Glukokinaasi

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 13. lokakuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 13 muokkausta .
Glukokinaasi
Tunnisteet
Koodi KF 2.7.1.2
CAS-numero 9001-36-9
Entsyymitietokannat
IntEnz IntEnz-näkymä
BRENDA BRENDA pääsy
ExPASy NiceZyme-näkymä
MetaCyc metabolinen reitti
KEGG KEGG-merkintä
PRIAM profiili
ATE:n rakenteet RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Geeniontologia AmiGO  • EGO
Hae
PMC artikkeleita
PubMed artikkeleita
NCBI NCBI-proteiinit
CAS 9001-36-9

Glukokinaasi ( EY-koodi 2.7.1.2 ) on entsyymi , joka edistää glukoosin fosforylaatiota glukoosi - 6-fosfaatiksi . Glukokinaasia löytyy ihmisten ja useimpien muiden selkärankaisten maksan ja haiman soluista . Kaikissa näissä elimissä sillä on tärkeä rooli hiilihydraattiaineenvaihdunnan säätelyssä, ja se toimii glukoosisensorina ja aiheuttaa muutoksia aineenvaihdunnassa tai solujen toiminnassa vasteena glukoositasojen nousuun tai laskuun, kuten aterian jälkeen tai paaston aikana . Geenimutaatiot _ tämä entsyymi voi aiheuttaa epätavallisia diabeteksen tai hypoglykemian muotoja .

Glukokinaasi (GK) on heksokinaasi - isoentsyymi , joka on homologisesti sukua ainakin kolmelle muulle heksokinaasille [1] . Kaikki heksokinaasit voivat välittää glukoosin fosforylaatiota glukoosi-6-fosfaatiksi (G6P), mikä on ensimmäinen vaihe sekä glykogeenisynteesissä että glykolyysissä . Glukokinaasia koodaa kuitenkin erillinen geeni , ja sen erityiset kineettiset ominaisuudet mahdollistavat sen, että se voi suorittaa erilaisia ​​toimintoja. Glukokinaasilla on pienempi affiniteetti glukoosia kohtaan kuin muilla heksokinaasilla, ja sen aktiivisuus on paikallinen useisiin solutyyppeihin, mikä tekee muista kolmesta heksokinaasista tärkeämpiä tekijöitä glukoosin valmistuksessa glykolyysiä ja glykogeenisynteesiä varten useimmissa kudoksissa ja elimissä. Tämän vähentyneen affiniteetin vuoksi glukokinaasiaktiivisuus vaihtelee normaaleissa fysiologisissa olosuhteissa oleellisesti glukoosipitoisuuden mukaan [2] .  

Nimikkeistö

Vaihtoehtoiset nimet tälle entsyymille: ihmisen heksokinaasi IV, heksokinaasi D ja ATP:D-heksoosi-6-fosfotransferaasi, EC 2.7.1.1 (aiemmin 2.7.1.2). Yleisnimi glukokinaasi tulee sen suhteellisesta spesifisyydestä glukoosille fysiologisissa olosuhteissa.

Jotkut biokemistit väittävät, että glukokinaasin nimi tulisi hylätä harhaanjohtavana, koska tämä entsyymi voi fosforyloida muita heksoosia oikeissa olosuhteissa, ja bakteereilla on etäisesti sukua entsyymejä, joilla on absoluuttinen spesifisyys glukoosille ja jotka ansaitsevat paremmin nimen ja EC 2.7:n. 1.2 Arkistoitu 19. lokakuuta 2003 Wayback Machinessa [2] [3] . Nimi glukokinaasi on kuitenkin edelleen suositeltava nimi lääketieteen ja nisäkäsfysiologian yhteydessä .

Toinen nisäkkään glukoosikinaasi, ADP-spesifinen glukokinaasi , löydettiin vuonna 2004 [4] Tämä geeni on erilainen ja samanlainen kuin primitiivisten organismien geeni. Se on riippuvainen ADP :stä ATP:n sijaan (mikä viittaa siihen, että se voi toimia tehokkaammin hypoksiassa ), ja sen metabolinen rooli ja merkitys on vielä selvittämättä.

Katalyysi

Substraatit ja tuotteet

Glukokinaasin pääasiallinen fysiologinen substraatti on glukoosi , ja tärkein tuote on glukoosi-6-fosfaatti . Toinen välttämätön substraatti, josta fosfaattia saadaan, on adenosiinitrifosfaatti (ATP), joka, kun fosfaatti poistetaan, muuttuu adenosiinidifosfaatiksi (ADP).

Glukokinaasin katalysoima reaktio:

ATP osallistuu reaktioon kompleksin muodossa magnesiumin (Mg) kanssa kofaktorina . Lisäksi tietyissä olosuhteissa glukokinaasi, kuten muut heksokinaasit, voi indusoida muiden heksoosien (6- hiilisokerien ) ja vastaavien molekyylien fosforylaatiota. Siten glukokinaasin kokonaisreaktiota kuvataan tarkemmin seuraavasti: [3]

Heksoosi + MgATP 2- → Heksoosi-PO 2- 3 + MgATP - + H +

Heksoosisubstraatteja ovat mannoosi , fruktoosi ja glukosamiini , mutta glukokinaasiaffiniteetti niitä kohtaan vaatii merkittävää aktiivisuutta varten pitoisuuksia, joita ei löydy soluista [5] .

Kinetiikka

Kaksi tärkeää kineettistä ominaisuutta erottavat glukokinaasin muista heksokinaaseista, mikä mahdollistaa sen erityisen roolin glukoosianturina.

  1. Glukokinaasilla on pienempi affiniteetti glukoosiin kuin muilla heksokinaasilla. Glukokinaasi muuttaa konformaatiota ja/tai toimintaa rinnakkain glukoosipitoisuuden nousun kanssa fysiologisesti tärkeällä alueella 4-10 mmol/l (72-180 mg / dl ). Se on puolikyllästynyt glukoosipitoisuudessa noin 8 mmol/l (144 mg/dl) [6] [7] .
  2. Sen tuote, glukoosi-6-fosfaatti, ei estä glukokinaasia [6] . Tämä mahdollistaa signaalin jatkuvan lähettämisen (esimerkiksi insuliinin vapautumisen laukaisemiseksi ) sen tuotteen merkittävien määrien kesken [7] .

Nämä kaksi toimintoa sallivat glukokinaasin säädellä "tarjoavaa" aineenvaihduntareittiä. Toisin sanoen reaktionopeus riippuu glukoosin tarjonnasta, ei lopputuotteiden kysynnästä.

Toinen glukokinaasin erottuva ominaisuus on sen kohtalainen yhteistoiminta glukoosin kanssa, jonka Hill-kerroin ( n H ) on noin 1,7 [7] . Glukokinaasilla on vain yksi sitoutumiskohta glukoosille, ja se on ainoa monomeerinen säätelyentsyymi, jonka tiedetään osoittavan substraattiyhteistyötä. Yhteistyön luonteen oletetaan sisältävän "hitaan siirtymisen" entsyymin kahden eri tilan välillä eri aktiivisuusnopeuksilla. Jos hallitseva tila riippuu glukoosipitoisuudesta, se tuottaa samanlaisen näennäisen yhteistoiminnallisuuden kuin havaittiin [8] .

Tästä yhteistoiminnasta johtuen glukokinaasin kineettinen vuorovaikutus glukoosin kanssa ei noudata klassista Michaelis-Menten-kinetiikkaa . Glukoosin K m :n sijaan on tarkempaa kuvata puolikyllästystasoa S 0,5 , joka on pitoisuus, jossa entsyymi on 50-prosenttisesti kyllästynyt ja aktiivinen.

S 0,5 ja n H ekstrapoloidaan käyrän "käännepisteeseen", joka kuvaa entsyymiaktiivisuutta noin 4 mmol/l:n glukoosipitoisuuden funktiona. [9] Toisin sanoen noin 72 m/dl:n glukoosipitoisuudessa, joka on lähellä normaalin alueen alarajaa, glukokinaasiaktiivisuus on herkin pienille glukoosipitoisuuden muutoksille.

Kineettistä sitoutumista toiseen substraattiin, MgATP:hen, voidaan kuvata klassisella Michaelis-Menten-kinetiikalla affiniteetilla noin 0,3-0,4 mmol/l, selvästi alle tyypillisen solunsisäisen pitoisuuden 2,5 mmol/l. Se, että saatavilla on lähes aina ylimäärä ATP:tä, tarkoittaa, että ATP-pitoisuus vaikuttaa harvoin glukokinaasiaktiivisuuteen.

Glukokinaasin suurin spesifinen aktiivisuus ( kcat , joka tunnetaan myös nimellä vaihtumisnopeus) molemmilla substraateilla kyllästettynä on 62/s. [6]

Ihmisen glukokinaasin pH - optimi on tunnistettu vasta äskettäin, ja se on odottamattoman korkea 8,5-8,7 [10] .

Yllä olevaan kineettiseen informaatioon perustuen kehitettiin "minimaalinen matemaattinen malli" normaalin ("villin tyypin") glukokinaasin ja sen tunnettujen mutaatioiden beetasolun glukoosin fosforylaationopeuden (BGPR) ennustamiseksi. Villityypin glukokinaasin BGPR on noin 28 % glukoosipitoisuudessa 5 mmol/l, mikä osoittaa, että entsyymi toimii 28 % kapasiteetilla normaalilla glukoosikynnyksellä laukaistaen insuliinin vapautumisen.

Mekanismi

Useiden kysteiinien sulfhydryyliryhmät ympäröivät glukoosin sitoutumiskohtaa. Kaikki paitsi Cys-230 tarvitaan katalyyttiseen prosessiin muodostaen useita disulfidisiltoja vuorovaikutuksessa substraattien ja säätelijöiden kanssa. Ainakin beetasoluissa aktiivisten ja inaktiivisten glukokinaasimolekyylien suhteen määrää ainakin osittain sulfhydryyliryhmien hapettumisen tasapaino tai disulfidisiltojen pelkistyminen.

Nämä sulfhydryyliryhmät ovat erittäin herkkiä solujen oksidatiiviselle tilalle, mikä tekee glukokinaasista yhden hapetusstressille herkimmistä komponenteista, erityisesti beetasoluissa.

Rakenne

Glukokinaasi

ATP-riippuvaisen glukokinaasin "Escherichia coli" rakenne [11] .
Tunnisteet
Pfam PF02685
Pfam- klaani CL0108
SCOP 1q18
SUPERPERHE 1q18
Saatavilla olevat proteiinirakenteet
Pfam rakenteet
ATE RCSB ATE ; PDBe ; ATEj
ATE-summa 3D malli

Glukokinaasi on monomeerinen proteiini , joka koostuu 465 aminohaposta ja jonka molekyylipaino on noin 50 kDa . Pinnalla on ainakin kaksi halkeamaa, joista toinen glukoosia ja MgATP:tä sitovaan aktiiviseen kohtaan ja toinen oletettuun allosteeriseen aktivaattoriin , jota ei ole vielä tunnistettu [12] [13] .

Tämä on noin puolet muiden nisäkkäiden heksokinaaseista, jotka säilyttävät jonkin verran dimeeristä rakennetta. ATP:tä sitova domeeni on yhteinen heksokinaasien, bakteeriglukokinaasien ja muiden proteiinien kanssa, ja kokonaisrakennetta kutsutaan aktiinilaskostukseksi .

Genetiikka

GCK -geeni koodaa ihmisen glukokinaasia kromosomissa 7 . Tällä yhdellä autosomaalisella geenillä on 10 eksonia [14] [15] . Muiden eläinten glukokinaasigeenit ovat homologisia ihmisen GCK :n kanssa [6] [16] .

Geenin erottuva piirre on, että se alkaa kahdella promoottorialueella [ 17] . Ensimmäinen eksoni 5'-päästä sisältää kaksi kudosspesifistä promoottorialuetta. Transkriptio voi alkaa mistä tahansa promoottorista (kudoksesta riippuen), joten sama geeni voi tuottaa hieman erilaisia ​​molekyylejä maksassa ja muissa kudoksissa. Glukokinaasin kaksi isomuotoa eroavat toisistaan ​​vain 13-15 aminohapolla molekyylin N-päässä , mikä antaa vain minimaalisen eron rakenteessa. Näillä kahdella isoformilla on samat kineettiset ja toiminnalliset ominaisuudet [2] .

Ensimmäinen promoottori 5'-päästä, jota kutsutaan "ylävirtaiseksi" tai neuroendokriiniseksi promoottoriksi, on aktiivinen haiman saarekesoluissa, hermokudoksessa ja enterosyyteissä ( ohutsuolen soluissa ) tuottaen glukokinaasin "neuroendokriinista isoformia" [17] . Toinen promoottori, "alavirran" eli maksan promoottori, on aktiivinen hepatosyyteissä ja ohjaa "maksan isoformien" tuotantoa [18] . Näillä kahdella promoottorilla on vähän tai ei ollenkaan sekvenssihomologiaa, ja niitä erottaa 30 kb:n sekvenssi , jonka ei ole vielä osoitettu aiheuttavan mitään toiminnallisia eroja isoformien välillä [2] . Nämä kaksi promoottoria ovat toiminnallisesti toisensa poissulkevia ja niitä säätelevät erilaiset säätelytekijät, joten glukokinaasin ilmentymistä voidaan säädellä erikseen eri kudostyypeissä [2] . Nämä kaksi promoottoria vastaavat kahta laajaa glukokinaasitoiminnan luokkaa: maksassa glukokinaasi toimii porttina saatavilla olevan glukoosin "massakäsittelylle", kun taas neuroendokriinisoluissa se toimii sensorina, joka laukaisee soluvasteita, jotka vaikuttavat kehoon: leveä hiilihydraatti. aineenvaihduntaa.

Jakauma elinjärjestelmien mukaan

Glukokinaasia on löydetty tietyistä neljän tyyppisen nisäkäskudoksen soluista: maksasta , haimasta , ohutsuolesta ja aivoista . Kaikilla niillä on ratkaiseva rooli verensokeritason nousuun tai laskuun vastaamisessa .

Jakauma eläinten kesken

Maksan glukokinaasia esiintyy laajalti, mutta ei kaikkialla selkärankaisilla. Geenirakenne ja aminohapposekvenssi ovat erittäin konservoituneita useimmissa nisäkkäissä (esimerkiksi rotan ja ihmisen glukokinaasi ovat yli 80-prosenttisesti homologisia). Epätavallisia poikkeuksia on kuitenkin olemassa: sitä ei ole löydetty esimerkiksi kissoista ja lepakoista , vaikka sitä löytyy joistakin matelijoista , linnuista , sammakkoeläimistä ja kaloista . Vielä ei ole varmistettu, esiintyykö samanlaista glukokinaasin toimintaa haimassa ja muissa elimissä. On ehdotettu, että glukokinaasin esiintyminen maksassa kuvastaa sitä, kuinka helposti hiilihydraatteja voidaan sisällyttää eläinten ruokavalioon .

Toiminta ja säätö

Suurin osa nisäkkäiden glukokinaasista sijaitsee maksassa, ja glukokinaasi tarjoaa noin 95 % hepatosyyttien heksokinaasiaktiivisuudesta. Glukoosin fosforylaatio glukoosi-6-fosfaatiksi glukokinaasilla on ensimmäinen vaihe sekä glykogeenisynteesissä että glykolyysissä maksassa.

Kun glukoosia on riittävästi saatavilla, glykogeenisynteesi jatkuu hepatosyyttien reunalla, kunnes solut täyttyvät glykogeenilla. Ylimääräinen glukoosi muuttuu sitten yhä enemmän triglyserideiksi vientiä ja rasvakudoksessa varastointia varten . Glukokinaasiaktiivisuus sytoplasmassa nousee ja laskee käytettävissä olevan glukoosin mukana.

Glukoosi-6-fosfaatti , glukokinaasin tuote, on glykogeenisynteesin pääsubstraatti, ja glukokinaasilla on läheinen toiminnallinen ja säätelevä suhde glykogeenisynteesin kanssa. Maksimiaktiivisuudella glukokinaasi ja glykogeenisyntaasi näyttävät sijaitsevan samoilla perifeerisillä alueilla hepatosyyttien sytoplasmassa, missä glykogeenisynteesi tapahtuu. Glukoosi-6-fosfaatin saanti ei vaikuta glykogeenisynteesin nopeuteen ainoastaan ​​pääsubstraattina, vaan myös glykogeenisyntaasin suoran stimuloinnin ja glykogeenifosforylaasin estämisen kautta .

Glukokinaasin aktiivisuus voi nopeasti lisääntyä tai laskea vasteena glukoosin saannin muutoksiin, jotka yleensä johtuvat ruuan nauttimisesta ja paastoamisesta. Sääntely tapahtuu useilla tasoilla ja useilla nopeuksilla, ja siihen vaikuttavat monet tekijät, jotka vaikuttavat pääasiassa kahteen yleiseen mekanismiin:

  1. Glukokinaasin aktiivisuutta voidaan lisätä tai vähentää muutamassa minuutissa glukokinaasia säätelevän proteiinin (GKRP) vaikutuksesta. Tämän proteiinin toimintaan vaikuttavat pienet molekyylit, kuten glukoosi ja fruktoosi.
  2. Glukokinaasin määrää voidaan lisätä uuden proteiinin synteesin ansiosta. Insuliini on tärkein signaali transkription lisäämiseksi, ja se toimii ensisijaisesti transkriptiotekijän kautta, jota kutsutaan sterolia säätelevän elementin 1c:tä sitovaksi proteiiniksi (SREBP1c), paitsi maksassa. Tämä tapahtuu tunnin sisällä insuliinitason noususta, kuten hiilihydraattia sisältävän aterian jälkeen. 

Transkriptio

Sterolisäätelyelementtiä sitovan proteiinin −1c (SREBP1c) kautta vaikuttavaa insuliinia pidetään tärkeimpänä glukokinaasigeenin transkription suorana aktivoijana maksasoluissa. SREBP1c on perushelix -loop-helix-zipper (bHLHZ) -transaktivaattori. Tämän luokan transaktivaattorit sitoutuvat useiden säätelyentsyymien geenien "E-box"-sekvenssiin. Maksan promoottori glukokinaasigeenin ensimmäisessä eksonissa sisältää sellaisen E-laatikon, joka ilmeisesti on geenin insuliinivasteen pääelementti hepatosyyteissä. Aikaisemmin ajateltiin, että SREBP1c:n on oltava läsnä glukokinaasin transkriptiossa maksasoluissa, mutta äskettäin on kuitenkin osoitettu, että glukokinaasin transkriptio tapahtuu normaalisti SREBP1c-poistohiirissä. SREBP1c lisääntyy vasteena runsaalle hiilihydraattipitoiselle ruokavaliolle, jonka uskotaan olevan suora seuraus insuliinitasojen usein noususta. Lisääntynyt transkriptio voidaan havaita alle tunnin kuluttua hepatosyyttien altistumisesta kohonneille insuliinitasoille.

Fruktoosi-2,6-bisfosfaatti (F2,6BP2 ) stimuloi myös GC-transkriptiota, ilmeisesti Akt2:n kautta SREBP1c:n sijaan. Ei tiedetä, onko tämä vaikutus yksi insuliinireseptorin aktivoitumisen myötävirtavaikutuksista vai riippumaton insuliinin vaikutuksesta. F2,6P2- tasoilla on muita tehostavia rooleja hepatosyyttien glykolyysissä. 2:lla on muita tehostavia rooleja hepatosyyttien glykolyysissä. Muita transaktiotekijöitä, joiden on ehdotettu vaikuttavan maksasolujen transkription säätelyyn, ovat:

  1. Maksan ydintekijä-4-alfa ( HNF4α ) on orpo tumareseptori, joka on tärkeä monien hiilihydraatti- ja lipidiaineenvaihduntaentsyymigeenien transkriptiolle. Aktivoi GCK-transkription.
  2. Ylöspäin stimuloiva tekijä 1 (USF1) on toinen peruskela salaman transaktivaattori (bHLHZ).
  3. Maksan ydintekijä 6 ( HNF6 ) on yksileikkausluokan homeodomeenin transkription säätelijä. HNF6 osallistuu myös glukoneogeenisten entsyymien, kuten glukoosi-6-fosfataasin ja fosfoenolipyruvaattikarboksikinaasin , transkription säätelyyn .

Hormoniruokavalio

Insuliini on ylivoimaisesti tärkein hormoneista, jotka vaikuttavat suoraan tai epäsuorasti glukokinaasin ilmentymiseen ja aktiivisuuteen maksassa. Insuliini näyttää vaikuttavan sekä transkriptioon että glukokinaasiaktiivisuuteen useilla suorilla ja epäsuorilla tavoilla. Portaalin glukoositasojen nousu lisää glukokinaasin aktiivisuutta, mutta samanaikainen insuliinitasojen nousu lisää tätä vaikutusta indusoimalla glukokinaasin synteesiä. Glukokinaasin transkriptio alkaa nousta tunnin sisällä insuliinitason noususta. Glukokinaasin transkriptio muuttuu käytännössä havaitsemattomaksi pitkittyneen paaston, vakavan hiilihydraattivajeen tai hoitamattoman insuliinipuutteisen diabeteksen aikana.

Mekanismeihin, joilla insuliini indusoi glukokinaasia, voivat sisältyä sekä insuliinin tärkeimmät intrasellulaariset toimintareitit että solunulkoinen signaalisäädelty kinaasi (ERK 1/2) ja fosfoinositidi-3-kinaasi (PI3-K) -kaskadi. Jälkimmäinen voi toimia FOXO1-transaktivaattorin kautta.

Kuitenkin, kuten olisi odotettavissa, kun otetaan huomioon sen antagonistinen vaikutus glykogeenisynteesiin, glukagoni ja sen solunsisäinen toinen lähetti - cAMP inhiboivat transkriptiota ja glukokinaasiaktiivisuutta jopa insuliinin läsnä ollessa.

Muilla hormoneilla, kuten trijodityroniinilla (T 3 ) ja glukokortikoideilla , on tietyissä olosuhteissa salliva tai stimuloiva vaikutus glukokinaasia. Biotiini ja retinoiinihappo lisäävät GCK-mRNA-transkriptiota sekä GK-aktiivisuutta. Rasvahapot lisäävät merkittäviä määriä GK-aktiivisuutta maksassa, kun taas pitkäketjuinen asyyli-CoA estää sitä.

Maksa

Glukokinaasi voidaan nopeasti aktivoida ja inaktivoida maksasoluissa uudella säätelyproteiinilla (Glucokinase Regulaatory Protein - GCRP ), joka ylläpitää inaktiivista HA-varastoa, joka voi nopeasti tulla saataville vasteena kohonneelle porttilaskimon glukoosille [21] .

HCRP siirtyy hepatosyyttien ytimen ja sytoplasman väliin ja voi sitoutua mikrofilamenttisytoskeleton . Se muodostaa palautuvia 1:1 komplekseja HA:n kanssa ja voi siirtää sen sytoplasmasta tumaan. Se toimii kilpailevana glukoosin estäjänä, joten entsyymiaktiivisuus vähenee lähes nollaan HA:n sitoutuessa: HCRP-kompleksit eristyvät ytimeen, kun taas glukoosi- ja fruktoositasot ovat alhaiset. Ydinsekvestraatio voi suojata HA:ta sytoplasmisten proteaasien aiheuttamalta hajoamiselta . HA voi vapautua nopeasti HCRP:stä vasteena kohonneille glukoositasoille. Toisin kuin beetasolujen HA, hepatosyyttien HA ei liity mitokondrioihin.

Fruktoosi pieninä (mikromolaarisina) määrinä (sen jälkeen, kun ketoheksokinaasilla on fosforyloitunut fruktoosi-1-fosfaatiksi (F1P)) nopeuttaa HA:n vapautumista HCRP:stä. Tämä herkkyys pienelle fruktoosimäärälle mahdollistaa HCRP:n, HA:n ja ketoheksokinaasin toimimisen "fruktoosia tunnistavana järjestelmänä", joka ilmoittaa, että sekahiilihydraattinen ateria sulautuu ja nopeuttaa glukoosin käyttöä. Fruktoosi-6-fosfaatti (F6P) kuitenkin tehostaa HA:n sitoutumista HCRP:n kautta. F6P vähentää GC-glukoosin fosforylaatiota glykogenolyysin tai glukoneogeneesin aikana.F1P ja F6P sitoutuvat samaan kohtaan GCRP:ssä. Oletetaan, että ne tuottavat 2 erilaista HCRP:n konformaatiota, joista toinen pystyy sitomaan HA:ta ja toinen ei.

Haima

Vaikka suurin osa elimistössä olevasta glukokinaasista löytyy maksasta, pienemmät määrät haiman beeta- ja alfasoluista, joistakin hypotalamuksen hermosoluista ja tietyistä suoliston soluista (enterosyytit) ovat yhä tärkeämpi rooli säätelyssä. hiilihydraattiaineenvaihduntaa. Glukokinaasin toiminnan yhteydessä näitä solutyyppejä kutsutaan kollektiivisesti neuroendokriinisiksi kudoksiksi, ja niillä on yhteisiä glukokinaasin säätelyn ja toiminnan näkökohtia, erityisesti yhteinen neuroendokriininen promoottori. Neuroendokriinisoluista haiman saarekkeiden beetasolut ovat tutkituimpia ja tutkituimpia. On todennäköistä, että monet beetasoluissa löydetyistä säätelysuhteista esiintyvät myös muissa neuroendokriinisissa kudoksissa, joissa on glukokinaasia.

Signaali insuliinille

Saarekkojen beetasoluissa glukokinaasiaktiivisuus toimii pääasiallisena insuliinierityksen säätelijänä vasteena kohonneille verensokeritasoille. Kun G6P:tä kulutetaan, kasvava ATP-määrä laukaisee sarjan prosesseja, jotka johtavat insuliinin vapautumiseen. Yksi lisääntyneen soluhengityksen välittömistä seurauksista on lisääntyneet NADH- ja NADPH -tasot (jota kutsutaan yhteisesti NAD(P)H:ksi). Tämä beetasolujen redox-tilan muutos johtaa lisääntyneisiin solunsisäisen kalsiumin tasoihin, K- ATP - kanavien sulkeutumiseen , solukalvon depolarisaatioon, insuliinin erittävien rakeiden fuusioimiseen kalvon kanssa ja insuliinin vapautumiseen vereen.

Signaalina insuliinin vapautumiselle on, että glukokinaasilla on suurin vaikutus verensokeritasoihin ja hiilihydraattiaineenvaihdunnan yleiseen suuntaan. Glukoosi puolestaan ​​vaikuttaa sekä välittömään aktiivisuuteen että beetasolujen tuottaman glukokinaasin määrään.

Sääntely beetasoluissa

Glukoosi lisää välittömästi glukokinaasin aktiivisuutta yhteistoiminnallisuuden vaikutuksesta.

Toinen tärkeä nopea glukokinaasiaktiivisuuden säätelijä beetasoluissa tapahtuu suorassa proteiini-proteiinivuorovaikutuksessa glukokinaasin ja "bifunktionaalisen entsyymin" ( fosfofruktokinaasi-2 /fruktoosi-2,6-bisfosfataasi) välillä, joka myös osallistuu glykolyysi. Tämä fysikaalinen assosiaatio stabiloi glukokinaasia katalyyttisesti suotuisassa konformaatiossa (jossain määrin päinvastoin kuin GCRB:n sitoutumisen vaikutus), mikä lisää sen aktiivisuutta.

Vain 15 minuutissa glukoosi voi stimuloida GCK :n transkriptiota ja glukokinaasin synteesiä insuliinin kautta. Beetasolut tuottavat insuliinia, mutta osa siitä vaikuttaa beetasolujen B-tyypin insuliinireseptoreihin , mikä lisää autokriinistä positiivista palautetta glukokinaasiaktiivisuutta. Lisävahvistus tapahtuu insuliinin vaikutuksesta (A-tyypin reseptorien kautta) sen oman transkription stimuloimiseksi.

GCK -geenin transkriptio aloitetaan "ylävirran" tai neuroendokriinisen promoottorin kautta. Tässä promoottorissa, toisin kuin maksan promoottorissa, on elementtejä, jotka ovat homologisia insuliinin indusoimien geenien muille promoottoreille. Mahdollisia transaktiotekijöitä ovat Pdx-1 ja PPARγ. Pdx-1 on homeodomeenin transkriptiotekijä, joka osallistuu haiman erilaistumiseen. PPARy on tumareseptori, joka reagoi glitatsonilääkkeisiin lisäämällä insuliiniherkkyyttä.

Suhde insuliinin eritysrakeiden kanssa

Suurin osa, mutta ei kaikki, beetasolujen sytoplasmassa löytyvästä glukokinaasista liittyy insuliinia erittäviin rakeisiin ja mitokondrioihin. "Sitoutunut" osuus laskee nopeasti vasteena lisääntyneelle glukoosin ja insuliinin eritykselle. On ehdotettu, että sitoutuminen palvelee samanlaista tarkoitusta kuin maksan säätelyproteiiniglukokinaasi, suojella glukokinaasia hajoamiselta, jotta se tulee nopeasti saataville glukoositasojen noustessa. Vaikutus on tehostaa glukokinaasin vastetta glukoosille nopeammin kuin transkriptio voi tehdä [22] .

Glukagonin estäminen alfasoluissa

On myös ehdotettu, että glukokinaasilla on rooli haiman alfasolujen glukoosiherkkyydessä, mutta todisteet eivät ole yhtä yhdenmukaisia, ja jotkut tutkijat eivät ole löytäneet todisteita glukokinaasin aktiivisuudesta näissä soluissa. Alfa-soluja löytyy haiman saarekkeista sekoitettuna beetasolujen ja muiden solujen kanssa. Beetasolut reagoivat kohonneisiin glukoositasoihin erittämällä insuliinia, kun taas alfasolut vastaavat vähentämällä glukagonin eritystä. Kun verensokeripitoisuus laskee hypoglykeemiselle tasolle, alfasolut vapauttavat glukagonia. Glukagoni on proteiinihormoni, joka estää insuliinin toiminnan maksasoluissa aiheuttaen glykogenolyysiä, glukoneogeneesiä ja vähentäen glukokinaasin aktiivisuutta hepatosyyteissä. Sitä, missä määrin glukagonin glukoosin suppressio on glukoosin suora vaikutus glukokinaasin kautta alfasoluissa tai insuliinin tai muiden beetasolujen signaalien välittämä epäsuora vaikutus, ei ole vielä määritetty.

Hypotalamus

Vaikka kaikki neuronit käyttävät glukoosia polttoaineena, jotkin glukoosiherkät neuronit muuttavat laukaisunopeuttaan vastauksena glukoositasojen nousuun tai laskuun. Nämä glukoosia tunnistavat neuronit ovat keskittyneet ensisijaisesti ventromediaaliseen ytimeen ja hypotalamuksen kaarevaan ytimeen , jotka säätelevät monia glukoosin homeostaasin (etenkin hypoglykemian vasteen), polttoaineen käytön, kylläisyyden ja ruokahalun sekä painon ylläpitämisen näkökohtia. Nämä hermosolut ovat herkimpiä glukoositason muutoksille välillä 0,5-3,5 mmol/l.

Glukokinaasia on löydetty aivoista pääosin samoilla alueilla, jotka sisältävät glukoosia tunnistavia hermosoluja, mukaan lukien hypotalamuksen molemmat ytimet. Glukokinaasin esto eliminoi ventromediaalisen ytimen vasteen ruoan nauttimiseen. Aivojen glukoositasot ovat kuitenkin alhaisemmat kuin plasmassa, tyypillisesti 0,5-3,5. mmol/l. Vaikka tämä alue vastaa glukoosia tunnistavien hermosolujen herkkyyttä, se on glukokinaasin optimaalisen käänneherkkyyden alapuolella. Epäsuoraan näyttöön perustuva ehdotus on, että neuronaalisen glukokinaasin pitoisuudet vaikuttavat jotenkin plasman glukoositasoilla jopa neuroneissa.

Enterosyytit ja inkretiini

Vaikka glukokinaasin on osoitettu olevan läsnä tietyissä ohutsuolen ja mahalaukun soluissa (enterosyyteissä), sen toimintaa ja säätelyä ei ole tutkittu. On ehdotettu, että myös tässä glukokinaasi toimii glukoosianturina, jolloin nämä solut voivat tarjota yhden varhaisimmista aineenvaihduntareaktioista saapuville hiilihydraateille. Näiden solujen oletetaan osallistuvan inkretiinin toimintoihin.

Kliininen merkitys

Koska insuliini on yksi, ellei tärkein, glukokinaasin synteesin säätelijöistä, kaiken tyyppinen diabetes mellitus vähentää glukokinaasin synteesiä ja aktiivisuutta useiden mekanismien kautta. Glukokinaasiaktiivisuus on herkkä solujen, erityisesti beetasolujen, oksidatiiviselle stressille.

Ihmisen glukokinaasin GCK -geenissä on tunnistettu noin 200 mutaatiota , jotka voivat muuttaa glukoosin sitoutumisen ja fosforylaation tehokkuutta, lisäämällä tai vähentäen beetasoluinsuliinin erityksen herkkyyttä vasteena glukoosille ja aiheuttaen kliinisesti merkittävän hyperglykemian tai hypoglykemian .

Diabetes mellitus

GCK - mutaatiot vähentävät glukokinaasimolekyylin toiminnallista tehokkuutta. Heterotsygoottisuus alleeleille, joilla on vähentynyt entsyymiaktiivisuus, johtaa korkeampaan insuliinin vapautumisen kynnykseen ja jatkuvaan lievään hyperglykemiaan. Tätä tilaa kutsutaan tyypin 2 diabetekseksi nuorilla aikuisikään asti ( MODY2 ). Viimeisimmässä katsauksessa potilailla havaitusta GCK -mutaatiosta raportoitiin 791 mutaatiota, joista 489:n uskotaan aiheuttavan MODY-diabeteksen ja siten vähentävän glukokinaasimolekyylin toiminnallista tehokkuutta [23] .

Homotsygoottisuus GCK -alleeleille , joiden toiminta on heikentynyt, voi aiheuttaa vakavan synnynnäisen insuliinin puutteen, joka johtaa jatkuvaan vastasyntyneiden diabetekseen .

Hyperinsulineminen hypoglykemia

Joidenkin mutaatioiden on havaittu lisäävän insuliinin eritystä. Heterotsygoottisuus funktionaalisten mutaatioiden lisäämiseksi alentaa glukoosikynnystä, joka laukaisee insuliinin vapautumisen. Tämä aiheuttaa erilaisia ​​hypoglykemian muotoja, mukaan lukien ohimenevä tai jatkuva synnynnäinen hyperinsulinismi tai vanhemmalla iällä esiintyvä paasto tai reaktiivinen hypoglykemia . Viimeisin katsaus potilailla havaituista GCK-mutaatioista totesi, että 17 GCK - mutaatiota aiheuttavat hyperinsulineemista hypoglykemiaa [23] .

Mutaatioiden homotsygoottisuutta toiminnan tehostamiseksi ei havaittu.

Tutkimustyö

Useat lääkeyhtiöt tutkivat molekyylejä, jotka aktivoivat glukokinaasia siinä toivossa, että siitä on hyötyä tyypin 1 [24] ja tyypin 2 diabeteksen [25] [26] [27] hoidossa .

Muistiinpanot

 

  1. ↑ "Hypoteesi: glukoosikinaasien rakenteet, evoluutio ja esi-isä heksokinaasiperheessä". Journal of Bioscience and Bioengineering . 99 (4): 320-30. huhtikuuta 2005. DOI : 10.1263/jbb.99.320 . PMID  16233797 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 “Nisäkkään glukokinaasin molekyylifysiologia”. Solu- ja molekyylibiotieteet . 66 (1):27-42. Tammikuu 2009. doi : 10.1007/s00018-008-8322-9 . PMID  18726182 .
  3. ↑ 1 2 Glukokinaasi ja glykeemiset sairaudet: perusteista uusiin hoitomuotoihin . - Basel: Karger, 2004. - 1 online-lähde (ix, 406 sivua) s. - ISBN 1-4175-6491-1 , 978-1-4175-6491-0, 978-3-318-01080-0, 3-318-01080-4.
  4. ↑ "Uuden hiiren ADP-riippuvaisen glukokinaasin kloonaus ja biokemiallinen karakterisointi". Biokemiallinen ja biofysikaalinen tutkimusviestintä . 315 (3): 652-8. Maaliskuu 2004. doi : 10.1016/j.bbrc.2004.01.103 . PMID  14975750 .
  5. ↑ Glukokinaasi ja glykeemiset sairaudet: perusteista uusiin hoitomuotoihin (diabeteksen rajat). — ISBN 3-8055-7744-3 .
  6. ↑ 1 2 3 4 Glukokinaasi // Encyclopedia of Molecular Medicine . - Hoboken: John Wiley & Sons, 2002. - ISBN 978-0-471-37494-7 .
  7. ↑ 1 2 3 "Banting Lecture 1995. Oppitunti aineenvaihdunnan säätelystä glukokinaasiglukoosisensorin paradigman inspiroimana" . diabetes . 45 (2): 223-41. Helmikuu 1996. DOI : 10.2337/diabetes.45.2.223 . PMID  8549869 .
  8. ↑ "Glukoosin aiheuttamat konformaatiomuutokset glukokinaasissa välittävät allosteerista säätelyä: ohimenevä kineettinen analyysi". biokemia . 45 (24): 7553-62. Kesäkuu 2006. doi : 10.1021/ bi060253q . PMID 16768451 . 
  9. ↑ "Haiman beetasoluglukokinaasi: teoreettisten käsitteiden ja todellisuuden välisen kuilun sulkeminen" . diabetes . 47 (3): 307-15. Maaliskuu 1998. doi : 10.2337 /diabetes.47.3.307 . PMID  9519733 .
  10. ↑ "Ihmisen glukokinaasin alkalisen pH-optimin tunnistaminen ATP-välitteisen harhakorjauksen vuoksi entsyymimääritysten tuloksissa". tieteellisiä raportteja . 9 (1): 11422. Elokuu 2019. Bibcode : 2019NatSR...911422S . DOI : 10.1038/s41598-019-47883-1 . PMID  31388064 .
  11. ↑ Lunin VV, Li Y, Schrag JD, Iannuzzi P, Cygler M, Matte A (lokakuu 2004). "Escherichia colin ATP-riippuvaisen glukokinaasin ja sen kompleksin glukoosin kanssa" kiderakenteet . Journal of Bacteriology . 186 (20): 6915-27. DOI : 10.1128/JB.186.20.6915-6927.2004 . PMC  522197 . PMID  15466045 .
  12. ↑ "Ihmisen glukokinaasin rakennemalli kompleksissa glukoosin ja ATP:n kanssa: vaikutukset hypo- ja hyperglykemiaa aiheuttaviin mutantteihin" . diabetes . 48 (9): 1698-705. Syyskuu 1999. DOI : 10.2337/diabetes.48.9.1698 . PMID  10480597 .
  13. ↑ "Rakenneperusta ihmisen glukokinaasin monomeerisen allosteerisen entsyymin allosteeriselle säätelylle". rakennetta . 12 (3): 429-38. Maaliskuu 2004. doi : 10.1016/ j.str.2004.02.005 . PMID 15016359 . Kauniit rakennekuvat havainnollistavat konformaatiomuutoksia ja mahdollisia säätelymekanismeja 
  14. ↑ "Polymorfinen (CA)n-toistoelementti kartoittaa ihmisen glukokinaasigeenin (GCK) kromosomiin 7p". Genomiikka . 12 (2): 319-25. helmikuuta 1992. DOI : 10.1016/0888-7543(92)90380-B . PMID  1740341 ​​.
  15. ↑ "Ihmisen glukokinaasigeeni: kahden varhaiseen insuliinista riippumattomaan (tyypin 2) diabetes mellitukseen liittyvän missense-mutaation eristäminen, karakterisointi ja tunnistaminen". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America . 89 (16): 7698-702. Elokuu 1992. Bibcode : 1992PNAS...89.7698S . DOI : 10.1073/pnas.89.16.7698 . PMID  1502186 .
  16. ↑ Glukokinaasi ja glykeemiset sairaudet: perusteista uusiin hoitomuotoihin (diabeteksen rajat). – s. 18–30. — ISBN 3-8055-7744-3 .
  17. ↑ 1 2 "Glukokinaasigeenin erilainen ilmentyminen ja säätely maksassa ja Langerhansin saarekkeissa". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America . 86 (20): 7838-42. lokakuuta 1989. Bibcode : 1989PNAS...86.7838I . doi : 10.1073/pnas.86.20.7838 . PMID2682629  _ _
  18. ↑ "Insuliinin aiheuttama glukokinaasigeenin transkriptionaalinen induktio viljellyissä maksasoluissa ja sen repressio glukagoni-cAMP-järjestelmällä". The Journal of Biological Chemistry . 264 (36): 21824-9. joulukuuta 1989. DOI : 10.1016/S0021-9258(20)88258-1 . PMID  2557341 .
  19. ↑ "Analyysi ylävirran glukokinaasipromoottoriaktiivisuudesta siirtogeenisissä hiirissä ja glukokinaasin tunnistaminen harvinaisissa neuroendokriinisoluissa aivoissa ja suolessa". The Journal of Biological Chemistry . 269 ​​(5): 3641-54. helmikuuta 1994. DOI : 10.1016/S0021-9258(17)41910-7 . PMID  8106409 .
  20. ↑ "Glukokinaasin (GCK) mutaatiot hyper- ja hypoglykemiassa: nuorten kypsyysaiheinen diabetes, pysyvä vastasyntyneiden diabetes ja vauvaiän hyperinsulinemia". Ihmisen Mutaatio . 22 (5): 353-62. marraskuuta 2003. doi : 10.1002/ humu.10277 . PMID 14517946 . 
  21. ↑ Maria Luz Cardenas. Glukokinaasi: sen säätely ja rooli maksan aineenvaihdunnassa . - New York: Springer-Verlag, 1995. - 210 sivua s. - ISBN 1-57059-207-1 , 978-1-57059-207-2, 3-540-59285-7, 978-3-540-59285-3.
  22. ↑ "Glukokinaasi on olennainen osa insuliinirakeita glukoosiherkissä insuliinin erityssoluissa, eikä se siirry glukoosistimulaation aikana" . diabetes . 53 (9): 2346-52. Syyskuu 2004. doi : 10.2337 /diabetes.53.9.2346 . PMID  15331544 .
  23. ↑ 1 2 "Todisteeseen perustuva bioinformatiikan lähestymistapojen räätälöinti menetelmien optimoimiseksi, jotka ennustavat glukokinaasin ei-synonyymien aminohapposubstituutioiden vaikutuksia". tieteellisiä raportteja . 7 (1): 9499. Elokuu 2017. DOI : 10.1038/s41598-017-09810-0 . PMID28842611  _ _
  24. ↑ TTP399 - VTV Therapeutics . VTV Therapeutics -yhtiön verkkosivusto . Haettu 8. huhtikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 15. huhtikuuta 2021.
  25. ↑ "Glukokinaasiaktivaattorit diabeteksen hoidossa". Asiantuntijan lausunto tutkivista huumeista . 17 (2): 145-67. Helmikuu 2008. DOI : 10.1517/13543784.17.2.145 . PMID  18230050 .
  26. ↑ "Arvioidaan glukokinaasiaktivaattorien potentiaalia diabeteksen hoidossa". Luontoarvostelut. huumeiden löytö . 8 (5): 399-416. toukokuuta 2009. DOI : 10.1038/nrd2850 . PMID  19373249 .
  27. ↑ "Patenttikatsaus glukokinaasiaktivaattoreista ja glukokinaasin ja glukokinaasin säätelyproteiinin vuorovaikutuksen häiritsejistä: 2011-2014". Asiantuntijan lausunto terapeuttisista patenteista . 24 (8): 875-91. Elokuu 2014. doi : 10.1517/ 13543776.2014.918957 . PMID 24821087 . 

Lue lisää

  • Glazer, Benjamin. Perheen hyperinsulinismi // GeneReviews. – Seattle WA: Washingtonin yliopisto, Seattle, 24.1.2013. — ISBN NBK1375.
  • De Leon, Diva D. Permanent Neonatal Diabetes Mellitus // GeneReview / Diva D De Leon, Charles A Stanley. - Seattle WA : University of Washington, Seattle, 23. tammikuuta 2014. - ISBN NBK1447.

Linkit