Glukokinas

Det mesta av glukokinaset hos däggdjur finns i levern, och glukokinas står för cirka 95 % av hexokinasaktiviteten i hepatocyter. Fosforylering av glukos till glukos-6-fosfat (G6P) av glukokinas är det första steget i både glykogensyntesen och glykolysen i levern.

När rikligt med glukos finns tillgängligt, fortskrider glykogensyntesen i hepatocyternas periferi tills cellerna är fyllda med glykogen. Överskottsglukos omvandlas sedan i allt större utsträckning till triglycerider för export och lagring i fettvävnad. Glukokinasaktiviteten i cytoplasman ökar och minskar med tillgänglig glukos.

G6P, glukokinasets produkt, är det huvudsakliga substratet för glykogensyntesen, och glukokinas har ett nära funktionellt och regulatoriskt samband med glykogensyntesen. När de är maximalt aktiva tycks GK och glykogensyntas vara lokaliserade i samma perifera områden av hepatocytens cytoplasma där glykogensyntesen sker. Tillförseln av G6P påverkar hastigheten på glykogensyntesen inte bara som primärt substrat utan genom direkt stimulering av glykogensyntas och hämning av glykogenfosforylas.

Glukokinasaktiviteten kan snabbt förstärkas eller dämpas som svar på förändringar i glukostillförseln, vilket typiskt sett är en följd av ätande och fasta. Regleringen sker på flera nivåer och hastigheter och påverkas av många faktorer som främst påverkar två allmänna mekanismer:

1. Glukokinasaktiviteten kan förstärkas eller dämpas på några minuter genom åtgärder av glukokinasreglerande protein (GKRP). Detta proteins verkan påverkas av små molekyler som glukos och fruktos.
2. Mängden glukokinas kan ökas genom syntes av nytt protein. Insulin är den viktigaste signalen för ökad transkription och verkar huvudsakligen via en transkriptionsfaktor som kallas sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) utom i levern. Detta sker inom en timme efter en ökning av insulinnivåerna, som efter en kolhydratmåltid.

TranscriptionalEdit

Insulin som verkar via sterol regulatory element binding protein-1c (SREBP1c) tros vara den viktigaste direkta aktivatorn av glukokinasets gentranskription i hepatocyter. SREBP1c är en bHLHZ-transaktivator (basic helix-loop-helix zipper). Denna klass av transaktivatorer binder till ”E box”-sekvensen i gener för ett antal reglerande enzymer. Leverpromotorn i det första exonet av glukokinasegenen innehåller en sådan E box, som verkar vara det huvudsakliga insulinresponselementet för genen i hepatocyter. Tidigare trodde man att SREBP1c måste vara närvarande för att glukokinas ska kunna transkriberas i hepatocyter, men nyligen visades att glukokinas transkriberas normalt i SREBP1c knock out-möss. SREBP1c ökar som svar på en kolhydratrik kost, vilket antas vara en direkt effekt av den frekventa insulinhöjningen. Ökad transkription kan påvisas på mindre än en timme efter att hepatocyter utsatts för stigande insulinnivåer.

Fruktos-2,6-bisfosfat (F2,6P
2) stimulerar också GK-transkriptionen, det tycks ske via Akt2 snarare än SREBP1c. Det är inte känt om denna effekt är en av de nedströms effekter av aktivering av insulinreceptorer eller om den är oberoende av insulinverkan. Nivåer av F2,6P
2 spelar andra förstärkande roller i glykolysen i hepatocyter.

Andra transaktoriska faktorer som misstänks spela en roll i levercellers transkriptionsreglering är bland annat:

1. Hepatisk nukleär faktor-4-alfa (HNF4α) är en föräldralös nukleär receptor som är viktig för transkriptionen av många gener för enzymer i kolhydrat- och lipidmetabolismen. Den aktiverar GCK-transkriptionen.
2. Upstream stimulatory factor 1 (USF1) är en annan bHLHZ-transaktivator (basic helix-loop-helix-helix zipper).
3. Hepatisk kärnfaktor 6 (HNF6) är en transkriptionsregulator med homeodomäner av ”one-cut-klassen”. HNF6 är också involverad i regleringen av transkriptionen av glukoneogena enzymer som glukos-6-fosfatas och fosfenolpyruvatkarboxykinas.

Hormonella och kostEdit

Insulin är det överlägset viktigaste av de hormoner som har direkta eller indirekta effekter på glukokinasets uttryck och aktivitet i levern. Insulin verkar påverka både glukokinasets transkription och aktivitet genom flera direkta och indirekta vägar. Medan stigande glukosnivåer i portalen ökar glukokinasaktiviteten, förstärker den samtidiga ökningen av insulin denna effekt genom induktion av glukokinasets syntes. Glukokinasets transkription börjar öka inom en timme efter stigande insulinnivåer. Glukokinasets transkription blir nästan odetekterbar vid långvarig svält, svår kolhydratbrist eller obehandlad insulinbristdiabetes.

Mekanismerna genom vilka insulin inducerar glukokinas kan involvera båda de viktigaste intracellulära vägarna för insulinets verkan, kaskaden av extracellulärt signalreglerat kinas (ERK 1/2) och kaskaden av fosfoinositid 3-kinas (PI3-K). Den senare kan verka via FOXO1-transaktivatorn.

Som man kan förvänta sig med tanke på dess antagonistiska effekt på glykogensyntesen, undertrycker glukagon och dess intracellulära andra budbärare cAMP glukokinasets transkription och aktivitet, även i närvaro av insulin.

Andra hormoner som trijodtyronin (T
3) och glukokortikoider ger tillåtande eller stimulerande effekter på glukokinas under vissa omständigheter. Biotin och retinosyra ökar transkriptionen av GCK mRNA samt GK-aktiviteten. Fettsyror i betydande mängder förstärker GK-aktiviteten i levern, medan långkedjig acyl-CoA hämmar den.

HepaticEdit

Glukokinas kan snabbt aktiveras och inaktiveras i hepatocyter av ett nytt regulatoriskt protein (glukokinas-regulatoriskt protein), som verkar för att upprätthålla en inaktiv reserv av GK, som snabbt kan göras tillgänglig som svar på stigande nivåer av glukos i portalvenen.

GKRP rör sig mellan hepatocyternas kärna och cytoplasma och kan vara bunden till mikrofilamentcytoskelettet. Den bildar reversibla 1:1-komplex med GK och kan flytta det från cytoplasman till kärnan. Det fungerar som en kompetitiv hämmare med glukos, så att enzymaktiviteten reduceras till nära noll när det är bundet. GK:GKRP-komplexen är sekretessbelagda i kärnan när glukos- och fruktosnivåerna är låga. Sekretering i kärnan kan tjäna till att skydda GK från nedbrytning av cytoplasmatiska proteaser. GK kan snabbt frigöras från GKRP som svar på stigande glukosnivåer. Till skillnad från GK i betaceller är GK i hepatocyter inte associerad med mitokondrier.

Fruktos i små (mikromolära) mängder (efter fosforylering av ketohexokinas till fruktos-1-fosfat (F1P)) påskyndar frisättningen av GK från GKRP. Denna känslighet för närvaron av små mängder fruktos gör att GKRP, GK och ketohexokinas kan fungera som ett ”fruktosavkänningssystem” som signalerar att en måltid med blandade kolhydrater håller på att smältas och påskyndar utnyttjandet av glukos. Fruktos-6-fosfat (F6P) potentierar dock bindningen av GK av GKRP. F6P minskar GK:s fosforylering av glukos när glykogenolys eller glukoneogenes pågår. F1P och F6P binder båda till samma plats på GKRP. Det postuleras att de producerar 2 olika konformationer av GKRP, där den ena kan binda GK och den andra inte.

PankreasEdit

Och även om det mesta av glukokinaset i kroppen finns i levern spelar mindre mängder i beta- och alfacellerna i bukspottkörteln, vissa hypotalamiska neuroner och specifika celler (enterocyter) i tarmen en alltmer uppskattad roll i regleringen av kolhydratmetabolismen. När det gäller glukokinasets funktion kallas dessa celltyper kollektivt för neuroendokrina vävnader, och de delar vissa aspekter av glukokinasets reglering och funktion, särskilt den gemensamma neuroendokrina promotorn. Av de neuroendokrina cellerna är betacellerna i bukspottkörteln de mest undersökta och bäst förstådda. Det är troligt att många av de regleringsförhållanden som upptäckts i betacellerna också kommer att finnas i de andra neuroendokrina vävnaderna med glukokinas.

En signal för insulinRedigera

I betacellerna i pankreasöarna fungerar glukokinasaktiviteten som en huvudkontroll för utsöndring av insulin som svar på stigande nivåer av blodglukos. När G6P förbrukas initierar ökande mängder ATP en rad processer som resulterar i frisättning av insulin. En av de omedelbara konsekvenserna av ökad cellulär respiration är en ökning av koncentrationerna av NADH och NADPH (gemensamt kallade NAD(P)H). Denna förändring av betacellernas redoxstatus resulterar i stigande intracellulära kalciumnivåer, stängning av KATP-kanalerna, depolarisering av cellmembranet, sammansmältning av de insulinsekretoriska granulerna med membranet och frisättning av insulin i blodet.

Det är som signal för insulinfrisättning som glukokinas utövar den största effekten på blodsockernivåerna och den övergripande inriktningen av kolhydratmetabolismen. Glukos påverkar i sin tur både den omedelbara aktiviteten och mängden glukokinas som produceras i betacellerna.

Reglering i betacellerRedigera

Glukos förstärker omedelbart glukokinasets aktivitet genom en samverkanseffekt.

En andra viktig snabbregulator av glukokinasaktiviteten i betaceller sker genom direkt protein-proteininteraktion mellan glukokinas och det ”bifunktionella enzymet” (fosfofruktokinas-2/fruktos-2,6-bisfosfatas), som också spelar en roll i regleringen av glykolysen. Denna fysiska förening stabiliserar glukokinas i en katalytiskt gynnsam konformation (något motsatt effekten av GKRP-bindning) som ökar dess aktivitet.

Inom så lite som 15 minuter kan glukos stimulera GCK-transkriptionen och glukokinas-syntesen med hjälp av insulin. Insulin produceras av betacellerna, men en del av det verkar på betacellernas insulinreceptorer av B-typ, vilket ger en autokrin positiv återkopplingsförstärkning av glukokinasaktiviteten. Ytterligare förstärkning sker genom insulinets verkan (via receptorer av A-typ) för att stimulera sin egen transkription.

Transkriptionen av GCK-genen initieras genom den ”uppströms”, eller neuroendokrina, promotorn. Denna promotor har, till skillnad från leverpromotorn, element som är homologa med andra insulininducerade genpromotorer. Bland de troliga transaktionsfaktorerna finns Pdx-1 och PPARγ. Pdx-1 är en transkriptionsfaktor med homeodomän som är involverad i differentieringen av bukspottkörteln. PPARγ är en kärnreceptor som svarar på glitazonläkemedel genom att öka insulinkänsligheten.

Associering med insulinsekretoriska granulerRedigera

En stor del, men inte allt, av det glukokinas som finns i cytoplasman hos betaceller är associerat med insulinsekretoriska granuler och med mitokondrier. Andelen som på detta sätt är ”bunden” sjunker snabbt som svar på stigande glukos och insulinutsöndring. Det har föreslagits att bindningen tjänar ett syfte som liknar det hepatiska glukokinasreglerande proteinet – att skydda glukokinas från nedbrytning så att det snabbt blir tillgängligt när glukosen stiger. Effekten är att glukokinasets svar på glukos förstärks snabbare än vad transkriptionen skulle kunna göra.

Undertryckning av glukagon i alfacellerRedigera

Det har också föreslagits att glukokinas spelar en roll i glukosavkänningen i bukspottkörtelns alfaceller, men bevisen är mindre samstämmiga, och vissa forskare har inte funnit några bevis för glukokinasaktivitet i dessa celler. Alfaceller förekommer i bukspottkörtelns öar, blandade med betaceller och andra celler. Medan betaceller reagerar på stigande glukosnivåer genom att utsöndra insulin, reagerar alfacellerna genom att minska glukagonutsöndringen. När glukoskoncentrationen i blodet sjunker till hypoglykemiska nivåer frisätter alfacellerna glukagon. Glukagon är ett proteinhormon som blockerar insulinets effekt på hepatocyter och inducerar glykogenolys, glukoneogenes och minskad glukokinasaktivitet i hepatocyter. Det är fortfarande osäkert i vilken grad glukosundertryckning av glukagon är en direkt effekt av glukos via glukokinas i alfaceller, eller en indirekt effekt förmedlad av insulin eller andra signaler från betaceller.

HypotalamicEdit

Alla neuronerna använder glukos som bränsle, men vissa glukoskännande neuronerna ändrar sin avfyrningsfrekvens som svar på stigande eller sjunkande nivåer av glukos. Dessa glukoskännande neuroner är främst koncentrerade i den ventromediala kärnan och den bågformade kärnan i hypotalamus, som reglerar många aspekter av glukoshomeostas (särskilt reaktionen på hypoglykemi), bränsleutnyttjande, mättnad och aptit samt viktupprätthållande. Dessa neuroner är mest känsliga för glukosförändringar i intervallet 0,5-3,5 mmol/L glukos.

Glukokinas har påträffats i hjärnan i stort sett i samma områden som innehåller glukoskännande neuroner, inklusive de båda hypotalamiska kärnorna. Hämning av glukokinas upphäver ventromedialkärnans svar på en måltid. Glukosnivåerna i hjärnan är dock lägre än plasmanivåerna, vanligtvis 0,5-3,5 mmol/L. Även om detta intervall motsvarar känsligheten hos de glukoskännande neuronerna, ligger det under den optimala böjningskänsligheten för glukokinas. Antagandet, baserat på indirekta bevis och spekulationer, är att neuronalt glukokinas på något sätt utsätts för plasmaglukosnivåerna även i neuronerna.

Enterocyter och inkretinRedigera

Samtidigt som glukokinas har visats förekomma i vissa celler (enterocyter) i tunntarmen och magsäcken, har dess funktion och reglering inte utretts. Det har föreslagits att glukokinas även här fungerar som en glukossensor, vilket gör att dessa celler kan ge ett av de tidigaste metaboliska svaren på inkommande kolhydrater. Man misstänker att dessa celler är involverade i inkretinfunktioner.