Glukose-6-Phosphatase

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Einleitung

Sowohl die Glukoneogenese als auch die Glykogenolyse führen zur Bildung von Glukose-6-phosphat (Glc-6-P), das durch die Glukose-6-phosphatase (G6Pase) hydrolysiert werden muss, um Glukose zu erzeugen, die in den Blutkreislauf abgegeben werden kann. G6Pase spielt daher eine Schlüsselrolle in der Homöostase des Blutzuckers. Die Arbeiten von Cori zeigten, dass Glykogen durch Phosphorolyse zu Glukose-1-phosphat abgebaut wird, was bedeutet, dass das Phosphat in einem späteren Schritt entfernt werden muss, um freie Glukose zu generieren. de Duve und Mitarbeitende zeigten, dass die Leber eine Phosphatase enthält, die spezifisch auf Glc-6-P wirkt. Nachfolgende Studien zur subzellulären Fraktionierung zeigten, dass G6Pase mit dem endoplasmatischen Retikulum assoziiert ist. Ein weiterer Fortschritt war die Entdeckung, dass ein G6Pase-Mangel zur Glykogenspeicherkrankheit Typ I (GSD I) führt, sowie die 1975 von Arion und Mitarbeitenden aufgestellte Hypothese, dass die katalytische Stelle der G6Pase dem ER-Lumen zugewandt ist und Transporter für 6-P, Glukose und P_i erfordert.

Kinetische Eigenschaften

Die Eigenschaften der G6Pase hängen von der Integrität der mikrosomalen Membran ab. In intakten Mikrosomen katalysiert sie spezifisch die Hydrolyse von Glc-6-P, und ihre Aktivität gegenüber diesem Phosphatester ist mehr als 10-fach höher als gegenüber Mannose-6-phosphat (Man-6-P). Die Behandlung mit verschiedenen Detergenzien, einschließlich anionischer, kationischer und neutraler Detergenzien, stimuliert die Hydrolyse von Glc-6-P moderat, erhöht jedoch die Phosphataseaktivität gegenüber anderen Substraten wie Man-6-P, Glucosamin-6-phosphat und 2-Desoxyglukose-6-phosphat deutlich (10–15-fach). G6Pase hydrolysiert zudem Substrate außerhalb der Zuckerphosphate, wie PP_i und Carbamoylphosphate. Da ihr Reaktionsmechanismus Phosphatase-Intermediate umfasst, zeigt G6Pase auch eine Phosphotransferaseaktivität, die in der Lage ist, Glc-6-P und Carbamoylphosphat aus Glukose und verschiedenen Phosphatdonoren wie PP_i und Man-6-P zu synthetisieren. Diese Aktivitäten der G6Pase waren in Detergenz-behandelten Mikrosomen ausgeprägter. Es wurde vorgeschlagen, dass G6Pase auch an der Phosphorylierung von Glukose beteiligt sein kann, indem sie Carbamoylphosphat als Phosphatdonor nutzt, wenn die Zuckerkonzentrationen erhöht sind (wie bei Diabetes). Ein G6Pase-Mangel führt jedoch zu schwerer Hypoglykämie, und eine Überexpression führt zu Glukoseintoleranz, was darauf hindeutet, dass die physiologische Rolle dieses Enzyms in der Glukoseproduktion liegt. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit Studien an isolierten Hepatozyten, die zeigen, dass die Rate der Glukosephosphorylierung mit der Aktivität der Glukokinase korreliert.

Abbildung 1. Reaktionsmechanismus der G6Pase (SCHAFTINGEN, E.V. 2002)

cDNA und Gen

Beim Klonieren der cDNA, die für G6Pase kodiert, wurde die geringe Expression dieses Enzyms bei Mäusen genutzt, die homozygot für eine strahleninduzierte Albino-Mutation sind, welche in den ersten Stunden nach der Geburt eine schwere Hypoglykämie verursacht. Auch die Aktivität anderer hepatischer Enzyme, einschließlich Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und Glutaminsynthetase, war bei diesen Mäusen reduziert. Ein differentielles Screening der cDNA-Bibliothek führte zur Isolierung mehrerer Klone, die in der Leber homozygoter letaler Albino-Mutanten nur schwach exprimiert wurden. Die Expression der cDNA in COS-Zellen zeigte, dass sie tatsächlich für G6Pase kodiert. Die humane cDNA kodiert ein Protein derselben Größe wie die murine G6Pase. Beide sind 10–12 kb lang und enthalten fünf Exons. Das humane Gen ist auf 17q21 lokalisiert. cDNA-Sequenzen weiterer Spezies sind ebenfalls beschrieben, darunter Ratte, Hund und zwei Fischarten.

Das Screening einer Maus-Insulinom-Bibliothek ergab eine cDNA, die für ein Protein kodiert, das zu 49 % mit der hepatischen G6Pase identisch ist. Dieses Protein ist ebenfalls stark hydrophob und besitzt ein Retentionssignal des endoplasmatischen Retikulums. Northern-Blots zeigten, dass es ausschließlich im endokrinen Pankreas exprimiert wird. Die entsprechenden Gene der Maus, des Menschen und der Ratte, die zu dieser cDNA gehören, wurden identifiziert und ihre Strukturen bestimmt. Sowohl das Maus- als auch das humane Gen sind auf Chromosom 2 lokalisiert und weisen – wie das G6Pase-Gen – eine Fünf-Exon-Struktur auf. Das Rattengen scheint ein Pseudogen zu sein, da Exon 4 fehlt und Exon 1 und 5 durch Frameshift-Mutationen unterbrochen sind. Die Rolle – sofern vorhanden – des von diesem Gen in Mensch und Maus kodierten Produkts ist derzeit unklar.

Abbildung 2. Substrat-Transport-Modell (Arion-Modell) (SCHAFTINGEN, E.V. 2002)