GCK

グルコキナーゼ（GCK、EC 2.7.1.2）は、ヒトおよび多くの脊椎動物の肝臓および膵臓に広く発現するヘキソキナーゼのアイソザイムであり、グルコースをグルコース-6-リン酸へリン酸化する反応を触媒する。GCKはグルコースセンサーとして機能し、食後や絶食時にみられる血糖値の上昇・低下に応答して代謝や細胞機能のシフトを誘導することから、糖質代謝の調節において極めて重要である。GCKの変異導入（変異原性）により、特異な型の糖尿病または低血糖が生じ得る。GCKは少なくとも3種の他のヘキソキナーゼと相同であり、いずれもグルコースのリン酸化（グリコーゲン合成および解糖系の最初の段階）を担うことができる。しかし、GCKは他のヘキソキナーゼと比較してグルコースに対する親和性が低く、活性が限られた細胞種にのみ認められるため、多くの組織・臓器における解糖およびグリコーゲン合成では、他の3種のヘキソキナーゼの方がより中心的役割を担う。この親和性低下により、一般的な生理条件下では、GCK活性はグルコース濃度に応じて大きく変動する。さらに、GCKは独立した遺伝子によりコードされ、特有の酵素動態学的特性を有することから、異なる機能セットを提供し得る。

命名法

本酵素には、ヒトヘキソキナーゼIV、ヘキソキナーゼD、ATP:D-ヘキソース6-ホスホトランスフェラーゼなどの別名がある。一般名であるグルコキナーゼは、生理条件下でグルコースに対して相対的に高い特異性を示すことに由来する。一方で、本酵素は適切な条件下では他のヘキソースもリン酸化し得ること、また細菌に存在するよりグルコース特異性の高い遠縁の酵素の方が「グルコキナーゼ」という名称に適合することから、この名称は誤解を招くため廃止すべきであるとの議論もある。それでも、医療および哺乳類生理学の文脈では、依然としてグルコキナーゼの名称が好んで用いられている。

構造

グルコキナーゼは465アミノ酸からなる単量体タンパク質で、分子量は約50 kDaである。GCKには少なくとも2つのクレフトが存在し、1つは活性部位としてグルコースおよびMgATPと結合し、もう1つは未同定の推定アロステリック活性化因子の結合部位と考えられている。GCKのサイズは、二量体構造をある程度保持する他の哺乳類ヘキソキナーゼのおよそ半分である。ATP結合ドメインはヘキソキナーゼ、細菌GCK、および他のタンパク質間で共有されており、この共通構造はアクチンフォールドと呼ばれる。

ヒトGCKは、7番染色体上に位置し10個のエクソンからなる単一の常染色体性GCK遺伝子によりコードされ、他動物のGCK遺伝子もヒトGCKと相同である。本遺伝子の特徴として、5'末端側の第1エクソン内に2つの組織特異的プロモーター領域を有する点が挙げられる。いずれのプロモーターから転写が開始されるかにより、肝臓と他組織でわずかに異なる分子が産生され得る。GCKの2つのアイソフォームは分子N末端の13～15アミノ酸のみが異なり、構造差はごく軽微であるが、両アイソフォームは同一の酵素動態学的および機能的特性を有する。2004年に発見された別の哺乳類グルコースキナーゼであるADP特異的GCKは、原始的生物のものに類似した別個の遺伝子によりコードされる。これはATPではなくADPに依存することから、低酸素条件下でより有効に機能する可能性が示唆されている。

触媒反応

GCKの生理学的に重要な主要基質はグルコースであり、最も重要な生成物はグルコース-6-リン酸である。リン酸基供与体として必要なもう一つの基質はATPであり、リン酸基が外れることでADPへ変換される。GCKが触媒する反応を以下に示す。

図1．グルコキナーゼにより触媒されるグルコースのリン酸化。

この過程では、ATPは補因子であるマグネシウムと複合体を形成する。特定の条件下では、GCKは他のヘキソキナーゼと同様に、マンノース、フルクトース、グルコサミンなど、他のヘキソースおよび類似分子のリン酸化も触媒し得る。したがって、一般的なGCK反応はより正確には以下のように記述できる。

図2．グルコキナーゼにより触媒される一般反応。

GCKは、他のヘキソキナーゼと区別される2つの重要な酵素動態学的特性を有し、これにより特別な役割としてグルコースセンサーとして機能し得る。GCKの立体構造および／または機能は、生理学的に重要な4～10 mmol/Lの範囲でグルコース濃度が上昇するのに並行して変化し得る。グルコース濃度約8 mmol/Lで半飽和状態に達する。GCK活性は生成物であるグルコース-6-リン酸によって阻害されないため、生成物が相当量存在してもシグナル出力を継続できる。これら2つの特性により、GCKは「供給駆動型」の代謝経路の調節を担うことが可能となる。すなわち、反応速度は最終産物の需要ではなく、グルコース供給量によって規定される。

グルコースに対する中等度の協同性も、GCKのもう一つの特徴である。GCKはグルコースに対する結合部位を1つしか持たないにもかかわらず、基質協同性を示すことが知られている唯一の単量体調節酵素である。協同性の本質は、活性速度の異なる2つの酵素状態間の「遅い遷移」に関与すると推定されている。

臨床的意義

インスリンはGCK合成の最重要調節因子の一つであるため、あらゆる型の糖尿病では、複数の機序によりGCKの合成および活性が抑制される。GCK活性は、特にβ細胞における酸化ストレスにも感受性を示す。ヒトGCK遺伝子では約200種類の変異が同定されており、これらはグルコース結合およびリン酸化効率を変化させることで、グルコースに応答したβ細胞のインスリン分泌感受性を増減させ、臨床的に重要な高血糖または低血糖をもたらし得る。これら変異のうち190種類以上はGCKの機能効率に有害な影響を及ぼす。酵素活性が低下したアレルに対するヘテロ接合性は、インスリン分泌の閾値を上昇させ、その持続にも影響して軽度の高血糖を来し、若年発症成人型糖尿病（MODY）2型と呼ばれる。一方、機能低下GCKアレルのホモ接合性は、重篤な先天性インスリン欠乏を引き起こし、持続性新生児糖尿病の問題を生じる。2型糖尿病の治療を目的としてGCKを活性化する研究が進行中である。

参考文献