Введение
Белок глюкозотранспортера 4 типа (GLUT4), также известный как переносчик глюкозы семейства 2, член 4, – это белок, кодируемый у человека геном SLC2A4. GLUT4 является инсулинозависимым транспортером глюкозы, который преимущественно содержится в жировой и полосатой мышечной ткани (скелетной и сердечной). Первые доказательства существования этого специфического белка, транспортирующего глюкозу, были представлены Дэвидом Джеймсом в 1988 году. Ген, кодирующий GLUT4, был клонирован и картирован в 1989 году. На клеточной поверхности GLUT4 обеспечивает облегченную диффузию циркулирующей глюкозы по градиенту концентрации в мышечные и жировые клетки. Попав в клетки, глюкоза быстро фосфорилируется глюкокиназой в печени и гексокиназой в других тканях с образованием глюкозо-6-фосфата, который затем поступает в гликолиз или полимеризуется в гликоген. Глюкозо-6-фосфат не может диффундировать обратно из клеток, что также способствует поддержанию градиента концентрации глюкозы для ее пассивного поступления в клетки.
Glucose transporter type 4 (GLUT4), also known as solute carrier family 2, facilitated glucose transporter member 4, is a protein encoded, in humans, by the SLC2A4 gene. GLUT4 is the insulin regulated glucose transporter found primarily in adipose tissues and striated muscle (skeletal and cardiac). The first evidence for this distinct glucose transport protein was provided by David James in 1988. The gene that encodes GLUT4 was cloned and mapped in 1989. At the cell surface, GLUT4 permits the facilitated diffusion of circulating glucose down its concentration gradient into muscle and fat cells. Once within cells, glucose is rapidly phosphorylated by glucokinase in the liver and hexokinase in other tissues to form glucose 6 phosphate, which then enters glycolysis or is polymerized into glycogen. Glucose 6 phosphate cannot diffuse back out of cells, which also serves to maintain the concentration gradient for glucose to passively enter cells.
Структура
Как и все белки, уникальная последовательность аминокислот в первичной структуре GLUT4 определяет его способность транспортировать глюкозу через плазматическую мембрану. Помимо фенилаланина на N-конце, два остатка лейцина и кислые мотивы на C-конце, как полагают, играют ключевую роль в кинетике эндоцитоза и экзоцитоза.
Другие белки ГЛУТ
Существует 14 белков GLUT, разделенных на 3 класса на основе сходства последовательностей. Класс 1 состоит из GLUT 1, 4 и 14, класс 2 содержит GLUT 5, 7, 9 и 11, а класс 3 включает GLUT 6, 8, 10, 12 и 13. Несмотря на некоторые различия в последовательности аминокислот между всеми белками GLUT, все они обладают общими основными структурными элементами. Например, как N-концевые, так и C-концевые участки белков GLUT обращены к цитоплазме клетки, и у всех из них имеется 12 трансмембранных сегментов.
Скелетная мышца
В клетках полосатой скелетной мышцы концентрация GLUT4 в плазматической мембране может увеличиваться как в результате физических упражнений, так и сокращения мышц. Во время физических упражнений организму необходимо преобразовывать глюкозу в АТФ для использования в качестве энергии. При снижении концентрации Г6Ф ингибирование гексокиназы уменьшается, что позволяет гликолитическим и окислительным путям, производящим АТФ, функционировать. Это также означает, что мышечные клетки способны поглощать больше глюкозы по мере снижения ее внутриклеточной концентрации. Для увеличения поступления глюкозы в клетку GLUT4 является основным транспортером, используемым в этом виде облегченной диффузии. Хотя мышечные сокращения действуют схожим образом и также вызывают транслокацию GLUT4 в плазматическую мембрану, эти два процесса в скелетных мышцах используют разные формы внутриклеточного GLUT4. Везикулы-переносчики GLUT4 могут быть трансферрин-положительными или трансферрин-отрицательными и рекрутируются различными стимулами. Трансферрин-положительные везикулы GLUT4 используются при сокращении мышц, а трансферрин-отрицательные везикулы активируются стимуляцией инсулином, а также физическими упражнениями.
Сердечная мышца
Сердечная мышца несколько отличается от скелетной. В состоянии покоя она предпочитает использовать жирные кислоты в качестве основного источника энергии. С увеличением активности и учащением сокращений сердечная мышца начинает окислять глюкозу с более высокой скоростью. Анализ уровней мРНК GLUT1 и GLUT4 в сердечной мышце показывает, что GLUT1 играет более значительную роль в сердечной мышце, чем в скелетной. Тем не менее, GLUT4 по-прежнему считается основным транспортером глюкозы. Подобно другим тканям, GLUT4 также реагирует на инсулиновую сигнализацию и перемещается в плазматическую мембрану для облегчения диффузии глюкозы в клетку.
Жировая ткань
Жировая ткань, обычно известная как жир, является депо энергии для поддержания метаболического гомеостаза. Когда организм получает энергию в форме глюкозы, часть её расходуется, а остальная часть запасается в виде гликогена (преимущественно в печени и мышечных клетках) или в виде триглицеридов в жировой ткани. Дисбаланс между потреблением глюкозы и расходом энергии, как было показано, приводит к гипертрофии и гиперплазии жировых клеток, что ведет к ожирению. Кроме того, мутации в генах GLUT4 в адипоцитах могут также приводить к увеличению экспрессии GLUT4 в жировых клетках, что обеспечивает повышенное поглощение глюкозы и, следовательно, большее накопление жира. При избыточной экспрессии GLUT4 он может фактически изменять распределение питательных веществ, направляя избыток глюкозы в жировую ткань и приводя к увеличению массы жировой ткани. Инсулин хранится в бета-клетках поджелудочной железы. Когда глюкоза в крови связывается с глюкозными рецепторами на мембране бета-клеток, внутри клетки запускается каскад сигналов, в результате которого инсулин, хранящийся в везикулах этих клеток, высвобождается в кровоток. Повышенный уровень инсулина вызывает поглощение глюкозы клетками. GLUT4 хранится в клетке в транспортных везикулах и быстро включается в плазменную мембрану клетки при связывании инсулина с мембранными рецепторами. Генетически модифицированная мышь с нокаутом мышечного инсулинового рецептора (MIRKO) была разработана для нечувствительности к поглощению глюкозы, вызванному инсулином, то есть для отсутствия GLUT4. Однако мыши с диабетом или гипергликемией натощак оказались устойчивыми к негативным последствиям этой нечувствительности. Механизм действия GLUT4 является примером каскадного эффекта, когда связывание лиганда с мембранным рецептором усиливает сигнал и вызывает клеточный ответ. В данном случае инсулин связывается с инсулиновым рецептором в димерной форме и активирует тирозинкиназный домен рецептора. Затем рецептор рекрутирует субстрат инсулинового рецептора, или IRS 1, который связывается с ферментом PI 3-киназа. PI 3-киназа преобразует мембранный липид PIP2 в PIP3. PIP3 специфически распознается PKB (протеинкиназой B) и PDK1, которые могут фосфорилировать и активировать PKB. После фосфорилирования PKB переходит в активную форму и фосфорилирует TBC1D4, который ингибирует GTPазо-активирующий домен, связанный с TBC1D4, позволяя белку Rab перейти из состояния, связанного с GDP, в состояние, связанное с GTP. Ингибирование GTPазо-активирующего домена оставляет белки следующего звена в каскаде в активной форме и стимулирует экспрессию GLUT4 на плазменной мембране. RAC1 – это GTPаза, также активируемая инсулином. Rac1 стимулирует реорганизацию кортикального актинового цитоскелета, что позволяет вставлять везикулы GLUT4 в плазменную мембрану. У мыши с нокаутом RAC1 наблюдается снижение поглощения глюкозы в мышечной ткани.
Сокращение мышц
Мышечные сокращения стимулируют мышечные клетки к перемещению рецепторов GLUT4 на свою поверхность. Это особенно выражено в сердечной мышце, где постоянные сокращения повышают скорость транслокации GLUT4, однако в меньшей степени наблюдается при увеличении сокращений скелетных мышц. В скелетных мышцах сокращения увеличивают транслокацию GLUT4 в несколько раз, и этот процесс, вероятно, регулируется RAC1 и АМФ-активированной протеинкиназой.
Растяжка мышц
Растяжение мышц также стимулирует транслокацию GLUT4 и захват глюкозы в мышцах грызунов посредством RAC1.
Взаимодействия
Было показано, что GLUT4 взаимодействует с белком, ассоциированным со смертью 6, также известным как Daxx. Daxx, который участвует в регуляции апоптоза, был обнаружен связанным с GLUT4 в цитоплазме. Домены UBX, такие как домен, присутствующий в GLUT4, показали способность взаимодействовать с апоптотической сигнализацией. Кроме того, недавние исследования продемонстрировали наличие гена GLUT4 в центральной нервной системе, в частности в гиппокампе. Более того, нарушение инсулин-стимулируемого транспорта GLUT4 в гиппокампе приводит к снижению метаболической активности и пластичности нейронов гиппокампа, что проявляется в депрессивоподобном поведении и когнитивной дисфункции.