GCK

Glucokinase (GCK, EC 2.7.1.2), das überwiegend in der Leber und der Bauchspeicheldrüse von Menschen und den meisten anderen Wirbeltieren vorkommt, ist ein Hexokinase-Isoenzym, das die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-phosphat katalysiert. Es ist von großer Bedeutung für die Regulierung des Kohlenhydratstoffwechsels, indem es als Glukosesensor fungiert, um Verschiebungen im Stoffwechsel oder in der Zellfunktion zu induzieren, die auf die steigenden oder fallenden Glukosespiegel reagieren, wie sie nach einer Mahlzeit oder beim Fasten auftreten. Eine Mutagenese von GCK könnte ungewöhnliche Formen von Diabetes oder Hypoglykämie verursachen. GCK ist homolog zu mindestens drei anderen Hexokinase, die alle die Phosphorylierung von Glukose vermitteln können, was der erste Schritt sowohl der Glykogensynthese als auch der Glykolyse ist. GCK hat jedoch eine geringere Affinität für Glukose im Vergleich zu den anderen Hexokinase, und seine Aktivität ist auf nur wenige Zelltypen beschränkt, wodurch die anderen drei Hexokinase für die Glykolyse und Glykogensynthese in den meisten Geweben und Organen entscheidender sind. Aufgrund dieser reduzierten Affinität variiert die Aktivität von GCK erheblich mit der Glukosekonzentration unter üblichen physiologischen Bedingungen. Darüber hinaus wird GCK von einem separaten Gen kodiert und hat einzigartige kinetische Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, eine andere Funktionalität bereitzustellen.

Nomenklatur

Es gibt einige alternative Namen für dieses Enzym, wie menschliche Hexokinase IV, Hexokinase D und ATP:D-hexose 6-phosphotransferase. Der übliche Name Glucokinase stammt von seiner relativen Spezifität für Glukose unter physiologischen Bedingungen. Es wurde bestritten, dass der Name Glucokinase irreführend ist und aufgegeben werden sollte, da dieses Enzym auch andere Hexosen unter geeigneten Bedingungen phosphorylieren kann, und einige entfernt verwandte Enzyme in Bakterien mit absoluter Spezifität für Glukose den Namen Glucokinase besser entsprechen. Dennoch ist Glucokinase in den Kontexten der Medizin und der Physiologie von Säugetieren weiterhin der bevorzugte Name.

Struktur

Glucokinase ist ein monomeres Protein mit 465 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von etwa 50 kD. Es existieren mindestens zwei Spalten in GCK, eine für die aktive Stelle, um mit Glukose und MgATP zu binden, und die andere für einen putativen allosterischen Aktivator, der noch nicht identifiziert wurde. Die Größe von GCK beträgt etwa die Hälfte der anderen Säugetierhexokinase, die einen gewissen Grad an dimerer Struktur beibehält. Die ATP-Bindungsdomäne wird von Hexokinase, bakteriellen GCKs und anderen Proteinen geteilt, und die gemeinsame Struktur wird als Aktin-Faltung bezeichnet.

Der menschliche GCK wird durch das einzelne autosomale GCK-Gen mit 10 Exons auf Chromosom 7 kodiert, und die Gene für GCK in anderen Tieren sind homolog zu menschlichem GCK. Das Gen hat ein charakteristisches Merkmal, indem es mit zwei gewebespezifischen Promotorregionen beginnt, die im ersten Exon vom 5'-Ende enthalten sind. Die Transkription, die an einem der Promotoren initiiert wird, könnte ein leicht unterschiedliches Molekül in der Leber und in anderen Geweben erzeugen. Die beiden Isoformen von GCK unterscheiden sich nur um 13–15 Aminosäuren am N-terminalen Ende des Moleküls, was zu nur einem vernachlässigbaren Unterschied in der Struktur führt, aber die beiden GCK-Isoformen besitzen die gleichen kinetischen und funktionalen Eigenschaften. Eine andere Säugetier-Glukokinase, die ADP-spezifische GCK, die 2004 entdeckt wurde, wird durch ein Gen kodiert, das sich von dem primitiver Organismen unterscheidet und ähnlich ist. Sie ist abhängig von ADP anstelle von ATP, was auf eine Wahrscheinlichkeit einer effektiveren Funktion während Hypoxie hindeutet.

Katalyse

Das Hauptsubstrat mit physiologischer Bedeutung von GCK ist Glukose, und das bedeutendste Produkt ist Glukose-6-phosphat. Ein weiteres notwendiges Substrat zur Produktion von Phosphat ist ATP, das durch Entfernen eines Phosphats in ADP umgewandelt wird. Die von GCK katalysierte Reaktion ist unten dargestellt:

Abbildung 1. Phosphorylierung von Glukose, katalysiert durch Glucokinase.

In diesem Verfahren wird ATP mit einem Cofaktor, Magnesium, komplexiert. Unter bestimmten Bedingungen funktioniert GCK wie andere Hexokinase, um die Phosphorylierung anderer Hexosen und ähnlicher Moleküle wie Mannose, Fruktose und Glucosamin auszulösen. Daher kann die allgemeine GCK-Reaktion präziser beschrieben werden als:

Abbildung 2. Allgemeine Reaktion, katalysiert durch Glucokinase.

GCK unterscheidet sich von anderen Hexokinase durch zwei wichtige kinetische Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, als Glukosesensor in einer besonderen Rolle zu fungieren. Die Konformation und/oder Funktion von GCK könnte parallel zu den steigenden Glukosekonzentrationen im physiologisch wichtigen Bereich von 4–10 mmol/L verändert werden. Es erreicht einen Halb-Sättigungszustand bei einer Glukosekonzentration von etwa 8 mmol/L. Die Aktivität von GCK wird nicht durch sein Produkt Glukose-6-phosphat gehemmt, was eine fortgesetzte Signalabgabe trotz signifikanter Mengen seines Produkts ermöglicht. Diese beiden Eigenschaften erlauben es, den "angebotgesteuerten" Stoffwechselweg zu regulieren, was bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit durch das Angebot an Glukose bestimmt wird, anstatt durch die Nachfrage nach Endprodukten.

Die moderate Kooperativität mit Glukose gehört zu einer weiteren charakteristischen Eigenschaft von GCK, das nur eine einzige Bindungsstelle für Glukose besitzt und das einzige bekannte monomere regulatorische Enzym ist, das Substratkooperativität zeigt. Es wurde postuliert, dass die Natur der Kooperativität einen "langsamen Übergang" zwischen zwei verschiedenen Enzymzuständen mit unterschiedlichen Aktivitätsraten umfasst.

Klinische Bedeutung

Da Insulin einer der wichtigsten Regulatoren der GCK-Synthese ist, hemmen Diabetes mellitus aller Art die Synthese und Aktivität von GCK durch verschiedene Mechanismen. Die GCK-Aktivität ist auch empfindlich gegenüber oxidativem Stress der Zellen, insbesondere der Betazellen. Etwa 200 Mutationen des menschlichen GCK-Gens wurden entdeckt, die eine Veränderung der Effizienz der Glukosebindung und -phosphorylierung verursachen könnten, wodurch die Empfindlichkeit der Betazelle, Insulin als Reaktion auf Glukose zu sekretieren, erhöht oder verringert wird, was zu klinisch signifikantem Hyperglykämie oder Hypoglykämie führt. Mehr als 190 dieser Mutationen zeigen eine nachteilige Wirkung auf die funktionale Effizienz von GCK. Heterozygotie für Allele mit reduzierter Enzymaktivität erhöht die Schwelle für die Insulinfreisetzung und -persistenz, was zu milder Hyperglykämie führt, die als Diabetes mellitus im Erwachsenenalter, Typ 2, bezeichnet wird, während Homozygotie für GCK-Allele mit reduzierter Funktion zu schwerer kongenitaler Insulinmangel führen würde, was ein Problem der persistierenden neonatalen Diabetes mit sich bringt. Forschungen sind im Gange, um GCK zu aktivieren, in der Hoffnung, Typ-2-Diabetes zu behandeln.

Referenz