Glucokinaza

Principala glucokinază de la mamifere se găsește în ficat, iar glucokinaza asigură aproximativ 95% din activitatea hexokinazei din hepatocite. Fosforilarea glucozei în gluco-6-fosfat (G6P) de către glucokinază este prima etapă atât a sintezei glicogenului, cât și a glicolizei în ficat.

Când este disponibilă o cantitate amplă de glucoză, sinteza glicogenului are loc la periferia hepatocitelor până când celulele sunt pline de glicogen. Excesul de glucoză este apoi transformat din ce în ce mai mult în trigliceride pentru export și depozitare în țesutul adipos. Activitatea glucokinazei din citoplasmă crește și scade odată cu glucoza disponibilă.

G6P, produsul glucokinazei, este substratul principal al sintezei glicogenului, iar glucokinaza are o strânsă asociere funcțională și de reglementare cu sinteza glicogenului. Atunci când sunt active la maximum, GK și glicogen-sintetaza par a fi localizate în aceleași zone periferice ale citoplasmei hepatocitelor în care are loc sinteza glicogenului. Aportul de G6P afectează rata de sinteză a glicogenului nu numai ca substrat primar, ci și prin stimularea directă a glicogen-sintetazei și inhibarea glicogen-fosforilazei.

Activitatea glucokinazei poate fi rapid amplificată sau atenuată ca răspuns la modificări ale aportului de glucoză, care rezultă în mod obișnuit din alimentație și post. Reglarea are loc la mai multe niveluri și viteze și este influențată de mulți factori care afectează în principal două mecanisme generale:

1. Activitatea glucokinazei poate fi amplificată sau redusă în câteva minute prin acțiuni ale proteinei de reglare a glucokinazei (GKRP). Acțiunile acestei proteine sunt influențate de molecule mici, cum ar fi glucoza și fructoza.
2. Cantitatea de glucokinază poate fi crescută prin sinteza de noi proteine. Insulina este principalul semnal pentru creșterea transcripției, care acționează în principal prin intermediul unui factor de transcripție numit sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c), cu excepția ficatului. Acest lucru se produce în decurs de o oră după o creștere a nivelului de insulină, ca după o masă cu carbohidrați.

TranscriptionalEdit

Se consideră că insulina, acționând prin intermediul proteinei de legare a elementului de reglementare a sterolului-1c (SREBP1c), este cel mai important activator direct al transcripției genei glucokinazei în hepatocite. SREBP1c este un transactivator de tip basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ). Această clasă de transactivatori se leagă de secvența „E box” a genelor pentru o serie de enzime de reglare. Promotorul hepatic din primul exon al genei glucokinazei include o astfel de cutie E, care pare a fi principalul element de răspuns la insulină al genei în hepatocite. Anterior s-a crezut că SREBP1c trebuie să fie prezent pentru transcrierea glucokinazei în hepatocite, însă s-a demonstrat recent că transcrierea glucokinazei se realizează în mod normal la șoarecii care nu au SREBP1c. SREBP1c crește ca răspuns la o dietă bogată în carbohidrați, presupunându-se că este un efect direct al creșterii frecvente a insulinei. Transcripția crescută poate fi detectată în mai puțin de o oră după ce hepatocitele sunt expuse la creșterea nivelului de insulină.

Fructoza-2,6-bisfosfat (F2,6P
2) stimulează, de asemenea, transcripția GK, se pare că prin intermediul Akt2 mai degrabă decât al SREBP1c. Nu se știe dacă acest efect este unul dintre efectele din aval ale activării receptorilor de insulină sau dacă este independent de acțiunea insulinei. Nivelurile de F2,6P
2 joacă alte roluri de amplificare a glicolizei în hepatocite.

Alți factori de tranzacție suspectați de a juca un rol în reglarea transcripției celulelor hepatice includ:

1. Factorul nuclear hepatic 4-alfa (HNF4α) este un receptor nuclear orfan important în transcripția multor gene pentru enzimele metabolismului glucidic și lipidic. Acesta activează transcripția GCK.
2. Factorul stimulator în amonte 1 (USF1) este un alt transactivator basic helix-loop-helix zipper (bHLHZ).
3. Factorul nuclear hepatic 6 (HNF6) este un regulator de transcripție cu homeodomain din „clasa one-cut”. HNF6 este, de asemenea, implicat în reglarea transcripției enzimelor gluconeogene, cum ar fi glucoza-6-fosfataza și fosfoenolpiruvatul carboxikinaza.

Hormonal și dieteticEdit

Insulina este de departe cel mai important dintre hormonii care au efecte directe sau indirecte asupra expresiei și activității glucokinazei în ficat. Insulina pare să afecteze atât transcrierea cât și activitatea glucokinazei prin multiple căi directe și indirecte. În timp ce creșterea nivelului de glucoză din vena portală crește activitatea glucokinazei, creșterea concomitentă a insulinei amplifică acest efect prin inducerea sintezei glucokinazei. Transcrierea glucokinazei începe să crească în decurs de o oră de la creșterea nivelului de insulină. Transcripția glucokinazei devine aproape nedetectabilă în caz de înfometare prelungită, privare severă de carbohidrați sau diabet insulino-deficitar netratat.

Mecanismele prin care insulina induce glucokinaza pot implica ambele căi intracelulare majore de acțiune a insulinei, cascada kinazei reglate de semnalul extracelular (ERK 1/2) și cascada fosfoinositid-3-kinazei (PI3-K). Aceasta din urmă poate acționa prin intermediul transactivatorului FOXO1.

Cu toate acestea, așa cum ar fi de așteptat având în vedere efectul său antagonist asupra sintezei de glicogen, glucagonul și al doilea mesager intracelular al acestuia, AMPc, suprimă transcrierea și activitatea glucokinazei, chiar și în prezența insulinei.

Alți hormoni, cum ar fi triiodotironina (T
3) și glucocorticoizii, oferă efecte permisive sau stimulative asupra glucokinazei în anumite circumstanțe. Biotina și acidul retinoic cresc transcrierea ARNm GCK, precum și activitatea GK. Acizii grași în cantități semnificative amplifică activitatea GK în ficat, în timp ce acil CoA cu lanț lung o inhibă.

HepaticEdit

Glucokinaza poate fi rapid activată și inactivată în hepatocite de către o nouă proteină de reglare (proteina de reglare a glucokinazei), care funcționează pentru a menține o rezervă inactivă de GK, care poate fi rapid disponibilă ca răspuns la creșterea nivelului de glucoză din vena portală.

GKRP se deplasează între nucleul și citoplasma hepatocitelor și poate fi legată de citoscheletul microfilamentelor. Formează complecși reversibili 1:1 cu GK și îl poate muta din citoplasmă în nucleu. Acționează ca un inhibitor competitiv cu glucoza, astfel încât activitatea enzimei este redusă până aproape de zero atunci când este legată. Complecșii GK:GKRP sunt sechestrați în nucleu atunci când nivelurile de glucoză și fructoză sunt scăzute. Sechestrarea nucleară poate servi la protejarea GK împotriva degradării de către proteazele citoplasmatice. GK poate fi eliberat rapid din GKRP ca răspuns la creșterea nivelului de glucoză. Spre deosebire de GK din celulele beta, GK din hepatocite nu este asociată cu mitocondriile.

Fructoza în cantități mici (micromolare) (după fosforilarea de către cetohexokinaza în fructoză-1-fosfat (F1P)) accelerează eliberarea GK din GKRP. Această sensibilitate la prezența unor cantități mici de fructoză permite GKRP, GK și ketohexokinaza să acționeze ca un „sistem de detectare a fructozei”, care semnalează faptul că o masă mixtă de carbohidrați este în curs de digestie și accelerează utilizarea glucozei. Cu toate acestea, fructoza 6-fosfat (F6P) potențează legarea GK de GKRP. F6P diminuează fosforilarea glucozei de către GK atunci când glicogenoliza sau gluconeogeneza sunt în curs de desfășurare. F1P și F6P se leagă la același situs pe GKRP. Se postulează că ele produc 2 conformații diferite ale GKRP, una capabilă să lege GK și cealaltă nu.

PancreaticEdit

Deși cea mai mare parte a glucokinazei din organism se află în ficat, cantități mai mici în celulele beta și alfa ale pancreasului, în anumiți neuroni hipotalamici și în celule specifice (enterocite) din intestin joacă un rol din ce în ce mai apreciat în reglarea metabolismului glucidic. În contextul funcției glucokinazei, aceste tipuri de celule sunt denumite colectiv țesuturi neuroendocrine și împărtășesc unele aspecte ale reglării și funcției glucokinazei, în special promotorul neuroendocrin comun. Dintre celulele neuroendocrine, celulele beta din insulele pancreatice sunt cele mai studiate și mai bine înțelese. Este probabil ca multe dintre relațiile de reglementare descoperite în celulele beta să existe și în celelalte țesuturi neuroendocrine cu glucokinază.

Un semnal pentru insulinăEdit

În celulele beta din insuliță, activitatea glucokinazei servește ca un control principal pentru secreția de insulină ca răspuns la creșterea nivelului de glucoză din sânge. Pe măsură ce G6P este consumat, cantități tot mai mari de ATP inițiază o serie de procese care au ca rezultat eliberarea de insulină. Una dintre consecințele imediate ale creșterii respirației celulare este o creștere a concentrațiilor de NADH și NADPH (denumite colectiv NAD(P)H). Această modificare a stării redox a celulelor beta are ca rezultat creșterea nivelului de calciu intracelular, închiderea canalelor KATP, depolarizarea membranei celulare, contopirea granulelor secretoare de insulină cu membrana și eliberarea de insulină în sânge.

Ca semnal pentru eliberarea de insulină, glucokinaza exercită cel mai mare efect asupra nivelului de zahăr din sânge și asupra direcției generale a metabolismului glucidic. Glucoza, la rândul ei, influențează atât activitatea imediată, cât și cantitatea de glucokinază produsă în celulele beta.

Reglarea în celulele betaEdit

Glucoza amplifică imediat activitatea glucokinazei prin efectul de cooperativitate.

Un al doilea regulator rapid important al activității glucokinazei în celulele beta are loc prin interacțiunea proteică-proteică directă între glucokinază și „enzima bifuncțională” (fosfofructokinaza-2/fructoza-2,6-bisfosfatază), care joacă, de asemenea, un rol în reglarea glicolizei. Această asociere fizică stabilizează glucokinaza într-o conformație favorabilă din punct de vedere catalitic (oarecum opusă efectului de legare a GKRP) care îi sporește activitatea.

În doar 15 minute, glucoza poate stimula transcrierea GCK și sinteza glucokinazei prin intermediul insulinei. Insulina este produsă de celulele beta, dar o parte din ea acționează asupra receptorilor de insulină de tip B ai celulelor beta, asigurând o amplificare autocrină cu feed-back pozitiv a activității glucokinazei. O amplificare suplimentară are loc prin acțiunea insulinei (prin intermediul receptorilor de tip A) pentru a stimula propria transcriere.

Transcrierea genei GCK este inițiată prin intermediul promotorului „în amonte”, sau neuroendocrin. Acest promotor, spre deosebire de promotorul hepatic, are elemente omoloage cu alți promotori de gene induse de insulină. Printre factorii susceptibili de tranzacționare se numără Pdx-1 și PPARγ. Pdx-1 este un factor de transcripție cu homeodomeniu implicat în diferențierea pancreasului. PPARγ este un receptor nuclear care răspunde la medicamentele glitazonice prin creșterea sensibilității la insulină.

Asocierea cu granulele secretoare de insulinăEdit

Major parte, dar nu toată glucokinaza care se găsește în citoplasma celulelor beta este asociată cu granulele secretoare de insulină și cu mitocondriile. Proporția astfel „legată” scade rapid ca răspuns la creșterea glucozei și a secreției de insulină. S-a sugerat că legarea are un scop similar cu cel al proteinei hepatice de reglare a glucokinazei – protejarea glucokinazei de degradare, astfel încât aceasta să fie rapid disponibilă pe măsură ce crește glucoza. Efectul este acela de a amplifica răspunsul glucokinazei la glucoză mai rapid decât ar putea-o face transcrierea.

Suprimarea glucagonului în celulele alfaEdit

S-a propus, de asemenea, că glucokinaza joacă un rol în detectarea glucozei de către celulele alfa pancreatice, dar dovezile sunt mai puțin consistente, iar unii cercetători nu au găsit nicio dovadă a activității glucokinazei în aceste celule. Celulele alfa apar în insulele pancreatice, amestecate cu celulele beta și cu alte celule. În timp ce celulele beta răspund la creșterea nivelului de glucoză prin secreția de insulină, celulele alfa răspund prin reducerea secreției de glucagon. Atunci când concentrația de glucoză din sânge scade la niveluri hipoglicemice, celulele alfa eliberează glucagon. Glucagonul este un hormon proteic care blochează efectul insulinei asupra hepatocitelor, inducând glicogenoliza, gluconeogeneza și reducerea activității glucokinazei în hepatocite. Măsura în care suprimarea glucagonului de către glucoză este un efect direct al glucozei prin intermediul glucokinazei din celulele alfa sau un efect indirect mediat de insulină sau de alte semnale de la celulele beta, este încă incertă.

HipotalamicăEdit

În timp ce toți neuronii folosesc glucoza drept combustibil, anumiți neuroni senzori de glucoză își modifică ratele de declanșare ca răspuns la creșterea sau scăderea nivelului de glucoză. Acești neuroni senzori de glucoză sunt concentrați în principal în nucleul ventromedial și în nucleul arcuat al hipotalamusului, care reglează multe aspecte ale homeostaziei glucozei (în special răspunsul la hipoglicemie), utilizarea combustibilului, sațietatea și apetitul și menținerea greutății. Acești neuroni sunt cei mai sensibili la modificări ale glucozei în intervalul 0,5-3,5 mmol/L de glucoză.

Glucokinaza a fost găsită în creier în mare parte în aceleași zone care conțin neuronii senzori de glucoză, inclusiv în ambele nuclee hipotalamice. Inhibarea glucokinazei abolește răspunsul nucleului ventromedial la o masă. Cu toate acestea, nivelurile de glucoză din creier sunt mai mici decât nivelurile plasmatice, de obicei 0,5-3,5 mmol/L. Deși acest interval se potrivește cu sensibilitatea neuronilor care detectează glucoza, este sub sensibilitatea optimă de inflexiune pentru glucokinază. Presupunerea, bazată pe dovezi indirecte și speculații, este că glucokinaza neuronală este cumva expusă la nivelurile plasmatice de glucoză chiar și în neuroni.

Enterocite și incretinăEdit

În timp ce s-a demonstrat că glucokinaza este prezentă în anumite celule (enterocite) ale intestinului subțire și ale stomacului, funcția și reglarea sa nu au fost elaborate. S-a sugerat că, și aici, glucokinaza servește ca senzor de glucoză, permițând acestor celule să ofere unul dintre cele mai timpurii răspunsuri metabolice la carbohidrații care sosesc. Se suspectează că aceste celule sunt implicate în funcțiile incretinice.

.