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.

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.