GCK

Die Glucokinase (GCK, EC 2.7.1.2), die überwiegend in Leber und Pankreas des Menschen und der meisten anderen Wirbeltiere vorkommt, ist ein Hexokinase-Isoenzym, das die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-phosphat katalysiert. Sie ist von großer Bedeutung für die Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels, indem sie als Glukosesensor wirkt und metabolische oder zelluläre Funktionsänderungen auslöst, die auf steigende oder fallende Glukosespiegel reagieren, wie sie beispielsweise nach einer Mahlzeit oder während des Fastens auftreten. Mutationen in GCK können atypische Formen von Diabetes oder Hypoglykämie verursachen. GCK ist homolog zu mindestens drei weiteren Hexokinasen, die alle die Phosphorylierung von Glukose vermitteln können – den ersten Schritt sowohl der Glykogensynthese als auch der Glykolyse. Im Vergleich zu den anderen Hexokinasen besitzt GCK jedoch eine geringere Affinität zu Glukose, und ihre Aktivität ist auf wenige Zelltypen beschränkt, wodurch die anderen drei Hexokinasen für die Glykolyse und Glykogensynthese in den meisten Geweben und Organen eine zentralere Rolle spielen. Aufgrund dieser reduzierten Affinität variiert die Aktivität von GCK unter üblichen physiologischen Bedingungen erheblich in Abhängigkeit von der Glukosekonzentration. Darüber hinaus wird GCK von einem separaten Gen kodiert und weist einzigartige kinetische Eigenschaften auf, wodurch sie ein anderes Funktionsspektrum bereitstellen kann.

Nomenklatur

Für dieses Enzym existieren mehrere alternative Bezeichnungen, darunter humane Hexokinase IV, Hexokinase D sowie ATP:D-Hexose-6-phosphotransferase. Die gebräuchliche Bezeichnung Glucokinase leitet sich von ihrer relativen Spezifität für Glukose unter physiologischen Bedingungen ab. Es wurde diskutiert, dass der Name Glucokinase irreführend sei und aufgegeben werden sollte, da dieses Enzym unter geeigneten Bedingungen auch andere Hexosen phosphorylieren kann und einige entfernt verwandte bakterielle Enzyme mit deutlich absoluterer Glukosespezifität die Bezeichnung Glucokinase eher rechtfertigen würden. Dennoch ist Glucokinase in den Kontexten der Medizin und der Säugetierphysiologie weiterhin die bevorzugte Bezeichnung.

Struktur

Glucokinase ist ein monomeres Protein mit 465 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von etwa 50 kDa. In GCK existieren mindestens zwei Spalten: eine für das aktive Zentrum zur Bindung von Glukose und MgATP sowie eine weitere für einen mutmaßlichen allosterischen Aktivator, der bislang nicht identifiziert wurde. Die Größe von GCK beträgt etwa die Hälfte der anderen Säugetier-Hexokinasen, die einen gewissen Grad an dimerer Struktur beibehalten. Die ATP-Bindedomäne wird von Hexokinasen, bakteriellen GCKs und weiteren Proteinen geteilt; die gemeinsame Struktur wird als Actin-Fold bezeichnet.

Die humane GCK wird durch das einzelne autosomale GCK-Gen mit 10 Exons auf Chromosom 7 kodiert; die GCK-Gene anderer Tiere sind homolog zur humanen GCK. Das Gen weist ein charakteristisches Merkmal auf, indem es am 5'-Ende mit zwei gewebespezifischen Promotorregionen beginnt, die im ersten Exon enthalten sind. Eine an einem der beiden Promotoren initiierte Transkription kann in der Leber und in anderen Geweben ein geringfügig unterschiedliches Molekül erzeugen. Die beiden GCK-Isoformen unterscheiden sich lediglich um 13–15 Aminosäuren am N-terminalen Ende des Moleküls, was nur zu einem vernachlässigbaren Strukturunterschied führt; beide GCK-Isoformen besitzen jedoch identische kinetische und funktionelle Eigenschaften. Eine weitere Säugetier-Glukokinase, die ADP-spezifische GCK, die 2004 entdeckt wurde, wird durch ein eigenständiges Gen kodiert, das dem primitiver Organismen ähnelt. Sie ist von ADP statt ATP abhängig, was auf eine potenziell effizientere Funktion unter Hypoxie hindeutet.

Katalyse

Das physiologisch wichtigste Substrat von GCK ist Glukose, und das bedeutendste Produkt ist Glukose-6-phosphat. Ein weiteres notwendiges Substrat zur Bereitstellung der Phosphatgruppe ist ATP, das durch Abspaltung eines Phosphats zu ADP umgesetzt wird. Die von GCK katalysierte Reaktion ist nachfolgend dargestellt:

Abbildung 1. Durch Glucokinase katalysierte Phosphorylierung von Glukose.

In diesem Prozess liegt ATP als Komplex mit dem Kofaktor Magnesium vor. Unter bestimmten Bedingungen wirkt GCK wie andere Hexokinasen und katalysiert die Phosphorylierung weiterer Hexosen und ähnlicher Moleküle, wie Mannose, Fruktose und Glucosamin. Daher lässt sich die allgemeine GCK-Reaktion präziser wie folgt beschreiben:

Abbildung 2. Allgemeine durch Glucokinase katalysierte Reaktion.

GCK unterscheidet sich von anderen Hexokinasen durch zwei wesentliche kinetische Eigenschaften, die es ihr ermöglichen, in einer speziellen Rolle als Glukosesensor zu fungieren. Die Konformation und/oder Funktion von GCK kann sich parallel zu steigenden Glukosekonzentrationen im physiologisch relevanten Bereich von 4–10 mmol/L verändern. Eine Halbmaximalsättigung wird bei einer Glukosekonzentration von etwa 8 mmol/L erreicht. Die Aktivität von GCK wird nicht durch ihr Produkt Glukose-6-phosphat gehemmt, wodurch auch bei erheblichen Produktmengen eine kontinuierliche Signalabgabe möglich ist. Diese beiden Eigenschaften erlauben die Regulation eines „angebotsgetriebenen“ Stoffwechselwegs, d. h. die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch das Angebot an Glukose und nicht durch die Nachfrage nach Endprodukten bestimmt.

Eine moderate Kooperativität gegenüber Glukose stellt eine weitere charakteristische Eigenschaft von GCK dar, obwohl sie nur eine einzige Bindungsstelle für Glukose besitzt und das einzige bekannte monomere regulatorische Enzym mit Substratkooperativität ist. Es wurde postuliert, dass die Kooperativität auf einem „langsamen Übergang“ zwischen zwei unterschiedlichen Enzymzuständen mit unterschiedlichen Aktivitätsraten beruht.

Klinische Bedeutung

Da Insulin einer der wichtigsten Regulatoren der GCK-Synthese ist, hemmt Diabetes mellitus aller Typen die Synthese und Aktivität von GCK über verschiedene Mechanismen. Die GCK-Aktivität ist zudem empfindlich gegenüber oxidativem Zellstress, insbesondere in Betazellen. Es wurden etwa 200 Mutationen des humanen GCK-Gens identifiziert, die die Effizienz der Glukosebindung und -phosphorylierung verändern können, wodurch die Glukosesensitivität der Betazelle hinsichtlich der Insulinsekretion erhöht oder vermindert wird und klinisch relevante Hyperglykämien oder Hypoglykämien entstehen können. Mehr als 190 dieser Mutationen beeinträchtigen die funktionelle Effizienz von GCK nachteilig. Eine Heterozygotie für Allele mit reduzierter Enzymaktivität erhöht die Schwelle für Insulinfreisetzung und -persistenz und führt zu einer milden Hyperglykämie, die als „Maturity-Onset Diabetes of the Young“ (MODY), Typ 2, bezeichnet wird, während eine Homozygotie für GCK-Allele mit reduzierter Funktion zu einem schweren kongenitalen Insulinmangel führt, der mit einem persistierenden neonatalen Diabetes einhergeht. Derzeit laufen Forschungsarbeiten zur Aktivierung von GCK in der Hoffnung, Typ-2-Diabetes therapeutisch zu behandeln.

Referenz