A glükokináz () enzim, mely a glükóz glükóz-6-foszfáttá való foszforilációját katalizálja. Az orvostudomány általában egy meghatározott hexokinázt ért alatta, amely gerincesekben található, és a GCK gén kódolja, de a 2.7.1.2 EC-szám (glükokináz) egy még glükózspecifikusabb enzimet is jelent, amely a gerinceseken kívül fordul elő. Ha másként nincs meghatározva, e cikk a gerincesekben lévő enzimről szól.
A glükokinázt emberben és a legtöbb gerincesben a máj és a hasnyálmirigy sejtjei expresszálják. E szervekben a szénhidrát-anyagcsere szabályzásában fontos, mivel glükózszenzor, ezzel befolyásolva az anyagcserét vagy a sejtfunkciót a növekvő vagy csökkenő glükózszint esetén, például étkezés vagy böjt után. A gén mutációi ritka diabetes mellitus- vagy hypoglycaemiaformákat okozhatnak.
A glükokináz (GK) hexokinázizozim, mely homológ legalább 3 más hexokinázzal. Minden hexokináz képes a glükóz glükóz-6-foszfáttá (G6P) való foszforilációját mediálni, amely a glikogénszintézis és a glikolízis első lépése is. Azonban a glükokinázt más gén kódolja, és a más kinetikus jellemzői lehetővé teszik más funkció betöltését. A glükokináz glükózaffinitása kisebb, mint más hexokinázoké, és affinitása néhány sejttípusra lokalizálódik, így a másik három hexokináz a glikolízis és glikogénszintézis legfontosabb előkészítője a legtöbb szövetben és szervben. E kisebb affinitás miatt a glükokináz aktivitása fiziológiás körülmények közt a glükóz koncentrációjától függ jelentősen. Ezenkívül más hexokinázizozimektől eltérően a glükokináz nem képes terméke, a G6P általi visszacsatolásos inhibícióra, lehetővé téve magas termékkoncentráció esetén is a működését.
Nevezéktan Az enzim további nevei: humán hexokináz IV, hexokináz D és ATP:D-hexóz-6-foszfotranszferáz. EC-száma 2.7.1.1 (korábban 2.7.1.2). Gyakori neve, a glükokináz a fiziológiás körülmények közti glükózspecificitásából ered.
Egyes biokémikusok szerint a glükokináz név félrevezető, mivel az enzim képes más hexózok foszforilálására is megfelelő körülmények közt, és vannak távoli rokon enzimek baktériumokban, amelyek glükózspecifikusabbak, és megfelelőbb rájuk e név (például ). Nevertheless, glucokinase remains the name preferred in the contexts of medicine and mammalian physiology.
Az ADP-specifikus glükokinázt 2004-ben fedezték fel, amely emlősökben lévő glükózkináz. E gén eltér, és az egyszerűbb élőlényekéhez hasonló. Adenozin-difoszfátot igényel, nem adenozin-trifoszfátot, ami alapján hatékonyabb lehet hypoxia esetén, és szerepe az anyagcserében még ismeretlen. Katalízis Szubsztrátok és termékek upright=1.5|bélyegkép|A glükokináz és más hexokinázok katalizálta reakció A glükokináz elsődleges szubsztrátja a glükóz, és legfontosabb terméke a glükóz-6-foszfát (G6P). A másik szükséges szubsztrát, ahonnan a foszfát származik, az ATP, mely ADP-vé alakul a foszfát eltávolításával. A képen látható a glükokináz katalizálta reakció.
Az ATP a reakcióban magnézium () kofaktorral alkotott komplexben vesz részt. Bizonyos feltételek mellett a glükokináz más hexokinázokhoz hasonlóan más hexózokat is foszforilálhat. Így az általános glükokinázreakció: + → + + A hexózszubsztrátok közt van a mannóz, a fruktóz és a glükózamin, de a glükokináz affinitása ezekhez a sejtekben lévőnél magasabb koncentrációkat igényel a jelentős aktivitáshoz. A glükózspecificitás azonban sokkal kevésbé egyértelmű, mint sokáig feltételezett volt, és a specificitás általános kritériumai alapján a fruktóz jó szubsztrát. Kinetika 3 fontos kinetikai tulajdonság különbözteti meg a glükokinázt más hexokinázoktól, lehetővé téve, hogy glükózszenzorként működjék: A glükokináz glükózaffinitása alacsonyabb, mint más hexokinázoké. A glükokináz konformációt vagy funkciót vált a növekvő glükózkoncentrációval a fiziológiásan fontos 4–10 mM közti (0,72–) tartományban. 8 mM körüli glükózszint mellett éri el a telítettsége az 50%-ot. A glükokinázt terméke, a glükóz-6-foszfát nem inhibeálja fiziológiás koncentrációban. Ez lehetővé teszi a folyamatos jeladást (például inzulintermelés indításához) a termék nagy mennyisége mellett is. A glükokináz közepes kooperativitást mutat a glükózzal, Hill-együtthatója (h) 1,7. Ez lehetővé teszi a glükokináznak a „kínálati alapú” anyagcsereút-szabályzást, vagyis azt, hogy a reakciósebességet a glükóz mennyisége, nem a termékek iránti igény határozza meg.
A kooperativitás miatt a glükokináz–glükóz kinetikus kölcsönhatás nem követi a klasszikus Michaelis–Menten-kinetikát. A Km helyett pontosabb félszaturációs szintet (S0,5) meghatározni, amely az a szint, ahol az enzim 50%-ban telített és aktív.
Az S0,5 és h értékek alapján az enzimaktivitási görbe inflexiós pontja nagyjából 4 mM glükózszintnél van. Vagyis 4 mM körüli glükózszint közelében, mely a normális alsó határa közelében van, a legérzékenyebb a glükokinázaktivitás kis koncentrációváltozásokra.
Mivel a glükokináz monomer enzim 1 glükózkötő hellyel, a kooperativitást nem magyarázza az egyensúlyi kooperativitás klasszikus modellje, hanem kinetikus magyarázatot, például lassúátmenet-modellt vagy „mnemonikus modellt” igényel, amely az enzim memóriáját magyarázza.
A kinetikus kapcsolat a MgATP-vel viszont magyarázható klasszikus Michaelis–Menten-kinetikával, és affinitása 300–, jóval kisebb, mint a tipikus sejtbeli koncentráció, amely 2,5 mM körüli. Mivel szinte mindig ATP-többlet van, ez azt jelenti, hogy az ATP-koncentráció ritkán befolyásolja a glükokinázaktivitást.
A telített glükokináz maximális fajlagos aktivitása (kcat) mindkét szubsztráttal telített állapotban .
A humán glükokináz pH-optimumát csak 2019-ben határozták meg, és meglehetősen magas, 8,5–8,7.
Egy „minimális matematikai modell” ismert a fenti kinetikai információ alapján, amely a β-sejtek glükózfoszforilációs sebességét (BGPR) jelzi előre normális (vad típusú) és mutáns glükokinázoknál. A BGPR vad típusú glükokináznál nagyjából 28% 5 mM glükózszint esetén, vagyis az enzim kapacitása 28%-án működik az inzulinfelszabadítást előidéző legkisebb glükózszintnél. Mechanizmus Több cisztein szulfhidrilcsoportja veszi körül a glükózkötő helyet. A 230. cisztein kivételével mind szükségesek a katalitikus folyamathoz, több diszulfidhidat alkotva a szubsztrátokkal és szabályzókkal való kölcsönhatás során. Legalábbis a β-sejtekben az aktív és inaktív glükokinázok arányát legalább részben a szulfhidrilcsoportok oxidációja vagy a diszulfidhidak redukciója határozza meg.
E szulfhidrilcsoportok a sejtek oxidációs állapotára érzékenyek, vagyis a glükokináz az oxidatív stresszre legérzékenyebb részek közt van, különösen β-sejtekben. Szerkezet A glükokináz monomer fehérje 465 aminosavval és 50 kDa körüli molekulatömeggel. Legalább 2 mélyedése van: 1 aktív hely, melyben a glükóz és a MgATP köt, és 1 feltételezett allosztérikus aktivátor helye, melyet még nem azonosítottak.
Más, emlősökben található hexokinázokhoz képest feleakkora, melyek bizonyos mértékig dimerek. Több szekvencia és a fő aktív helyek 3 dimenziós szerkezete erősen állandósult fajon belüli homológok közt és fajok közt az emlősöktől az élesztőig egyaránt. Az ATP-kötő domén például közös a hexokinázokkal, a bakteriális glükokinázokkal és más fehérjékkel, és a közös szerkezet az aktinhajlat. Genetika A humán glükokinázt a 7. kromoszómán található GCK gén kódolja, amelynek 10 exonja van. Más állatok glükokinázai génjei a humán GCK homológjai.
A gén 2 promoterrel kezdődik: az első exon az 5′-végen 2 szövetspecifikus promotert tartalmaz. A transzkripció bármely promoternél kezdődhet (szövettől függően), így egy gén kissé eltérő molekulát adhat a májban és más szövetekben. A két glükokinázizoforma csak 13–15 aminosavban tér el az N-terminuson, ami csekély szerkezeti különbséget okoz. A két izoforma kinetikai és funkcionális jellemzői azonosak.
Az első (korai, neuroendokrin) promoter a hasnyálmirigy Langerhans-szigeteinek sejtjeiben, az idegszövetben és a vékonybél sejtjeiben aktív, és a „neuroendokrin glükokinázt” adja. A második (késői, máj-) promoter májsejtekben aktív, és a májizoforma termelését irányítja. A két promoter szekvenciahomológiája kicsi, és 30 kbp hosszú szakasz választja el, amelyről nem ismert, hogy funkcionális különbséget okozna az izoformák közt. Funkcionálisan exkluzívak, és eltérő szabályzó faktorok irányítják, így a glükokinázexpressziót a különböző szövettípusok külön irányíthatják. A két promoter két nagy glükokinázfunkció-kategóriának felel meg: a májban a glükokináz az elérhető glükóz nagy mennyiségű feldolgozásáért felel, a neuroendokrin sejtekben szenzorként működik, mely a szénhidrát-metabolizmust érintő sejtválaszokat okoz. Expresszió szervrendszerek szerint A glükokináz emlősökben 4 szövettípusban található meg, ezek a máj, a hasnyálmirigy, a vékonybél és az agy szövetei. Mindenhol a növekvő vagy csökkenő vércukorszintre való válaszért felel. A máj legfőbb sejtjei a hepatociták, és GLK itt csak bennük van. Szénhidrátok emésztése során, mikor a vércukorszint és az inzulinszint is magas, a hepatociták a glükózt a vérből felveszik, és glikogénként tárolják. Az emésztés és abszorpció végén a máj nem glükóz szubsztrátokból (glükoneogenezis) és glikogénből (glikogenolízis) is glükózt termel, amelyet a vérbe szállít, hogy fenntartsa a megfelelő glükózszintet böjt alatt. Mivel a GLK-aktivitás gyorsan emelkedik a glükózszinttel, központi metabolikus váltóként működik a máj szénhidrát-anyagcseréjének táplált és böjt alatti állapotai közti váltásra. A glükóz G6P-vé alakítása könnyíti a glükóz glikogénkénti tárolását és a glikolízis általi felhasználását. A májpromoter lehetővé teszi a GLK neuroendokrin sejtektől eltérő szabályzását a májban. A hasnyálmirigy, a belek és az agy neuroendokrin sejtjeiben a glükokináztermelés, -szabályzás és -funkció bizonyos jellemzői közösek. E szövetek a neuroendokrin szövetek e kontextusban. Az α- és β-sejtekben: A β-sejtek inzulint termelnek a megnövekedő glükózszint hatására. Ez lehetővé teszi számos sejtnek a glükózimportot és -felhasználást, és a májnak jelez glikogénszintézis végett. Az α-sejtek a növekvő glükózszint hatására csökkentik, a csökkenő glükózszint hatására növelik glukagontermelésüket. A glukagon a májnak jelez glikogenolízis és a keletkező glükóz vérbe való felszabadítása végett. A β-sejtek glükokináza glükózszenzor, mely növeli a növekvő vércukorszint hatására az inzulinszekréciót. A β-sejtekben a glükokináz fontos szabályzóenzim. Az inzulinszekréció szabályzásában alapvető, és β-sejt-szenzorként ismert. A GLK gén mutációi hiper- és hipoglikémiát is okozhatnak az inzulintermelés szabályzásában való központi szerepe miatt. A hipotalamusz glükózszenzitív neuronjai: Emelkedő vagy csökkenő vércukorszint hatására a hipotalamusz sejtjei polarizálódnak vagy depolarizálódnak. A központi idegrendszer hipoglikémiára adott reakciói közé tartozik az autonóm idegrendszer adrenerg válaszainak aktiválása. A glükokináz valószínűleg itt is glükózjelző. A glükokináz ismert továbbá az adenohipofízis sejtjeiben is. A vékonybél enterocitái Ez a legkevésbé ismert glükokináz-jelzőrendszer. Valószínűleg az emésztés során beérkező glükózra adott válaszok játszanak szerepet az inzulinszekréció inkretinnel történő növelésében étkezés során, vagy a bélből az agyba jutó jóllakottsági jelekben érintett. Más fajokban A májglükokináz sok, de nem minden gerinces fajban található. A gén szerkezete és az aminosav-szekvencia erősen állandósult (például a humán és a patkányglükokináz több mint 80%-ban homológ). Azonban vannak kivételek: például macskákban és denevérekben nem ismert, bár egyes hüllők, madarak, kétéltűek és halak rendelkeznek vele. Hogy a glükokináz hasonlóan van-e jelen a hasnyálmirigyben és más szervekben, nem ismert még. A glükokináz jelenléte a májban feltehetően a szénhidrátok könnyű hozzáférhetőségét tükrözi az étrendben. Funkció és szabályzás