GLUT4: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

GLUT4 ist ein Glukosetransporterprotein mit 509 Aminosäuren, das eine hohe Affinität zu diesem Zucker aufweist. Es gehört zur großen Haupt-Superfamilie der Facilitators (MSF), die durch 12 Transmembran-Alpha-Helices gekennzeichnet sind. Wie alle Mitglieder dieser Familie vermittelt es den erleichterten Transport von Glukose entlang seines Konzentrationsgradienten.

Seine Position ist auf Zellen beschränkt, die gegenüber Insulinstimulation empfindlich sind, wie Adipozyten und Myozyten. In diesem Sinne spielt GLUT4 eine Hauptrolle im primären Mechanismus der Glukoseabsorption unter Bedingungen einer Hyperglykämie im Blut.

GLUT4 ist der einzige durch Insulin regulierte Glukosetransporter. Von Meiquer aus Wikimedia Commons.

Ungefähr 95% des von der Zelle synthetisierten GLUT4 verbleiben im Cytosol innerhalb der Vesikel. Diese Vesikel verschmelzen mit der Plasmamembran und legen den Rezeptor darin als Reaktion auf die Aktivierung der Insulin-vermittelten Exozytose frei.

Skelettmuskelübungen können auch die Verlagerung dieses Transporters in die Zellmembran fördern, da diese Zellen unter diesen Bedingungen einen hohen Energiebedarf haben. Die Signale, die die Synthese bei längerer körperlicher Aktivität stimulieren, sind jedoch noch unbekannt.

Eigenschaften

Wie der konstitutive Expressionstransporter GLUT1 hat GLUT4 eine hohe Affinität zu Glucose, was sich in der Fähigkeit niederschlägt, Glucose zu binden, selbst wenn die Konzentration dieses Zuckers im Blut sehr niedrige Werte erreicht.

Im Gegensatz zu den Isoformen, die für den Transport von Glucose unter basalen Bedingungen verantwortlich sind (GLUT1 und GLUT3), wird dieser Transporter nicht in der embryonalen Zellmembran exprimiert.

Im Gegenteil, es wird nur in Zellen adulter Gewebe exprimiert, hauptsächlich in peripheren Geweben, die reich an hohen Konzentrationen an braunem Fett sind, wie Herz, Skelettmuskel und Fettgewebe. Es wurde jedoch auch in Zellen der Hypophyse und des Hypothalamus nachgewiesen.

In diesem Sinne ist es wichtig hervorzuheben, dass seine Verteilung, die auf Zellen beschränkt ist, die gegenüber Schwankungen der Insulinkonzentrationen empfindlich sind, mit der Tatsache zusammenhängt, dass es eine regulierte Expression durch dieses Hormon zeigt. Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Muskelkontraktion auch einen regulatorischen Effekt auf die Expression dieses Transporters ausüben kann.

Andererseits haben subzelluläre Standortstudien gezeigt, dass GLUT2 einen doppelten Standort zwischen dem Cytosol und der Membran aufweist. In dem cytosolischen Kompartiment, in dem sich der höchste Prozentsatz befindet, befindet es sich in verschiedenen Kompartimenten: im Trans-Golgi-Netzwerk, im frühen Endosom, in Vesikeln, die mit Clathrin bedeckt sind oder nicht, und in tubulo-vesikulären cytoplasmatischen Strukturen.

Struktur

Wie alle Mitglieder der Familie der Glukosetransporter, die am erleichterten passiven Transport dieser Hexose (GLUTs) beteiligt sind, ist GLUT4 ein α-Helix-Multipass-Transmembranprotein.

12 Transmembransegmente in α-Helix-Konfiguration kreuzen die Plasmamembranen und subzellulären Kompartimente (Vesikel) von Zellen, in denen GLUT 4 exprimiert wird.

Die Helices 3, 5, 7 und 11 sind räumlich verteilt, um die Bildung eines hydrophilen Kanals zu bewirken, durch den der Transit des Monosaccharids vom extrazellulären Raum zum Cytosol zugunsten eines Konzentrationsgradienten erfolgt.

Die Amino- und Carboxyl-terminalen Enden des Proteins sind in einer Konformationskonfiguration, die zur Bildung einer großen zentralen Schleife führt, zum Zytoplasma hin ausgerichtet.

Der durch beide Enden begrenzte Bereich stellt eine funktionell wichtige Region des Proteins dar, da er sowohl an der Glukoseaufnahme und -bindung als auch an der Reaktion auf Insulinsignale beteiligt ist. Zusätzlich zu seiner Leitung von den zytosolischen vesikulären Kompartimenten zur Plasmamembran, wo es seine Funktion als Transporter ausüben wird.

Wie erfolgt der Glukosetransport durch GLUT4?

Wie alle Mitglieder der Familie der Glukosetransporter, die am erleichterten passiven Transport dieser Hexose (GLUTs) beteiligt sind, ist GLUT4 ein Multipass-Transmembranprotein in der α-Helix.

Eine durch die Bindung des Zuckers induzierte Verformung der Struktur mobilisiert die Bindungsstelle von der äußeren Düse der Membran zum Cytosol, wo sie freigesetzt wird. Sobald dies geschehen ist, erhält der Transporter wieder seine ursprüngliche Konformation, wodurch die Stelle an der Außenseite der Membran Glucose ausgesetzt wird.

Eigenschaften

Das Glucosetransporterprotein vom GLUT4-Typ ist für die Mobilisierung von Glucose vom extrazellulären Medium zum Cytosol als Reaktion auf den Stimulus verantwortlich, der durch die verstärkte Sekretion von Insulin in Zellen von Geweben erzeugt wird, die für dieses Hormon empfindlich sind, wie z Sie integrieren den Skelettmuskel und das Fettgewebe.

Um dies besser zu verstehen, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass Insulin ein Hormon ist, das von den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse als Reaktion auf hohe Konzentrationen von Glukose im Blut freigesetzt wird und physiologische Mechanismen in Gang setzt, die die Absorption durch Zellen sowie die Synthese von Glykogen fördern.

Angesichts der Empfindlichkeit von GLUT4 gegenüber diesem Hormon fungiert es als Protagonist des primären Regulationsmechanismus der Glukoseabsorption. Eine Schlüsselrolle bei der schnellen Mobilisierung von Glukose aus dem Blut, wenn die Monosaccharidkonzentrationen sehr hohe Werte erreichen. Letzteres ist wichtig, um die Zellhomöostase aufrechtzuerhalten.

Diese schnelle Absorption von Glucose wird aufgrund der hohen Affinität dieses Transporters zu diesem Zucker ermöglicht. Mit anderen Worten, es ist in der Lage, es bereits in geringen Konzentrationen nachzuweisen, es schnell zu binden oder einzufangen.

Andererseits erklärt die Fähigkeit, Glukose in geringen Konzentrationen nachzuweisen, die Bedeutung der GLUT4-Expression in den Skelettmuskelmembranen während des Trainings, einer Aktivität mit hohem Energiebedarf.

Mobilisierung von GLUT4-Vesikeln vom Cytosol zur Membran

Mechanismus der Mobilisierung von GLUT4-tragenden Vesikeln an die Membran. Von CNX OpenStax, von Wikimedia Commons.

In Abwesenheit einer Insulinstimulation werden etwa 95% von GLUT4 in das Zytoplasma innerhalb von Vesikeln aus dem trans-Golgi-Netzwerk rekrutiert.

Wenn die Glukosekonzentrationen den physiologischen Wert weit überschreiten, wird eine Signalkaskade ausgelöst, die zur Freisetzung von Insulin aus der Bauchspeicheldrüse führt.

Das freigesetzte Insulin kann nun an den Insulinrezeptor binden, der auf der Membran von Myozyten und Adipozyten vorhanden ist, und die notwendigen Signale senden, um die Aktivierung der Exozytose auszulösen. Letzteres führt zur Fusion von GLUT4-tragenden Vesikeln mit der Plasmamembran.

Diese Fusion erhöht vorübergehend die Konzentration des Transporters in der Membran dieser Zellen. Das heißt, sobald der Blutzuckerspiegel auf den Ausgangswert fällt, verschwindet der Reiz und der Transporter wird durch Aktivierung der Endozytose recycelt.

Verweise

1. Bryant NJ, Govers R, James DE. Geregelter Transport des Glukosetransporters GLUT4. Nat Rev Mol Cell Biol. 2002; 3 (4): 267 & ndash; 277.
2. Henriksen EJ. Eingeladene Überprüfung: Auswirkungen von akutem Training und Training auf die Insulinresistenz. J Appl Physiol (1985). 2002; 93 (2): 788 & ndash; 96.
3. Huang S, tschechischer Abgeordneter. Der GLUT4-Glukosetransporter. Cell Metab. 2007; 5 (4): 237 & ndash; 252.
4. Kraniou Y., Cameron-Smith D., Misso M., Collier G., Hargreaves M. Auswirkungen des Trainings auf die GLUT4- und Glykogenin-Genexpression im menschlichen Skelettmuskel. J Appl Physiol (1985). 2000; 88 (2): 794 & ndash; 6.
5. Pessin JE, Thurmond DC, Elmendorf JS, Coker KJ, Okada S. Molekulare Basis des Insulin-stimulierten GLUT4-Vesikelhandels. Biol Chem. 1999; 274 (5): 2593 & ndash; 2596.
6. Schulingkamp RJ, Pagano TC, Hung D, Raffa RB. Insulinrezeptoren und Insulinwirkung im Gehirn: Übersicht und klinische Implikationen. Neurowissenschaften und Biobehavioral Reviews. 2000; 855-872.
7. Wood IS, Trayhurn P. Glukosetransporter (GLUT und SGLT): erweiterte Familien von Zuckertransportproteinen. Br J Nutr. 2003; 89 (1): 3-9. Zhao FQ, Keating AF. Funktionelle Eigenschaften und Genomik von Glukosetransportern. Curr Genomics. 2007; 8 (2): 113 & ndash; 28.