INSULIN OG GLUKOSETRANSPORTERE

INSULIN OG GLUKOSETRANSPORTØRER
Insulin og glukagon er to af de vigtigste faktorer i vedligeholdelse af kroppens energibalance.
De har en direkte modsatrettet effekt på plasmaglukosen, idet insulin udskilles ved høje energiniveauer og glukagon udskilles ved lave energiniveauer.
Begge hormoner syntetiseres og udskilles i bugspytkirtlen.
Insulin i betacellerne i de langerhanske øer og glukagon i bugspytkirtlens alfaceller.
Når vi har spist, skal næringsstofferne ind i cellens mitokondrier og anvendes til produktion af energi.
Ved forhøjet glukoseniveau i blodet medvirker insulin til optagelse af glukosen ind i cellen. Her kan glukosen bruges som brændstof til energiproduktion i mitokondrierne, eller det kan lagres som glykogen.
Insulin fremmer også optagelsen af fedtsyrer ind i fedtceller, hvor det kan lagres som triglycerider.
Samtidig forhindrer insulin frigivelsen af fedtsyrer fra fedtcellerne ind i blodbanen.
Skønt aminosyrer kan udskilles og optages af cellerne, fremmer insulin den aktive transport og optag af aminosyrer ind i celler som muskel- og leverceller. Her kan insulin i nogle tilfælde aktivere intracellulære processer der accelererer dannelsen af proteiner.
Insulin hæmmer desuden nedbrydningen af protein.
Sammenfattende fremtræder insulin altså som et opbyggende (anabolsk) hormon.
I denne korte gennemgang af litteratur omkring insulin, er der fokus på glukoseoptagelsen og insulinets rolle i denne proces.
GLUKOSETRANSPORTERE.
Da insulins væsentligste mekanisme i energihomøostasen er at mediere glukosetransport ind i cellen, er det værd først at kigge på de forskellige glukosetransportører, også de der ikke er insulinmedierede.
Glukosetransport over plasmamembranen varetages af membranproteiner kaldet glukosetransportører.
Disse proteiner tilhører "major facilitator superfamily" (MFS) der består af 74 membrantransportør-familier.
Tre distinkte gener koder for glukosetranportørerne: SLC2A (GLUT), SLC5A (SGLT) og en ny klasse af uniportere SLC5OA (SWEET).
De fleste celler udtrykker mere end en glukosetransportør og deres ekspression afhænger af de specifikke metaboliske omstændigheder.
SLC5A SODIUM-GLUCOSE LINKED TRANSPORTER.
Sodium-glucose cotransportere (SGLT'er) er integrale membran proteiner der anvender natrium-gradienter til aktiv transport af glukose over mebranen. Dette drives af Na+/K+-ATPasen.
De to primære isoformer SGLT1 og SGLT2 regulerer apikale epitelcellers optagelse af glukose i tyndtarmen og i nyrerne.
*x S.B. Poulsen et al. 2015. PMID: 26125647
Det er langt overvejende SGLT1 der medierer natrium-afhængig glukoseoptag i tyndtarmen, mens det i nyrerne er 90-95% af SGLT2 der står for genoptag af glukose og kun 3% SGLT1.
SGLT2 i nyrerne er lokaliseret i den ydre del af den proksimale tubulus (S1/S2 segmentet) og er en højkapacitet og lavaffinitet glukose-transportør, mens SGLT1 befinder sig i det mere distale segment (S3 segmentet) af den proksimale tubulus.
SGLT1 er en lavkapacitet og højaffinitet glukosetransportør (Myrna B. Schnur. 2018).
SGTL OG GLUT.
SGLT'er samarbejder i høj grad med GLUT'er.
Eksempelvis er SGLT1 (glukose) og GLUT5 (fruktose) i tyndtarmen ansvarlige for transport af glukose og fruktose på den apikale side (ind mod tarmindholdet), mens GLUT2 sørger for transport ud af epitelium gennem den basolaterale membran ud mod blodbanen (Ernest M. Wright et al. 2018).
I nyrerne er GLUT1 lokaliseret på den basolaterale side i den proksimale tubulus og den associeres med SGLT1 på den apikale side.
Et andet samarbejde i tubulus består mellem SGLT2 og GLUT2, hvor GLUT2 faciliterer glukose efflux tilbage i blodet. SGLT2 reabsorberer glukosen.
GLUT2 i tubulus udskiller også fruktose i blodbanen, og dette reaborberes af GLUT5 på den apikale side.
Der er forskellige precursere der dannes i den proksimale tubulus af glukose-6-fosfatase, hvilket danner fri glukose.
Den genererede glukose forlader derefter cellen via GLUT2 gennem den basolaterale membran.
Der findes andre GLUT'er i nyrerne, som dog ikke omtales nærmere her.
*x Sedzikowska & Szablewski. 2021. doi.org/10.3390/ijms222413522
INSULIN OG SGLT'ER
Under normale forhold forårsager høje glukoseniveauer og såkaldt advanced glycation end products (AGE's) eller H2O2 (hydrogen peroxid) ikke forøget ekspression af SGLT2.
Derimod ses SGLT2-medieret glukoseoptagelse i nyrerne at være forstærket under diabetiske forhold og diabetes-associerede faktorer er involveret i over-ekspression af SGLT2. Dette ser ud til at være medieret af insulin.
Antioxidanten N-acetylcystein (NAC) blokerer fuldstændig en insulininduceret opregulering af SGLT i de renale tubulære epitelceller og samtidig blokeres også den insulindrevne forøgede glukose-indstrømning i cellerne.
Reactive oxygen species (ROS) forårsager oxidativ stress og ødelæggelse af celler i for store mængder.
Insulin forøger ROS-dannelse i tubulære celler, hvilket kan tyde på, at insulin muligvis stimulerer SGLT2-medieret influx af glukose gennem en oxidativ stress reaktion ved forhøjede koncentrationer af ROS (300 μM H2O2).
Skønt et højt glukoseniveau eller AGE'er også kan stimulere en forøget ROS-generering i tubulære celler, kan ingen af dem inducere tubulær SGTL-ekspression. Dette kan muligvis skyldes at disse to faktorer kan inducere et så højt et niveau af ROS at det er giftigt for cellen (over 300 μM H2O2).
*x N. Nakamura et al. 2015.
doi.org/10.1186/s13098-015-0044-1
SLC2A GLUKOSE-TRANSPORTØRER.(GLUT'ER)
I nedenstående er disse brugt som udgangspunkter:
https://www.genenames.org/
The Human Protein Atlas https://www.proteinatlas.org/
GLUT'er er såkaldt uniportere der faciliterer transport gennem plasmamembranen med passiv faciliteret diffusion uden ATP.
Da GLUT'er afhænger af koncentrationsgradienten, kan de transportere glukose både ind og ud af cellen.
GLUT4 (SLC2A4) er den absolut primære sukkertransportør der påvirkes af insulin, men andre GLUT'er har også en vis forbindelse til insulin som GLUT1 og GLUT8.
SLC2 (solute carrier 2)-gener koder for GLUT-proteiner og man har fundet 14 GLUT-proteiner der udtrykkes i mennesker.
Alle GLUT'er transporterer sukkerarter (hexoler. C₆H₁₂O₆) og sukkeralkohol (polyoler,"sødemidler").
De mest velstuderede er GLUT 1-5, da de dels blev opdaget først og dels er de GLUT'er der spiller den største rolle i pattedyr i forbindelse med sukkermetabolisme.
GLUT1 (SLC2A1) findes overalt i kroppen, men særligt i livmoderen, i erytrocytter (røde blodceller) og i hjernen hvor gliaceller og endotelceller i hjernen afhænger af GLUT1-aktivitet i glukoseoptagelsen respektive fra den interstitiale væske og plasma.
GLUT1 er insulin-uafhængig og har en høj affinitet for glukose. Den vedligeholder en konstant, basal tilførsel af glukose til cellerne.
*x Tang & Monani. 2021. PMID: 34589708
Skønt normalt uafhængig af insulinpåvirkning, er det påvist, at konstant forhøjede insulinniveauer i plasmaet (hyperinsulinemia), som ved diabetes 2-induceret insulinresistens, resulterer i en forøget mRNA ekspression af GLUT1 (samtidig med at det formindsker mRNA ekspressionen af GLUT4) i adipocytter.
Forøgelsen af GLUT1 mRNA translation ser ud til at ske via Pi3K/PKB/mTOR/4E-PBE signalvejen.
*x Studiet jeg her refererer til, er udført på mus i 3T3-L1 fibroblast og adipocytter
Taha et al. 1999. Doi 10.1074/jbc.274.46.33085
GLUT2 (SLC2A2) er den vigtigste glukosetransportør i bugspytkirtlens betaceller og i hepacytter, men udtrykkes også i tyndtarmen, nyrerne og CNS.
Den har en lav affinitet for glukose og transporterer kun glukose ved høje koncentrationer.
GLUT2 er insulinuafhængig.
*x Sun et al. 2023. PMID: 37358764
GLUT3 (SLC2A3) har en høj affinitet for glukose og udtrykkes derfor særligt i væv der er meget energikrævende, eller i væv med lav glukosekoncentration. GLUT3 udtrykkes i testiklerne og livmoderen, CNS og hjernen (GLUT3 er mest kendt for dets specifikke ekspression i neuroner), leococytter, respirationssystemet, knoglemarv og lymfoid væv.
GLUT3 er insulinuafhængig.
*x Ian A Simpson et al. 2008. PMID: 18577699
GLUT4 (SLC2A4) er den primære insulinafhængige glukosetransportør.
Den udtrykkes særligt i skeletmuskulatur, vaskulært væv, hjertet og i fedtvæv.
GLUT4 beskrives nærmere nedenfor.
GLUT8 (SLC2A8) GLUT4 og GLUT8 virker som insulinafhænge transportører i hjertet via en Akt/AF160-afhængig signalvej.
UDSKILLELSE AF INSULIN.
Ved stigende plasmaglukose passerer glukosen betacellernes plasmamembran passivt gennem dets koncentrationsgradient, via GLUT1 og GLUT2 transportere.
I betaceller medfører denne påvirkning af glukose en øget ATP/ADP-ratio. Stigningen af ATP depolariserer betacellen, spændingsafhængige calciumkanaler åbnes i plasmamembranen og der sker en influx af Ca2+.
Den øgede mængde calcium medfører translokation af de sekretoriske vesikler der indeholder insulin til plasmamembranen og insulinen frigives i blodbanen.
(Campbell & Newgard. 2021)
INSULINAFHÆNGIG GLUKOSEOPTAG I SKELETMUSKULATUR OG ADIPOCYTTER.
Insulin faciliterer translokationen af GLUT4 fra cytoplasmaet til plasmamembranen og glukosen optages gennem denne, med samme faciliterede diffusion som i betacellerne.
Ved fravær af insulin er ca. 90% af GLUT4-proteinerne indeholdt i intracellulære vesikler.
SIGNALTRANSDUKTIONSVEJE.
PI3K/AKT-SIGNALVEJEN.
Denne signalvej anvendes stort set af alle insulinmedierede celler i kroppen der optager glukose.
INSULINRECEPTOREN (IR) er en transmembran receptor der aktiveres af insulin og insulin growth factor (IGF-I og IGF-II).
Den tilhører familien af receptor-tyrosinkinaser der har et intrinsisk enzymatisk tyrosinkinase-domæne. Den autofosforylerer altså sig selv på den intracellulære "hale" af receptoren. Dermed behøver den ikke at anvende andre kinaser som JAK2 (hvilket fx gælder for leptinreceptoren OB-Rb).
Ved insulinbinding til IR, øges dens proteintyrosinkinase-aktivitet, hvilket medfører fosforylering af forskellige målproteiner.
Her spiller insulinreceptor-substrat1 (IRS1) en rolle som bro mellem receptoren og nedstrøms-signalbaner, som PI3K/AKT og Ras/MAPK (ERK) signalvejene.
Når IRS1 fosforyleres på specifikke tyrosinsider af receptoren, fungerer disse sider som docking-steder for SH2-domæner (bindingsdomæner) på den regulerende underenhed p85 af lipid- og proteinkinasen PI3K.
Da P85 er fast bundet til den katalytiske underenhed på PI3K p110, betyder det at rekrutteringen af p85 bringer hele PI3K-komplekset til plasmamembranen.
Interaktionen med membranen trigger en konformationel ændring af p110 katalyse-underenheden og den aktiveres, idet det løsner p38-hæmningen af p110.
Nu fungerer p110 som en kinase og fosforylerer lipidmolekylet Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) som derved omdannes til Phosphatidylinositol (3,4,5)-trisphosphate (PIP3).
PIP3 er lokaliseret på indersiden af membranen og rekrutterer signalproteiner der i passiv tilstand indeholder enzymhæmmende PH-domæner - især Akt (proteinkinase B) og PDK1 (3-Phosphoinositide-Dependent Protein Kinase-1).
Når Akt og PDK1 bindes til PIP3, translokerer de fra cytoplasmaet til membranen.
PIP3-bindingen til AKT's PH-domæne ophæver den autohæmmende effekt af PH-domænet og Akt's fosforyleringssteder blotlægges.
Den nærtliggende PDK1 fosforylerer nu Akt på Thr308, hvilket delvis aktiverer Akt.
Endelig aktiveres Akt fuldt ud ved proteinkomplekset mTORC2's fosforylering på Akt Ser473, hvilket stabiliserer den aktive konformation af Akt.
*x B.D. Hopkins et al. 2021. PMID: 32127696
AKT-UAFHÆNGIG SIGNALVEJ I ADIPOCYTTER OG MYOCYTTER.
RHO FAMILY GTPASE-SIGNALVEJEN.
Som beskrevet ovenfor anvender adipocytter PI3K-Akt-signalvejen.
En anden signalvej der aktiveres af insulin er Rho family GTPase TC10.
Begge signalveje er involveret i GLUT4 translokationen til plasmamembranen.
GTPasen TC10 fungerer som andre GTPaser ved at binde til nukleotidet GTP, hvorved den aktiveres.
Proteinet Exocyst-komplekset består af otte underenheder og formidler translokationen af GLUT4-vesiklet fra trans-golgi netværket til plasmamembranen, hvor SNARE-samlinger fører til membranfusionen.
De otte underenheder ("CorEx-motiver") danner fire specifikke parvise heterodimerer("Underkomplekser": Sec3-Sec5, Sec6-Sec8, Sec10-Sec15, Exo70-Exo84).
Dernæst danner de to CorEX-motiver fra de første to heterodimerer par og danner et fire-helikalbundt, hvilket resulterer i underkompleks 1, der består af Sec3, Sec5, Sec6 og Sec8.
På samme måde samler Sec10, Sec15, Exo70 og Exo84 sig til underkompleks 2.
Interaktionen mellem de to underkomplekser medieres hovedsageligt af Sec8 og Sec5 fra underenhed 1, der begge har mange bindingssider til binding af underenhed 2.
Sec3, og delvis, Exo70 er permanent lokaliserede på membranen gennem lipide forbindelser (Xu et al. 2026)
Det GTP-bindende protein TC10 er lokaliseret i "lipid raft"-mikrodomæner i plasmamembranen, særligt i adipocytter og andre insulinresponsive celler.
TC10 ser ud til at fungere uafhængig af, men sammen med, signalveje der involverer IRS og PI3 kinase.
Ved binding af insulin til receptor-tyrosinkinasen, aktiveres CAP-Cbl-TC10 vejen.
Kort fortalt, resulterer dette i aktiveringen af en af Rho-familiens små GTPaser, TC10.
Ved aktivering interagerer TC10 med et antal potentielle effektormolkyler. En af disse er Exo70, der er en af komponenterne i Exocyst-komplekset.
Exo70 interagerer med TC10 primært gennem dets N-terminal,
(Chang et al. 2004. PMID: 16307172)
Nogle mener, at alle otte underenheder er bundet til vesiklen og ankommer til membranen samtidig (Donovan and Bretscher, 2015; Heider et al., 2016)og andre mener, at underenhederne Sec3 og Exo70 kun er bundet til plasmamembranen (Boyd et al., 2004; Liu et al., 2018).
Det er foreslået, at det i pattedyr er fem underenheder i plasmamembranen der interagere med 3 underenheder på vesiklen (Moskalenko et al., 2003).
I dette studie (se nedenfor) blev det fundet, at underkomplekserne 1 og 2 kan samles og translokere til membranen uafhængigt af hinanden.
Det er også påvist, at kun 50% af underkomplekserne
1 og 2 er associerede med hinanden i cytoplasmaet, hvilket kan betyde, at pattedyr-Exocyst ikke er en stabil octamer.
Skønt det nu er påvist, at ankomsttiden er ens for alle underenheder og vesiklen, er der dog en lille forsinkelse (ca. 80 msek) mellem ankomsten af Sec5 (på underkompleks 1) og Exo70 (på underkompleks 2), hvilket kan betyde, at den fulde Exocyst samling af alle underenheder sker på vesiklen, eller meget tæt på plasmamembranen.
*x Ahmed et al. 2018. doi.org/10.1101/354449
RAB-GTPASE.
En anden mekanisme hvorpå TC10 stimulerer GLUT4-translokation afhænger af RAB5 familiemedlemmet RAB31. RAB31 er en anden GTPase der medvirker til regulering af intracellulær membran og vesikel-trafik.
I ustimulerede celler aktiveres RAB31 af en guanine nucleotide exchange factor (GEF): GAPex-5.
Dette fastholder GLUT4-vesiklen i cytoplasmaet.
Efter insulinstimulering danner den aktive form af TC10 et kompleks med GAPex-5 (og dets bindingspartner CIP4, et celle-stillads og cytoskelet adaptorprotein) og fjerner GAPex-5 fra dets substrat RAB31.
Hermed kan GAPex-5 ikke aktivere RAB31 (der ellers ville forårsage akkumulering af GLUT4'er i vesiklerne), vesiklerne frigøres og translokeres mod membranen.
*x Takaya Satoh 2014. PMID: 25325535
EXOCYTOSE MED SNARE.
Efter translokation af GLUT4-vesiklerne til undersiden af membranen, medierer SNARE-proteiner (soluble NSF attachment protein receptor) fusionen af vesiklerne med membranen.
De er bedst studerede i neuroner og sekretoriske celler.
De to "hovedmotorer" i SNARE-mekanismen er v-SNARE's (R-SNARE'er) og t-SNARE's (Q-SNARE'er).
v-SNARE-proteiner, (synaptobrevin/VAMP), på vesikelmembranen danner et kompleks med plasmamembranens t-SNARE'ens proteiner, syntaxin 1 og SNAP-25.
Dette trans-SNARE kompleks (SNAREpin) er et fire-alfa-helix sæt, hvor den ene alfa-helix er syntaxin 1, en anden er alfa-helix synaptobrevin og to alfa-helix er SNAP-25. (Zhou QJ et al. 2015).
Trans-SNARE komplekset virker som en "lynlås" der trækker vesikel- og plasmamembranen sammen, fra N-terminal-enden til C-terminal-enden på alfa-helixerne.
Denne proces koordineres og kontrolleres af adskillige regulerende faktorer som Rab-GTPase og fosfoinositider. For uddybning se nedenstående link.
Fusionsproteiner som SNARE'er overfører konformationel energi til membranerne og ændrer koordineringen af reaktionen på en sådan måde, at fusionsreaktionen følger en nedadgående energigradient der fastlægger den videre bane i plasmamembranen.
*x Jahn et al. 2023. PMID: 37848589
RAS/MAPK (ERK)-SIGNALVEJEN.
Denne signalvej vil blive omtalt senere, da den ikke har direkte forbindelse med insulinmedieret GLUT4 translokalisering.
GLUKOSEOPTAG I LEVEREN.
Leveren modtager kulhydrater fra kosten direkte fra tyndtarmen via portalvenen.
Insulin deltager ikke i optagelsen af glukose i leveren, i stedet sker transporten ned ad en koncentrationsgradient gennem GLUT2-transportere.
Hepacytter har insulinreceptorer.
Som i muskler og fedtvæv forårsager insulinpåvirkning en PI3K/Akt kaskade, men i leveren er Akt's kinaseaktivitet målrettet glykogensyntase kinase-3 (GSK3) og forkhead box 01 (FOX01), som hæmmes af insulin-signalering.
Denne hæmning fører til reduceret glukoseproduktion og dannelsen af glykogensyntese (glykogenese).
Derimod aktiveres glykogensyntase, der er mål for mTORC1 og sterolregulerende element-bindende protein (SREBP), af insulinsignalering.
Glykogensyntase virker som et rate-begrænsende enzym i glykogenese.
På den anden side øger stimuleringen af mTORC1 og SREBP-signalvejene henholdsvis protein- og lipid syntese.
Udover dette, kan insulin påvirke mange Pi3K og Akt isoenzymer i hepacytter.
PI3K kan deles op i tre klasser med hver deres distinkte rolle i metabolisk signalering.
Klasse I og II PI3K'er er involveret i cellesignalering og glukoseoptag i andet væv end leveren og klasse III Pi3K'er deltager i membran-trafik.
Reguleringen af mTORC1 og FOX01 sker hovedsagelig gennem signaler fra klasse i PI3K/Akt1 signalvejen.
I leveren kan insulin også signalere via klasse II PI3K isoformen γ (PI3K-C2γ) og Akt2 i tidlige endosomer, hvor det hæmmer GSK3, hvilket forårsager øget glykogenese på en Akt1-uafhængig måde.
Dermed ser det ud til at disse forskellige signalveje måske virker uafhængige.
Sammenfattende kan det siges, at insulin øger proteinsyntese, lipidsyntese og glukoselagring som glykogen i hepacytter gennem klasse I Pi3K/Akt1 og klasse II Pi3K-Cγ /Akt2 signaleringsveje.
*x Whang-Hsin Lee et al. 2023. PMID: 37271372
Insulin og lagring af glykogen i leveren vil blive behandlet i et senere afsnit om glykogenese og glykogenolyse etc.
INSULIN EFFEKT PÅ GLUKOSEOPTAG I HJERNEN.
Insulin er et lille peptidhormon på 5,8 kDa, men det er et polært hydrofobisk molekyle og med en størrelse der ikke passivt kan trænge igennem porerne.
Derfor kræves en receptormedieret transport eller et mættet transportsystem som peptidtransport-systemet (Rhea og Banks. 2022. PMID: 33433042).
Ved insulinbinding til endotelcellernes luminale side sker to ting: Det kan aktivere det intracellulære maskineri der påvirker cellulære funktioner (signaleringsreceptoren), eller det kan transporteres over BBB (transporterbindingssiden).
Begge mekanismer inducerer endocytose og exocytose.
Signalreceptoren medierer exocytosen på den luminale side og exocytosen på den abluminale medieres af transportbindingssiden (Banks, Rhea og Noonan. 2022. PMID: 36644126)
Insulin spiller ikke en direkte rolle i optag af glukose i hjernen, da denne væsentligst foretages af de insulinuafhængige GLUT1 fra plasma i BBB-endotelceller og gliaceller fra den interstitiale væske. I neuronerne er det væsentligst GLUT3 der står for glukoseoptag.
Insulinreceptoren udtrykkes i cerebellum, hypothalamus og hippocampus (Dorè et al., 1997; Kar et al., 1993b; Marks et al., 1991).
I rottehjernen er der dog fundet insulinreceptoren og GLUT4 tilstede sammen i hypothalamus og GLUT4 mRNA er fundet i cerebellum, cortex og hippocampus (Messari et al. 1998).
GLUT4 udtrykkes i soma og dendritter/axoner på neuronet i hippocampus.
I soma'et udtrykkes GLUT4 i plasmamembranen, men er også fundet i cytoplasmaet (Messari et al. 1998).
Neuronal GLUT4 er afhængig af insulin, som den er i muskel- og fedtvæv (Watson og Pessin. 2001).
Der er fundet flere isoformer af GLUT i hjernen, udover de ovennævnte, såsom GLUT5 i mikroglia og GLUT8 i soma'et, samt GLUT2 i astrocyterne.
*x McEwen og Reagan. 2004 (Brug sci hub): DOI 10.1016/j.ejphar.2004.02.041
RAS/MAPK (ERK)-SIGNALVEJEN.
Denne signalvej vil blive omtalt senere, da den ikke har direkte forbindelse med insulinmedieret GLUT4 translokalisering.
Billede: Hayley O'Neill. DOI:10.4093/dmj.2013.37.1.1