Glucochinasi

La maggior parte della glucochinasi in un mammifero si trova nel fegato, e la glucochinasi fornisce circa il 95% dell’attività esochinasi negli epatociti. La fosforilazione del glucosio a glucosio-6-fosfato (G6P) da parte della glucochinasi è il primo passo della sintesi del glicogeno e della glicolisi nel fegato.

Quando è disponibile un’ampia quantità di glucosio, la sintesi del glicogeno procede alla periferia degli epatociti finché le cellule sono piene di glicogeno. Il glucosio in eccesso viene poi sempre più convertito in trigliceridi per l’esportazione e lo stoccaggio nel tessuto adiposo. L’attività della glucochinasi nel citoplasma aumenta e diminuisce con il glucosio disponibile.

G6P, il prodotto della glucochinasi, è il principale substrato della sintesi del glicogeno, e la glucochinasi ha una stretta associazione funzionale e di regolazione con la sintesi del glicogeno. Quando è massimamente attiva, la GK e la glicogeno sintasi sembrano essere localizzate nelle stesse aree periferiche del citoplasma degli epatociti in cui avviene la sintesi del glicogeno. La fornitura di G6P influenza il tasso di sintesi del glicogeno non solo come substrato primario, ma attraverso la stimolazione diretta della glicogeno sintasi e l’inibizione della glicogeno fosforilasi.

L’attività della glucochinasi può essere rapidamente amplificata o smorzata in risposta ai cambiamenti nella fornitura di glucosio, tipicamente derivanti dal mangiare e dal digiuno. La regolazione avviene a diversi livelli e velocità, ed è influenzata da molti fattori che riguardano principalmente due meccanismi generali:

1. L’attività della glucochinasi può essere amplificata o ridotta in pochi minuti dalle azioni della proteina regolatrice della glucochinasi (GKRP). Le azioni di questa proteina sono influenzate da piccole molecole come il glucosio e il fruttosio.
2. La quantità di glucochinasi può essere aumentata dalla sintesi di nuove proteine. L’insulina è il segnale principale per l’aumento della trascrizione, operando principalmente attraverso un fattore di trascrizione chiamato sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) tranne che nel fegato. Questo avviene entro un’ora dopo un aumento dei livelli di insulina, come dopo un pasto di carboidrati.

TranscriptionalEdit

L’insulina che agisce attraverso la sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) è ritenuta il più importante attivatore diretto della trascrizione del gene glucokinase negli epatociti. SREBP1c è un transattivatore basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ). Questa classe di transattivatori si lega alla sequenza “E box” dei geni per un certo numero di enzimi regolatori. Il promotore epatico nel primo esone del gene della glucochinasi include una tale E box, che sembra essere il principale elemento di risposta all’insulina del gene negli epatociti. In precedenza si pensava che SREBP1c dovesse essere presente per la trascrizione della glucochinasi negli epatociti, tuttavia è stato recentemente dimostrato che la trascrizione della glucochinasi avveniva normalmente nei topi SREBP1c knock out. SREBP1c aumenta in risposta a una dieta ad alto contenuto di carboidrati, presumibilmente come effetto diretto della frequente elevazione dell’insulina. L’aumento della trascrizione può essere rilevato in meno di un’ora dopo che gli epatociti sono esposti a livelli crescenti di insulina.

Fruttosio-2,6-bisfosfato (F2,6P
2) stimola anche la trascrizione di GK, sembra attraverso Akt2 piuttosto che SREBP1c. Non si sa se questo effetto è uno degli effetti a valle dell’attivazione dei recettori dell’insulina o indipendente dall’azione dell’insulina. I livelli di F2,6P
2 giocano altri ruoli di amplificazione nella glicolisi negli epatociti.

Altri fattori di trascrizione sospettati di avere un ruolo nella regolazione della trascrizione delle cellule epatiche includono:

1. Il fattore nucleare epatico-4-alfa (HNF4α) è un recettore nucleare orfano importante nella trascrizione di molti geni per enzimi del metabolismo dei carboidrati e dei lipidi. Attiva la trascrizione di GCK.
2. Il fattore stimolatorio a monte 1 (USF1) è un altro transattivatore basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ).
3. Il fattore nucleare epatico 6 (HNF6) è un regolatore trascrizionale omeodominio della “classe one-cut”. HNF6 è anche coinvolto nella regolazione della trascrizione degli enzimi gluconeogenici come la glucosio-6-fosfatasi e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi.

Ormonale e dieteticoModifica

L’insulina è di gran lunga il più importante degli ormoni che hanno effetti diretti o indiretti sull’espressione e l’attività della glucochinasi nel fegato. L’insulina sembra influenzare sia la trascrizione che l’attività della glucochinasi attraverso molteplici vie dirette e indirette. Mentre l’aumento dei livelli di glucosio nella vena porta aumenta l’attività della glucochinasi, il concomitante aumento dell’insulina amplifica questo effetto attraverso l’induzione della sintesi della glucochinasi. La trascrizione della glucochinasi inizia ad aumentare entro un’ora dall’aumento dei livelli di insulina. La trascrizione della glucochinasi diventa quasi non rilevabile in caso di fame prolungata, grave privazione di carboidrati o diabete insulino-deficiente non trattato.

I meccanismi attraverso i quali l’insulina induce la glucochinasi possono coinvolgere entrambe le principali vie intracellulari dell’azione dell’insulina, la cascata delle chinasi regolate dal segnale extracellulare (ERK 1/2) e la cascata della fosfoinositide 3-chinasi (PI3-K). Quest’ultima può operare attraverso il transattivatore FOXO1.

Tuttavia, come ci si aspetterebbe dato il suo effetto antagonista sulla sintesi del glicogeno, il glucagone e il suo secondo messaggero intracellulare cAMP sopprime la trascrizione e l’attività della glucochinasi, anche in presenza di insulina.

Altri ormoni come la triiodotironina (T
3) e i glucocorticoidi forniscono effetti permissivi o stimolatori sulla glucochinasi in determinate circostanze. La biotina e l’acido retinoico aumentano la trascrizione dell’mRNA della GCK e l’attività della GK. Gli acidi grassi in quantità significative amplificano l’attività della GK nel fegato, mentre l’acil CoA a catena lunga la inibisce.

HepaticEdit

La glucochinasi può essere rapidamente attivata e inattivata negli epatociti da una nuova proteina regolatrice (proteina regolatrice della glucochinasi), che opera per mantenere una riserva inattiva di GK, che può essere resa rapidamente disponibile in risposta ai livelli crescenti di glucosio della vena porta.

GKRP si muove tra il nucleo e il citoplasma degli epatociti e può essere legata al citoscheletro dei microfilamenti. Forma complessi reversibili 1:1 con GK e può spostarlo dal citoplasma al nucleo. Agisce come un inibitore competitivo con il glucosio, in modo tale che l’attività dell’enzima è ridotta a quasi zero mentre è legato. I complessi GK:GKRP sono sequestrati nel nucleo quando i livelli di glucosio e fruttosio sono bassi. Il sequestro nucleare può servire a proteggere GK dalla degradazione da parte delle proteasi citoplasmatiche. GK può essere rapidamente rilasciato da GKRP in risposta all’aumento dei livelli di glucosio. A differenza di GK nelle cellule beta, GK negli epatociti non è associato ai mitocondri.

Il fruttosio in quantità minime (micromolari) (dopo la fosforilazione da chetoesochinasi a fruttosio-1-fosfato (F1P)) accelera il rilascio di GK dal GKRP. Questa sensibilità alla presenza di piccole quantità di fruttosio permette a GKRP, GK e chetoesochinasi di agire come un “sistema di rilevamento del fruttosio”, che segnala che un pasto di carboidrati misti viene digerito e accelera l’utilizzo del glucosio. Tuttavia, il fruttosio 6-fosfato (F6P) potenzia il legame del GK da parte del GKRP. F6P diminuisce la fosforilazione del glucosio da parte di GK quando la glicogenolisi o la gluconeogenesi sono in corso. F1P e F6P si legano entrambi allo stesso sito su GKRP. Si postula che producano 2 diverse conformazioni di GKRP, una in grado di legare GK e l’altra no.

PancreaticEdit

Anche se la maggior parte della glucochinasi nel corpo si trova nel fegato, piccole quantità nelle cellule beta e alfa del pancreas, alcuni neuroni ipotalamici, e cellule specifiche (enterociti) dell’intestino svolgono un ruolo sempre più apprezzato nella regolazione del metabolismo dei carboidrati. Nel contesto della funzione della glucochinasi, questi tipi di cellule sono indicati collettivamente come tessuti neuroendocrini, e condividono alcuni aspetti della regolazione e della funzione della glucochinasi, soprattutto il promotore neuroendocrino comune. Tra le cellule neuroendocrine, le cellule beta delle isole pancreatiche sono le più studiate e meglio comprese. È probabile che molte delle relazioni di regolazione scoperte nelle cellule beta esisteranno anche negli altri tessuti neuroendocrini con glucochinasi.

Un segnale per l’insulinaModifica

Nelle cellule beta delle isole, l’attività della glucochinasi serve come controllo principale per la secrezione di insulina in risposta ai livelli crescenti di glucosio nel sangue. Quando il G6P viene consumato, quantità crescenti di ATP avviano una serie di processi che portano al rilascio di insulina. Una delle conseguenze immediate dell’aumento della respirazione cellulare è un aumento delle concentrazioni di NADH e NADPH (denominate collettivamente NAD(P)H). Questo cambiamento nello stato redox delle cellule beta provoca un aumento dei livelli di calcio intracellulare, la chiusura dei canali KATP, la depolarizzazione della membrana cellulare, la fusione dei granuli secretori dell’insulina con la membrana e il rilascio di insulina nel sangue.

È come segnale per il rilascio di insulina che la glucochinasi esercita il maggiore effetto sui livelli di zucchero nel sangue e sulla direzione generale del metabolismo dei carboidrati. Il glucosio, a sua volta, influenza sia l’attività immediata che la quantità di glucochinasi prodotta nelle cellule beta.

Regolazione nelle cellule betaModifica

Il glucosio amplifica immediatamente l’attività della glucochinasi per effetto della cooperatività.

Un secondo importante regolatore rapido dell’attività della glucochinasi nelle cellule beta avviene per interazione diretta proteina-proteina tra la glucochinasi e l'”enzima bifunzionale” (fosfofruttochinasi-2/fruttosio-2,6-bisfosfatasi), che svolge anche un ruolo nella regolazione della glicolisi. Questa associazione fisica stabilizza la glucochinasi in una conformazione cataliticamente favorevole (in qualche modo opposta all’effetto del legame GKRP) che aumenta la sua attività.

In appena 15 minuti, il glucosio può stimolare la trascrizione di GCK e la sintesi di glucochinasi attraverso l’insulina. L’insulina è prodotta dalle cellule beta, ma una parte di essa agisce sui recettori insulinici di tipo B delle cellule beta, fornendo un’amplificazione autocrina a feedback positivo dell’attività della glucochinasi. Un’ulteriore amplificazione avviene tramite l’azione dell’insulina (attraverso i recettori di tipo A) per stimolare la propria trascrizione.

La trascrizione del gene GCK è iniziata attraverso il promotore “a monte”, o neuroendocrino. Questo promotore, in contrasto con il promotore del fegato, ha elementi omologhi ad altri promotori di geni indotti dall’insulina. Tra i probabili fattori di transazione ci sono Pdx-1 e PPARγ. Pdx-1 è un fattore di trascrizione omeodomain coinvolto nella differenziazione del pancreas. PPARγ è un recettore nucleare che risponde ai farmaci glitazonici aumentando la sensibilità all’insulina.

Associazione con i granuli secretori dell’insulinaModifica

Molto, ma non tutto, della glucochinasi trovata nel citoplasma delle cellule beta è associato ai granuli secretori dell’insulina e ai mitocondri. La proporzione così “legata” scende rapidamente in risposta all’aumento del glucosio e della secrezione di insulina. È stato suggerito che il legame serve uno scopo simile alla proteina regolatrice della glucochinasi epatica – proteggendo la glucochinasi dalla degradazione in modo che sia rapidamente disponibile quando il glucosio aumenta. L’effetto è quello di amplificare la risposta della glucochinasi al glucosio più rapidamente che la trascrizione potrebbe farlo.

Soppressione del glucagone in alfa cellsEdit

It è stato anche proposto che glucochinasi gioca un ruolo nel rilevamento di glucosio delle cellule alfa pancreatiche, ma la prova è meno coerente, e alcuni ricercatori non hanno trovato alcuna prova di attività glucochinasi in queste cellule. Le cellule alfa si trovano negli isolotti pancreatici, mescolate alle cellule beta e ad altre cellule. Mentre le cellule beta rispondono all’aumento dei livelli di glucosio secernendo insulina, le cellule alfa rispondono riducendo la secrezione di glucagone. Quando la concentrazione di glucosio nel sangue scende a livelli ipoglicemici, le cellule alfa rilasciano il glucagone. Il glucagone è un ormone proteico che blocca l’effetto dell’insulina sugli epatociti, inducendo glicogenolisi, gluconeogenesi e una ridotta attività della glucochinasi negli epatociti. Il grado in cui la soppressione del glucagone è un effetto diretto del glucosio attraverso la glucochinasi nelle cellule alfa, o un effetto indiretto mediato dall’insulina o da altri segnali dalle cellule beta, è ancora incerto.

HypothalamicEdit

Mentre tutti i neuroni usano il glucosio per il carburante, alcuni neuroni sensibili al glucosio alterano i loro tassi di cottura in risposta ai livelli crescenti o calanti di glucosio. Questi neuroni sensibili al glucosio sono concentrati principalmente nel nucleo ventromediale e nel nucleo arcuato dell’ipotalamo, che regolano molti aspetti dell’omeostasi del glucosio (soprattutto la risposta all’ipoglicemia), l’utilizzo del carburante, la sazietà e l’appetito e il mantenimento del peso. Questi neuroni sono più sensibili ai cambiamenti di glucosio nell’intervallo 0,5-3,5 mmol/L glucosio.

Glucochinasi è stato trovato nel cervello in gran parte le stesse aree che contengono i neuroni sensibili al glucosio, tra cui entrambi i nuclei ipotalamici. L’inibizione della glucochinasi abolisce la risposta del nucleo ventromediale a un pasto. Tuttavia, i livelli di glucosio del cervello sono inferiori a quelli del plasma, in genere 0,5-3,5 mmol/L. Anche se questo intervallo corrisponde alla sensibilità dei neuroni sensibili al glucosio, è al di sotto della sensibilità di inflessione ottimale per la glucochinasi. La presunzione, basata su prove indirette e speculazioni, è che la glucochinasi neuronale è in qualche modo esposta ai livelli plasmatici di glucosio anche nei neuroni.

Enterociti e incretinaModifica

Sebbene sia stato dimostrato che la glucochinasi è presente in alcune cellule (enterociti) dell’intestino tenue e dello stomaco, la sua funzione e regolazione non sono state elaborate. È stato suggerito che anche qui la glucochinasi serva da sensore di glucosio, permettendo a queste cellule di fornire una delle prime risposte metaboliche ai carboidrati in arrivo. Si sospetta che queste cellule siano coinvolte nelle funzioni incretiniche.