintre inzulin kiválasztásával reagálnak, addig az alfa-sejtek a glükagon kiválasztásának csökkentésével válaszolnak. Amikor a vér glükózkoncentrációja hipoglikémiás szintre csökken, az alfa-sejtek glükagont szabadítanak fel. A glükagon egy fehérjehormon, amely blokkolja az inzulin hatását a hepatocitákra, glikogenolízist, glükoneogenezist és csökkent glükokináz-aktivitást indukálva a hepatocitákban. Az, hogy a glükagon elnyomása a glükóznak az alfa-sejtek glükokinázán keresztül kifejtett közvetlen hatása, vagy az inzulin vagy a béta-sejtek más jelzései által közvetített közvetett hatás, még bizonytalan.

HypothalamicEdit

Míg minden idegsejt glükózt használ üzemanyagként, bizonyos glükózérzékelő idegsejtek a glükózszint emelkedésére vagy csökkenésére reagálva megváltoztatják tüzelési sebességüket. Ezek a glükózérzékelő neuronok elsősorban a hipotalamusz ventromedialis magjában és az íves magban koncentrálódnak, amelyek a glükóz homeosztázis számos aspektusát (különösen a hipoglikémiára adott választ), az üzemanyag-felhasználást, a jóllakottságot és az étvágyat, valamint a testsúly fenntartását szabályozzák. Ezek a neuronok a 0,5-3,5 mmol/L glükóz-tartományban bekövetkező glükózváltozásokra a legérzékenyebbek.

A glükokinázt az agyban nagyrészt ugyanazokon a területeken találták meg, ahol a glükózérzékelő neuronok találhatók, beleértve mindkét hipotalamuszmagot. A glükokináz gátlása megszünteti az étkezésre adott ventromedialis magválaszt. Az agyi glükózszintek azonban alacsonyabbak, mint a plazmaszintek, jellemzően 0,5-3,5 mmol/l. Bár ez a tartomány megfelel a glükózérzékelő neuronok érzékenységének, a glükokináz optimális inflexiós érzékenysége alatt van. A közvetett bizonyítékokon és spekulációkon alapuló feltételezés szerint a neuronális glükokináz valamilyen módon még a neuronokban is ki van téve a plazma glükózszintjének.

Enterociták és az inkretinSzerkesztés

Míg a glükokináz bizonyítottan előfordul a vékonybél és a gyomor bizonyos sejtjeiben (enterocitákban), funkcióját és szabályozását nem sikerült kidolgozni. Azt feltételezik, hogy a glükokináz itt is glükózérzékelőként szolgál, lehetővé téve, hogy ezek a sejtek az egyik legkorábbi metabolikus választ adják a beérkező szénhidrátokra. Feltételezhető, hogy ezek a sejtek részt vesznek az inkretin funkciókban.