Glucokinase

Die Glucokinase phosphoryliert die durch GLUT ins Zytosol transportierte Glucose zu Glucose-6-phosphat. Das hierfür benötigte Phosphat wird durch die Hydrolyse von ATP gewonnen. So wird bei dieser Reaktion pro Mol Glucose zusätzlich ein Mol Wasser frei. Durch die hohe Energiefreisetzung ist diese Reaktion unter physiologischen Bedingungen irreversibel.

Dieser erste Schritt der Glycolyse hat zwei Aufgaben. Zum einen sorgt die Phosphorylierung dafür, dass die Glucose überhaupt im Zytosol der Zelle bleibt und nicht wieder heraus diffundiert. Darüber hinaus wird das Gleichgewicht der Reaktion der GLUT-Proteine, die die Glucose in die Zelle transportieren, so verschoben, dass weitere Glucose in die Zelle einströmen kann. Die Glucokinase hält die Glucosekonzentration in Hepatozyten und Pankreaszellen intrazellulär immer geringer als extrazellulär.

Im Gegensatz zur Hexokinase hat die Glucokinase eine deutlich niedrigere Affinität zu ihrem Substrat und dementsprechend einen höheren K_m-Wert (10 mM). Folglich arbeitet die Glucokinase nicht immer mit maximaler Geschwindigkeit, wie es bei der Hexokinase der Fall ist. Die Umsatzgeschwindigkeit der Glucokinase ist mit höheren intrazellulären Glucosekonzentration steigerbar und wird bei der Glucoseresorption zunehmen und bei Glucosemangel abnehmen.

Ein weiterer bemerkenswerter Unterschied zur Hexokinase liegt in der Tatsachse, dass die Glucokinase nicht durch ihr eigenes Reaktionsprodukt, das Glucose-6-phosphat, gehemmt wird. Damit ist die Glucokinase kein Beispiel für Feedback-Inhibition.

Reguliert wird die Glucokinase durch das Glucokinase-Regulatorprotein (GkRP). Da dieses Regulatorprotein direkt von der intrazellulären Glucosekonzentration gesteuert wird (aber auch von Fructose-1-phosphat), wird es häufig auch als „Glucosesensor“ und „Glucosepegel“ bezeichnet.

Bei niedrigen Glucosekonzentrationen assoziiert das Glucokinase-Regulatorprotein mit der Glucokinase, die daraufhin inaktiviert wird. Dieser Glucokinase-GkRP-Komplex transloziert in den Zellkern. Hohe Glucosespiegel bewirken entsprechend einen Rücktransport und eine Dissoziation des Komplexes. Die Glucokinase steht daraufhin wieder aktiv für ihre katalytische Aufgabe im Cytosol bereit.

Der entscheidende Vorteil dieses Mechanismus liegt in der Schnelligkeit. Nach einer kohlenhydratreichen Nahrungsaufnahme steht die Glucokinase unmittelbar zur Verfügung und muss nicht erst über die langsameren Mechanismen der Transkription und Proteinbiosynthese synthetisiert werden.