Glukokinaza

Większość glukokinazy u ssaka znajduje się w wątrobie, a glukokinaza zapewnia około 95% aktywności heksokinazy w hepatocytach. Fosforylacja glukozy do glukozo-6-fosforanu (G6P) przez glukokinazę jest pierwszym etapem syntezy glikogenu i glikolizy w wątrobie.

Gdy dostępna jest wystarczająca ilość glukozy, synteza glikogenu przebiega na obrzeżach hepatocytów, aż do momentu, gdy komórki są całkowicie wypełnione glikogenem. Nadmiar glukozy jest następnie coraz bardziej przekształcane w triglicerydy do wywozu i przechowywania w tkance tłuszczowej. Aktywność glukokinazy w cytoplazmie wzrasta i spada wraz z dostępną glukozą.

G6P, produkt glukokinazy, jest głównym substratem syntezy glikogenu, a glukokinaza ma ścisły funkcjonalny i regulacyjny związek z syntezą glikogenu. Przy maksymalnej aktywności, GK i syntaza glikogenu wydaje się być zlokalizowana w tych samych peryferyjnych obszarach cytoplazmy hepatocytów, w których zachodzi synteza glikogenu. Podaż G6P wpływa na tempo syntezy glikogenu nie tylko jako podstawowego substratu, ale poprzez bezpośrednią stymulację syntazy glikogenu i hamowanie fosforylazy glikogenu.

Aktywność glukokinazy może być szybko wzmocniona lub stłumiona w odpowiedzi na zmiany w podaży glukozy, zwykle wynikające z jedzenia i postu. Regulacja zachodzi na wielu poziomach i prędkościach, a wpływ na nią ma wiele czynników, które oddziałują głównie na dwa ogólne mechanizmy:

1. Aktywność glukokinazy może być wzmocniona lub zmniejszona w ciągu kilku minut przez działania białka regulatorowego glukokinazy (GKRP). Działania tego białka są pod wpływem małych cząsteczek, takich jak glukoza i fruktoza.
2. Ilość glukokinazy może być zwiększona przez syntezę nowego białka. Insulina jest głównym sygnałem do zwiększonej transkrypcji, działającym głównie za pośrednictwem czynnika transkrypcyjnego zwanego białkiem wiążącym element regulacyjny steroli-1c (SREBP1c), z wyjątkiem wątroby. Następuje to w ciągu godziny po wzroście poziomu insuliny, jak po posiłku węglowodanowym.

TranscriptionalEdit

Insulina działająca poprzez białko wiążące sterolowe elementy regulacyjne-1c (SREBP1c) jest uważana za najważniejszy bezpośredni aktywator transkrypcji genu glukokinazy w hepatocytach. SREBP1c jest transaktywatorem typu basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ). Ta klasa transaktywatorów wiąże się z sekwencją „E box” genów dla wielu enzymów regulacyjnych. Promotor wątroby w pierwszym eksonie genu glukokinazy zawiera takie pole E, które wydaje się być głównym elementem odpowiedzi na insulinę tego genu w hepatocytach. Wcześniej sądzono, że SREBP1c musi być obecny do transkrypcji glukokinazy w hepatocytach, jednak ostatnio wykazano, że transkrypcja glukokinazy przebiega normalnie u myszy pozbawionych SREBP1c. SREBP1c wzrasta w odpowiedzi na dietę wysokowęglowodanową, przypuszczalnie jako bezpośredni efekt częstego podnoszenia poziomu insuliny. Zwiększona transkrypcja może być wykryta w mniej niż godzinę po tym, jak hepatocyty są narażone na rosnący poziom insuliny.

Fruktozo-2,6-bisfosforan (F2,6P
2) również stymuluje transkrypcję GK, wydaje się, że raczej za pośrednictwem Akt2 niż SREBP1c. Nie wiadomo, czy efekt ten jest jednym z efektów downstream aktywacji receptorów insulinowych, czy też jest niezależny od działania insuliny. Poziomy F2,6P
2 odgrywają inne wzmacniające role w glikolizie w hepatocytach.

Inne czynniki transaktywujące podejrzewane o odgrywanie roli w regulacji transkrypcji komórek wątroby obejmują:

1. Wątrobowy czynnik jądrowy-4-alfa (HNF4α) jest sierocym receptorem jądrowym ważnym w transkrypcji wielu genów dla enzymów metabolizmu węglowodanów i lipidów. Aktywuje on transkrypcję GCK.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) jest kolejnym transaktywatorem typu basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ).
3. Hepatic nuclear factor 6 (HNF6) jest homeodomenowym regulatorem transkrypcji z klasy „one-cut class”. HNF6 jest również zaangażowany w regulację transkrypcji enzymów glukoneogennych, takich jak glukozo-6-fosfataza i karboksycynaza fosfoenolopirogronianowa.

Hormonalne i dietetyczneEdit

Insulina jest zdecydowanie najważniejszym z hormonów, które mają bezpośredni lub pośredni wpływ na ekspresję i aktywność glukokinazy w wątrobie. Insulina wydaje się wpływać zarówno na transkrypcję, jak i aktywność glukokinazy poprzez wiele bezpośrednich i pośrednich ścieżek. Podczas gdy rosnące stężenie glukozy w żyle wrotnej zwiększa aktywność glukokinazy, równoczesny wzrost stężenia insuliny wzmacnia ten efekt poprzez indukcję syntezy glukokinazy. Transkrypcja glukokinazy zaczyna wzrastać w ciągu godziny od wzrostu stężenia insuliny. Transkrypcja glukokinazy staje się prawie niewykrywalna w przypadku długotrwałego głodzenia, ciężkiej deprywacji węglowodanowej lub nieleczonej cukrzycy z niedoborem insuliny.

Mechanizmy, dzięki którym insulina indukuje glukokinazę, mogą obejmować oba główne szlaki wewnątrzkomórkowe działania insuliny, kaskadę kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK 1/2) i kaskadę kinazy 3-fosfoinozytydu (PI3-K). Ta ostatnia może działać za pośrednictwem transaktywatora FOXO1.

Jednakże, jak można by się spodziewać, biorąc pod uwagę jego antagonistyczny wpływ na syntezę glikogenu, glukagon i jego wewnątrzkomórkowy drugi komunikator cAMP tłumi transkrypcję i aktywność glukokinazy, nawet w obecności insuliny.

Inne hormony, takie jak trójjodotyronina (T
3) i glikokortykoidy zapewniają permisywne lub stymulujące działanie na glukokinazę w pewnych okolicznościach. Biotyna i kwas retinowy zwiększają transkrypcję GCK mRNA, jak również aktywność GK. Kwasy tłuszczowe w znacznych ilościach wzmacniają aktywność GK w wątrobie, podczas gdy długołańcuchowe acylo-CoA ją hamują.

HepaticEdit

Glukokinaza może być szybko aktywowana i inaktywowana w hepatocytach przez nowe białko regulatorowe (białko regulatorowe glukokinazy), które działa w celu utrzymania nieaktywnej rezerwy GK, która może być szybko udostępniona w odpowiedzi na rosnące poziomy glukozy w żyle wrotnej.

GKRP porusza się między jądrem a cytoplazmą hepatocytów i może być przywiązany do cytoszkieletu mikrofilamentów. Tworzy odwracalne kompleksy 1:1 z GK i może przenosić ją z cytoplazmy do jądra. Działa jako inhibitor kompetycyjny w stosunku do glukozy, tak że aktywność enzymu jest zredukowana do prawie zera, gdy jest związana. Kompleksy GK:GKRP są sekwestrowane w jądrze, gdy poziom glukozy i fruktozy jest niski. Sekwestracja jądrowa może służyć do ochrony GK przed degradacją przez proteazy cytoplazmatyczne. GK może być szybko uwolniona z GKRP w odpowiedzi na wzrastające stężenie glukozy. W przeciwieństwie do GK w komórkach beta, GK w hepatocytach nie jest związana z mitochondriami.

Fruktoza w małych (mikromolarnych) ilościach (po fosforylacji przez ketoheksokinazę do fruktozo-1-fosforanu (F1P)) przyspiesza uwalnianie GK z GKRP. Ta wrażliwość na obecność małych ilości fruktozy pozwala GKRP, GK i ketoheksokinazie działać jako „system wyczuwający fruktozę”, który sygnalizuje, że mieszany posiłek węglowodanowy jest trawiony i przyspiesza utylizację glukozy. Jednakże fruktozo-6-fosforan (F6P) potęguje wiązanie GK przez GKRP. F6P obniża fosforylację glukozy przez GK, gdy trwa glikogenoliza lub glukoneogeneza. F1P i F6P wiążą się do tego samego miejsca na GKRP. Postuluje się, że wytwarzają one 2 różne konformacje GKRP, jedną zdolną do wiązania GK, a drugą nie.

PancreaticEdit

Ale większość glukokinazy w organizmie znajduje się w wątrobie, mniejsze ilości w komórkach beta i alfa trzustki, niektórych neuronach podwzgórza i specyficznych komórkach (enterocytach) jelita odgrywają coraz bardziej docenianą rolę w regulacji metabolizmu węglowodanów. W kontekście funkcji glukokinazy, te typy komórek są wspólnie określane jako tkanki neuroendokrynne i dzielą niektóre aspekty regulacji i funkcji glukokinazy, zwłaszcza wspólny promotor neuroendokrynny. Spośród komórek neuroendokrynnych, komórki beta wysepek trzustkowych są najczęściej badane i najlepiej poznane. Jest prawdopodobne, że wiele z zależności regulacyjnych odkrytych w komórkach beta będzie również istniało w innych tkankach neuroendokrynnych z glukokinazą.

Sygnał dla insulinyEdit

W komórkach beta wysepek aktywność glukokinazy służy jako główna kontrola wydzielania insuliny w odpowiedzi na rosnące poziomy glukozy we krwi. W miarę zużywania G6P, wzrastające ilości ATP inicjują serię procesów, których efektem jest uwalnianie insuliny. Jedną z bezpośrednich konsekwencji zwiększonego oddychania komórkowego jest wzrost stężenia NADH i NADPH (określanych zbiorczo jako NAD(P)H). Ta zmiana statusu redoks komórek beta skutkuje wzrostem poziomu wapnia wewnątrzkomórkowego, zamknięciem kanałów KATP, depolaryzacją błony komórkowej, połączeniem ziarnistości wydzielających insulinę z błoną i uwolnieniem insuliny do krwi.

To właśnie jako sygnał do uwolnienia insuliny glukokinaza wywiera największy wpływ na poziom cukru we krwi i ogólny kierunek metabolizmu węglowodanów. Glukoza z kolei wpływa zarówno na natychmiastową aktywność, jak i na ilość glukokinazy wytwarzanej w komórkach beta.

Regulacja w komórkach betaEdit

Glukoza natychmiastowo wzmacnia aktywność glukokinazy poprzez efekt kooperatywności.

Drugi ważny szybki regulator aktywności glukokinazy w komórkach beta zachodzi poprzez bezpośrednią interakcję białko-białko między glukokinazą a „enzymem dwufunkcyjnym” (fosfofruktokinazą-2/fruktozo-2,6-bisfosfatazą), który również odgrywa rolę w regulacji glikolizy. Ta fizyczna asocjacja stabilizuje glukokinazę w korzystnej katalitycznie konformacji (nieco przeciwnie do efektu wiązania GKRP), która zwiększa jej aktywność.

W ciągu zaledwie 15 minut glukoza może stymulować transkrypcję GCK i syntezę glukokinazy za pośrednictwem insuliny. Insulina jest produkowana przez komórki beta, ale jej część działa na receptory insulinowe typu B komórek beta, zapewniając autokrynne wzmocnienie aktywności glukokinazy z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Dalsze wzmocnienie następuje przez działanie insuliny (przez receptory typu A) w celu pobudzenia jej własnej transkrypcji.

Transkrypcja genu GCK jest inicjowana przez promotora „upstream” lub neuroendokrynnego. Promotor ten, w przeciwieństwie do promotora wątrobowego, posiada elementy homologiczne do innych promotorów genów indukowanych insuliną. Wśród prawdopodobnych czynników transaktywujących znajdują się Pdx-1 i PPARγ. Pdx-1 jest homeodomenowym czynnikiem transkrypcyjnym zaangażowanym w różnicowanie trzustki. PPARγ jest receptorem jądrowym, który odpowiada na leki z grupy glitazonów poprzez zwiększenie wrażliwości na insulinę.

Związek z ziarnistościami wydzielającymi insulinęEdit

Większość, ale nie cała glukokinaza znajdująca się w cytoplazmie komórek beta jest związana z ziarnistościami wydzielającymi insulinę i z mitochondriami. Odsetek tak „związanej” glukokinazy gwałtownie spada w odpowiedzi na wzrost stężenia glukozy i wydzielania insuliny. Sugeruje się, że wiązanie pełni funkcję podobną do wątrobowego białka regulatorowego glukokinazy – chroni glukokinazę przed degradacją, dzięki czemu jest ona szybko dostępna wraz ze wzrostem stężenia glukozy. Efektem jest wzmocnienie odpowiedzi glukokinazy na glukozę szybciej niż mogłaby to zrobić transkrypcja.

Tłumienie glukagonu w komórkach alfaEdit

Proponowano również, że glukokinaza odgrywa rolę w wyczuwaniu glukozy przez komórki alfa trzustki, ale dowody są mniej spójne, a niektórzy badacze nie znaleźli dowodów na aktywność glukokinazy w tych komórkach. Komórki alfa występują w wysepkach trzustkowych, zmieszane z komórkami beta i innymi. Podczas gdy komórki beta reagują na rosnący poziom glukozy wydzielaniem insuliny, komórki alfa odpowiadają zmniejszeniem wydzielania glukagonu. Kiedy stężenie glukozy we krwi spada do poziomu hipoglikemii, komórki alfa uwalniają glukagon. Glukagon jest hormonem białkowym, który blokuje działanie insuliny na hepatocyty, indukując glikogenolizę, glukoneogenezę i zmniejszoną aktywność glukokinazy w hepatocytach. Stopień, w jakim supresja glukagonu jest bezpośrednim efektem glukozy poprzez glukokinazę w komórkach alfa, lub pośrednim efektem pośredniczonym przez insulinę lub inne sygnały z komórek beta, jest nadal niepewny.

HypothalamicEdit

Choć wszystkie neurony wykorzystują glukozę jako paliwo, niektóre neurony wyczuwające glukozę zmieniają częstotliwość odpalania w odpowiedzi na rosnące lub malejące poziomy glukozy. Te neurony wyczuwające glukozę są skoncentrowane głównie w jądrze brzusznym i jądrze łukowatym podwzgórza, które regulują wiele aspektów homeostazy glukozy (zwłaszcza odpowiedź na hipoglikemię), wykorzystanie paliwa, sytość i apetyt oraz utrzymanie wagi. Neurony te są najbardziej wrażliwe na zmiany stężenia glukozy w zakresie 0,5-3,5 mmol/l glukozy.

Glukokinaza została znaleziona w mózgu w dużej mierze w tych samych obszarach, które zawierają neurony wyczuwające glukozę, w tym oba jądra podwzgórza. Inhibicja glukokinazy znosi odpowiedź jądra przykomorowego na posiłek. Poziom glukozy w mózgu jest jednak niższy niż w osoczu, zwykle 0,5-3,5 mmol/l. Chociaż zakres ten odpowiada wrażliwości neuronów wyczuwających glukozę, jest on poniżej optymalnej czułości zakrętu dla glukokinazy. Domniemanie, oparte na pośrednich dowodach i spekulacji, jest takie, że neuronalna glukokinaza jest w jakiś sposób narażona na poziom glukozy w osoczu, nawet w neuronach.

Enterocyty i inkretynaEdit

Chociaż wykazano, że glukokinaza występuje w niektórych komórkach (enterocytach) jelita cienkiego i żołądka, jej funkcja i regulacja nie zostały opracowane. Zasugerowano, że również tutaj glukokinaza służy jako czujnik glukozy, pozwalając tym komórkom na zapewnienie jednej z najwcześniejszych odpowiedzi metabolicznych na napływające węglowodany. Podejrzewa się, że komórki te są zaangażowane w funkcje inkretynowe.