| Glukokinase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pengenal pasti | |||||||||
| Nombor EC | 2.7.1.2 | ||||||||
| Nombor CAS | 9001-36-9 | ||||||||
| Pangkalan data | |||||||||
| IntEnz | Lihat IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entri BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Lihat NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Entri KEGG | ||||||||
| MetaCyc | Laluan metabolik | ||||||||
| PRIAM | Profil | ||||||||
| StrukturPDB | RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontologi gen | AmiGO /EGO | ||||||||
| |||||||||
Glukokinase (EC2.7.1.2) ialahenzim yang memudahkanpemfosforilanglukosa kepadaglukosa-6-fosfat. Glukokinase wujud dalamsel dalamhati danpankreas manusia serta kebanyakanvertebrata lain. Dalam setiap organ, ini ia memainkan peranan penting dalam pengawalanmetabolismekarbohidrat dengan bertindak sebagai pengesan glukosa, mencetuskan anjakan dalam metabolisme atau fungsi sel sebagai tindak balas kepada peningkatan atau penurunan paras glukosa, seperti berlaku selepas makan atau semasaberpuasa.Mutasigen untuk enzim ini boleh menyebabkan bentukdiabetes atauhipoglikemia yang luar biasa.
Glukokinase (GK) ialahisozimheksokinase, berkaitansecara homolog dengan sekurang-kurangnya tiga heksokinase lain.[3] Semua heksokinase boleh mengantara fosforilasi glukosa kepada glukosa-6-fosfat (G6P), langkah pertama kedua-dua sintesisglikogen sertaglikolisis. Walau bagaimanapun, glukokinasedikodkan olehgen yang berasingan dan sifatkinetiknya yang tersendiri, membolehkannya menjalankan satu set fungsi yang berbeza. Glukokinase mempunyai pertalian lebih rendah bagi glukosa berbanding heksokinase lain, dan aktivitinya disetempatkan kepada beberapa jenis sel, meninggalkan tiga heksokinase yang lain sebagai penyedia glukosa yang lebih penting untuk glikolisis dan sintesis glikogen untuk kebanyakan tisu dan organ. Oleh kerana pertalian yang berkurangan ini, aktiviti glukokinase dalamkeadaan fisiologi biasa adalah berbeza dengan ketara mengikut kepekatan glukosa.[4]
Nama alternatif enzim ini ialah: heksokinase IV manusia, heksokinase D dan ATP:D-heksosa 6-fosfotransferase,EC 2.7.1.1 (sebelum ini 2.7.1.2). Nama biasa, glukokinase, diperoleh daripada kekhususan relatifnya terhadap glukosa di bawah keadaan fisiologi.
Sesetengah ahli biokimia berpendapat bahawa nama glukokinase harus ditinggalkan kerana mengelirukan, kerana enzim ini boleh memfosforilkan heksosa lain dalam keadaan yang betul, dan terdapat enzim berkait jauh dalambakteria dengan kekhususan yang lebih mutlak untuk glukosa yang lebih layak diberi nama itu serta pengelasanEC2.7. 1.2.[4][5] Namun begitu, glukokinase kekal sebagai nama yang diutamakan dalam konteksperubatan danfisiologi mamalia.
Satu lagi kinase glukosa mamalia,glukokinase khusus ADP, ditemui pada tahun 2004.[6] Gen adalah berbeza dan serupa dengan organisma primitif. Ia bergantung kepadaADP berbanding ATP (mencadangkan kemungkinan fungsi yang lebih berkesan semasahipoksia), dan peranan dan kepentingan metabolik masih perlu dijelaskan.
Substrat utama kepentingan fisiologi glukokinase ialahglukosa, dan produk yang paling penting ialahglukosa-6-fosfat (G6P). Substrat lain yang diperlukan, yakni sumber fosfat, ialahadenosina trifosfat (ATP), yang ditukar kepadaadenosina difosfat (ADP) apabila fosfat dikeluarkan. Tindak balas yang dimangkinkan oleh glukokinase ialah:
ATP mengambil bahagian dalam tindak balas dalam bentuk kompleks kepadamagnesium (Mg) sebagaikofaktor. Tambahan pula, dalam keadaan tertentu, glukokinase, seperti heksokinase lain, boleh mendorong pemfosforilanheksosa (gula 6 karbon) lain dan molekul yang serupa. Oleh itu, tindak balas glukokinase am lebih tepat digambarkan sebagai:[5]
Antara substrat heksosa ialahmanosa,fruktosa danglukosamina, tetapi pertalian glukokinase untuk ini memerlukan kepekatan yang tidak ada dalam sel bagi menerbitkan aktiviti yang ketara.[7]
Dua sifatkinetik penting membezakan glukokinase daripada heksokinase yang lain, membolehkan ia berfungsi dalam peranan khas sebagai penderia glukosa.
Kedua-dua ciri ini membolehkannya mengawal selia laluan metabolik "didorong bekalan", yakni kadar tindak balas didorong oleh bekalan glukosa, bukan oleh permintaan terhadap produk akhir.
Satu lagi sifat tersendiri glukokinase ialahkekerjasamaan sederhana dengan glukosa, denganpekali Hill (nH) kira-kira 1.7.[9] Glukokinase hanya mempunyai satu tapak pengikatan glukosa, dan merupakan satu-satunya enzim kawal atur monomer yang diketahui memaparkan kekerjasamaan substrat. Sifat kerjasama telah dianggap melibatkan "peralihan perlahan" antara dua keadaan enzim yang berbeza dengan kadar aktiviti yang berbeza. Jika keadaan dominan bergantung pada kepekatan glukosa, ia akan menghasilkan kerjasama yang jelas serupa dengan yang diperhatikan.[10]
Oleh kerana kerjasama ini, interaksi kinetik glukokinase dengan glukosa tidak mengikutkinetik Michaelis-Menten klasik. DaripadaKm untuk glukosa, adalah lebih tepat untuk menggambarkan tahap separuh tepuS0.5, iaitu kepekatan di mana enzim adalah 50% tepu dan aktif.
S0.5 dan nH mengekstrapolasi terhadap"titik infleksi" lengkung yang menerangkan aktiviti enzim sebagai fungsi kepekatan glukosa pada kira-kira 4 mmol/L.[11] Dengan kata lain, pada kepekatan glukosa kira-kira 72 mg/dL, iaitu berhampiran hujung rendah julat normal, aktiviti glukokinase paling sensitif kepada perubahan kecil dalam kepekatan glukosa.
Hubungan kinetik dengan substrat lain, MgATP, boleh digambarkan oleh kinetik Michaelis-Menten klasik, dengan pertalian pada kira-kira 0.3-0.4 mmol/L, jauh di bawah kepekatan dalam sel biasa iaitu 2.5 mmol/L. Fakta bahawa hampir selalu terdapat lebihan ATP yang tersedia menunjukkan bahawa kepekatan ATP jarang mempengaruhi aktiviti glukokinase.
Aktiviti spesifik maksimum (kcat, juga dikenali sebagai kadar pusing ganti) glukokinase apabila tepu dengan kedua-dua substrat ialah 62/s.[8]
pH optimum glukokinase manusia dikenal pasti baru-baru ini dan sangat tinggi, yakni pH 8.5–8.7.[12]
Kumpulansulfhidril beberapasisteina mengelilingi tapak pengikat glukosa. Semua kecuali Cys230 adalah penting dalam proses pemangkin, membentuk berbilangjambatan disulfida semasa interaksi dengan substrat dan pengawal atur. Sekurang-kurangnya dalam sel beta, nisbah molekul glukokinase aktif kepada tidak aktif sekurang-kurangnya sebahagiannya ditentukan oleh keseimbanganpengoksidaan kumpulan sulfhidril atau pengurangan jambatan disulfida.
Kumpulan sulfhidril ini agak sensitif kepada status pengoksidaan sel, menjadikan glukokinase salah satu komponen yang paling terdedah kepada tekanan oksidatif, terutamanya dalam sel beta.
| Glukokinase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktur glukokinase bergantungan ATPEscherichia coli[13] | |||||||||
| Pengenal pasti | |||||||||
| Simbol | Glukokinase | ||||||||
| Pfam | PF02685 | ||||||||
| KlanPfam | CL0108 | ||||||||
| InterPro | IPR003836 | ||||||||
| SCOP | 1q18 | ||||||||
| SUPERFAMILY | 1q18 | ||||||||
| |||||||||
Glukokinase ialah proteinmonomer dengan panjang 465asid amino danberat molekul kira-kira 50kD. Terdapat sekurang-kurangnya dua celah, satu untuktapak aktif yang mengikat glukosa dan MgATP, dan satu lagi bagipengaktifalosterik yang diduga yang masih belum dikenal pasti.[14][15]
Ini adalah kira-kira separuh saiz heksokinase mamalia lain yang mengekalkan tahap struktur dimer. Domain pengikat ATP sebagai contoh dikongsi dengan heksokinase, glukokinase bakteria dan protein lain, dan struktur biasa ini dipanggillipatan aktin.
Glukokinase manusia dikodkan olehgenGCK padakromosom 7. Genautosom tunggal ini mempunyai 10ekson.[16][17] Gen glukokinase dalam haiwan lain adalah homolog denganGCK manusia.[8][18]
Ciri tersendiri gen ialah ia bermula dengan dua kawasanpromoter.[19]Ekson pertama dari hujung 5' mengandungi dua kawasan promoter khusus tisu.Transkripsi boleh bermula pada sama ada promoter (bergantung pada tisu) supaya gen yang sama boleh menghasilkan molekul yang sedikit berbeza dalam hati dan dalam tisu lain. Kedua-duaisoform glukokinase hanya berbeza dengan 13-15asid amino dihujung terminal N molekul, menghasilkan hanya perbezaan minimum dalam struktur. Kedua-dua isobentuk mempunyai ciri kinetik dan fungsi yang sama.[4]
Promoter pertama dari hujung 5', yang disebut sebagai promoter "hulu" atau neuroendokrin, aktif dalam sel pulau kecil pankreas, tisu saraf, dan enterosit (selusus kecil) untuk menghasilkan "isobentuk neuroendokrin" glukokinase.[19] Promoter kedua, iaitu promoter "hilir" atau hati, aktif dalamhepatosit dan mengarahkan pengeluaran "isobentuk hati."[20] Kedua-dua promoter mempunyai sedikit atau tiada homologi jujukan, dan dipisahkan oleh jujukan 30kbp yang belum lagi ditunjukkan mengalami sebarang perbezaan fungsi antara isoform.[4] Kedua-dua promoter ini adalah eksklusif secara fungsian, dan dikawal oleh set faktor kawal atur yang berbeza supaya ekspresi glukokinase boleh dikawal secara berasingan dalam jenis tisu yang berbeza.[4] Kedua-dua promoter itu sepadan dengan dua kategori luas fungsi glukokinase: Dalam hati, glukokinase bertindak sebagai pintu masuk "pemprosesan pukal" glukosa yang ada, manakala dalam sel neuroendokrin, ia bertindak sebagai pengesan yang mencetuskan tindak balas sel yang mempengaruhi metabolisme karbohidrat seluruh badan.
Glukokinase telah ditemui dalam sel khusus dalam empat jenis tisu mamalia: hati, pankreas,usus kecil dan otak. Semua organ ini memainkan peranan penting dalam bertindak balas terhadap peningkatan atau penurunan parasglukosa darah.
Glukokinase hati wujud secara meluas, tetapi tidak secara sejagat dalam kalangan vertebrat. Struktur gen dan urutan asid amino sangat terpelihara dalam kalangan kebanyakan mamalia (cth., tikus dan glukokinase manusia adalah lebih 80% homolog). Walau bagaimanapun, terdapat beberapa pengecualian luar biasa: Contohnya, ia tidak ditemui dalamkucing dankelawar, walaupun beberapareptilia,burung,amfibia danikan memilikinya. Sama ada wujud berlaku sama dalam pankreas dan organ lain masih belum ditentukan. Ada pendapat bahawa kehadiran glukokinase dalam hati mencerminkan kemudahan karbohidrat boleh dimasukkan ke dalamdiet haiwan.
Kebanyakan glukokinase dalam mamalia ditemui dalam hati, dan glukokinase menyediakan kira-kira 95% daripada aktiviti heksokinase dalam hepatosit. Pemfosforilan glukosa kepadaglukosa-6-fosfat (G6P) oleh glukokinase adalah langkah pertama kedua-dua sintesisglikogen danglikolisis dalam hati.
Apabila glukosa yang mencukupi tersedia, sintesis glikogen diteruskan di pinggir hepatosit sehingga sel-sel penuh dengan glikogen. Lebihan glukosa kemudiannya semakin ditukar kepadatrigliserida untuk dieksport lalu disimpan dalam tisuadipos. Aktiviti glukokinase dalam sitoplasma meningkat dan menurun dengan glukosa yang tersedia.
G6P selaku hasil glukokinase ialah substrat utama sintesis glikogen, dan glukokinase mempunyai kaitan fungsi dan kawala atur yang rapat dengan sintesis glikogen. Apabila aktif secara maksimum, GK danglikogen sintase nampaknya terletak di kawasan persisian sitoplasma hepatosit yang sama di mana sintesis glikogen berlaku. Bekalan G6P mempengaruhi kadar sintesis glikogen bukan sahaja sebagai substrat utama, tetapi melalui rangsangan langsung glikogen sintase dan perencatanglikogen fosforilase.
Aktiviti glukokinase boleh dikuatkan atau dilemahkan dengan cepat sebagai tindak balas terhadap perubahan dalam bekalan glukosa, biasanya disebabkan oleh pengambilan dan berpuasa. Kawal atur berlaku dalam beberapa tahap dan kelajuan, dan dipengaruhi oleh banyak faktor yang mempengaruhi terutamanya dua mekanisme umum:
Tindakan insulin melalui SREBP1c dianggap sebagai pengaktif langsung yang paling penting dalam transkripsi gen glukokinase dalam hepatosit. SREBP1c ialah transpengaktifzip heliks-gelung-heliks bes (bHLHZ). Kelas transpengaktif ini terikat dalam jujukan "kotak E" gen bagi beberapa enzim kawal atur. Promoter hati dalam ekson pertama gen glukokinase termasuk kotak E sedemikian yang nampaknya merupakan unsur tindak balas insulin utama gen dalam hepatosit. Sebelum ini, difikirkan bahawa SREBP1c mesti hadir bagi transkripsi glukokinase dalam hepatosit. Akan tetapi, baru-baru ini, ada dapatan bahawa transkripsi glukokinase dijalankan secara normal dalam tikus penyingkiran SREBP1c. SREBP1c meningkat sebagai tindak balas kepada diet karbohidrat tinggi, dan dianggap sebagai kesan langsung peningkatan insulin yang kerap. Peningkatan transkripsi boleh dikesan dalam masa kurang sejam selepas hepatosit terdedah kepada peningkatan paras insulin.
Fruktosa-2,6-bisfosfat (F2,6P2) juga merangsang transkripsi GK, nampaknya melalui Akt2 dan bukannya SREBP1c. Tidak diketahui sama ada kesan ini adalah salah satu kesan hiliran pengaktifan reseptor insulin atau bebas daripada tindakan insulin. TahapF2,6P2 memainkan peranan penguat lain dalam glikolisis dalam hepatosit.
Faktor transaksi lain yang disyaki memainkan peranan dalam peraturan transkripsi sel hati termasuk:
Insulin setakat ini ialah hormon terpenting yang mempunyai kesan langsung atau tidak langsung pada ekspresi dan aktiviti glukokinase hati. Insulin nampaknya menjejaskan kedua-dua transkripsi dan aktiviti glukokinase melalui pelbagai laluan langsung dan tidak langsung. Semasa peningkatan paras glukosa dalamvena portal meningkatkan aktiviti glukokinase, peningkatan serentak insulin menguatkan kesan ini denganpencetusan sintesis glukokinase. Transkripsi glukokinase mula meningkat dalam masa sejam selepas paras insulin meningkat. Transkripsi glukokinase menjadi hampir tidak dapat dikesan dalam kebuluran yang berpanjangan, kekurangan karbohidrat teruk, atau diabetes kekurangan insulin yang tidak dirawat.
Mekanisme di mana insulin mencetuskan glukokinase mungkin melibatkan kedua-dua laluan intrasel utama tindakan insulin, lata kinase dikawal atur isyarat ekstrasel (ERK 1/2), dan lata fosfoinositida 3-kinase (PI3-K), dengan lata terakhir mungkin beroperasi melalui transaktivator FOXO1.
Walau bagaimanapun, seperti yang dijangkakan memandangkan kesan antagonisnya ke atas sintesis glikogen,glukagon dan pengutus kedua cAMP intraselnya menyekat transkripsi dan aktiviti glukokinase, walaupun dengan kehadiran insulin.
Hormon lain sepertitriiodotironina (T3) danglukokortikoid memberikan kesan permisif atau rangsangan pada glukokinase dalam keadaan tertentu.Biotin danasid retinoik meningkatkan transkripsi mRNA GCK serta aktiviti GK.Asid lemak dalam jumlah yang besar menguatkan aktiviti GK dalam hati, manakalaasil KoA rantai panjang menghalangnya.
Glukokinase boleh diaktifkan dan dinyahaktifkan dengan cepat dalam hepatosit oleh protein kawal atur baharu (protein kawal atur glukokinase) yang beroperasi untuk mengekalkan rizab GK yang tidak aktif, dan boleh disediakan dengan cepat sebagai tindak balas kepada peningkatan paras glukosa vena portal.[23]
GKRP bergerak antara nukleus dan sitoplasma hepatosit, dan mungkin dipasang padasitoskeleton mikrofilamen. Ia membentuk kompleks 1:1 berbalik dengan GK, dan boleh memindahkannya dari sitoplasma ke dalam nukleus. Ia bertindak sebagai perencat kompetitif dengan glukosa supaya aktiviti enzim dikurangkan kepada hampir sifar semasa terikat. Kompleks GK:GKRP diasingkan dalam nukleus manakala tahap glukosa dan fruktosa adalah rendah. Penyerapan nukleus boleh berfungsi untuk melindungi GK daripada degradasi olehprotease sitoplasma. GK boleh dibebaskan dengan cepat daripada GKRP sebagai tindak balas kepada peningkatan paras glukosa. Tidak seperti GK dalam sel beta, GK dalam hepatosit tidak dikaitkan dengan mitokondria.
Fruktosa dalam jumlah kecil (mikromol) (selepas pemfosforilan olehketoheksokinase kepadafruktosa-1-fosfat (F1P)) mempercepatkan pembebasan GK daripada GKRP. Kepekaan terhadap kehadiran sejumlah kecil fruktosa ini membolehkan GKRP, GK dan ketoheksokinase bertindak sebagai "sistem penderiaan fruktosa" yang memberi isyarat bahawa hidangan karbohidrat campuran sedang dicerna, dan mempercepatkan penggunaan glukosa. Walau bagaimanapun,fruktosa 6-fosfat (F6P) mempotensikan pengikatan GK oleh GKRP. F6P mengurangkan fosforilasi glukosa oleh GK apabilaglikogenolisis atauglukoneogenesis sedang dijalankan. F1P dan F6P kedua-duanya terikat pada tapak yang sama pada GKRP. Diandaikan bahawa mereka menghasilkan 2 konformasi GKRP yang berbeza, satu dapat mengikat GK dan satu lagi tidak.
Walaupun kebanyakan glukokinase dalam badan berada di dalam hati, jumlah yang lebih kecil dalam sel beta dan alfa pankreas, neuron hipotalamus tertentu, dan sel tertentu (enterosit) usus memainkan peranan yang semakin dihargai dalam pengawalan metabolisme karbohidrat. Dalam konteks fungsi glukokinase, jenis sel ini dirujuk bersama sebagai tisu neuroendokrin, dan berkongsi beberapa aspek peraturan dan fungsi glukokinase, terutamanya promoter neuroendokrin biasa. Daripada sel neuroendokrin, sel beta pulau pankreas adalah yang paling dikaji dan paling difahami. Berkemungkinan banyak hubungan kawal selia yang ditemui dalam sel beta juga akan wujud dalam tisu neuroendokrin lain dengan glukokinase.
Walaupun semuaneuron menggunakan glukosa untuk bahan api,neuron penderia glukosa tertentu mengubah kadar tembakan mereka sebagai tindak balas kepada peningkatan atau penurunan tahap glukosa. Neuron penderia glukosa ini tertumpu terutamanya dalamnukleus ventromedial dannukleus arkuathipotalamus yang mengawal banyak aspek homeostasis glukosa (terutamanya tindak balas kepada hipoglisemia), penggunaan bahan api,rasa kenyang danselera makan, dan penyelenggaraanberat badan. Neuron ini paling sensitif terhadap perubahan glukosa dalam 0.5-3.5 julat glukosa mmol/L.
Oleh kerana insulin ialah pengawal atur sintesis glukokinase yang ketara, semua jenisdiabetes melitus mengurangkan sintesis dan aktiviti glukokinase dengan pelbagai mekanisme. Aktiviti glukokinase adalah sensitif kepada tekanan oksidatif sel, terutamanya sel beta.
Sekurang-kurangnya 497mutasigen glukokinase manusiaGCK telah ditemui yang boleh mengubah kecekapan pengikatan glukosa dan pemfosforilan, meningkatkan atau mengurangkan sensitiviti rembesan insulin sel beta sebagai tindak balas kepada glukosa, dan menghasilkanhiperglisemia atauhipoglisemia yang ketara secara klinikal.[24]
MutasiGCK mengurangkan kecekapan fungsi molekul glukokinase.Heterozigositi alel dengan aktiviti enzim yang berkurangan menghasilkan ambang yang lebih tinggi bagi pelepasan insulin dan hiperglisemia ringan yang berterusan. Keadaan ini dirujuk sebagaidiabetes permulaan kematangan muda jenis 2 (MODY2). Gambaran keseluruhan terkini mutasiGCK yang diperhatikan pada pesakit mendakwa 791 mutasi, di mana 489 dianggap menyebabkan diabetes MODY, dan oleh itu, mengurangkan kecekapan fungsi molekul glukokinase.[25]
Homozigositi alelGCK dengan fungsi yang berkurangan boleh menyebabkan kekurangan insulin kongenital yang teruk, mengakibatkandiabetes neonat yang berterusan.
Beberapa mutasi telah didapati untuk meningkatkan rembesan insulin. Heterozigositi pemerolehan mutasi fungsian mengurangkan ambang glukosa yang mencetuskan pelepasan insulin. Ini mewujudkan hipoglisemia dengan corak yang berbeza-beza, termasukhiperinsulinisme kongenital sementara atau berterusan, atauhipoglisemia puasa atau reaktif yang muncul pada usia yang lebih tua. Gambaran keseluruhan terkini mutasiGCK yang diperhatikan pada pesakit mendakwa 17 mutasiGCK menyebabkan hipoglisemia hiperinsulinemik.[25]
Beberapa syarikat farmaseutikal sedang menyelidik molekul yang mengaktifkan glukokinase dengan harapan ia akan menjadi berguna dalam rawatan kedua-dua diabetesjenis 1[26] danjenis 2.[27][28][29]
Beautiful structural pictures illustrating the conformational changes and potential regulatory mechanisms
|displayauthors= ignored (bantuan)|displayauthors= ignored (bantuan)|displayauthors= ignored (bantuan)This is the most detailed treatment of liver glucokinase