Глюкокиназа () представляет собой фермент, который способствует фосфорилированию глюкозы до глюкозо-6-фосфата. Глюкокиназа содержится в клетках печени и поджелудочной железы человека и большинства других позвоночных. В каждом из этих органов он играет важную роль в регулировании углеводного обмена, действуя как датчик глюкозы, вызывая сдвиги в метаболизме или функциях 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 (ГК) представляет собой изофермент гексокиназы, гомологично связанный по крайней мере с тремя другими гексокиназами. Все гексокиназы могут опосредовать фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата (Г6Ф), что является первой стадией как синтеза гликогена, так и гликолиза. Однако глюкокиназа кодируется отдельным геном, и её отличительные кинетические свойства позволяют ей выполнять другой набор функций. Глюкокиназа имеет более низкое сродство к глюкозе, чем другие гексокиназы, и её активность локализована в нескольких типах клеток, в результате чего остальные три гексокиназы являются более важными факторами подготовки 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.
Номенклатура Альтернативные названия этого фермента: человеческая гексокиназа IV, гексокиназа D и АТФ:D-гексоза 6-фосфотрансфераза, ЕС 2.7.1.1 (ранее 2.7.1.2). Общее название глюкокиназа происходит от её относительной специфичности к глюкозе в физиологических условиях.
Некоторые биохимики утверждают, что следует отказаться от названия глюкокиназа как вводящего в заблуждение, поскольку этот фермент может фосфорилировать другие гексозы в правильных условиях, а у бактерий есть отдалённо родственные ферменты с более абсолютной специфичностью для глюкозы, которые лучше заслуживают названия и EC 2.7. 1.2 . Тем не менее, название глюкокиназа остаётся предпочтительным в контексте медицины и физиологии млекопитающих.
Другая глюкозокиназа млекопитающих, АДФ-специфическая глюкокиназа, была открыта в 2004 году Этот ген отличается и похож на ген примитивных организмов. Он зависит от АДФ, а не от АТФ (что предполагает возможность более эффективного функционирования при гипоксии), а метаболическую роль и важность ещё предстоит выяснить.
Катализ
Субстраты и продукты Основным физиологическим субстратом глюкокиназы является глюкоза, а наиболее важным продуктом — глюкозо-6-фосфат. Другой необходимый субстрат, из которого получают фосфат, — это 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 определённых условиях глюкокиназа, как и другие гексокиназы, может индуцировать фосфорилирование других гексоз (6-углеродных сахаров) и подобных молекул. Таким образом, общая реакция глюкокиназы более точно описывается как:
Гексоза + MgATP2- → Гексоза-PO2-3 + MgADP- + H+
Среди субстратов гексозы есть манноза, фруктоза и глюкозамин, но сродство глюкокиназы к ним требует концентраций, не обнаруживаемых в клетках для значительной активности.
Кинетика Два важных кинетических свойства отличают глюкокиназу от других гексокиназ, что позволяет ей выполнять особую роль в качестве сенсора глюкозы.
Глюкокиназа имеет более низкое сродство к глюкозе, чем другие гексокиназы. Глюкокиназа изменяет конформацию и/или функцию параллельно с повышением концентрации глюкозы в физиологически важном диапазоне 4-10 ммоль/л (72-180 мг/дл). Она наполовину насыщена при концентрации глюкозы около 8 ммоль/л (144 мг/дл). Глюкокиназа не ингибируется её продуктом, глюкозо-6-фосфатом. Это позволяет непрерывно выводить сигнал (например, запускать высвобождение инсулина) среди значительных количеств её продукта.
Эти две функции позволяют глюкокиназе регулировать метаболический путь, «управляемый поставками». То есть скорость реакции зависит от предложения глюкозы, а не от спроса на конечные продукты.
Ещё одним отличительным свойством глюкокиназы является её умеренная кооперативность с глюкозой с коэффициентом Хилла (nH) около 1,7. Глюкокиназа имеет только один сайт связывания для глюкозы и является единственным мономерным регуляторным ферментом, который, как известно, проявляет кооперативность с субстратом. Постулируется, что природа кооперативности включает «медленный переход» между двумя различными состояниями фермента с разной скоростью активности. Если доминирующее состояние зависит от концентрации глюкозы, оно будет производить очевидную кооперативность, аналогичную наблюдаемой.
Из-за этой кооперативности кинетическое взаимодействие глюкокиназы с глюкозой не соответствует классической кинетике Михаэлиса-Ментен. Вместо Km для глюкозы более точно описать уровень половинного насыщения S0,5, который представляет собой концентрацию, при которой фермент является насыщенным и активным на 50 %.
S0,5 и nH экстраполируются в «точку перегиба» кривой, описывающей активность фермента в зависимости от концентрации глюкозы около 4 ммоль/л. Другими словами, при концентрации глюкозы около 72 м/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 примерно 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, означает, что концентрация АТФ редко влияет на активность глюкокиназы.
Максимальная удельная активность (kcat, также известная как скорость оборота) глюкокиназы при насыщении обоими субстратами составляет 62 /с.
Оптимум pH глюкокиназы человека был идентифицирован только недавно, и он неожиданно высок и составляет 8,5-8,7.
«Минимальная математическая модель» была разработана на основе вышеуказанной кинетической информации для прогнозирования скорости фосфорилирования глюкозы бета-клеток (BGPR) нормальной («дикого типа») глюкокиназы и её 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 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.
Структура
Глюкокиназа — это мономерный белок, состоящий из 465 аминокислот и молекулярной массы около 50 кДа. На поверхности есть по крайней мере два сайта, один для активного центра, в котором происходит связывание глюкозы и MgATP, а другой для предполагаемого аллостерического активатора, который ещё не идентифицирован.
Это примерно вдвое меньше, чем у других гексокиназ млекопитающих, которые сохраняют определённую степень димерной структуры. Связывающий АТФ домен является общим с гексокиназами, бактериальными глюкокиназами и другими белками, и общая структура называется укладкой актина .
Генетика Глюкокиназа человека кодируется геном GCK на хромосоме 7. Этот единственный аутосомный ген имеет 10 экзонов. Гены глюкокиназы у других животных гомологичны GCK человека.
Отличительной особенностью гена является то, что он начинается двумя промоторными участками. 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 продуцировать несколько разные молекулы в печени и в других тканях. Две изоформы глюкокиназы различаются только 13-15 аминокислотами на N-конце молекулы, что даёт лишь минимальное различие в структуре. Две изоформы имеют одинаковые кинетические и функциональные характеристики.
Первый промотор с 5'-конца, называемый «вышестоящим» или нейроэндокринным промотором, активен в клетках островков поджелудочной железы, нервной ткани и энтероцитах (клетках тонкого кишечника), продуцируя «нейроэндокринную изоформу» глюкокиназы. Второй промотор, «нижележащий» или печёночный промотор, активен в гепатоцитах и направляет продукцию «изоформы печени». Два промотора имеют небольшую гомологию последовательностей или не имеют её и разделены последовательностью 30 тыс. пар оснований, которая, как ещё не было показано, вызывает какие-либо функциональные различия между изоформами. Два промотора функционально исключают друг друга и регулируются разными наборами регуляторных факторов, так что экспрессия глюкокиназы может регулироваться отдельно в разных типах тканей. Эти два промотора соответствуют двум широким категориям функции глюкокиназы: в печени глюкокиназа действует как ворота для «массовой обработки» доступной глюкозы, в то время как в нейроэндокринных клетках она действует как сенсор, запускающий клеточные реакции, которые влияют на организм: широкий углеводный обмен.
Распределение по системам органов Глюкокиназа была обнаружена в определённых клетках четырёх типов тканей млекопитающих: печени, поджелудочной железы, тонкой кишки и мозга. Все они играют решающую роль в реагировании на повышение или понижение уровня глюкозы в крови.
Преобладающими клетками печени являются гепатоциты, и ГК обнаруживается исключительно в этих клетках. Во время переваривания углеводной пищи, когда глюкозы в крови много, а уровень инсулина высок, гепатоциты удаляют глюкозу из крови и хранят её в виде гликогена. После завершения переваривания и всасывания печень производит глюкозу как из не-глюкозных субстратов (глюконеогенез), так и из гликогена (гликогенолиз) и экспортирует её в кровь для поддержания адекватного уровня глюкозы в крови во время голодания. Поскольку активность ГК быстро возрастает по мере повышения концентрации глюкозы, она служит центральным метаболическим переключателем для переключения углеводного обмена в печени между состояниями питания и голодания. Фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата ГК облегчает хранение глюкозы в виде гликогена и утилизацию путём гликолиза. Отдельный промотор печени позволяет регулировать глюкокиназу в гепатоцитах иначе, чем в нейроэндокринных клетках. Нейроэндокринные клетки поджелудочной железы, кишечника и головного мозга имеют некоторые общие аспекты выработки, регуляции и функционирования глюкокиназы. В этом контексте эти ткани в совокупности называются «нейроэндокринными» клетками. Бета-клетки и альфа-клетки островков поджелудочной железы Бета — клетки выделяют инсулин в ответ на повышение уровня глюкозы. Инсулин позволяет многим типам клеток импортировать и использовать глюкозу, а также сигнализирует печени о необходимости синтеза гликогена. Альфа-клетки вырабатывают меньше глюкагона в ответ на повышение уровня глюкозы и больше глюкагона, если уровень глюкозы в крови низкий. Глюкагон служит сигналом печени для расщепления гликогена и высвобождения глюкозы в кровь. Глюкокиназа в бета-клетках служит датчиком глюкозы, усиливая секрецию инсулина по мере повышения уровня глюкозы в крови.