Glucokinase

Het merendeel van de glucokinase in een zoogdier wordt in de lever aangetroffen, en glucokinase levert ongeveer 95% van de hexokinase-activiteit in hepatocyten. Fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat (G6P) door glucokinase is de eerste stap van zowel de glycogeensynthese als de glycolyse in de lever.

Wanneer er voldoende glucose beschikbaar is, gaat de glycogeensynthese door in de periferie van de hepatocyten totdat de cellen vol zijn met glycogeen. Overtollige glucose wordt dan in toenemende mate omgezet in triglyceriden voor export en opslag in vetweefsel. De glucokinase-activiteit in het cytoplasma stijgt en daalt met de beschikbare glucose.

G6P, het product van glucokinase, is het voornaamste substraat van de glycogeensynthese, en glucokinase heeft een nauwe functionele en regulerende associatie met de glycogeensynthese. Wanneer GK en glycogeensynthase maximaal actief zijn, blijken zij zich te bevinden in dezelfde perifere gebieden van het cytoplasma van de hepatocyten waar de glycogeensynthese plaatsvindt. De toevoer van G6P beïnvloedt de snelheid van glycogeensynthese niet alleen als primair substraat, maar ook door directe stimulatie van glycogeensynthase en remming van glycogeenfosforylase.

Glucokinase-activiteit kan snel worden versterkt of gedempt in reactie op veranderingen in de glucose-toevoer, typisch als gevolg van eten en vasten. De regulatie vindt plaats op verschillende niveaus en snelheden, en wordt beïnvloed door vele factoren die hoofdzakelijk twee algemene mechanismen beïnvloeden:

1. Glucokinase activiteit kan in minuten worden versterkt of verminderd door acties van het glucokinase regulerende eiwit (GKRP). De werking van dit eiwit wordt beïnvloed door kleine moleculen zoals glucose en fructose.
2. De hoeveelheid glucokinase kan worden verhoogd door synthese van nieuw eiwit. Insuline is het voornaamste signaal voor een verhoogde transcriptie, die voornamelijk via een transcriptiefactor met de naam sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c), behalve in de lever, verloopt. Dit gebeurt binnen een uur na een stijging van de insulinespiegel, zoals na een koolhydraatmaaltijd.

TranscriptionalEdit

Insuline dat via het sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) werkt, wordt verondersteld de belangrijkste directe activator van glucokinase-gen-transcriptie in hepatocyten te zijn. SREBP1c is een basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ) transactivator. Deze klasse van transactivatoren bindt zich aan de “E box”-sequentie van genen voor een aantal regulerende enzymen. De leverpromotor in het eerste exon van het glucokinase-gen bevat een dergelijke E box, die het voornaamste insulinerespons-element van het gen in hepatocyten blijkt te zijn. Eerder werd gedacht dat SREBP1c aanwezig moet zijn voor transcriptie van glucokinase in hepatocyten, maar onlangs werd aangetoond dat glucokinase-transcriptie normaal werd uitgevoerd in muizen met een SREBP1c knock-out. SREBP1c neemt toe als reactie op een koolhydraatrijk dieet, vermoedelijk als direct effect van frequente insulineverhoging. Verhoogde transcriptie kan worden gedetecteerd in minder dan een uur nadat hepatocyten zijn blootgesteld aan stijgende insuline-niveaus.

Fructose-2,6-bisfosfaat (F2,6P
2) stimuleert ook GK-transcriptie, het lijkt eerder via Akt2 dan via SREBP1c te gaan. Het is niet bekend of dit effect een van de downstream-effecten van activering van insulinereceptoren is of onafhankelijk van insulinewerking. Niveaus van F2,6P
2 spelen andere versterkende rollen in de glycolyse in hepatocyten.

Andere transporterende factoren waarvan vermoed wordt dat ze een rol spelen in de transcriptieregulatie van levercellen zijn:

1. Hepatic nuclear factor-4-alfa (HNF4α) is een weeskernreceptor die belangrijk is voor de transcriptie van veel genen voor enzymen van het koolhydraat- en vetmetabolisme. Het activeert GCK-transcriptie.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) is een andere basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ) transactivator.
3. Hepatic nuclear factor 6 (HNF6) is een homeodomain transcriptionele regulator van de “one-cut class”. HNF6 is ook betrokken bij de regulatie van de transcriptie van gluconeogene enzymen zoals glucose-6-fosfatase en fosfoenolpyruvaat carboxykinase.

Hormonale en dieetEdit

Insuline is verreweg de belangrijkste van de hormonen die direct of indirect invloed hebben op glucokinase expressie en activiteit in de lever. Insuline blijkt zowel glucokinase transcriptie als activiteit te beïnvloeden via meerdere directe en indirecte routes. Terwijl een stijging van de portale veneuze glucosespiegels de glucokinase-activiteit verhoogt, versterkt de gelijktijdige stijging van insuline dit effect door de inductie van glucokinase-synthese. De glucokinase-transcriptie begint te stijgen binnen een uur nadat de insulinespiegel is gestegen. Glucokinase transcriptie wordt bijna ondetecteerbaar bij langdurige uithongering, ernstig tekort aan koolhydraten, of onbehandelde insuline-deficiënte diabetes.

De mechanismen waardoor insuline glucokinase induceert kunnen beide van de belangrijkste intracellulaire routes van insuline actie, de extracellulaire signaal-gereguleerde kinase (ERK 1/2) cascade, en de fosfoinositide 3-kinase (PI3-K) cascade betrekken. De laatste kan werken via de FOXO1 transactivator.

Glucagon en zijn intracellulaire tweede boodschapper cAMP onderdrukken echter, zoals te verwachten zou zijn gezien zijn antagonistische effect op de glycogeensynthese, de glucokinase transcriptie en activiteit, zelfs in aanwezigheid van insuline.

Andere hormonen zoals triiodothyronine (T
3) en glucocorticoïden hebben in bepaalde omstandigheden een permissief of stimulerend effect op glucokinase. Biotine en retinoïnezuur verhogen zowel de GCK-mRNA-transcriptie als de GK-activiteit. Vetzuren in significante hoeveelheden versterken de GK activiteit in de lever, terwijl lange keten acyl CoA deze remt.

HepaticEdit

Glucokinase kan snel worden geactiveerd en geïnactiveerd in hepatocyten door een nieuw regulerend eiwit (glucokinase regulerend eiwit), dat werkt om een inactieve reserve van GK in stand te houden, die snel beschikbaar kan worden gemaakt in reactie op stijgende niveaus van portaalveneuze glucose.

GKRP beweegt zich tussen de kern en het cytoplasma van de hepatocyten en kan aan het microfilament cytoskelet vastzitten. Het vormt omkeerbare 1:1 complexen met GK, en kan dit van het cytoplasma naar de kern verplaatsen. Het werkt als een concurrerende remmer met glucose, zodat de enzymactiviteit tot bijna nul wordt gereduceerd als het gebonden is. GK:GKRP-complexen worden in de kern afgezonderd wanneer de glucose- en fructosegehalten laag zijn. Nucleaire sekwestratie kan dienen om GK te beschermen tegen degradatie door cytoplasmatische proteasen. GK kan snel worden vrijgemaakt uit GKRP in reactie op stijgende glucosespiegels. In tegenstelling tot GK in bètacellen, is GK in hepatocyten niet geassocieerd met mitochondriën.

Fructose in minieme (micromolaire) hoeveelheden (na fosforylering door ketohexokinase tot fructose-1-fosfaat (F1P)) versnelt het vrijkomen van GK uit GKRP. Door deze gevoeligheid voor de aanwezigheid van kleine hoeveelheden fructose kunnen GKRP, GK en ketohexokinase als een “fructose-sensorsysteem” fungeren, dat signaleert dat een gemengde koolhydraatmaaltijd wordt verteerd, en het gebruik van glucose versnelt. Fructose-6-fosfaat (F6P) versterkt echter de binding van GK door GKRP. F6P vermindert de fosforylering van glucose door GK wanneer glycogenolyse of gluconeogenese aan de gang zijn. F1P en F6P binden beide aan dezelfde plaats op GKRP. Er wordt verondersteld dat zij 2 verschillende conformaties van GKRP produceren, de ene in staat om GK te binden en de andere niet.

PancreaticEdit

Hoewel de meeste glucokinase in het lichaam zich in de lever bevindt, spelen kleinere hoeveelheden in de beta en alpha cellen van de pancreas, bepaalde neuronen van de hypothalamus, en specifieke cellen (enterocyten) van de darm een steeds meer gewaardeerde rol in de regulatie van het koolhydraatmetabolisme. In de context van de glucokinase-functie worden deze celtypes gezamenlijk neuro-endocriene weefsels genoemd, en zij delen een aantal aspecten van de glucokinase-regulering en -functie, met name de gemeenschappelijke neuro-endocriene promotor. Van de neuroendocriene cellen zijn de beta cellen van de pancreaseilandjes het meest bestudeerd en het best begrepen. Het is waarschijnlijk dat veel van de regulatorische relaties die in de beta cellen zijn ontdekt, ook zullen bestaan in de andere neuroendocriene weefsels met glucokinase.

Een signaal voor insulineEdit

In islet beta cellen, dient glucokinase activiteit als een hoofdcontrole voor de secretie van insuline in reactie op stijgende niveaus van bloedglucose. Wanneer G6P wordt verbruikt, zetten toenemende hoeveelheden ATP een reeks processen in gang die resulteren in de afgifte van insuline. Een van de onmiddellijke gevolgen van een verhoogde celademhaling is een stijging van de NADH- en NADPH-concentraties (samen NAD(P)H genoemd). Deze verschuiving in de redox-status van de betacellen leidt tot een stijging van het intracellulaire calciumgehalte, sluiting van de KATP-kanalen, depolarisatie van het celmembraan, samensmelting van de insulinesecretoire korrels met het membraan, en afgifte van insuline aan het bloed.

Het is als signaal voor de afgifte van insuline dat glucokinase het grootste effect uitoefent op de bloedsuikerspiegel en de algehele richting van het koolhydraatmetabolisme. Glucose beïnvloedt op zijn beurt zowel de onmiddellijke activiteit als de hoeveelheid glucokinase die in de beta-cellen wordt geproduceerd.

Regeling in beta-cellenEdit

Glucose versterkt onmiddellijk de glucokinase-activiteit door het coöperativiteitseffect.

Een tweede belangrijke snelle regulator van de glucokinase-activiteit in beta-cellen vindt plaats door een directe eiwit-eiwit interactie tussen glucokinase en het “bifunctionele enzym” (fosfofructokinase-2/fructose-2,6-bisfosfatase), dat ook een rol speelt bij de regulatie van de glycolyse. Deze fysische associatie stabiliseert glucokinase in een katalytisch gunstige conformatie (enigszins tegengesteld aan het effect van GKRP binding) die zijn activiteit verhoogt.

In zo weinig als 15 minuten kan glucose GCK transcriptie en glucokinase synthese stimuleren door middel van insuline. Insuline wordt geproduceerd door de beta-cellen, maar een deel ervan werkt op insuline-receptoren van het B-type in de beta-cellen en zorgt voor een autocriene positieve feedback-versterking van de glucokinase-activiteit. Verdere versterking vindt plaats door de werking van insuline (via A-type receptoren) om de eigen transcriptie te stimuleren.

Transcriptie van het GCK-gen wordt geïnitieerd door de “upstream”, of neuro-endocriene, promotor. Deze promotor heeft, in tegenstelling tot de leverpromotor, elementen die homoloog zijn aan andere insuline-geïnduceerde genpromotors. Onder de waarschijnlijke transporterende factoren zijn Pdx-1 en PPARγ. Pdx-1 is een homeodomein-transcriptiefactor die betrokken is bij de differentiatie van de pancreas. PPARγ is een nucleaire receptor die reageert op glitazone-medicijnen door de insulinegevoeligheid te verhogen.

Associatie met insulinesecretoire granulesEdit

Veel, maar niet alle, van het glucokinase dat in het cytoplasma van beta-cellen wordt aangetroffen, is geassocieerd met insulinesecretoire granules en met mitochondriën. Het aldus “gebonden” deel daalt snel in reactie op stijgende glucose en insulinesecretie. Er is gesuggereerd dat binding een soortgelijk doel dient als het glucokinase regulerend eiwit in de lever – glucokinase beschermen tegen afbraak zodat het snel beschikbaar is als de glucose stijgt. Het effect is dat de glucokinase reactie op glucose sneller wordt versterkt dan transcriptie dat zou kunnen doen.

Onderdrukking van glucagon in alfa cellenEdit

Er is ook voorgesteld dat glucokinase een rol speelt in de glucose sensing van de pancreatische alfa cellen, maar het bewijs is minder consistent, en sommige onderzoekers hebben geen bewijs gevonden van glucokinase activiteit in deze cellen. Alfa cellen komen voor in pancreaseilandjes, gemengd met beta en andere cellen. Terwijl bètacellen op stijgende glucosespiegels reageren door insuline af te scheiden, reageren alfacellen door de glucagonafscheiding te verminderen. Wanneer de bloedglucoseconcentratie daalt tot een hypoglycemisch niveau, geven de alfacellen glucagon af. Glucagon is een eiwithormoon dat het effect van insuline op de hepatocyten blokkeert, waardoor glycogenolyse, gluconeogenese en een verminderde glucokinaseactiviteit in de hepatocyten worden geïnduceerd. De mate waarin glucose-onderdrukking van glucagon een direct effect is van glucose via glucokinase in alfacellen, of een indirect effect gemedieerd door insuline of andere signalen van beta-cellen, is nog onzeker.

HypothalamicEdit

Terwijl alle neuronen glucose gebruiken als brandstof, veranderen bepaalde glucose-voelende neuronen hun vuurtempo in reactie op stijgende of dalende niveaus van glucose. Deze glucose-sensorneuronen zijn voornamelijk geconcentreerd in de ventromediale kern en de arcuate kern van de hypothalamus, die vele aspecten van glucosehomeostase (met name de reactie op hypoglykemie), brandstofgebruik, verzadiging en eetlust, en gewichtsbehoud reguleren. Deze neuronen zijn het gevoeligst voor glucoseveranderingen in het glucosebereik van 0,5-3,5 mmol/L.

Glucokinase is in de hersenen aangetroffen in grotendeels dezelfde gebieden die glucose-sensor neuronen bevatten, met inbegrip van de beide kernen van de hypothalamus. Remming van glucokinase heft de ventromediale kernreactie op een maaltijd op. De glucosespiegels in de hersenen zijn echter lager dan de plasmaniveaus, gewoonlijk 0,5-3,5 mmol/L. Hoewel dit bereik overeenkomt met de gevoeligheid van de glucose-voelende neuronen, ligt het onder de optimale buiggevoeligheid voor glucokinase. Het vermoeden, gebaseerd op indirect bewijs en speculatie, is dat neuronaal glucokinase op de een of andere manier wordt blootgesteld aan plasma glucose niveaus, zelfs in de neuronen.

Enterocyten en incretineEdit

Hoewel is aangetoond dat glucokinase voorkomt in bepaalde cellen (enterocyten) van de dunne darm en de maag, is de functie en regulatie ervan nog niet uitgewerkt. Er is gesuggereerd dat glucokinase ook hier als glucosesensor fungeert, waardoor deze cellen een van de vroegste metabolische reacties op binnenkomende koolhydraten kunnen geven. Men vermoedt dat deze cellen betrokken zijn bij de incretinefuncties.