stringtranslate.com

Глюкокиназа

Глюкокиназа ( EC 2.7.1.2) представляет собой фермент , который облегчает фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата . Глюкокиназа встречается в клетках печени и поджелудочной железы человека и большинства других позвоночных животных . В каждом из этих органов он играет важную роль в регуляции углеводного обмена , действуя как сенсор глюкозы, вызывая изменения в метаболизме или функции клеток в ответ на повышение или понижение уровня глюкозы, например, после еды или во время голодания . Мутации гена этого фермента могут вызывать необычные формы диабета или гипогликемии .

Глюкокиназа (ГК) представляет собой изофермент гексокиназы , гомологично родственный по крайней мере трем другим гексокиназам. [4] Все гексокиназы могут опосредовать фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата (G6P), что является первым этапом 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, в результате чего остальные три гексокиназы являются более важными продуцентами глюкозы для гликолиза и синтеза гликогена для большинства тканей и органов. Из-за этого пониженного сродства активность глюкокиназы в обычных физиологических условиях существенно варьируется в зависимости от концентрации глюкозы. [5]

Номенклатура

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

Некоторые биохимики утверждали, что следует отказаться от названия глюкокиназа, поскольку оно вводит в заблуждение, поскольку этот фермент может фосфорилировать другие гексозы в правильных условиях, а в бактериях существуют отдаленно родственные ферменты с более абсолютной специфичностью к глюкозе, которые лучше заслуживают названия и EC 2,7. 1.2. [5] [6] Тем не менее, глюкокиназа остается предпочтительным названием в контексте медицины и физиологии млекопитающих .

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

Катализ

Субстраты и продукты

Основным субстратом глюкокиназы, имеющим физиологическое значение, является глюкоза , а наиболее важным продуктом является глюкозо-6-фосфат (G6P). Другим необходимым субстратом, из которого образуется фосфат, является аденозинтрифосфат (АТФ), который при удалении фосфата превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Реакция, катализируемая глюкокиназой:

АТФ участвует в реакции в форме комплекса с магнием (Mg) в качестве кофактора . Кроме того, при определенных условиях глюкокиназа, как и другие гексокиназы, может индуцировать фосфорилирование других гексоз (6-углеродных сахаров ) и подобных молекул. Поэтому общую глюкокиназную реакцию точнее описать как: [6]

Гексоза + MgATP2-
→ гексоза- P O2−
3+ МгАДФ−
+ Ч+

Среди субстратов гексозы есть манноза , фруктоза и глюкозамин , но сродство глюкокиназы к ним требует концентраций, не обнаруживаемых в клетках, для обеспечения 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 меняет конформацию и/или функцию параллельно с повышением концентрации глюкозы в физиологически важном диапазоне 4–10 ммоль/л (72–180 мг / дл ). Он является полунасыщенным при концентрации глюкозы около 8 ммоль/л (144 мг/дл). [9] [10]
  2. Глюкокиназа не ингибируется ее продуктом, глюкозо-6-фосфатом. [9] Это позволяет продолжать выдачу сигнала (например, запускать высвобождение инсулина ) на фоне значительных количеств его продукта [10]

Эти две особенности позволяют ему регулировать метаболический путь, управляемый запасами. То есть скорость реакции определяется поставкой глюкозы, а не спросом на конечные продукты.

Другим отличительным свойством глюкокиназы является ее умеренная кооперативность с глюкозой: коэффициент Хилла ( nH ) около 1,7. [10] Глюкокиназа имеет только один сайт связывания глюкозы и является единственным мономерным регуляторным ферментом, который, как известно, проявляет кооперативность субстрата. Было постулировано, что природа кооперативности включает «медленный переход» между двумя разными состояниями фермента с разной скоростью активности. Если доминантное состояние зависит от концентрации глюкозы, оно будет вызывать кажущуюся кооперативность, аналогичную наблюдаемой. [11]

Из-за этой кооперативности кинетическое взаимодействие глюкокиназы с глюкозой не соответствует классической кинетике Михаэлиса-Ментен . Вместо K m для глюкозы более точно описать уровень полунасыщения S 0,5 , который представляет собой концентрацию, при которой фермент является 50% насыщенным и активным.

Значения S 0,5 и nH экстраполируются до «точки перегиба» кривой, описывающей активность фермента как функцию концентрации глюкозы при примерно 4 ммоль/л. [12] Другими словами, при концентрации глюкозы около 72 мг/дл, что находится вблизи нижней границы нормального диапазона, активность глюкокиназы наиболее чувствительна к небольшим изменениям концентрации глюкозы.

Кинетические взаимоотношения с другим субстратом, MgATP, могут быть описаны классической кинетикой Михаэлиса-Ментен со сродством примерно 0,3–0,4 ммоль/л, что значительно ниже типичной внутриклеточной концентрации 2,5 ммоль/л. Тот факт, что почти всегда имеется избыток АТФ, означает, 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]

Оптимум pH глюкокиназы человека был идентифицирован лишь недавно и оказался на удивление высоким – pH 8,5–8,7. [13]

На основе приведенной выше кинетической информации была разработана «минимальная математическая модель» для прогнозирования скорости фосфорилирования глюкозы бета-клеток (BGPR) нормальной глюкокиназы («дикого типа») 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 уровне глюкозы для запуска высвобождения инсулина.

Механизм

Сульфгидрильные группы нескольких цистеинов окружают сайт связывания глюкозы. Все, кроме цис 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 восстановлением дисульфидных мостиков.

Эти сульфгидрильные группы весьма чувствительны к статусу окисления 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: «Гликолиз-Глюконеогенез_WP534».

Состав

Глюкокиназа представляет собой мономерный белок, состоящий из 465 аминокислот и молекулярной массой около 50 кДа . Есть как минимум две щели: одна для активного сайта , связывающего глюкозу и MgATP, а другая для предполагаемого аллостерического активатора , который еще не идентифицирован. [15] [16]

Это примерно вдвое меньше, чем у других гексокиназ млекопитающих, которые сохраняют определенную димерную структуру. Некоторые последовательности и трехмерная структура ключевых активных сайтов высококонсервативны как у внутривидовых гомологов, так и у разных видов, от млекопитающих до дрожжей. [17] Например, АТФ-связывающий домен является общим с гексокиназами, бактериальными глюкокиназами и другими белками, а 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 GCK человека . [9] [21]

Отличительной особенностью гена является то, что он начинается с двух промоторных участков. [22] Первый экзон с 5'-конца содержит два тканеспецифичных участка промотора. Транскрипция может начинаться с любого промотора (в зависимости от ткани), так что один и тот же ген может производить несколько разные молекулы в печени и других тканях. Две изоформы глюкокиназы различаются лишь 13–15 аминокислотами на N-конце молекулы, что приводит к минимальной разнице в структуре. Обе изоформы имеют одинаковые кинетические и функциональные характеристики. [5]

Первый промотор с 5'-конца, называемый «восходящим» или нейроэндокринным промотором, активен в островковых клетках поджелудочной железы, нервной ткани и энтероцитах ( клетках тонкой кишки ), продуцируя «нейроэндокринную изоформу» глюкокиназы. [22] Второй промотор, «нисходящий» или печеночный промотор, активен в гепатоцитах и ​​управляет выработкой «печеночной изоформы». [23] Два промотора имеют небольшую гомологию или вообще не имеют гомологии и разделены последовательностью длиной 30 тыс. пар оснований , которая, как еще не было показано, вызывает какие-либо функциональные различия между изоформами. [5] Эти два промотора функционально эксклюзивны и регулируются разными наборами регуляторных факторов, так что экспрессию глюкокиназы можно регулировать отдельно в разных типах тканей. [5] Эти 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 углеводный обмен в организме.

Распределение по системам органов

Глюкокиназа была обнаружена в специфических клетках четырех типов тканей млекопитающих: печени, поджелудочной железы, тонкого кишечника и мозга. Все они играют решающую роль в реагировании на повышение или понижение уровня глюкозы в крови .

Распространение среди видов

Печеночная глюкокиназа встречается широко, но не повсеместно у всех видов позвоночных. Структура гена и аминокислотная последовательность высококонсервативны у большинства млекопитающих (например, глюкокиназа крысы и человека гомологична более чем на 80%). Однако есть некоторые необычные исключения: например, он не обнаружен у кошек и летучих мышей , хотя он есть у некоторых рептилий , птиц , амфибий и рыб . Возникает ли глюкокиназа аналогичным образом в поджелудочной железе и других органах, пока не установлено. Было высказано предположение, что наличие глюкокиназы в печени отражает легкость включения углеводов в рацион животных .

Функция и регулирование

Большая часть глюкокиназы млекопитающих находится в печени, а глюкокиназа обеспечивает примерно 95% активности гексокиназы в гепатоцитах. Фосфорилирование глюкозы в глюкозо-6-фосфат (G6P) под действием глюкокиназы является первым этапом как синтеза гликогена , так и гликолиза в печени.

Когда доступно достаточное количество глюкозы, синтез гликогена продолжается на периферии гепатоцитов до тех пор, пока клетки не насытятся гликогеном. Излишек глюкозы затем все больше превращается в триглицериды для экспорта и хранения в жировой ткани. Активность глюкокиназы в цитоплазме повышается и падает при наличии доступной глюкозы.

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

Активность глюкокиназы может быстро усиливаться или ослабляться в ответ на изменения в поступлении глюкозы, обычно возникающие в результате приема пищи и голодания. Регуляция происходит на нескольких уровнях и с разными скоростями и находится под влиянием многих факторов, которые влияют главным образом на два общих механизма:

  1. Активность глюкокиназы можно усилить или снизить за считанные минуты под 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 увеличения транскрипции, действуя главным образом через транскрипционный фактор, называемый белком, связывающим регуляторный элемент стерола -1c (SREBP1c) в печени. Это происходит в течение часа после повышения уровня инсулина, например, после углеводной еды. [ нужна цитата ]

Транскрипционный

Инсулин, действующий через белок -1c, связывающий регуляторный элемент стерола (SREBP1c), считается наиболее важным прямым активатором транскрипции гена глюкокиназы в гепатоцитах. SREBP1c представляет собой базовый трансактиватор застежки-молнии «спираль-петля-спираль» (bHLHZ). Этот класс трансактиваторов связывается с последовательностью «E-бокса» генов ряда регуляторных ферментов. Промотор печени в первом экзоне гена глюкокиназы включает такой Е-бокс, который, по-видимому, является основным элементом инсулинового ответа гена в гепатоцитах. Ранее считалось, что SREBP1c должен присутствовать для транскрипции глюкокиназы в гепатоцитах, однако недавно было показано, что транскрипция глюкокиназы осуществляется нормально у мышей, нокаутных по SREBP1c. SREBP1c увеличивается в ответ на диету с высоким содержанием углеводов, что предположительно является прямым следствием частого повышения уровня инсулина. Увеличение транскрипции можно обнаружить менее чем через час после того, как гепатоциты подвергаются воздействию повышающегося 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 последующих эффектов активации рецепторов инсулина или не зависит от действия инсулина. Уровни F2,6P
2играют и другие усиливающие роли в гликолизе гепатоцитов.

Другие действующие факторы, которые, как предполагается, играют роль в регуляции транскрипции клеток печени, включают:

  1. Печеночный ядерный фактор-4-альфа ( HNF4α ) представляет собой сиротский ядерный рецептор, важный в транскрипции многих генов ферментов углеводного и липидного обмена. Он активирует транскрипцию GCK .
  2. Вышестоящий стимулирующий фактор 1 ( USF1 ) является еще одним базовым трансактиватором «спираль-петля-спираль» (bHLHZ).
  3. Печеночный ядерный фактор 6 ( HNF6 ) представляет собой гомеодоменовый регулятор транскрипции «одноразового класса». HNF6 также участвует в регуляции транскрипции глюконеогенных ферментов, таких как глюкозо-6-фосфатаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа .

Гормональные и диетические

Инсулин, безусловно, является наиболее важным из гормонов, которые прямо или косвенно влияют на экспрессию и активность глюкокиназы в печени. Инсулин, по-видимому, влияет как на транскрипцию, так и на активность глюкокиназы несколькими прямыми и непрямыми путями. 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 повышаться в течение часа после повышения уровня инсулина. Транскрипция глюкокиназы становится практически необнаружимой при длительном голодании, тяжелой углеводной недостаточности или нелеченном инсулинодефицитном диабете.

Механизмы, с помощью которых инсулин индуцирует глюкокиназу, могут включать оба основных внутриклеточных пути действия инсулина: каскад регулируемых внеклеточными сигналами киназ (ERK 1/2) и каскад фосфоинозитид-3-киназы (PI3-K). Последний может действовать через трансактиватор FOXO1.

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

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

Печеночный

Глюкокиназа может быстро активироваться и инактивироваться в гепатоцитах с помощью нового регуляторного белка ( регуляторного белка глюкокиназы ), который поддерживает неактивный резерв ГК, который может быть быстро доступен в ответ на повышение уровня глюкозы в воротной вене. [26]

GKRP перемещается между ядром и цитоплазмой гепатоцитов и может быть прикреплен к цитоскелету микрофиламентов . Он образует обратимые комплексы 1:1 с ГК и может перемещать его из цитоплазмы в ядро. Он действует как конкурентный ингибитор с глюкозой, так что активность фермента в связанном состоянии снижается почти до нуля. Комплексы GK:GKRP секвестрируются в ядре, а уровни глюкозы и фруктозы низкие. Ядерная секвестрация может служить защитой ГК от деградации цитоплазматическими протеазами . ГК может быстро высвобождаться из GKRP в ответ на повышение уровня глюкозы. В отличие от ГК в бета-клетках, ГК в гепатоцитах не связана с митохондриями.

Фруктоза в небольших (микромолярных) количествах (после фосфорилирования кетогексокиназой до фруктозо-1-фосфата (F1P)) ускоряет высвобождение ГК из GKRP. Эта чувствительность к присутствию небольших количеств фруктозы позволяет GKRP, ГК и кетогексокиназе действовать как «система восприятия фруктозы», которая сигнализирует о переваривании смешанной углеводной пищи и ускоряет утилизацию глюкозы. Однако фруктозо-6-фосфат (F6P) усиливает связывание ГК с помощью GKRP. F6P снижает фосфорилирование глюкозы ГК, когда идет гликогенолиз или глюконеогенез . F1P и F6P связываются с одним и тем же сайтом GKRP. Предполагается, что они производят две разные конформации GKRP, одна из которых способна связывать GK, а другая - нет.

поджелудочная

Хотя большая часть глюкокиназы в организме находится в печени, меньшие количества в бета- и альфа-клетках поджелудочной железы, некоторых нейронах гипоталамуса и специфических клетках (энтероцитах) кишечника играют все более важную роль в регуляции углеводного обмена. В контексте функции глюкокиназы эти типы клеток вместе называются нейроэндокринными тканями, и они имеют общие аспекты регуляции и функции глюкокиназы, особенно общий нейроэндокринный промотор. Из нейроэндокринных клеток бета-клетки островков поджелудочной железы являются наиболее изученными и наиболее понятными. Вполне вероятно, что многие из регуляторных связей, обнаруженных в бета-клетках, будут также существовать в других нейроэндокринных тканях с глюкокиназой.

Сигнал для инсулина

В островковых бета-клетках активность глюкокиназы служит основным контролем 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 усиленного клеточного дыхания является повышение концентраций НАДН и НАДФН (вместе называемых НАД(Ф)Н). Этот сдвиг в окислительно-восстановительном статусе бета-клеток приводит к повышению внутриклеточного уровня кальция , закрытию K- АТФ- каналов , деполяризации клеточной мембраны, слиянию гранул, секретирующих инсулин, с мембраной и выбросу инсулина в кровь.

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

Регуляция в бета-клетках

Глюкоза немедленно усиливает активность глюкокиназы за счет эффекта кооперативности.

Второй важный быстрый регулятор активности глюкокиназы в бета-клетках происходит за счет 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 некоторая его часть действует на рецепторы инсулина B-типа бета-клеток , обеспечивая аутокринное усиление активности глюкокиназы с помощью положительной обратной связи. Дальнейшая амплификация происходит под действием инсулина (через рецепторы А-типа) для стимуляции собственной транскрипции.

Транскрипция гена GCK инициируется через «вышестоящий» или нейроэндокринный промотор. Этот промотор, в отличие от печеночного, содержит элементы, гомологичные другим промоторам инсулин-индуцируемых генов. Среди вероятных трансактирующих факторов — Pdx-1 и PPARγ . Pdx-1 представляет собой гомеодоменный транскрипционный фактор, участвующий в дифференцировке поджелудочной железы. PPARγ представляет собой ядерный рецептор, который реагирует на препараты глитазона, повышая чувствительность к инсулину.

Ассоциация с секреторными гранулами инсулина

Большая часть, но не вся, глюкокиназы, обнаруженная в цитоплазме бета-клеток, связана с секреторными инсулином гранулами и митохондриями. Доля, «связанная» таким образом, быстро падает в ответ на повышение секреции глюкозы и инсулина. Было высказано предположение, что связывание служит цели, сходной с задачей регуляторного белка печеночной глюкокиназы — защищает глюкокиназу от деградации, так что она быстро становится доступной при повышении уровня глюкозы. Эффект заключается в усилении реакции глюкокиназы на глюкозу быстрее, чем это могла бы сделать транскрипция. [27]

Подавление глюкагона в альфа-клетках

Было также высказано предположение, что глюкокиназа играет роль в чувствительности альфа-клеток поджелудочной железы к глюкозе , но доказательства менее последовательны, и некоторые исследователи не обнаружили 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 — белковый гормон, блокирующий действие инсулина на гепатоциты, индуцируя гликогенолиз, глюконеогенез и снижение активности глюкокиназы в гепатоцитах. Степень, в которой подавление глюкагона глюкозой является прямым действием глюкозы через глюкокиназу в альфа-клетках или косвенным эффектом, опосредованным инсулином или другими сигналами от бета-клеток, все еще неясна.

Гипоталамический

Хотя все нейроны используют глюкозу в качестве топлива, некоторые нейроны, чувствительные к глюкозе, изменяют свою скорость срабатывания в ответ на повышение или понижение уровня глюкозы. Эти чувствительные к глюкозе нейроны 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 устраняет реакцию вентромедиального ядра на прием пищи. Однако уровень глюкозы в мозге ниже, чем в плазме, обычно 0,5–3,5 ммоль/л. Хотя этот диапазон соответствует чувствительности нейронов, чувствительных к глюкозе, он ниже оптимальной чувствительности к перегибам для глюкокиназы. Предположение, основанное на косвенных доказательствах и предположениях, состоит в том, что нейрональная глюкокиназа каким-то образом подвергается воздействию уровней глюкозы в плазме даже в нейронах.

Энтероциты и инкретин

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

Клиническое значение

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

Обнаружено по меньшей мере 497 мутаций гена глюкокиназы человека GCK , которые могут изменять эффективность связывания и фосфорилирования глюкозы, повышать или снижать чувствительность секреции инсулина бета-клетками в ответ на глюкозу и вызывать клинически значимую гипергликемию или гипогликемию . [28]

Сахарный диабет

Мутации GCK снижают функциональную эффективность молекулы глюкокиназы. Гетерозиготность по аллелям со сниженной активностью ферментов приводит к более высокому порогу высвобождения инсулина и стойкой легкой гипергликемии. Это состояние называется диабетом зрелого возраста у молодых , тип 2 (MODY2). В последнем обзоре мутаций GCK , наблюдавшихся у пациентов, говорится о 791 мутации, из которых, как полагают, 489 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 персистирующему 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 различной формы, включая преходящий или стойкий врожденный гиперинсулинизм , а также гипогликемию натощак или реактивную гипогликемию , появляющуюся в более старшем возрасте. Самый последний обзор мутаций GCK , наблюдавшихся у пациентов, показал, 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 это будет полезно при лечении диабета как 1-го [30] , так и 2-го типа . [31] [32] [33]

Рекомендации

  1. ^ abc GRCm38: выпуск Ensembl 89: ENSMUSG00000041798 - Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ "Ссылка на Human PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  3. ^ "Ссылка на Mouse PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ Каваи С., Мукаи Т., Мори С., Миками Б., Мурата К. (апрель 2005 г.). «Гипотеза: структура, эволюция и предок глюкозокиназ семейства гексокиназ». Журнал бионауки и биоинженерии . 99 (4): 320–30. дои : 10.1263/jbb.99.320. ПМИД  16233797.
  5. ^ abcde Iynedjian PB (январь 2009 г.). «Молекулярная физиология глюкокиназы млекопитающих». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 66 (1): 27–42. дои : 10.1007/s00018-008-8322-9. ПМЦ 2780631 . ПМИД  18726182. 
  6. ^ аб Карденас М.Л. (2004). «Сравнительная биохимия глюкокиназы». В Мачинский Ф.М., Магнусон М.А. (ред.). Глюкокиназа и гликемическая болезнь: от основ к новым методам лечения (границы диабета) . Базель: С. Каргер АГ (Швейцария). стр. 31–41. ISBN 3-8055-7744-3.
  7. ^ Ронимус RS, Морган HW (март 2004 г.). «Клонирование и биохимическая характеристика новой мышиной АДФ-зависимой глюкокиназы». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 315 (3): 652–8. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.01.103. ПМИД  14975750.
  8. ^ Магнусон М.А., Мачинский Ф.М. (2004). «Глюкокиназа как сенсор глюкозы: прошлое, настоящее и будущее». В Мачинский Ф.М., Магнусон М.А. (ред.). Глюкокиназа и гликемическая болезнь: от основ к новым методам лечения (границы диабета) . Базель: С. Каргер АГ (Швейцария). стр. 18–30. ISBN 3-8055-7744-3.
  9. ^ abcd Bell GI, Куэста-Муньос А, Матчинский FM (2002). «Глюкокиназа». Энциклопедия молекулярной медицины . Хобокен: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-37494-7.
  10. ^ abc Matschinsky FM (февраль 1996 г.). «Лекция Бантинга 1995. Урок метаболической регуляции, вдохновленный парадигмой сенсора глюкозы глюкокиназы». Диабет . 45 (2): 223–41. дои : 10.2337/диабет.45.2.223. ПМИД  8549869.
  11. ^ Эредиа В.В., Томсон Дж., Неттлтон Д., Сан С. (июнь 2006 г.). «Вызванные глюкозой конформационные изменения глюкокиназы опосредуют аллостерическую регуляцию: переходный кинетический анализ». Биохимия . 45 (24): 7553–62. дои : 10.1021/bi060253q. ПМИД  16768451.
  12. ^ Мачинский Ф.М., Глейзер Б., Магнусон М.А. (март 1998 г.). «Глюкокиназа бета-клеток поджелудочной железы: сокращение разрыва между теоретическими концепциями и экспериментальными реалиями». Диабет . 47 (3): 307–15. дои : 10.2337/диабет.47.3.307. ПМИД  9519733.
  13. ^ Шимчикова Д., Хенеберг П. (август 2019 г.). «Определение щелочного оптимума pH глюкокиназы человека благодаря АТФ-опосредованной коррекции систематических ошибок в результатах ферментных анализов». Научные отчеты . 9 (1): 11422. Бибкод : 2019NatSR...911422S. дои : 10.1038/s41598-019-47883-1. ПМК 6684659 . ПМИД  31388064. 
  14. ^ Лунин В.В., Ли Ю., Шраг Дж.Д., Яннуцци П., Циглер М., Мэтт А. (октябрь 2004 г.). «Кристаллические структуры АТФ-зависимой глюкокиназы Escherichia coli и ее комплекса с глюкозой». Журнал бактериологии . 186 (20): 6915–27. дои : 10.1128/JB.186.20.6915-6927.2004. ПМК 522197 . ПМИД  15466045. 
  15. ^ Махалингам Б., Куэста-Муньос А., Дэвис Э.А., Матчинский Ф.М., Харрисон Р.В., Вебер IT (сентябрь 1999 г.). «Структурная модель глюкокиназы человека в комплексе с глюкозой и АТФ: значение для мутантов, вызывающих гипо- и гипергликемию». Диабет . 48 (9): 1698–705. дои : 10.2337/диабет.48.9.1698. ПМИД  10480597.
  16. ^ Камата К., Мицуя М., Нисимура Т., Эйки Дж., Нагата Ю. (март 2004 г.). «Структурные основы аллостерической регуляции мономерного аллостерического фермента глюкокиназы человека». Состав . 12 (3): 429–38. дои : 10.1016/j.str.2004.02.005 . PMID  15016359. Красивые структурные изображения, иллюстрирующие конформационные изменения и потенциальные регуляторные механизмы.
  17. ^ Андреоне, TL; Принц, РЛ; Пилкис, С.Дж.; Магнусон, Массачусетс; Граннер, ДК (январь 1989 г.). «Аминокислотная последовательность глюкокиназы печени крысы, выведенная из клонированной кДНК». Журнал биологической химии . 264 (1): 363–369. дои : 10.1016/s0021-9258(17)31266-8 . ISSN  0021-9258. ПМИД  2909525.
  18. ^ Кабш, Вольфганг; Холмс, Кеннет К. (февраль 1995 г.). «Актиновая складка». Журнал ФАСЭБ . 9 (2): 167–174. дои : 10.1096/fasebj.9.2.7781919 . ISSN  0892-6638. ПМИД  7781919.
  19. ^ Мацутани, Акира; Янссен, Рэйчел; Донис-Келлер, Хелен ; Пермутт, М.Алан (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. ^ Стоффель М., Фрогель П., Такеда Дж., Зуали Х., Вионнет Н., Ниши С. и др. (август 1992 г.). «Ген человеческой глюкокиназы: выделение, характеристика и идентификация двух миссенс-мутаций, связанных с ранним инсулиннезависимым (тип 2) сахарным диабетом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (16): 7698–702. Бибкод : 1992PNAS...89.7698S. дои : 10.1073/pnas.89.16.7698 . ПМК 49778 . ПМИД  1502186. 
  21. ^ Уилсон Дж. Э. (2004). «Семейство генов гексокиназы». В Мачинский Ф.М., Магнусон М.А. (ред.). Глюкокиназа и гликемическая болезнь: от основ к новым методам лечения (границы диабета) . Базель: С. Каргер АГ (Швейцария). стр. 18–30. ISBN 3-8055-7744-3.
  22. ^ аб Айнеджян П.Б., Пилот PR, Ноуспикел Т., Милберн Дж.Л., Куаад С., Хьюз С. и др. (октябрь 1989 г.). «Дифференциальная экспрессия и регуляция гена глюкокиназы в печени и островках Лангерганса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (20): 7838–42. Бибкод : 1989PNAS...86.7838I. дои : 10.1073/pnas.86.20.7838 . ПМК 298166 . ПМИД  2682629. 
  23. ^ Айнеджян П.Б., Йоттеранд Д., Ноуспикель Т., Асфари М., Пилотный PR (декабрь 1989 г.). «Транскрипционная индукция гена глюкокиназы инсулином в культивируемых клетках печени и его репрессия системой глюкагон-цАМФ». Журнал биологической химии . 264 (36): 21824–9. дои : 10.1016/S0021-9258(20)88258-1 . ПМИД  2557341.
  24. ^ Джеттон Т.Л., Лян Ю., Петтефер CC, Циммерман EC, Кокс Ф.Г., Хорват К. и др. (февраль 1994 г.). «Анализ активности промотора глюкокиназы выше у трансгенных мышей и идентификация глюкокиназы в редких нейроэндокринных клетках головного мозга и кишечника». Журнал биологической химии . 269 ​​(5): 3641–54. дои : 10.1016/S0021-9258(17)41910-7 . ПМИД  8106409.
  25. ^ Глойн А.Л. (ноябрь 2003 г.). «Мутации глюкокиназы (GCK) при гипер- и гипогликемии: диабет зрелого возраста у молодых, постоянный неонатальный диабет и гиперинсулинемия младенчества». Человеческая мутация . 22 (5): 353–62. дои : 10.1002/humu.10277. PMID  14517946. S2CID  10764260.
  26. ^ Карденас М.Л. (1995). «Глюкокиназа»: ее регуляция и роль в метаболизме печени (отдел молекулярной биологии) . Р. Г. Ландес. ISBN 1-57059-207-1. Это наиболее детальное описание глюкокиназы печени.
  27. ^ Арден С., Харботтл А., Балтруш С., Тидж М., Агиус Л. (сентябрь 2004 г.). «Глюкокиназа является неотъемлемым компонентом инсулиновых гранул в чувствительных к глюкозе клетках, секретирующих инсулин, и не перемещается во время стимуляции глюкозой». Диабет . 53 (9): 2346–52. дои : 10.2337/диабет.53.9.2346 . ПМИД  15331544.
  28. ^ Шимчикова Д., Хенеберг П. (декабрь 2019 г.). «Уточнение прогнозов эволюционной медицины на основе клинических данных о проявлениях менделевских болезней». Научные отчеты . 9 (1): 18577. Бибкод : 2019NatSR...918577S. дои : 10.1038/s41598-019-54976-4. ПМК 6901466 . ПМИД  31819097. 
  29. ^ ab Шимчикова Д, Коцкова Л, Вакаржова К, Тешинский М, Хенеберг П (август 2017 г.). «Обоснованная на фактических данных адаптация биоинформатических подходов для оптимизации методов прогнозирования эффектов несинонимичных аминокислотных замен в глюкокиназы». Научные отчеты . 7 (1): 9499. doi : 10.1038/s41598-017-09810-0. ПМЦ 5573313 . ПМИД  28842611. 
  30. ^ "TTP399 - VTV Therapeutics" . Корпоративный сайт VTV Therapeutics . Проверено 8 апреля 2021 г.
  31. ^ Коглан М., Лейтон Б. (февраль 2008 г.). «Активаторы глюкокиназы в лечении диабета». Экспертное заключение об исследуемых препаратах . 17 (2): 145–67. дои : 10.1517/13543784.17.2.145. PMID  18230050. S2CID  21028951.
  32. ^ Мащинский FM (май 2009 г.). «Оценка потенциала активаторов глюкокиназы в терапии диабета». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 8 (5): 399–416. дои : 10.1038/nrd2850. PMID  19373249. S2CID  40490126.
  33. ^ Филипски К.Дж., Пфефферкорн Дж.А. (август 2014 г.). «Патентный обзор активаторов глюкокиназы и нарушителей взаимодействия регуляторных белков глюкокиназы-глюкокиназы: 2011-2014». Экспертное заключение о терапевтических патентах . 24 (8): 875–91. дои : 10.1517/13543776.2014.918957. PMID  24821087. S2CID  39201131.

Внешние ссылки

Внешние ссылки