Роль інсуліну та глюкагону GLUT4 у регулюванні гліколізу Освіта
Скорочення та інсулін є основними стимулами, що активізують транспорт глюкози в скелетних м’язах. Мобілізація глюкози скелетними м’язами становить близько 70% глюкози, взятої з сироватки.
Тому цей процес надзвичайно важливий для гомеостазу глюкози. .
Здатність транспортувати глюкозу через плазматичну мембрану є характеристикою, загальною для майже всіх типів клітин, від простих бактерій до вузькоспеціалізованих нейрональних клітин.
Існує 2 типи транспорту глюкози.
в. Легкий транспорт
Він надається членами сімейства транспортерів GLUT ("GLUcose Transporter"), які утворюють пори через мембрану (uniport).
Деякі ози потрапляють через цей тип пор шляхом пасивної дифузії, тобто без введення енергії (цей вид транспорту відбувається в напрямку градієнта концентрації або електрохімічного градієнта).
Транспортування розчиненої речовини за допомогою полегшеної дифузії значно збільшує швидкість транспортування цієї розчиненої речовини.
КМ глюкози GLUT1 ≈ 1,5 мМ (малюнок нижче).
GLUT2 (ген SCL2A2): експресується переважно в печінці, β-клітинах підшлункової залози, нирках і кишечнику. КМ глюкози = 15 - 20 мМ. Він також несе фруктозу та галактозу.
GLUT2 забезпечує двонаправлений транспорт глюкози через мембрану. Іншими словами, саме транспортер дозволяє глюкозі виходити з клітини після її дефосфорилювання глюкозо-6-фосфатазою (ферментом глюконеогенезу).
Людський GLUT2 - це 524 амінокислотний білок, який приблизно на 56% ідентичний людському GLUT1.
b. Вторинний активний транспорт
Це здійснюється за допомогою симпортів [Na +/глюкоза] ("Ко-транспортер натрію/глюкози" - SGLT1 та SGLT2) .
Ці симпорти використовують трансмембранний градієнт Na +, генерований натрієвим насосом, або [Na +/K +] -ATPase, що складається з 12 трансмембранних α спіралей.
Роль інсуліну та транспортера GLUT4
У нестимульованій клітині або коли концентрація інсуліну низька, інсулінозалежний транспортер глюкози GLUT4 локалізується у везикулах зберігання клітин печінки та м’язів.
Ці пухирці повинні злитися з плазматичною мембраною, перш ніж глюкоза потрапляє в клітину.
Коли рівень циркулюючої глюкози високий, інсулін вивільняється з острівців Лангерганса, що сприяє мобілізації глюкози за рахунок збільшення синтезу та транслокації GLUT4 з ендосомних відділів у плазматичну мембрану.
В результаті збільшується всмоктування глюкози .
- Активна форма Rab-GTP бере участь у транслокації везикул зберігання GLUT4 та у злитті цих везикул із плазматичною мембраною .
- Таким чином концентрація GLUT4 на плазматичній мембрані збільшується.
На поверхні клітини GLUT4 сприяє дифузії глюкози в напрямку її градієнта концентрації в клітинах печінки та м’язів.
Потрапляючи в клітини, глюкоза швидко фосфорилюється глюкокіназою в печінці та гексокіназою в інших тканинах з утворенням глюкозо-6-фосфату, який живить гліколіз або полімеризується до глікогену.
Глюкоза-6-фосфат не може дифундувати з клітин, що також підтримує градієнт вільної концентрації глюкози, щоб він міг пасивно дифундувати в клітини.
Структура GLUT4
GLUT4 (Uniprot: P14672) є однією з багатьох ізоформ, які складають сімейство з 14 транспортерів гексози у людей (GLUT1 до GLUT12, GLUT14 та HMIT), поділених на 3 класи.
Поліпептидний ланцюг GLUT4 містить 509 амінокислот, які утворюють 12 трансмембранних спіралей.
N-кінцевий домен містить спіралі від I до VI, а C-кінцевий домен містить спіралі від VII до XII. Ці 2 області утворюють псевдовісь симетрії навколо центрального полярного тунелю, який дозволяє глюкозі потрапляти/виходити. Цей амфіпатичний тунель, здається, утворений спіралями 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10 і 11.
Послідовності N-кінцевого та C-кінцевого доменів цитоплазми є унікальними і значною мірою пояснюють трансмембранну придатність для транспортування.
- N-кінцева послідовність містить критичний залишок фенілаланіну
- два супутніх лейцини та кислотні мотиви в С-кінцевому домені
Ці закономірності, ймовірно, зумовлюють кінетичні аспекти ендоцитозу та екзоцитозу в безперервній системі переробки транспорту.
І лейцини, і кислі мотиви С-кінцевого домену також знаходяться в амінопептидазі ("інсулінорегульована амінопептидаза" - IRAP), яка, як і в адипоцитах, секвеструється у внутрішньоклітинних мембранах, збагачених GLUT4, і піддається дії інсуліну.
Збіжність сигнальних шляхів, ініційованих інсуліном та фізичними вправами, що ведуть до транслокації GLUT4
Сигналізація інсуліну через шлях PI3-кінази (PI3K) та скорочення м’язів через високе співвідношення АМФ/АТФ та високу внутрішньоклітинну концентрацію Са2 + призводить до активації протеїнкіназ, які діють нижче за течією: СаМ-кіназа II, Akt, протеїнкінази С ізоформи λ і ζ, протеїнкіназа, що активується АМФ.
Ці протеїнкінази фосфорилюють ефектори, які модулюють стадії шляху торгівлі GLUT4 .
AS160 - один з таких ефекторів, який знижує регуляцію однієї з ранніх стадій екзоцитозу GLUT4 .
Пониження регуляції цих шляхів жирними кислотами, цитокінами та стресовою реакцією ендоплазматичного ретикулуму спостерігається при ожирінні та діабеті, що сприяє резистентності до інсуліну .
Пунктирні лінії означають гіпотетичні шляхи, ще не продемонстровані експериментально.
Вплив інсуліну
Оскільки глюкоза потрапляє в м’язи та жирову тканину через транспортер GLUT4, який контролюється інсуліном, дефіцит інсуліну (інсулінозалежний діабет) призводить до підвищення концентрації глюкози в крові. .
Регуляція фосфофруктокінази-2/фруктози 2,6-бісфосфатази-2 (PFK-2/FBPase-2) глюкагоном
У печінці PFK-2 знаходиться під контролем глюкагону, гормону, що виробляється підшлунковою залозою, коли рівень глюкози в крові падає .
Зі збільшенням концентрації глюкагону циклічна АМР-залежна протеїнкіназа (РКА) фосфорилює серин або треонін [PFK-2/FBPase-2].
Приклади: печінка щурів: Ser 32 - яловиче серце: Ser 84 - дріжджі: Thr 157.
Дефосфорилювання каталізується ксилулозо-5-фосфат-залежною білковою фосфатазою 2А, яка активується глюкозою.
| [PFK-2/FBPase-2] -OH | PKA -----------------> 2- |
| Діяльність ПФК-2 | Активність FBPase-2 |
- знижує кіназну активність [PFK-2/FBPase-2]: синтез F2,6BP знижується
- підвищує фосфатазну активність [PFK-2/FBPase-2]: фруктоза 2,6-бісфосфат реформує фруктозу 6-фосфат
Це призводить до зменшення концентрації фруктози 2,6-бісфосфату і фосфофруктокіназа-1 гліколізу менш активована.
Як результат, гліколіз сповільнюється, коли концентрація глюкагону зростає після падіння рівня глюкози в крові. .
Зниження інсуліну посилює дію глюкагону
- активація печінкового, ниркового та м’язового глікогенолізу
- інгібування глікогенезу (синтез глікогену з глюкозо-6-фосфату)
- стимуляція глюконеогенезу (синтез глюкози з пірувату)
- інгібування гліколізу шляхом фосфорилювання та інактивації піруваткінази
Індуковані глюкагоном зміни метаболізму сприяють глюконеогенезу проти гліколізу і призводять до гіперглікемії .
| Інтернет-посилання та бібліографічні посилання |
| Huang & Czech (2007) "Клітинний метаб." Транспортер глюкози GLUT4 ". 5, 237 - 252 | Елемент |
| Мохан та ін. (2010) "Дослідження моделювання молекулярної динаміки GLUT4: без субстрату та індукованої субстратом динаміки та опосередкованого АТФ інгібування транспорту глюкози" PLoS ONE 5, e14217 | Елемент |