stringtranslate.com

Глюкокиназа

Глюкокиназа ( EC 2.7.1.2) — это фермент , который способствует фосфорилированию глюкозы до глюкозо-6-фосфата . Глюкокиназа встречается в клетках печени и поджелудочной железы человека и большинства других позвоночных . В каждом из этих органов она играет важную роль в регуляции углеводного обмена , действуя как сенсор глюкозы, вызывая сдвиги в метаболизме или функции клеток в ответ на повышение или понижение уровня глюкозы, например, после еды или при голодании . Мутации гена этого фермента могут вызывать необычные формы диабета или гипогликемии .

Глюкокиназа (GK) является изоферментом гексокиназы , гомологично связанным по крайней мере с тремя другими гексокиназами. [4] Все гексокиназы могут опосредовать фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата (G6P), что является первым шагом как синтеза гликогена , так и гликолиза . Однако глюкокиназа кодируется отдельным геном , и ее отличительные кинетические свойства позволяют ей выполнять другой набор функций. Глюкокиназа имеет более низкое сродство к глюкозе, чем другие гексокиназы, и ее активность локализована в нескольких типах клеток, оставляя другие три гексокиназы более важными подготовителями глюкозы для гликолиза и синтеза гликогена для большинства тканей и органов. Из-за этого сниженного сродства активность глюкокиназы в обычных физиологических условиях существенно варьируется в зависимости от концентрации глюкозы. [5]

Номенклатура

Альтернативные названия этого фермента: гексокиназа IV человека, гексокиназа D и АТФ:D-гексозо-6-фосфотрансфераза, EC  2.7.1.1 (ранее 2.7.1.2). Общее название, глюкокиназа, происходит от его относительной специфичности к глюкозе в физиологических условиях.

Некоторые биохимики утверждают, что название «глюкокиназа» следует исключить как вводящее в заблуждение, поскольку этот фермент может фосфорилировать другие гексозы при правильных условиях, и в бактериях существуют отдаленно родственные ферменты с более абсолютной специфичностью к глюкозе, которые больше заслуживают этого названия и EC 2.7.1.2. [5] [6] Тем не менее, название «глюкокиназа» остается предпочтительным в контексте медицины и физиологии млекопитающих .

Другая глюкозокиназа млекопитающих, АДФ-специфическая глюкокиназа , была открыта в 2004 году. [7] Этот ген отличается и похож на ген примитивных организмов. Он зависит от АДФ, а не от АТФ (что предполагает возможность более эффективной функции во время гипоксии ), а метаболическая роль и важность еще предстоит выяснить.

Катализ

Субстраты и продукты

Основным субстратом физиологической важности глюкокиназы является глюкоза , а наиболее важным продуктом является глюкозо-6-фосфат (Г6Ф). Другим необходимым субстратом, из которого образуется фосфат, является аденозинтрифосфат (АТФ), который превращается в аденозиндифосфат (АДФ) при удалении фосфата. Реакция, катализируемая глюкокиназой, выглядит следующим образом:

АТФ участвует в реакции в форме, связанной с магнием (Mg) в качестве кофактора . Кроме того, при определенных условиях глюкокиназа, как и другие гексокиназы, может вызывать фосфорилирование других гексоз (6-углеродных сахаров ) и подобных молекул. Поэтому общая реакция глюкокиназы более точно описывается как: [6]

Гексоза + MgАТФ2−
→ гексоза- P O2−
3+ МгАДФ−
+ Н+

Среди гексозных субстратов есть манноза , фруктоза и глюкозамин , но сродство глюкокиназы к ним требует концентраций, не встречающихся в клетках для значительной активности. [8]

Кинетика

Два важных кинетических свойства отличают глюкокиназу от других гексокиназ, позволяя ей выполнять особую роль сенсора глюкозы.

  1. Глюкокиназа имеет более низкое сродство к глюкозе, чем другие гексокиназы. Глюкокиназа изменяет конформацию и/или функцию параллельно с ростом концентрации глюкозы в физиологически важном диапазоне 4–10 ммоль/л (72–180 мг / дл ). Она полунасыщается при концентрации глюкозы около 8 ммоль/л (144 мг/дл). [9] [10]
  2. Глюкокиназа не ингибируется своим продуктом, глюкозо-6-фосфатом. [9] Это позволяет непрерывно вырабатывать сигнал (например, для запуска высвобождения инсулина ) на фоне значительных количеств своего продукта [10]

Эти две особенности позволяют ему регулировать «зависимый от предложения» метаболический путь. То есть скорость реакции определяется предложением глюкозы, а не спросом на конечные продукты.

Другим отличительным свойством глюкокиназы является ее умеренная кооперативность с глюкозой, с коэффициентом Хилла ( n H ) около 1,7. [10] Глюкокиназа имеет только один сайт связывания с глюкозой и является единственным мономерным регуляторным ферментом, который, как известно, проявляет субстратную кооперативность. Было высказано предположение, что природа кооперативности включает «медленный переход» между двумя различными состояниями фермента с различными скоростями активности. Если доминирующее состояние зависит от концентрации глюкозы, оно будет производить кажущуюся кооперативность, подобную наблюдаемой. [11]

Из-за этой кооперативности кинетическое взаимодействие глюкокиназы с глюкозой не следует классической кинетике Михаэлиса-Ментен . Вместо K m для глюкозы точнее будет описать уровень полунасыщения S 0,5 , который представляет собой концентрацию, при которой фермент на 50% насыщен и активен.

Значения S0,5 и nH экстраполируются до «точки перегиба» кривой, описывающей активность фермента как функцию концентрации глюкозы при концентрации около 4 ммоль/л. [12] Другими словами, при концентрации глюкозы около 72 мг / дл, что близко к нижнему пределу нормального диапазона, активность глюкокиназы наиболее чувствительна к небольшим изменениям концентрации глюкозы.

Кинетическая связь с другим субстратом, MgATP, может быть описана классической кинетикой Михаэлиса-Ментен со сродством около 0,3–0,4 ммоль/л, что значительно ниже типичной внутриклеточной концентрации 2,5 ммоль/л. Тот факт, что почти всегда имеется избыток доступного АТФ, подразумевает, что концентрация АТФ редко влияет на активность глюкокиназы.

Максимальная удельная активность ( k cat , также известная как скорость оборота) глюкокиназы при насыщении обоими субстратами составляет 62/с. [9]

Оптимальный уровень pH человеческой глюкокиназы был определен совсем недавно и оказался на удивление высоким — 8,5–8,7. [13]

На основе приведенной выше кинетической информации была разработана « минимальная математическая модель» для прогнозирования скорости фосфорилирования глюкозы бета-клетками (BGPR) нормальной («дикого типа») глюкокиназы и известных мутаций. BGPR для глюкокиназы дикого типа составляет около 28% при концентрации глюкозы 5 ммоль/л, что указывает на то, что фермент работает на 28% мощности при обычном пороговом значении глюкозы для запуска высвобождения инсулина.

Механизм

Сульфгидрильные группы нескольких цистеинов окружают сайт связывания глюкозы. Все, кроме cys 230 , необходимы для каталитического процесса, образуя множественные дисульфидные мостики во время взаимодействия с субстратами и регуляторами. По крайней мере в бета-клетках соотношение активных и неактивных молекул глюкокиназы по крайней мере частично определяется балансом окисления сульфгидрильных групп или восстановления дисульфидных мостиков.

Эти сульфгидрильные группы весьма чувствительны к окислительному статусу клеток, что делает глюкокиназу одним из компонентов, наиболее уязвимых к окислительному стрессу, особенно в бета-клетках.

Интерактивная карта маршрутов

Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]

  1. ^ Интерактивную карту путей можно редактировать на WikiPathways: «GlycolysisGluconeogenesis_WP534».

Структура

Глюкокиназа — это мономерный белок из 465 аминокислот с молекулярной массой около 50 кДа . Существует по крайней мере две щели, одна для активного центра , связывающего глюкозу и MgATP, а другая для предполагаемого аллостерического активатора , который еще не идентифицирован. [15] [16]

Это примерно половина размера других гексокиназ млекопитающих, которые сохраняют степень димерной структуры. Несколько последовательностей и трехмерная структура ключевых активных участков высококонсервативны как у внутривидовых гомологов, так и у разных видов от млекопитающих до дрожжей. [17] Например, домен связывания АТФ является общим с гексокиназами, бактериальными глюкокиназами и другими белками, и общая структура называется актиновой складкой . [18]

Генетика

Человеческая глюкокиназа кодируется геном GCK на хромосоме 7. Этот единственный аутосомный ген имеет 10 экзонов . [19] [20] Гены глюкокиназы у других животных гомологичны человеческому GCK . [9] [21]

Отличительной особенностью гена является то, что он начинается с двух промоторных областей. [22] Первый экзон с 5' конца содержит две тканеспецифичные промоторные области. Транскрипция может начинаться с любого промотора (в зависимости от ткани), так что один и тот же ген может производить немного отличающуюся молекулу в печени и в других тканях. Две изоформы глюкокиназы отличаются только 13–15 аминокислотами на N-конце молекулы, что дает лишь минимальную разницу в структуре. Две изоформы имеют одинаковые кинетические и функциональные характеристики. [5]

Первый промотор с 5'-конца, называемый «восходящим» или нейроэндокринным промотором, активен в клетках островков поджелудочной железы, нервной ткани и энтероцитах ( клетках тонкого кишечника ) для производства «нейроэндокринной изоформы» глюкокиназы. [22] Второй промотор, «нисходящий» или печеночный промотор, активен в гепатоцитах и ​​управляет производством «печеночной изоформы». [23] Два промотора имеют небольшую или никакую гомологию последовательностей и разделены последовательностью в 30 тыс . п.н. , которая, как пока не было показано, вызывает какие-либо функциональные различия между изоформами. [5] Два промотора являются функционально исключительными и регулируются различными наборами регуляторных факторов, так что экспрессия глюкокиназы может регулироваться отдельно в различных типах тканей. [5] Два промотора соответствуют двум широким категориям функций глюкокиназы: в печени глюкокиназа действует как шлюз для «массовой обработки» доступной глюкозы, тогда как в нейроэндокринных клетках она действует как сенсор, запуская клеточные реакции, которые влияют на метаболизм углеводов во всем организме.

Распределение по системам органов

Глюкокиназа была обнаружена в определенных клетках в четырех типах тканей млекопитающих: печени, поджелудочной железе, тонком кишечнике и мозге. Все они играют важную роль в реагировании на повышение или понижение уровня глюкозы в крови .

Распределение среди видов

Печеночная глюкокиназа встречается широко, но не повсеместно среди позвоночных видов. Структура гена и аминокислотная последовательность высококонсервативны среди большинства млекопитающих (например, глюкокиназа крысы и человека гомологична более чем на 80%). Однако есть некоторые необычные исключения: например, она не была обнаружена у кошек и летучих мышей , хотя некоторые рептилии , птицы , амфибии и рыбы имеют ее. Пока не определено, встречается ли глюкокиназа аналогично в поджелудочной железе и других органах. Было высказано предположение, что присутствие глюкокиназы в печени отражает легкость, с которой углеводы могут быть включены в рацион животных .

Функция и регулирование

Большая часть глюкокиназы у млекопитающих находится в печени, и глюкокиназа обеспечивает приблизительно 95% активности гексокиназы в гепатоцитах. Фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата (G6P) глюкокиназой является первым этапом как синтеза гликогена , так и гликолиза в печени.

При наличии достаточного количества глюкозы синтез гликогена продолжается на периферии гепатоцитов до тех пор, пока клетки не будут переполнены гликогеном. Избыток глюкозы затем все больше преобразуется в триглицериды для экспорта и хранения в жировой ткани. Активность глюкокиназы в цитоплазме повышается и понижается в зависимости от наличия глюкозы.

G6P, продукт глюкокиназы, является основным субстратом синтеза гликогена, а глюкокиназа имеет тесную функциональную и регуляторную связь с синтезом гликогена. При максимальной активности GK и гликогенсинтаза , по-видимому, располагаются в тех же периферических областях цитоплазмы гепатоцитов, в которых происходит синтез гликогена. Поставка G6P влияет на скорость синтеза гликогена не только как основной субстрат, но и путем прямой стимуляции гликогенсинтазы и ингибирования гликогенфосфорилазы .

Активность глюкокиназы может быстро усиливаться или ослабляться в ответ на изменения в поставке глюкозы, обычно возникающие в результате приема пищи и голодания. Регулирование происходит на нескольких уровнях и скоростях и зависит от многих факторов, которые в основном влияют на два общих механизма:

  1. Активность глюкокиназы может быть усилена или уменьшена за считанные минуты действием регуляторного белка глюкокиназы (GKRP). На действие этого белка влияют небольшие молекулы, такие как глюкоза и фруктоза.
  2. Количество глюкокиназы может быть увеличено за счет синтеза нового белка. Инсулин является основным сигналом для увеличения транскрипции, действуя в основном посредством фактора транскрипции, называемого стерол-регуляторным элементом связывания белка -1c (SREBP1c) в печени. Это происходит в течение часа после повышения уровня инсулина, как после углеводной пищи. [ необходима цитата ]

Транскрипционный

Инсулин, действующий через белок- связывающий стериновый регуляторный элемент -1c (SREBP1c), считается наиболее важным прямым активатором транскрипции гена глюкокиназы в гепатоцитах. SREBP1c является основным трансактиватором спирально-петлево-спиральной молнии (bHLHZ). Этот класс трансактиваторов связывается с последовательностью генов «E box» для ряда регуляторных ферментов. Промотор печени в первом экзоне гена глюкокиназы включает такой E box, который, по-видимому, является основным элементом ответа на инсулин гена в гепатоцитах. Ранее считалось, что SREBP1c должен присутствовать для транскрипции глюкокиназы в гепатоцитах, однако недавно было показано, что транскрипция глюкокиназы осуществлялась нормально у мышей с нокаутом SREBP1c. SREBP1c увеличивается в ответ на высокоуглеводную диету, что предположительно является прямым эффектом частого повышения уровня инсулина. Повышение транскрипции можно обнаружить менее чем через час после того, как гепатоциты подвергаются воздействию растущего уровня инсулина.

Фруктозо-2,6-бисфосфат ( F2,6P
2) также стимулирует транскрипцию GK, по-видимому, посредством Akt2, а не SREBP1c. Неизвестно, является ли этот эффект одним из эффектов, следующих за активацией инсулиновых рецепторов, или он не зависит от действия инсулина. Уровни F2,6P
2играют другие усиливающие роли в гликолизе в гепатоцитах.

Другие факторы, предположительно играющие роль в регуляции транскрипции клеток печени, включают:

  1. Гепатический ядерный фактор-4-альфа ( HNF4α ) — это орфанный ядерный рецептор, важный для транскрипции многих генов ферментов углеводного и липидного обмена. Он активирует транскрипцию GCK .
  2. Фактор стимуляции восходящего потока 1 ( USF1 ) является еще одним основным трансактиватором спирально-петлево-спиральной молнии (bHLHZ).
  3. Гепатический ядерный фактор 6 ( HNF6 ) является гомеодоменным транскрипционным регулятором «класса one-cut». HNF6 также участвует в регуляции транскрипции глюконеогенных ферментов, таких как глюкозо-6-фосфатаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа .

Гормональные и диетические

Инсулин, безусловно, является самым важным из гормонов, которые оказывают прямое или косвенное воздействие на экспрессию и активность глюкокиназы в печени. Инсулин, по-видимому, влияет как на транскрипцию, так и на активность глюкокиназы через множественные прямые и косвенные пути. В то время как повышение уровня глюкозы в воротной вене увеличивает активность глюкокиназы, сопутствующее повышение уровня инсулина усиливает этот эффект за счет индукции синтеза глюкокиназы. Транскрипция глюкокиназы начинает расти в течение часа после повышения уровня инсулина. Транскрипция глюкокиназы становится почти необнаружимой при длительном голодании, тяжелой углеводной недостаточности или нелеченном диабете с дефицитом инсулина.

Механизмы, посредством которых инсулин индуцирует глюкокиназу, могут включать оба основных внутриклеточных пути действия инсулина, каскад внеклеточной сигнал-регулируемой киназы (ERK 1/2) и каскад фосфоинозитид 3-киназы (PI3-K). Последний может работать через трансактиватор FOXO1.

Однако, как и следовало ожидать, учитывая его антагонистическое действие на синтез гликогена, глюкагон и его внутриклеточный вторичный мессенджер цАМФ подавляют транскрипцию и активность глюкокиназы даже в присутствии инсулина.

Другие гормоны, такие как трийодтиронин ( Т
3) и глюкокортикоиды оказывают разрешающее или стимулирующее действие на глюкокиназу при определенных обстоятельствах. Биотин и ретиноевая кислота усиливают транскрипцию мРНК GCK, а также активность GK. Жирные кислоты в значительных количествах усиливают активность GK в печени, тогда как длинноцепочечный ацил-КоА ингибирует ее.

Печеночный

Глюкокиназа может быстро активироваться и инактивироваться в гепатоцитах с помощью нового регуляторного белка ( регуляторного белка глюкокиназы ), который действует для поддержания неактивного резерва ГК, который может быстро стать доступным в ответ на повышение уровня глюкозы в воротной вене. [26]

GKRP перемещается между ядром и цитоплазмой гепатоцитов и может быть связан с микрофиламентным цитоскелетом . Он образует обратимые комплексы 1:1 с GK и может перемещать его из цитоплазмы в ядро. Он действует как конкурентный ингибитор с глюкозой, так что активность фермента снижается почти до нуля при связывании. Комплексы GK:GKRP изолируются в ядре, в то время как уровни глюкозы и фруктозы низкие. Ядерная секвестрация может служить для защиты GK от деградации цитоплазматическими протеазами . GK может быстро высвобождаться из GKRP в ответ на повышение уровня глюкозы. В отличие от GK в бета-клетках, GK в гепатоцитах не связан с митохондриями.

Фруктоза в крошечных (микромолярных) количествах (после фосфорилирования кетогексокиназой до фруктозо-1-фосфата (F1P)) ускоряет высвобождение GK из GKRP. Эта чувствительность к присутствию небольших количеств фруктозы позволяет GKRP, GK и кетогексокиназе действовать как «система восприятия фруктозы», которая сигнализирует о том, что переваривается смешанная углеводная пища, и ускоряет утилизацию глюкозы. Однако фруктозо-6-фосфат (F6P) усиливает связывание GK с GKRP. F6P снижает фосфорилирование глюкозы с помощью GK, когда происходят гликогенолиз или глюконеогенез . F1P и F6P оба связываются с одним и тем же сайтом на GKRP. Предполагается, что они производят 2 различные конформации GKRP, одна из которых способна связывать GK, а другая — нет.

Поджелудочная железа

Хотя большая часть глюкокиназы в организме находится в печени, меньшие количества в бета- и альфа-клетках поджелудочной железы, определенных нейронах гипоталамуса и специфических клетках (энтероцитах) кишечника играют все более значимую роль в регуляции углеводного обмена. В контексте функции глюкокиназы эти типы клеток совместно называются нейроэндокринными тканями, и они разделяют некоторые аспекты регуляции и функции глюкокиназы, особенно общий нейроэндокринный промотор. Из нейроэндокринных клеток бета-клетки панкреатических островков являются наиболее изученными и понятными. Вероятно, что многие регуляторные связи, обнаруженные в бета-клетках, также будут существовать в других нейроэндокринных тканях с глюкокиназой.

Сигнал для инсулина

В бета-клетках островков активность глюкокиназы служит основным регулятором секреции инсулина в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. По мере потребления G6P, увеличение количества АТФ инициирует ряд процессов, которые приводят к высвобождению инсулина. Одним из непосредственных последствий усиления клеточного дыхания является повышение концентраций НАДН и НАДФН (совместно именуемых НАД(Ф)Н). Это изменение окислительно-восстановительного статуса бета-клеток приводит к повышению внутриклеточного уровня кальция , закрытию каналов К АТФ , деполяризации клеточной мембраны, слиянию секреторных гранул инсулина с мембраной и высвобождению инсулина в кровь.

Именно в качестве сигнала для высвобождения инсулина глюкокиназа оказывает наибольшее влияние на уровень сахара в крови и общее направление углеводного обмена. Глюкоза, в свою очередь, влияет как на немедленную активность, так и на количество глюкокиназы, вырабатываемой в бета-клетках.

Регуляция в бета-клетках

Глюкоза немедленно усиливает активность глюкокиназы за счет эффекта кооперативности.

Второй важный быстрый регулятор активности глюкокиназы в бета-клетках происходит посредством прямого белок-белкового взаимодействия между глюкокиназой и «бифункциональным ферментом» (фосфофруктокиназа-2/фруктозо-2,6-бисфосфатаза), который также играет роль в регуляции гликолиза. Эта физическая ассоциация стабилизирует глюкокиназу в каталитически благоприятной конформации (несколько противоположной эффекту связывания GKRP), что усиливает ее активность.

Всего за 15 минут глюкоза может стимулировать транскрипцию GCK и синтез глюкокиназы посредством инсулина. Инсулин вырабатывается бета-клетками, но часть его действует на рецепторы инсулина типа B бета-клеток , обеспечивая аутокринное усиление положительной обратной связи активности глюкокиназы. Дальнейшее усиление происходит под действием инсулина (через рецепторы типа A) для стимуляции его собственной транскрипции.

Транскрипция гена GCK инициируется через «восходящий» или нейроэндокринный промотор. Этот промотор, в отличие от печеночного промотора, имеет элементы, гомологичные другим промоторам генов, индуцируемых инсулином. Среди вероятных транслирующих факторов — Pdx-1 и PPARγ . Pdx-1 — гомеодоменный фактор транскрипции, участвующий в дифференциации поджелудочной железы. PPARγ — ядерный рецептор, который реагирует на препараты глитазона, повышая чувствительность к инсулину.

Связь с инсулиновыми секреторными гранулами

Большая часть, но не вся, глюкокиназа, обнаруженная в цитоплазме бета-клеток, связана с инсулиновыми секреторными гранулами и с митохондриями. Доля, таким образом «связанная», быстро падает в ответ на повышение секреции глюкозы и инсулина. Было высказано предположение, что связывание служит цели, аналогичной регуляторному белку глюкокиназы печени — защите глюкокиназы от деградации, чтобы она быстро становилась доступной по мере повышения уровня глюкозы. Эффект заключается в том, чтобы усилить реакцию глюкокиназы на глюкозу быстрее, чем это могла бы сделать транскрипция. [27]

Подавление глюкагона в альфа-клетках

Также было высказано предположение, что глюкокиназа играет роль в чувствительности к глюкозе альфа-клеток поджелудочной железы , но доказательства менее последовательны, и некоторые исследователи не нашли никаких доказательств активности глюкокиназы в этих клетках. Альфа-клетки встречаются в островках поджелудочной железы, смешанных с бета- и другими клетками. В то время как бета-клетки реагируют на повышение уровня глюкозы секрецией инсулина, альфа-клетки реагируют снижением секреции глюкагона . Когда концентрация глюкозы в крови падает до гипогликемического уровня, альфа-клетки выделяют глюкагон. Глюкагон — это белковый гормон, который блокирует действие инсулина на гепатоциты, вызывая гликогенолиз, глюконеогенез и снижение активности глюкокиназы в гепатоцитах. Степень, в которой подавление глюкагона глюкозой является прямым эффектом глюкозы через глюкокиназу в альфа-клетках или косвенным эффектом, опосредованным инсулином или другими сигналами от бета-клеток, все еще не определена.

Гипоталамический

В то время как все нейроны используют глюкозу в качестве топлива, некоторые нейроны, чувствительные к глюкозе, изменяют частоту своей активации в ответ на повышение или понижение уровня глюкозы. Эти нейроны , чувствительные к глюкозе, сосредоточены в основном в вентромедиальном ядре и дугообразном ядре гипоталамуса , которые регулируют многие аспекты гомеостаза глюкозы (особенно реакцию на гипогликемию), использование топлива, насыщение и аппетит , а также поддержание веса . Эти нейроны наиболее чувствительны к изменениям уровня глюкозы в диапазоне 0,5–3,5 ммоль/л.

Глюкокиназа была обнаружена в мозге в основном в тех же областях, которые содержат нейроны, чувствительные к глюкозе, включая оба ядра гипоталамуса. Ингибирование глюкокиназы отменяет реакцию вентромедиального ядра на прием пищи. Однако уровень глюкозы в мозге ниже, чем уровень в плазме, обычно 0,5–3,5 ммоль/л. Хотя этот диапазон соответствует чувствительности нейронов, чувствительных к глюкозе, он ниже оптимальной чувствительности к перегибу для глюкокиназы. Предположение, основанное на косвенных доказательствах и догадках, заключается в том, что нейрональная глюкокиназа каким-то образом подвергается воздействию уровня глюкозы в плазме даже в нейронах.

Энтероциты и инкретин

Хотя было показано, что глюкокиназа встречается в определенных клетках (энтероцитах) тонкого кишечника и желудка, ее функция и регуляция не были разработаны. Было высказано предположение, что здесь глюкокиназа также служит сенсором глюкозы, позволяя этим клеткам обеспечивать один из самых ранних метаболических ответов на поступающие углеводы. Предполагается, что эти клетки участвуют в функциях инкретина .

Клиническое значение

Поскольку инсулин является одним из, если не самым важным, регуляторов синтеза глюкокиназы, сахарный диабет всех типов снижает синтез и активность глюкокиназы посредством различных механизмов. Активность глюкокиназы чувствительна к окислительному стрессу клеток, особенно бета-клеток.

Было обнаружено не менее 497 мутаций человеческого гена глюкокиназы GCK , которые могут изменять эффективность связывания и фосфорилирования глюкозы, повышая или снижая чувствительность секреции инсулина бета-клетками в ответ на глюкозу и вызывая клинически значимую гипергликемию или гипогликемию . [28]

Сахарный диабет

Мутации GCK снижают функциональную эффективность молекулы глюкокиназы. Гетерозиготность по аллелям со сниженной активностью фермента приводит к более высокому порогу высвобождения инсулина и постоянной, легкой гипергликемии. Это состояние называется диабетом зрелого возраста у молодых , тип 2 (MODY2). Самый последний обзор мутаций GCK , которые наблюдались у пациентов, утверждает, что 791 мутация, из которых 489, как полагают, вызывают диабет MODY и, следовательно, снижают функциональную эффективность молекулы глюкокиназы. [29]

Гомозиготность по аллелям GCK со сниженной функцией может вызвать тяжелую врожденную недостаточность инсулина, приводящую к стойкому неонатальному диабету .

Гиперинсулинемическая гипогликемия

Было обнаружено, что некоторые мутации усиливают секрецию инсулина. Гетерозиготность по мутациям усиления функции снижает порог глюкозы, который запускает высвобождение инсулина. Это создает гипогликемию различных моделей, включая транзиторный или постоянный врожденный гиперинсулинизм , или голодание или реактивную гипогликемию, появляющуюся в более старшем возрасте. Самый последний обзор мутаций GCK , которые наблюдались у пациентов, утверждал, что 17 мутаций GCK вызывают гиперинсулинемическую гипогликемию. [29]

Гомозиготность по мутациям усиления функции не обнаружена.

Исследовать

Несколько фармацевтических компаний исследуют молекулы, активирующие глюкокиназу, в надежде, что они будут полезны при лечении диабета как 1-го типа [30] , так и 2-го типа . [31] [32] [33]

Ссылки

  1. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000041798 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  3. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ Kawai S, Mukai T, Mori S, Mikami B, Murata K (апрель 2005 г.). «Гипотеза: структуры, эволюция и предок глюкозокиназ в семействе гексокиназ». Журнал бионауки и биоинженерии . 99 (4): 320–330. doi :10.1263/jbb.99.320. PMID  16233797.
  5. ^ abcde Iynedjian PB (январь 2009). "Молекулярная физиология глюкокиназы млекопитающих". Cellular and Molecular Life Sciences . 66 (1): 27–42. doi :10.1007/s00018-008-8322-9. PMC 2780631 . PMID  18726182. 
  6. ^ ab Cardenas ML (2004). "Сравнительная биохимия глюкокиназы". В Matschinsky FM, Magnuson MA (ред.). Глюкокиназа и гликемическая болезнь: от основ к новым методам лечения (Frontiers in Diabetes) . Базель: S. Karger AG (Швейцария). стр. 31–41. ISBN 3-8055-7744-3.
  7. ^ Ronimus RS, Morgan HW (март 2004 г.). «Клонирование и биохимическая характеристика новой мышиной АДФ-зависимой глюкокиназы». Biochemical and Biophysical Research Communications . 315 (3): 652–658. doi :10.1016/j.bbrc.2004.01.103. PMID  14975750.
  8. ^ Magnuson MA, Matschinsky FM (2004). «Глюкокиназа как сенсор глюкозы: прошлое, настоящее и будущее». В Matschinsky FM, Magnuson MA (ред.). Глюкокиназа и гликемические заболевания: от основ к новым методам лечения (рубежи диабета) . Базель: S. Karger AG (Швейцария). стр. 18–30. ISBN 3-8055-7744-3.
  9. ^ abcd Bell GI, Cuesta-Munoz A, Matschinsky FM (2002). "Глюкокиназа". Энциклопедия молекулярной медицины . Хобокен: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-37494-7.
  10. ^ abc Matschinsky FM (февраль 1996 г.). «Лекция Бантинга 1995 г. Урок по регуляции метаболизма, вдохновленный парадигмой сенсора глюкозы глюкокиназы». Диабет . 45 (2): 223–241. doi :10.2337/diabetes.45.2.223. PMID  8549869.
  11. ^ Heredia VV, Thomson J, Nettleton D, Sun S (июнь 2006 г.). «Вызванные глюкозой конформационные изменения в опосредованной глюкокиназой аллостерической регуляции: транзиторный кинетический анализ». Биохимия . 45 (24): 7553–7562. doi :10.1021/bi060253q. PMID  16768451.
  12. ^ Matschinsky FM, Glaser B, Magnuson MA (март 1998). «Глюкокиназа бета-клеток поджелудочной железы: устранение разрыва между теоретическими концепциями и экспериментальными реалиями». Диабет . 47 (3): 307–315. doi :10.2337/diabetes.47.3.307. PMID  9519733.
  13. ^ Šimčíková D, Heneberg P (август 2019). «Определение щелочного оптимума pH человеческой глюкокиназы из-за коррекции смещения, опосредованного АТФ, в результатах ферментных анализов». Scientific Reports . 9 (1): 11422. Bibcode :2019NatSR...911422S. doi :10.1038/s41598-019-47883-1. PMC 6684659 . PMID  31388064. 
  14. ^ Лунин ВВ, Ли Й, Шраг ДжД, Ианнуцци П, Сиглер М, Матте А (октябрь 2004 г.). «Кристаллические структуры АТФ-зависимой глюкокиназы Escherichia coli и ее комплекса с глюкозой». Журнал бактериологии . 186 (20): 6915–6927. doi :10.1128/JB.186.20.6915-6927.2004. PMC 522197. PMID  15466045 . 
  15. ^ Mahalingam B, Cuesta-Munoz A, Davis EA, Matschinsky FM, Harrison RW, Weber IT (сентябрь 1999 г.). «Структурная модель человеческой глюкокиназы в комплексе с глюкозой и АТФ: значение для мутантов, вызывающих гипо- и гипергликемию». Diabetes . 48 (9): 1698–1705. doi :10.2337/diabetes.48.9.1698. PMID  10480597.
  16. ^ Kamata K, Mitsuya M, Nishimura T, Eiki J, Nagata Y (март 2004 г.). "Структурная основа аллостерической регуляции мономерного аллостерического фермента человеческой глюкокиназы". Structure . 12 (3): 429–438. doi : 10.1016/j.str.2004.02.005 . PMID  15016359. Красивые структурные изображения, иллюстрирующие конформационные изменения и потенциальные регуляторные механизмы
  17. ^ Andreone TL, Printz RL, Pilkis SJ, Magnuson MA, Granner DK (январь 1989). «Аминокислотная последовательность глюкокиназы печени крысы, выведенная из клонированной кДНК». Журнал биологической химии . 264 (1): 363–369. doi : 10.1016/s0021-9258(17)31266-8 . PMID  2909525.
  18. ^ Kabsch W, Holmes KC (февраль 1995). "Актиновая складка". FASEB Journal . 9 (2): 167–174. doi : 10.1096/fasebj.9.2.7781919 . PMID  7781919.
  19. ^ Мацутани А., Янссен Р., Донис-Келлер Х. , Пермутт М.А. (февраль 1992 г.). «Полиморфный повторяющийся элемент (CA) n отображает ген глюкокиназы человека (GCK) на хромосоме 7p». Геномика . 12 (2): 319–325. дои : 10.1016/0888-7543(92)90380-Б. ПМИД  1740341.
  20. ^ Stoffel M, Froguel P, Takeda J, Zouali H, Vionnet N, Nishi S и др. (август 1992 г.). «Ген глюкокиназы человека: изоляция, характеристика и идентификация двух миссенс-мутаций, связанных с ранним неинсулинозависимым (тип 2) сахарным диабетом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (16): 7698–7702. Bibcode : 1992PNAS...89.7698S. doi : 10.1073 /pnas.89.16.7698 . PMC 49778. PMID  1502186. 
  21. ^ Wilson JE (2004). «Семейство генов гексокиназы». В Matschinsky FM, Magnuson MA (ред.). Глюкокиназа и гликемическая болезнь: от основ к новым методам лечения (Frontiers in Diabetes) . Базель: S. Karger AG (Швейцария). стр. 18–30. ISBN 3-8055-7744-3.
  22. ^ ab Iynedjian PB, Pilot PR, Nouspikel T, Milburn JL, Quaade C, Hughes S, et al. (октябрь 1989 г.). «Дифференциальная экспрессия и регуляция гена глюкокиназы в печени и островках Лангерганса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (20): 7838–7842. Bibcode : 1989PNAS ...86.7838I. doi : 10.1073/pnas.86.20.7838 . PMC 298166. PMID  2682629. 
  23. ^ Iynedjian PB, Jotterand D, Nouspikel T, Asfari M, Pilot PR (декабрь 1989 г.). «Транскрипционная индукция гена глюкокиназы инсулином в культивируемых клетках печени и ее подавление системой глюкагон-цАМФ». Журнал биологической химии . 264 (36): 21824–21829. doi : 10.1016/S0021-9258(20)88258-1 . PMID  2557341.
  24. ^ Jetton TL, Liang Y, Pettepher CC, Zimmerman EC, Cox FG, Horvath K и др. (февраль 1994 г.). «Анализ активности промотора глюкокиназы в трансгенных мышах и идентификация глюкокиназы в редких нейроэндокринных клетках мозга и кишечника». Журнал биологической химии . 269 (5): 3641–3654. doi : 10.1016/S0021-9258(17)41910-7 . PMID  8106409.
  25. ^ Gloyn AL (ноябрь 2003 г.). «Мутации глюкокиназы (GCK) при гипер- и гипогликемии: диабет зрелого возраста у молодых, постоянный неонатальный диабет и гиперинсулинемия у младенцев». Human Mutation . 22 (5): 353–362. doi :10.1002/humu.10277. PMID  14517946. S2CID  10764260.
  26. ^ Карденас МЛ (1995). «Глюкокиназа»: ее регуляция и роль в метаболизме печени (Molecular Biology Intelligence Unit) . RG Landes. ISBN 1-57059-207-1. Это наиболее подробное лечение глюкокиназы печени.
  27. ^ Arden C, Harbottle A, Baltrusch S, Tiedge M, Agius L (сентябрь 2004 г.). «Глюкокиназа является неотъемлемым компонентом гранул инсулина в глюкозочувствительных секреторных клетках инсулина и не перемещается во время стимуляции глюкозой». Диабет . 53 (9): 2346–2352. doi : 10.2337/diabetes.53.9.2346 . PMID  15331544.
  28. ^ Šimčíková D, Heneberg P (декабрь 2019 г.). «Уточнение предсказаний эволюционной медицины на основе клинических данных о проявлениях менделевских заболеваний». Scientific Reports . 9 (1): 18577. Bibcode :2019NatSR...918577S. doi :10.1038/s41598-019-54976-4. PMC 6901466 . PMID  31819097. 
  29. ^ ab Шимчикова Д, Коцкова Л, Вакаржова К, Тешинский М, Хенеберг П (август 2017 г.). «Научно обоснованная адаптация биоинформатических подходов для оптимизации методов, прогнозирующих эффекты несинонимичных аминокислотных замен в глюкокиназы». Научные отчеты . 7 (1): 9499. doi : 10.1038/s41598-017-09810-0. ПМК 5573313 . ПМИД  28842611. 
  30. ^ "TTP399 - VTV Therapeutics". Корпоративный веб-сайт VTV Therapeutics . Получено 8 апреля 2021 г.
  31. ^ Coghlan M, Leighton B (февраль 2008 г.). «Активаторы глюкокиназы в лечении диабета». Мнение экспертов по исследуемым препаратам . 17 (2): 145–167. doi :10.1517/13543784.17.2.145. PMID  18230050. S2CID  21028951.
  32. ^ Matschinsky FM (май 2009). «Оценка потенциала активаторов глюкокиназы в терапии диабета». Nature Reviews. Drug Discovery . 8 (5): 399–416. doi :10.1038/nrd2850. PMID  19373249. S2CID  40490126.
  33. ^ Filipski KJ, Pfefferkorn JA (август 2014 г.). «Обзор патентов на активаторы и разрушители глюкокиназы взаимодействия регуляторных белков глюкокиназы: 2011–2014 гг.». Экспертное мнение о терапевтических патентах . 24 (8): 875–891. doi :10.1517/13543776.2014.918957. PMID  24821087. S2CID  39201131.

Внешние ссылки

Внешние ссылки