葡萄糖激酶

葡萄糖激酶（glucokinase，GK）又稱己糖激酶（hexokinase，HK）‐Ⅳ，屬於HK家族的一種亞型。HK家族在人體中的亞型還包括HK‐Ⅰ、HK‐Ⅱ及HK‐Ⅲ，HK在細胞內葡萄糖攝取和利用過程中發揮重要作用，不僅啓動葡萄糖利用的所有主要途徑，並可維持促進葡萄糖進入細胞所需的梯度濃度，從而影響細胞內葡萄糖通量的大小和方向。在不同細胞中，不同HK亞型的結構和分佈不一，其功能及其調控存在很大差異，其中，GK獨特的分子結構及酶動力學特徵，使其成為人體內唯一可以作為葡萄糖傳感器的HK。GK主要存在於肝臟和胰腺中，其中99.9%位於肝臟。此外，在腸道內分泌細胞（包括L細胞和K細胞）、下丘腦和腦幹的多個部位，垂體前葉細胞7中也發現有GK表達。 ^[3] 

血糖穩態是機體通過精密的調控系統,將血糖維持在一個狹窄的範圍之內。血糖穩態調控系統如同精密的温度調控系統,需要核心調糖靶器官(胰島、肝臟、腸道等)精密協作、共同發揮作用以維持整個血糖穩態的平衡。在這個生理性穩態調控系統中,GK是核心調糖靶器官細胞內葡萄糖代謝的第一個關鍵酶。GK是調節血糖高與低的關鍵,分佈在肝臟、胰島、腸道等核心調糖靶器官中。血糖水平發生變化時,感知葡萄糖水平變化並轉換為各靶器官的調糖響應,從而維持血糖穩態。 ^[4] 

在葡萄糖攝取之後,胰島β細胞感應到血糖濃度高於5 mmol/L後,GK被激活,啓動胰島素分泌;逐漸升高的胰島素作用於肝臟細胞,促進肝細胞GK的基因表達。當血糖濃度升至8 mmol/L時,肝臟GK激活,啓動肝糖原合成。肝臟GK的基因表達依賴於胰島素,當血糖降低到4 mmol/L以下時,GK活性迅速下降,啓動胰島α細胞的胰高糖素釋放機制,胰高糖素作用於肝細胞的受體,啓動肝糖原分解和糖異生機制,為機體輸送葡萄糖,維持血糖穩態。通過GK的作用,機體最為重要的葡萄糖感知細胞和葡萄糖處置細胞相互協調,維持血糖穩態。 ^[4] 

另外,在腸道中,當葡萄糖濃度大於5mmol/L時,腸道L細胞中GK感受到葡萄糖濃度後做出的“指揮”腸道會分泌GLP-1;在大腦中的GK同樣也會參與血糖的調控。 ^[4] 

GK晶體分為大區域和小區域， 大小區域之間通過連接區域連接，兩區域間存在一個能與底物結合的可變角。在人體內GK存在三種構象，當葡萄糖濃度較低時，GK處於非活性超開放構象；當體內葡萄糖濃度升高時，GK與葡萄糖結合，處於活性開放/閉合構象。 ^[3] 

作為單體變構酶，葡萄糖激酶GK在糖代謝中存在三種構象和兩種催化循環。當葡萄糖濃度較低時，GK處於非活性超開放構象（可變角為100°），糖代謝進入“慢循環”；當體內葡萄糖濃度升高時，GK與葡萄糖結合，處於活性開放/活性閉合構象（可變角分別為65°和40°），糖代謝進入“快循環”。 ^[3] 

GK作為獨特的單體變構酶,與葡萄糖結合後,酶的構象發生改變,新構象有利於後續葡萄糖與酶結合及酶親和度的提高,希爾係數為1.7(希爾係數＞1為正協同,即一個葡萄糖分子與GK結合,GK對其他葡萄糖分子親和度增加),因而出現同促正協同作用,葡萄糖動力學曲線為“S”型,底物葡萄糖濃度較低時,酶活性增長緩慢,葡萄糖濃度升高到一定程度後,酶活性顯著增加,最終增至最大活性。從GK的動力學曲線可以看到,葡萄糖拐點濃度約為3.5mmol/L,S0.5(1/2 Vmax時的底物濃度,反映了酶和底物的親和力大小)約為7.5mmol/L,與正常血漿葡萄糖濃度相當,因此保證了在生理葡萄糖水平下的最佳響應性,即當葡萄糖濃度發生微小變化時,GK仍可控制反應速率,發揮葡萄糖傳感器的作用。在胰島細胞內,GK可催化葡萄糖磷酸化為G6P,導致ATP‐K+通道關閉,誘導膜電位去極化,激活Ca2+通道,促進胰島素釋放;在肝細胞內,促進肝糖原合成,儲存能量。GK活性不受反應物G6P的反饋抑制機制調節。 ^[4] 

人體GK基因位於第7號染色體短臂,存在兩個啓動子,分別是:①上游神經內分泌啓動子,驅動胰腺、大腦、垂體和腸道內分泌細胞中GK的表達;②下游肝啓動子,控制肝臟中GK的表達。在胰島細胞中,GK的表達主要依賴於葡萄糖。葡萄糖對GK的影響主要發生在GK轉錄後,葡萄糖濃度升高可使細胞內GK蛋白表達增加。在肝臟中,GK的表達嚴格依賴於胰島素。 ^[4] 

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者普遍存在GK損傷,GK功能顯著降低。在對患肥胖型糖尿病的個體及正常肥胖個體的GK活性研究中,發現患有肥胖型糖尿病的個體肝臟GK活性較正常組下降近50%。 ^[4] 

GK的正常功能是穩態系統自主調節的關鍵,GK功能受損會導致核心調糖靶器官部分能力的缺失,甚至對血糖變化“視而不見”,從而產生胰島素和胰高血糖素分泌失常、葡萄糖利用能力降低、肝糖原合成受阻等糖代謝紊亂,表現為血糖穩態的嚴重失衡,包括HbA1c不達標、餐後血糖不達標、血糖波動大、低血糖頻發等。 ^[4] 

葡萄糖激酶激活劑系針對這一靶點而開發，能夠通過葡萄糖濃度刺激的胰島素分泌、降低胰高血糖素濃度和肝糖輸出、促進肝糖原合成以及調控腸促胰素釋放等機制來穩定體內血糖水平，近年來已成為2型糖尿病新型藥物研發的熱點 ^[2]  。