Glucokinase

A maior parte da glucokinase em um mamífero é encontrada no fígado, e a glucokinase fornece aproximadamente 95% da atividade da hexoquinase em hepatócitos. A fosforilação da glicose para glucose-6-fosfato (G6P) pela glucokinase é o primeiro passo da síntese do glicogênio e da glicólise no fígado.

Quando há glicose suficiente, a síntese do glicogênio prossegue na periferia dos hepatócitos até que as células estejam repletas de glicogênio. O excesso de glicose é então cada vez mais convertido em triglicérides para exportação e armazenamento em tecido adiposo. A atividade da glucokinase no citoplasma aumenta e diminui com a glicose disponível.

G6P, o produto da glucokinase, é o principal substrato da síntese do glicogênio, e a glucokinase tem uma estreita associação funcional e regulatória com a síntese do glicogênio. Quando maximamente ativa, a GK e a glicocinase sintase parecem estar localizadas nas mesmas áreas periféricas do citoplasma hepatocitário em que ocorre a síntese de glicogênio. O fornecimento de G6P afeta a taxa de síntese de glicogênio não apenas como substrato primário, mas por estimulação direta da glicogênio sintase e inibição da glicogênio fosforilase.

Atividade da glicocinase pode ser rapidamente amplificada ou umedecida em resposta a mudanças no fornecimento de glicose, tipicamente resultantes de alimentação e jejum. A regulação ocorre em vários níveis e velocidades, e é influenciada por muitos fatores que afetam principalmente dois mecanismos gerais:

1. Atividade da glucocinase pode ser amplificada ou reduzida em minutos por ações da proteína reguladora da glucocinase (GKRP). As ações desta proteína são influenciadas por pequenas moléculas como glicose e frutose.
2. A quantidade de glucokinase pode ser aumentada pela síntese de nova proteína. A insulina é o principal sinal para o aumento da transcrição, operando principalmente por meio de um fator de transcrição chamado elemento regulador de esterol que liga a proteína-1c (SREBP1c), exceto no fígado. Isto ocorre dentro de uma hora após um aumento dos níveis de insulina, como após uma refeição de carboidratos.

TranscriptionalEdit

Insulina actuando através do elemento regulador de esterol que liga a proteína-1c (SREBP1c) é considerado o activador directo mais importante da transcrição do gene da glucocinase em hepatócitos. O SREBP1c é um zíper básico de hélice – hélice (bHLHZ) transativador. Esta classe de transativadores liga-se à sequência de genes da “caixa E” para uma série de enzimas reguladoras. O promotor hepático no primeiro exão do gene da glucocinase inclui tal caixa E, que parece ser o principal elemento insulino-resposta do gene em hepatócitos. Pensava-se anteriormente que a SREBP1c devia estar presente para a transcrição da glucocinase em hepatócitos, no entanto, foi recentemente demonstrado que a transcrição da glucocinase era feita normalmente em ratos que eliminavam a glucocinase. A SREBP1c aumenta em resposta a uma dieta rica em hidratos de carbono, presumida como um efeito directo da frequente elevação da insulina. O aumento da transcrição pode ser detectado em menos de uma hora após a exposição dos hepatócitos ao aumento dos níveis de insulina.

Fructose-2,6-bisfosfato (F2,6P
2) também estimula a transcrição de GK, ao que parece por meio de Akt2 em vez de SREBP1c. Não se sabe se este efeito é um dos efeitos a jusante da activação dos receptores de insulina ou se é independente da acção da insulina. Os níveis de F2,6P
2 desempenham outros papéis amplificadores na glicólise em hepatócitos.

Outros fatores transativos suspeitos de desempenhar um papel na regulação da transcrição de células hepáticas incluem:

1. O fator nuclear hepático-4-alfa (HNF4α) é um receptor nuclear órfão importante na transcrição de muitos genes para enzimas de carboidratos e metabolismo lipídico. Ele ativa a transcrição de GCK.
2. Fator de estimulação de fluxo 1 (USF1) é outro transativador básico de hélice-loop-helix-helix (bHLHZ).
3. Fator nuclear hepático 6 (HNF6) é um regulador transcripcional de homeodomínio da “classe um corte”. HNF6 também está envolvido na regulação da transcrição de enzimas gluconeogênicas como a glucose-6-fosfatase e a carboxiquinase fosfoenolpiruvada.

Edito Hormonal e dietético

Insulina é de longe o mais importante dos hormônios que têm efeitos diretos ou indiretos na expressão e atividade da glucocinase no fígado. A insulina parece afectar tanto a transcrição como a actividade da glucokinase através de múltiplas vias directas e indirectas. Enquanto o aumento dos níveis de glicose na veia porta aumenta a atividade da glucokinase, o aumento concomitante da insulina amplifica esse efeito pela indução da síntese da glucokinase. A transcrição da glucokinase começa a subir dentro de uma hora após o aumento dos níveis de insulina. A transcrição da glucokinase torna-se quase indetectável em casos de inanição prolongada, privação grave de carboidratos, ou diabetes deficiente em insulina não tratada.

Os mecanismos pelos quais a insulina induz a glucokinase podem envolver ambas as principais vias intracelulares de acção da insulina, a cascata extracelular de cinase com sinal regulado (ERK 1/2), e a cascata de fosfinoinosite tri-cinase (PI3-K). Este último pode operar através do transactivador FOXO1.

No entanto, como seria de esperar dado o seu efeito antagonista na síntese do glicogénio, o glucagon e o seu AMPc intracelular de segundo mensageiro suprime a transcrição e actividade da glucokinase, mesmo na presença de insulina.

Outros hormônios como a triiodotironina (T
3) e os glicocorticóides fornecem efeitos permissivos ou estimulantes sobre a glucokinase em determinadas circunstâncias. A biotina e o ácido retinóico aumentam a transcrição do mRNA da GCK, assim como a atividade da GK. Ácidos gordurosos em quantidades significativas amplificam a atividade da GK no fígado, enquanto que a CoA de cadeia longa inibe.

HepaticEdit

Glucokinase pode ser rapidamente ativada e inativada em hepatócitos por uma nova proteína reguladora (proteína reguladora da glucokinase), que opera para manter uma reserva inativa de GK, que pode ser disponibilizada rapidamente em resposta ao aumento dos níveis de glicose na veia porta.

GKRP move-se entre o núcleo e o citoplasma dos hepatócitos e pode ser amarrada ao microfilamento do citoesqueleto. Forma complexos reversíveis 1:1 com GK, e pode movê-lo do citoplasma para o núcleo. Age como um inibidor competitivo com a glicose, de tal forma que a atividade enzimática é reduzida a quase zero enquanto ligado. GK:Os complexos GKRP são seqüestrados no núcleo enquanto os níveis de glicose e frutose são baixos. O sequestro nuclear pode servir para proteger a GK da degradação por proteases citoplasmáticas. A GK pode ser rapidamente liberada da GKRP em resposta ao aumento dos níveis de glicose. Ao contrário da GK em células beta, a GK em hepatócitos não está associada a mitocôndrias.

Fructose em quantidades mínimas (micromolares) (após fosforilação por cetohexoquinase a fructose-1-fosfato (F1P)) acelera a liberação de GK da GKRP. Esta sensibilidade à presença de pequenas quantidades de frutose permite que a GKRP, GK e a cetohexoquinase atuem como um “sistema de detecção de frutose”, o que sinaliza que uma refeição mista de carboidratos está sendo digerida, e acelera a utilização da glicose. Entretanto, a frutose 6-fosfato (F6P) potencia a ligação da GK pela GKRP. F6P diminui a fosforilação da glicose por GK quando a glicogenólise ou gluconeogênese está em curso. F1P e F6P ligam-se ambos ao mesmo local na PRGF. É postulado que eles produzem 2 conformações diferentes de GKRP, uma capaz de ligar GK e a outra não.

PancreaticEdit

Embora a maior parte da glucocinase no corpo esteja no fígado, quantidades menores nas células beta e alfa do pâncreas, certos neurônios hipotalâmicos, e células específicas (enterócitos) do intestino desempenham um papel cada vez mais apreciado na regulação do metabolismo dos carboidratos. No contexto da função glucocinase, estes tipos celulares são colectivamente referidos como tecidos neuroendócrinos, e partilham alguns aspectos da regulação e função da glucocinase, especialmente o promotor comum da neuroendócrina. Das células neuroendócrinas, as células beta das ilhotas pancreáticas são as mais estudadas e melhor compreendidas. É provável que muitas das relações reguladoras descobertas nas células beta também existam nos outros tecidos neuroendócrinos com glucocinase.

Um sinal para insulinEdit

Em células beta de ilhotas, a atividade da glucocinase serve como um controle principal para a secreção de insulina em resposta ao aumento dos níveis de glicose no sangue. À medida que o G6P é consumido, quantidades crescentes de ATP iniciam uma série de processos que resultam na liberação de insulina. Uma das consequências imediatas do aumento da respiração celular é um aumento nas concentrações de NADH e NADPH (colectivamente referidas como NAD(P)H). Esta mudança no estado redox das células beta resulta no aumento dos níveis intracelulares de cálcio, fechamento dos canais de KATP, despolarização da membrana celular, fusão dos grânulos secretores de insulina com a membrana e liberação de insulina no sangue.

É como um sinal de liberação de insulina que a glucokinase exerce o maior efeito nos níveis de açúcar no sangue e na direção geral do metabolismo dos carboidratos. A glicose, por sua vez, influencia tanto a atividade imediata quanto a quantidade de glucokinase produzida nas células beta.

Regulação nas células betaEditar

Glucose amplifica imediatamente a atividade da glucokinase pelo efeito cooperativo.

Um segundo importante regulador rápido da actividade da glucokinase nas células beta ocorre pela interacção proteína-proteína directa entre a glucokinase e a “enzima bifuncional” (fosfofructokinase-2/fructose-2,6-bisfosfatase), que também desempenha um papel na regulação da glicólise. Esta associação física estabiliza a glucokinase em uma conformação catalítica favorável (um pouco oposta ao efeito da ligação GKRP) que aumenta sua atividade.

Em apenas 15 minutos, a glicose pode estimular a transcrição da GCK e a síntese da glucokinase por meio da insulina. A insulina é produzida pelas células beta, mas parte dela atua sobre os receptores de insulina tipo B da célula beta, fornecendo uma amplificação autocrina positiva da atividade da glucokinase. Outra amplificação ocorre pela ação da insulina (via receptores do tipo A) para estimular sua própria transcrição.

Transcrição do gene GCK é iniciada através do “upstream”, ou neuroendócrino, promotor. Este promotor, em contraste com o promotor hepático, tem elementos homólogos a outros promotores genéticos induzidos pela insulina. Entre os prováveis fatores transacionais estão o Pdx-1 e PPARγ. O Pdx-1 é um fator de transcrição de homeodomínio envolvido na diferenciação do pâncreas. PPARγ é um receptor nuclear que responde a drogas glitazonas aumentando a sensibilidade insulínica.

Associação com grânulos secretores de insulinaEdit

Muito, mas não todo, da glucocinase encontrada no citoplasma das células beta está associada com grânulos secretores de insulina e com mitocôndrias. A proporção assim “ligada” cai rapidamente em resposta ao aumento da glicose e da secreção de insulina. Tem sido sugerido que a ligação serve um propósito semelhante ao da glucokinase hepática reguladora protetora da glucocinase da degradação, de modo que ela esteja rapidamente disponível à medida que a glicose aumenta. O efeito é amplificar a resposta da glucokinase à glicose mais rapidamente do que a transcrição poderia fazer.

Supressão da glucocinase em células alfaEditar

Também tem sido proposto que a glucokinase desempenha um papel na detecção da glicose das células alfa pancreáticas, mas a evidência é menos consistente, e alguns pesquisadores não encontraram evidência de atividade da glucokinase nestas células. As células alfa ocorrem em ilhotas pancreáticas, misturadas com células beta e outras células. Enquanto as células beta respondem ao aumento dos níveis de glicose pela secreção de insulina, as células alfa respondem pela redução da secreção de glucagon. Quando a concentração de glicose no sangue cai para níveis hipoglicêmicos, as células alfa liberam glucagon. O glucagon é um hormônio proteico que bloqueia o efeito da insulina sobre os hepatócitos, induzindo glicogênese, gluconeogênese e redução da atividade glucocinase em hepatócitos. O grau em que a supressão da glicose do glucagon é um efeito direto da glicose via glucocinase nas células alfa, ou um efeito indireto mediado pela insulina ou outros sinais das células beta, ainda é incerto.

HypothalamicEdit

Embora todos os neurônios usem glicose como combustível, certos neurônios sensores de glucose alteram suas taxas de queima em resposta ao aumento ou queda dos níveis de glicose. Esses neurônios sensores de glucose estão concentrados principalmente no núcleo ventromedial e no núcleo arqueado do hipotálamo, que regulam muitos aspectos da homeostase glicêmica (especialmente a resposta à hipoglicemia), utilização de combustível, saciedade e apetite, e manutenção de peso. Esses neurônios são mais sensíveis a mudanças de glicose na faixa de 0,5-3,5 mmol/L de glicose.

Glucokinase tem sido encontrada no cérebro em grande parte nas mesmas áreas que contêm neurônios sensíveis ao glucose-sensing, incluindo ambos os núcleos hipotalâmicos. A inibição da glucokinase elimina a resposta do núcleo ventromedial a uma refeição. Entretanto, os níveis de glicose no cérebro são mais baixos que os níveis plasmáticos, tipicamente 0,5-3,5 mmol/L. Embora esta faixa corresponda à sensibilidade dos neurônios sensíveis à glucocinase, ela está abaixo da sensibilidade de inflexão ideal para a glucokinase. A presunção, baseada em evidências indiretas e especulações, é que a glucokinase neuronal está de alguma forma exposta aos níveis plasmáticos de glicose mesmo nos neurônios.

Enterócitos e incretinEdit

Embora tenha sido demonstrado que a glucokinase ocorre em certas células (enterócitos) do intestino delgado e estômago, sua função e regulação não foram trabalhadas. Foi sugerido que aqui, também, a glucokinase serve como um sensor de glicose, permitindo que estas células forneçam uma das primeiras respostas metabólicas aos carboidratos que chegam. Suspeita-se que estas células estejam envolvidas em funções incrementais.