La glucoquinasa ( EC 2.7.1.2 ) es una enzima que facilita la fosforilación de glucosa a glucosa-6-fosfato . La glucoquinasa se encuentra en las células del hígado y el páncreas de los seres humanos y en la mayoría de los demás vertebrados . En cada uno de estos órganos juega un papel importante en la regulación del metabolismo de los carbohidratos al actuar como un sensor de glucosa, desencadenando cambios en el metabolismo o la función celular en respuesta al aumento o disminución de los niveles de glucosa, como ocurre después de una comida o en ayunas . Mutaciones delEl gen de esta enzima puede causar formas inusuales de diabetes o hipoglucemia .
GCK | |||||||||||||||||||||||||
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Identificadores | |||||||||||||||||||||||||
Alias | GCK , FGQTL3, GK, GLK, HHF3, HK4, HKIV, HXKP, LGLK, MODY2, glucoquinasa | ||||||||||||||||||||||||
Identificaciones externas | OMIM : 138079 MGI : 1270854 HomoloGene : 55440 GeneCards : GCK | ||||||||||||||||||||||||
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Ortólogos | |||||||||||||||||||||||||
Especies | Humano | Ratón | |||||||||||||||||||||||
Entrez |
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Ubicación (UCSC) | n / A | Crónicas 11: 5,9 - 5,95 Mb | |||||||||||||||||||||||
Búsqueda en PubMed | [2] | [3] | |||||||||||||||||||||||
Wikidata | |||||||||||||||||||||||||
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Glucoquinasa | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 2.7.1.2 | |||||||
No CAS. | 9001-36-9 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Ontología de genes | AmiGO / QuickGO | |||||||
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La glucoquinasa (GK) es una isoenzima de hexoquinasa , relacionada de manera homóloga con al menos otras tres hexoquinasas. [4] Todas las hexoquinasas pueden mediar en la fosforilación de glucosa a glucosa-6-fosfato (G6P), que es el primer paso tanto de la síntesis de glucógeno como de la glucólisis . Sin embargo, la glucoquinasa está codificada por un gen separado y sus propiedades cinéticas distintivas le permiten cumplir un conjunto diferente de funciones. La glucoquinasa tiene una afinidad menor por la glucosa que las otras hexoquinasas y su actividad se localiza en unos pocos tipos de células, dejando a las otras tres hexoquinasas como preparadores más importantes de glucosa para la glucólisis y la síntesis de glucógeno en la mayoría de los tejidos y órganos. Debido a esta afinidad reducida, la actividad de la glucoquinasa, en condiciones fisiológicas habituales , varía sustancialmente según la concentración de glucosa. [5]
Nomenclatura
Los nombres alternativos para esta enzima son: hexoquinasa IV humana, hexoquinasa D y ATP: D-hexosa 6-fosfotransferasa, EC 2.7.1.1 (anteriormente 2.7.1.2). El nombre común, glucoquinasa, se deriva de su relativa especificidad por la glucosa en condiciones fisiológicas.
Algunos bioquímicos han argumentado que el nombre glucoquinasa debería abandonarse por engañoso, ya que esta enzima puede fosforilar otras hexosas en las condiciones adecuadas, y hay enzimas relacionadas lejanamente en bacterias con una especificidad más absoluta por la glucosa que merecen mejor el nombre y la EC 2.7. 1.2 . [5] [6] Sin embargo, glucoquinasa sigue siendo el nombre preferido en el contexto de la medicina y la fisiología de los mamíferos .
En 2004 se descubrió otra glucosa quinasa de mamífero, la glucocinasa específica de ADP . [7] El gen es distinto y similar al de los organismos primitivos. Depende del ADP más que del ATP (lo que sugiere la posibilidad de una función más eficaz durante la hipoxia ), y el papel metabólico y la importancia quedan por dilucidar.
Catálisis
Sustratos y productos
El principal sustrato de importancia fisiológica de la glucocinasa es la glucosa , y el producto más importante es la glucosa-6-fosfato (G6P). El otro sustrato necesario, del que se deriva el fosfato, es el trifosfato de adenosina (ATP), que se convierte en difosfato de adenosina (ADP) cuando se elimina el fosfato. La reacción catalizada por la glucoquinasa es:
El ATP participa en la reacción en forma complejada con magnesio (Mg) como cofactor . Además, bajo ciertas condiciones, la glucoquinasa, como otras hexoquinasas, puede inducir la fosforilación de otras hexosas ( azúcares de 6 carbonos ) y moléculas similares. Por lo tanto, la reacción general de la glucoquinasa se describe con mayor precisión como: [6]
- Hexosa + MgATP2−
→ hexosa- P O2−
3+ MgADP-
+ H+
- Hexosa + MgATP2−
Entre los sustratos de hexosa se encuentran manosa , fructosa y glucosamina , pero la afinidad de la glucoquinasa por estos requiere concentraciones que no se encuentran en las células para una actividad significativa. [8]
Cinética
Dos propiedades cinéticas importantes distinguen a la glucoquinasa de las otras hexoquinasas, lo que le permite funcionar en un papel especial como sensor de glucosa.
- La glucoquinasa tiene menor afinidad por la glucosa que las otras hexoquinasas. La glucocinasa cambia de conformación y / o función en paralelo con el aumento de las concentraciones de glucosa en el rango fisiológicamente importante de 4 a 10 mmol / L (72 a 180 mg / dL ). Está semisaturado a una concentración de glucosa de aproximadamente 8 mmol / L (144 mg / dL). [9] [10]
- La glucoquinasa no es inhibida por su producto, glucosa-6-fosfato. [9] Esto permite una salida de señal continua (por ejemplo, para desencadenar la liberación de insulina ) en medio de cantidades significativas de su producto [10]
Estas dos características le permiten regular una vía metabólica "impulsada por el suministro". Es decir, la velocidad de reacción es impulsada por el suministro de glucosa, no por la demanda de productos finales.
Otra propiedad distintiva de la glucoquinasa es su cooperatividad moderada con la glucosa, con un coeficiente de Hill ( n H ) de aproximadamente 1,7. [10] La glucoquinasa tiene un solo sitio de unión para la glucosa y es la única enzima reguladora monomérica conocida por mostrar cooperatividad de sustrato. Se ha postulado que la naturaleza de la cooperatividad implica una "transición lenta" entre dos estados enzimáticos diferentes con diferentes tasas de actividad. Si el estado dominante depende de la concentración de glucosa, produciría una aparente cooperatividad similar a la observada. [11]
Debido a esta cooperatividad, la interacción cinética de la glucoquinasa con la glucosa no sigue la cinética clásica de Michaelis-Menten . En lugar de una K m para la glucosa, es más preciso describir un nivel de semisaturación S 0.5 , que es la concentración a la que la enzima está saturada y activa al 50%.
El S 0,5 y el nH se extrapolan a un "punto de inflexión" de la curva que describe la actividad enzimática en función de la concentración de glucosa a aproximadamente 4 mmol / L. [12] En otras palabras, a una concentración de glucosa de aproximadamente 72 mg / dL, que está cerca del límite inferior del rango normal, la actividad de la glucoquinasa es más sensible a los pequeños cambios en la concentración de glucosa.
La relación cinética con el otro sustrato, MgATP, puede describirse mediante la cinética clásica de Michaelis-Menten, con una afinidad de aproximadamente 0,3 a 0,4 mmol / L, muy por debajo de una concentración intracelular típica de 2,5 mmol / L. El hecho de que casi siempre haya un exceso de ATP disponible implica que la concentración de ATP rara vez influye en la actividad de la glucoquinasa.
La actividad específica máxima ( k cat , también conocida como tasa de renovación) de la glucoquinasa cuando está saturada con ambos sustratos es 62 / s. [9]
El pH óptimo de la glucoquinasa humana se identificó sólo recientemente y es sorprendentemente alto, a un pH de 8,5 a 8,7. [13]
Se ha ideado un "modelo matemático mínimo" basado en la información cinética anterior para predecir la tasa de fosforilación de glucosa en células beta (BGPR) de la glucocinasa normal ("tipo salvaje") y las mutaciones conocidas. El BGPR para la glucoquinasa de tipo salvaje es de aproximadamente 28% a una concentración de glucosa de 5 mmol / l, lo que indica que la enzima está funcionando al 28% de su capacidad en el umbral de glucosa habitual para desencadenar la liberación de insulina.
Mecanismo
Los grupos sulfhidrilo de varias cisteínas rodean el sitio de unión de la glucosa. Todos excepto el cys 230 son esenciales para el proceso catalítico, formando múltiples puentes disulfuro durante la interacción con los sustratos y reguladores. Al menos en las células beta, la relación de moléculas de glucoquinasa activas a inactivas está determinada al menos en parte por el equilibrio de oxidación de grupos sulfhidrilo o reducción de puentes disulfuro.
Estos grupos sulfhidrilo son bastante sensibles al estado de oxidación de las células, por lo que la glucoquinasa es uno de los componentes más vulnerables al estrés oxidativo, especialmente en las células beta.
Mapa de ruta interactivo
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- ^ El mapa de ruta interactivo se puede editar en WikiPathways: "GlycolysisGluconeogenesis_WP534" .
Estructura
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La glucoquinasa es una proteína monomérica de 465 aminoácidos y un peso molecular de aproximadamente 50 kD . Hay al menos dos hendiduras, una para el sitio activo , que une glucosa y MgATP, y la otra para un activador alostérico putativo que aún no se ha identificado. [15] [16]
Esto es aproximadamente la mitad del tamaño de las otras hexoquinasas de mamíferos, que retienen cierto grado de estructura dimérica. Varias secuencias y la estructura tridimensional de los sitios activos clave. El dominio de unión de ATP, por ejemplo, se comparte con hexoquinasas, glucocinasas bacterianas y otras proteínas, y la estructura común se denomina pliegue de actina .
Genética
La glucoquinasa humana está codificada por el gen GCK en el cromosoma 7 . Este único gen autosómico tiene 10 exones . [17] [18] Los genes de la glucoquinasa en otros animales son homólogos a la GCK humana . [9] [19]
Una característica distintiva del gen es que comienza con dos regiones promotoras . [20] El primer exón del extremo 5 'contiene dos regiones promotoras específicas de tejido. La transcripción puede comenzar en cualquier promotor (dependiendo del tejido) de modo que el mismo gen pueda producir una molécula ligeramente diferente en el hígado y en otros tejidos. Las dos isoformas de la glucocinasa difieren solo en 13 a 15 aminoácidos en el extremo N-terminal de la molécula, lo que produce solo una diferencia mínima en la estructura. Las dos isoformas tienen las mismas características cinéticas y funcionales. [5]
El primer promotor del extremo 5 ', denominado promotor "corriente arriba" o neuroendocrino, es activo en las células de los islotes pancreáticos, el tejido neural y los enterocitos ( células del intestino delgado ) para producir la "isoforma neuroendocrina" de la glucocinasa. [20] El segundo promotor, el "aguas abajo" o promotor hepático, es activo en los hepatocitos y dirige la producción de la "isoforma hepática". [21] Los dos promotores tienen poca o ninguna homología de secuencia y están separados por una secuencia de 30 k pb que aún no ha demostrado incurrir en diferencias funcionales entre las isoformas. [5] Los dos promotores son funcionalmente exclusivos y se rigen por distintos conjuntos de factores reguladores, de modo que la expresión de glucoquinasa puede regularse por separado en diferentes tipos de tejidos. [5] Los dos promotores corresponden a dos categorías amplias de función de la glucocinasa: en el hígado, la glucocinasa actúa como la puerta de entrada para el "procesamiento masivo" de la glucosa disponible, mientras que, en las células neuroendocrinas, actúa como un sensor, desencadenando respuestas celulares que afectan el metabolismo de los carbohidratos en todo el cuerpo.
Distribución entre sistemas de órganos
Se ha descubierto glucoquinasa en células específicas de cuatro tipos de tejido de mamíferos: hígado, páncreas, intestino delgado y cerebro. Todos juegan un papel crucial en la respuesta al aumento o descenso de los niveles de glucosa en sangre .
- Las células predominantes del hígado son los hepatocitos , y GK se encuentra exclusivamente en estas células. Durante la digestión de una comida con carbohidratos, cuando la glucosa en sangre es abundante y los niveles de insulina son altos, los hepatocitos eliminan la glucosa de la sangre y la almacenan como glucógeno . Una vez completada la digestión y la absorción, el hígado produce glucosa a partir de sustratos distintos de la glucosa ( gluconeogénesis ) y glucógeno ( glucogenólisis ), y la exporta a la sangre para mantener niveles adecuados de glucosa en sangre durante el ayuno. Debido a que la actividad de GK aumenta rápidamente a medida que aumenta la concentración de glucosa, sirve como un interruptor metabólico central para cambiar el metabolismo de los carbohidratos hepáticos entre los estados de alimentación y ayuno. La fosforilación de glucosa a glucosa-6-fosfato por GK facilita el almacenamiento de glucosa como glucógeno y su eliminación por glucólisis. El promotor hepático separado permite que la glucoquinasa se regule de manera diferente en los hepatocitos que en las células neuroendocrinas.
- Las células neuroendocrinas del páncreas, el intestino y el cerebro comparten algunos aspectos comunes de la producción, regulación y función de la glucocinasa. [22] Estos tejidos se denominan colectivamente células "neuroendocrinas" en este contexto.
- Células beta y células alfa de los islotes pancreáticos.
- Las células beta liberan insulina en respuesta al aumento de los niveles de glucosa. La insulina permite que muchos tipos de células importen y utilicen glucosa, y le indica al hígado que sintetice glucógeno. Las células alfa producen menos glucagón en respuesta al aumento de los niveles de glucosa y más glucagón si la glucosa en sangre es baja. El glucagón sirve como una señal para que el hígado descomponga el glucógeno y libere glucosa a la sangre. La glucoquinasa en las células beta sirve como sensor de glucosa, amplificando la secreción de insulina a medida que aumenta la glucosa en sangre.
- En la célula beta pancreática, la glucoquinasa es una enzima reguladora clave. La glucoquinasa es muy importante en la regulación de la secreción de insulina y se la conoce como sensor de células beta pancreáticas. Las mutaciones en el gen que codifica la glucocinasa pueden causar tanto hiperglucemia como hipoglucemia debido a su papel central en la regulación de la liberación de insulina. [23]
- Neuronas del hipotálamo sensibles a la glucosa
- En respuesta al aumento o disminución de los niveles de glucosa, las células del hipotálamo se polarizan o despolarizan. Entre las reacciones neuroendocrinas del sistema nervioso central a la hipoglucemia se encuentra la activación de las respuestas adrenérgicas del sistema nervioso autónomo . Es probable que la glucoquinasa también sirva aquí como señal de glucosa. También se ha encontrado glucoquinasa en células de la pituitaria anterior .
- Enterocitos del intestino delgado
- Este es el menos comprendido de los sistemas de sensores de glucoquinasa. Parece probable que las respuestas a la glucosa entrante durante la digestión jueguen un papel en la amplificación incretina de la secreción de insulina durante una comida, o en la generación de señales de saciedad desde el intestino al cerebro.
- Células beta y células alfa de los islotes pancreáticos.
Distribución entre especies
La glucoquinasa hepática se presenta ampliamente, pero no de manera universal, en todas las especies de vertebrados. La estructura del gen y la secuencia de aminoácidos están muy conservadas entre la mayoría de los mamíferos (por ejemplo, la glucoquinasa de rata y humana es homóloga en más del 80%). Sin embargo, existen algunas excepciones inusuales: por ejemplo, no se ha descubierto en gatos y murciélagos , aunque algunos reptiles , aves , anfibios y peces lo tienen. Aún no se ha determinado si la glucoquinasa ocurre de manera similar en el páncreas y otros órganos. Se ha postulado que la presencia de glucoquinasa en el hígado refleja la facilidad con la que los carbohidratos pueden incluirse en la dieta de los animales .
Función y regulación
La mayor parte de la glucoquinasa en un mamífero se encuentra en el hígado y la glucoquinasa proporciona aproximadamente el 95% de la actividad de la hexoquinasa en los hepatocitos. La fosforilación de glucosa a glucosa-6-fosfato (G6P) por la glucoquinasa es el primer paso tanto de la síntesis de glucógeno como de la glucólisis en el hígado.
Cuando se dispone de abundante glucosa, la síntesis de glucógeno procede en la periferia de los hepatocitos hasta que las células están repletas de glucógeno. Luego, el exceso de glucosa se convierte cada vez más en triglicéridos para su exportación y almacenamiento en el tejido adiposo . La actividad de la glucocinasa en el citoplasma aumenta y disminuye con la glucosa disponible.
G6P, el producto de la glucoquinasa, es el sustrato principal de la síntesis de glucógeno, y la glucoquinasa tiene una estrecha asociación funcional y reguladora con la síntesis de glucógeno. Cuando su actividad es máxima, la GK y la glucógeno sintasa parecen estar localizadas en las mismas áreas periféricas del citoplasma de los hepatocitos en las que se produce la síntesis de glucógeno. El suministro de G6P afecta la tasa de síntesis de glucógeno no solo como sustrato primario, sino por estimulación directa de la glucógeno sintasa y la inhibición de la glucógeno fosforilasa .
La actividad de la glucoquinasa se puede amplificar o amortiguar rápidamente en respuesta a cambios en el suministro de glucosa, que normalmente resultan de comer y ayunar. La regulación ocurre a varios niveles y velocidades, y está influenciada por muchos factores que afectan principalmente a dos mecanismos generales:
- La actividad de la glucoquinasa se puede amplificar o reducir en minutos mediante acciones de la proteína reguladora de la glucoquinasa (GKRP). Las acciones de esta proteína están influenciadas por pequeñas moléculas como la glucosa y la fructosa.
- La cantidad de glucoquinasa puede aumentarse mediante la síntesis de nueva proteína. La insulina es la principal señal para el aumento de la transcripción, que opera principalmente a través de un factor de transcripción llamado proteína de unión al elemento regulador de esterol -1c (SREBP1c), excepto en el hígado. Esto ocurre dentro de una hora después de un aumento en los niveles de insulina, como después de una comida con carbohidratos. [ cita requerida ]
Transcripcional
Se cree que la insulina que actúa a través de la proteína de unión del elemento regulador de esteroles -1c (SREBP1c) es el activador directo más importante de la transcripción del gen de la glucocinasa en los hepatocitos. SREBP1c es un transactivador básico de cremallera de hélice-bucle-hélice (bHLHZ). Esta clase de transactivadores se une a la secuencia de genes "caja E" para varias enzimas reguladoras. El promotor del hígado en el primer exón del gen de la glucocinasa incluye una caja E de este tipo, que parece ser el principal elemento de respuesta a la insulina del gen en los hepatocitos. Anteriormente se pensaba que SREBP1c debía estar presente para la transcripción de glucoquinasa en hepatocitos, sin embargo, recientemente se demostró que la transcripción de glucoquinasa se llevaba a cabo normalmente en ratones knock out para SREBP1c. SREBP1c aumenta en respuesta a una dieta alta en carbohidratos, presuntamente como un efecto directo de la elevación frecuente de insulina. El aumento de la transcripción se puede detectar en menos de una hora después de que los hepatocitos se exponen a niveles crecientes de insulina.
Fructosa-2,6-bisfosfato ( F2,6P
2) también estimula la transcripción de GK, parece a través de Akt2 en lugar de SREBP1c. No se sabe si este efecto es uno de los efectos posteriores de la activación de los receptores de insulina o es independiente de la acción de la insulina. Niveles de F2,6P
2 desempeñan otras funciones amplificadoras en la glucólisis en los hepatocitos.
Otros factores de transacción que se sospecha que juegan un papel en la regulación de la transcripción de las células hepáticas incluyen:
- El factor nuclear hepático-4-alfa ( HNF4α ) es un receptor nuclear huérfano importante en la transcripción de muchos genes para las enzimas del metabolismo de carbohidratos y lípidos. Activa la transcripción de GCK .
- El factor estimulador 1 aguas arriba ( USF1 ) es otro transactivador básico de cremallera de hélice-bucle-hélice (bHLHZ).
- El factor nuclear hepático 6 ( HNF6 ) es un regulador transcripcional homeodominio de la "clase de un solo corte". El HNF6 también participa en la regulación de la transcripción de enzimas gluconeogénicas como la glucosa-6-fosfatasa y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa .
Hormonal y dietético
La insulina es, con mucho, la más importante de las hormonas que tienen efectos directos o indirectos sobre la expresión y la actividad de la glucoquinasa en el hígado. La insulina parece afectar tanto a la transcripción como a la actividad de la glucoquinasa a través de múltiples vías directas e indirectas. Mientras que el aumento de los niveles de glucosa en la vena porta aumenta la actividad de la glucocinasa, el aumento concomitante de insulina amplifica este efecto mediante la inducción de la síntesis de glucocinasa. La transcripción de la glucoquinasa comienza a aumentar una hora después de que aumentan los niveles de insulina. La transcripción de glucoquinasa se vuelve casi indetectable en casos de inanición prolongada, privación severa de carbohidratos o diabetes por deficiencia de insulina no tratada.
Los mecanismos por los cuales la insulina induce la glucocinasa pueden involucrar las dos principales vías intracelulares de acción de la insulina, la cascada de la quinasa regulada por señales extracelulares (ERK 1/2) y la cascada de la fosfoinositido 3-quinasa (PI3-K). Este último puede operar a través del transactivador FOXO1.
Sin embargo, como era de esperar dado su efecto antagonista sobre la síntesis de glucógeno, el glucagón y su AMPc de segundo mensajero intracelular suprime la transcripción y la actividad de la glucocinasa, incluso en presencia de insulina.
Otras hormonas como la triyodotironina ( T
3) y los glucocorticoides proporcionan efectos permisivos o estimulantes sobre la glucocinasa en determinadas circunstancias. La biotina y el ácido retinoico aumentan la transcripción del ARNm de GCK, así como la actividad de GK. Los ácidos grasos en cantidades significativas amplifican la actividad de GK en el hígado, mientras que el acil CoA de cadena larga la inhibe.
Hepático
La glucocinasa puede activarse e inactivarse rápidamente en los hepatocitos mediante una nueva proteína reguladora (proteína reguladora de la glucocinasa ), que opera para mantener una reserva inactiva de GK, que puede estar disponible rápidamente en respuesta a niveles crecientes de glucosa en la vena porta. [24]
GKRP se mueve entre el núcleo y el citoplasma de los hepatocitos y puede estar atado al citoesqueleto del microfilamento . Forma complejos reversibles 1: 1 con GK y puede moverlo desde el citoplasma al núcleo. Actúa como un inhibidor competitivo con la glucosa, de modo que la actividad enzimática se reduce a casi cero mientras está unida. Los complejos GK: GKRP están secuestrados en el núcleo mientras que los niveles de glucosa y fructosa son bajos. El secuestro nuclear puede servir para proteger a GK de la degradación por proteasas citoplasmáticas . GK puede liberarse rápidamente de GKRP en respuesta a niveles crecientes de glucosa. A diferencia de la GK en las células beta, la GK en los hepatocitos no está asociada con las mitocondrias.
La fructosa en cantidades minúsculas (micromolares) (después de la fosforilación por la cetohexoquinasa a fructosa-1-fosfato (F1P)) acelera la liberación de GK de GKRP. Esta sensibilidad a la presencia de pequeñas cantidades de fructosa permite que GKRP, GK y cetohexokinasa actúen como un "sistema de detección de fructosa", que indica que se está digiriendo una mezcla de carbohidratos y acelera la utilización de glucosa. Sin embargo, la fructosa 6-fosfato (F6P) potencia la unión de GK por GKRP. La F6P disminuye la fosforilación de la glucosa por GK cuando la glucogenólisis o la gluconeogénesis están en curso. F1P y F6P se unen al mismo sitio en GKRP. Se postula que producen 2 conformaciones diferentes de GKRP, una capaz de unirse a GK y la otra no.
Pancreático
Aunque la mayor parte de la glucoquinasa en el cuerpo se encuentra en el hígado, cantidades más pequeñas en las células beta y alfa del páncreas, ciertas neuronas hipotalámicas y células específicas (enterocitos) del intestino desempeñan un papel cada vez más apreciado en la regulación del metabolismo de los carbohidratos. En el contexto de la función de la glucocinasa, estos tipos de células se denominan colectivamente tejidos neuroendocrinos y comparten algunos aspectos de la regulación y función de la glucocinasa, especialmente el promotor neuroendocrino común. De las células neuroendocrinas, las células beta de los islotes pancreáticos son las más estudiadas y mejor comprendidas. Es probable que muchas de las relaciones reguladoras descubiertas en las células beta también existan en los otros tejidos neuroendocrinos con glucoquinasa.
Una señal para la insulina
En las células beta de los islotes , la actividad de la glucoquinasa sirve como un control principal para la secreción de insulina en respuesta al aumento de los niveles de glucosa en sangre. A medida que se consume G6P, cantidades crecientes de ATP inician una serie de procesos que dan como resultado la liberación de insulina. Una de las consecuencias inmediatas del aumento de la respiración celular es un aumento en las concentraciones de NADH y NADPH (denominados colectivamente NAD (P) H). Este cambio en el estado redox de las células beta resultados en el aumento intracelular de calcio niveles, cierre de la K ATP canales , la despolarización de la membrana celular, la fusión de los gránulos secretores de insulina con la membrana, y la liberación de insulina en la sangre.
Como señal para la liberación de insulina, la glucoquinasa ejerce el mayor efecto sobre los niveles de azúcar en sangre y la dirección general del metabolismo de los carbohidratos. La glucosa, a su vez, influye tanto en la actividad inmediata como en la cantidad de glucoquinasa producida en las células beta.
Regulación en células beta
La glucosa amplifica inmediatamente la actividad de la glucoquinasa por el efecto cooperativo.
Un segundo regulador rápido importante de la actividad de la glucoquinasa en las células beta se produce por la interacción proteína-proteína directa entre la glucoquinasa y la "enzima bifuncional" (fosfofructoquinasa-2 / fructosa-2,6-bisfosfatasa), que también desempeña un papel en la regulación de la glucólisis. . Esta asociación física estabiliza la glucoquinasa en una conformación catalíticamente favorable (algo opuesta al efecto de la unión de GKRP) que mejora su actividad.
En tan solo 15 minutos, la glucosa puede estimular la transcripción de GCK y la síntesis de glucoquinasa a través de la insulina. La insulina es producida por las células beta, pero parte de ella actúa sobre los receptores de insulina de tipo B de las células beta , proporcionando una amplificación autocrina por retroalimentación positiva de la actividad de la glucocinasa. Se produce una mayor amplificación por la acción de la insulina (a través de receptores de tipo A) para estimular su propia transcripción.
La transcripción del gen GCK se inicia a través del promotor "corriente arriba" o neuroendocrino. Este promotor, a diferencia del promotor del hígado, tiene elementos homólogos a otros promotores de genes inducidos por insulina. Entre los probables factores de transacción se encuentran Pdx-1 y PPARγ . Pdx-1 es un factor de transcripción de homeodominio involucrado en la diferenciación del páncreas. PPARγ es un receptor nuclear que responde a los fármacos glitazona aumentando la sensibilidad a la insulina.
Asociación con gránulos secretores de insulina
Gran parte de la glucocinasa que se encuentra en el citoplasma de las células beta, pero no toda, está asociada con los gránulos secretores de insulina y con las mitocondrias. La proporción así "unida" cae rápidamente en respuesta al aumento de la secreción de glucosa e insulina. Se ha sugerido que la unión tiene un propósito similar al de la proteína reguladora de la glucocinasa hepática: proteger la glucocinasa de la degradación para que esté disponible rápidamente a medida que aumenta la glucosa. El efecto es amplificar la respuesta de la glucoquinasa a la glucosa más rápidamente de lo que podría hacerlo la transcripción. [25]
Supresión de glucagón en células alfa
También se ha propuesto que la glucocinasa juega un papel en la detección de glucosa de las células alfa pancreáticas , pero la evidencia es menos consistente y algunos investigadores no han encontrado evidencia de actividad glucocinasa en estas células. Las células alfa se encuentran en los islotes pancreáticos, mezcladas con células beta y otras. Mientras que las células beta responden al aumento de los niveles de glucosa secretando insulina, las células alfa responden reduciendo la secreción de glucagón . Cuando la concentración de glucosa en sangre desciende a niveles hipoglucémicos , las células alfa liberan glucagón. El glucagón es una hormona proteica que bloquea el efecto de la insulina en los hepatocitos, induciendo glucogenólisis, gluconeogénesis y actividad reducida de glucocinasa en los hepatocitos. El grado en el que la supresión de glucosa del glucagón es un efecto directo de la glucosa a través de la glucoquinasa en las células alfa, o un efecto indirecto mediado por la insulina u otras señales de las células beta, todavía es incierto.
Hipotalámico
Si bien todas las neuronas usan la glucosa como combustible, ciertas neuronas que detectan la glucosa alteran sus velocidades de activación en respuesta al aumento o disminución de los niveles de glucosa. Estas neuronas sensibles a la glucosa se concentran principalmente en el núcleo ventromedial y el núcleo arqueado del hipotálamo , que regulan muchos aspectos de la homeostasis de la glucosa (especialmente la respuesta a la hipoglucemia), la utilización de combustible, la saciedad y el apetito y el mantenimiento del peso . Estas neuronas son más sensibles a los cambios de glucosa en el rango de glucosa de 0,5 a 3,5 mmol / L.
Se ha encontrado glucoquinasa en el cerebro en gran parte de las mismas áreas que contienen neuronas sensibles a la glucosa, incluidos los dos núcleos hipotalámicos. La inhibición de la glucocinasa anula la respuesta del núcleo ventromedial a una comida. Sin embargo, los niveles de glucosa cerebral son más bajos que los niveles plasmáticos, típicamente 0.5 a 3.5 mmol / L. Aunque este rango coincide con la sensibilidad de las neuronas sensibles a la glucosa, está por debajo de la sensibilidad de inflexión óptima para la glucoquinasa. La presunción, basada en la evidencia indirecta y la especulación, es que la glucoquinasa neuronal está de alguna manera expuesta a los niveles de glucosa plasmática incluso en las neuronas.
Enterocitos e incretinas
Si bien se ha demostrado que la glucoquinasa se encuentra en ciertas células (enterocitos) del intestino delgado y el estómago, su función y regulación no se han desarrollado. Se ha sugerido que aquí, también, la glucoquinasa sirve como sensor de glucosa, lo que permite que estas células proporcionen una de las primeras respuestas metabólicas a los carbohidratos entrantes. Se sospecha que estas células están involucradas en funciones incretinas .
Significación clínica
Dado que la insulina es uno de los reguladores de la síntesis de glucocinasa, si no el más importante, la diabetes mellitus de todos los tipos disminuye la síntesis y la actividad de la glucocinasa mediante una variedad de mecanismos. La actividad de la glucoquinasa es sensible al estrés oxidativo de las células, especialmente las células beta.
Se han descubierto alrededor de 200 mutaciones del gen GCK de la glucocinasa humana , que pueden cambiar la eficiencia de la unión y fosforilación de la glucosa, aumentando o disminuyendo la sensibilidad de la secreción de insulina de las células beta en respuesta a la glucosa y produciendo hiperglucemia o hipoglucemia clínicamente significativa .
Diabetes mellitus
Las mutaciones de GCK reducen la eficacia funcional de la molécula de glucoquinasa. La heterocigosidad de los alelos con actividad enzimática reducida da como resultado un umbral más alto para la liberación de insulina y una hiperglucemia leve y persistente. Esta condición se conoce como diabetes de inicio en la madurez de los jóvenes , tipo 2 (MODY2). La descripción general más reciente de la mutación GCK que se observó en pacientes afirma 791 mutaciones, de las cuales se cree que 489 causan la diabetes MODY y, por lo tanto, reducen la eficiencia funcional de la molécula de glucoquinasa. [26]
La homocigosidad de los alelos de GCK con función reducida puede causar una deficiencia congénita grave de insulina, lo que da como resultado una diabetes neonatal persistente .
Hipoglucemia hiperinsulinémica
Se ha descubierto que algunas mutaciones mejoran la secreción de insulina. La heterocigosidad para la ganancia de mutaciones funcionales reduce el umbral de glucosa que desencadena la liberación de insulina. Esto crea hipoglucemia de diferentes patrones, incluido el hiperinsulinismo congénito transitorio o persistente , o la hipoglucemia reactiva o en ayunas que aparece a una edad más avanzada. La descripción general más reciente de la mutación GCK que se observó en pacientes afirmó que 17 mutaciones GCK causan hipoglucemia hiperinsulinémica. [26]
No se ha encontrado homocigosidad para la ganancia de mutaciones de función.
Investigar
Varias compañías farmacéuticas están investigando moléculas que activan la glucoquinasa con la esperanza de que sea útil en el tratamiento de la diabetes tipo 1 [27] y tipo 2 . [28] [29] [30]
Referencias
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- Glucoquinasa en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .