GLUT1: CHARAKTERYSTYKA, STRUKTURA, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2025

GLUT1 jest białkiem transbłonowym odpowiedzialnym za ułatwienie biernego transportu glukozy przez błonę komórkową z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do komórki.

Oprócz glukozy wykazano, że może również mobilizować inne sześciowęglowe cukry, takie jak galaktoza, glukozamina i mannoza. Z kolei umożliwia pobieranie i transport witaminy C do komórek, które nie są w stanie jej wytworzyć.

Struktura krystaliczna transportera glukozy GLUT1. A2-33, źródło Wikimedia Commons.

Ponieważ wszystkie cząsteczki transportowane przez GLUT1 biorą udział w szlakach wytwarzania energii w komórce, ekspresja tego transportera odgrywa bardzo ważną rolę metaboliczną.

W rzeczywistości mutacje, które zmieniają lub znoszą ekspresję funkcjonalnego GLUT1, powodują pojawienie się wielu chorób związanych z powolnym rozwojem neurologicznym i ograniczonym wzrostem mózgu.

Transport glukozy w komórkach i transportery GLUT1

Glukoza jest preferowanym źródłem węgla i energii dla większości komórek tworzących drzewo życia. Ponieważ nie jest wystarczająco mały i hydrofobowy, aby samodzielnie przekraczać błony komórkowe, jego transport do komórki wymaga pomocy białek transportujących.

Zaproponowano dwa specyficzne mechanizmy transportu za pośrednictwem transporterów dla tego cukru. Jeden z nich odpowiada na bierny system transportowy (ułatwiona dyfuzja), a drugi na aktywny system transportowy.

Pierwsza nie wymaga energii i przebiega poprzez gradient stężeń, czyli z miejsca o wysokim stężeniu glukozy do miejsca o niższym stężeniu.

Aktywny transport glukozy odbywa się za pomocą transporterów, które pozyskują energię z współtransportu jonów sodu.

Natomiast ułatwiona (pasywna) dyfuzja glukozy jest prowadzona przez rodzinę transporterów bramkowych zwanych GLUT (od angielskiego akronimu „Glucose Transporters”), do której należy GLUT1. Te wiążą glukozę na zewnątrz komórki i transportują ją do cytozolu. Co najmniej 5 z nich zostało zidentyfikowanych i wydaje się, że ich rozmieszczenie jest różne w różnych tkankach ssaków.

Funkcje GLUT1

Mechanizm transportu wykorzystywany przez transporter glukozy GLUT1. Autor: Emma Dittmar - Praca własna, CC BY-SA 4.0, https: //commons.wikimedia.org/w/index.php? Curid = 64036780

GLUT1 to uniporterowy transporter glukozy, czyli zdolny do transportu glukozy tylko w jednym kierunku, z zewnątrz komórki do cytozolu.

Należy do nadrodziny transporterów ułatwionej dyfuzji (MSF), która jest szeroko rozpowszechniona w wielu różnych organizmach. Bierze również udział w transporcie przezbłonowym dużej liczby małych cząsteczek organicznych.

Jego sekwencja peptydowa składająca się z 492 aminokwasów jest silnie konserwowana w różnych organizmach, w których została zidentyfikowana, co nietrudno w to uwierzyć, biorąc pod uwagę, że wykorzystanie glukozy do pozyskiwania energii stanowi centrum metabolicznego drzewa życia.

Struktura GLUT 1

GLUT1 jest integralnym, wielotorowym białkiem błonowym zbudowanym z 492 reszt aminokwasowych. Ten typ integralnego białka błonowego charakteryzuje się wielokrotnym przekraczaniem dwuwarstwy lipidowej.

Trójwymiarową strukturę chemiczną białek określa się zwykle za pomocą krystalografii rentgenowskiej, która jest techniką szeroko stosowaną przez biochemików do rekonstrukcji modelu strukturalnego z użyciem czystych kryształów badanego białka.

W wysoce konserwatywnych białkach, takich jak GLUT1, wystarczające może być określenie struktury białkowej pojedynczego organizmu. Z tego powodu naukowcy do tej pory określili strukturę krystaliczną GLUT1 mutanta E3229.

Podobnie jak u wszystkich innych członków głównej nadrodziny pośredniczącej (MSF), struktura GLUT1 jest reprezentowana przez 12 transbłonowych helis.

Dodatkowo, w GLUT1 E3229, końcówki aminowe i karboksylowe peptydu są pseudosymetryczne i są zorientowane w kierunku cytozolu. Układ tych końców tworzy kieszeń lub wnękę, która jest otwarta wewnątrz komórki i stanowi miejsce wiązania glukozy.

Zmiana struktury GLUT1 determinuje transport glukozy do komórki

Ponieważ glukoza jest na ogół transportowana z zewnątrz do wnętrza komórki, odkrycie, że miejsce wiązania tego cukru jest zorientowane w kierunku cytozolu, powoduje pewne zamieszanie.

Jednak to zamieszanie znajduje rozwiązanie w wynikach badań biochemicznych, które sugerują, że zachodzi zmiana w kształcie białka, umożliwiająca odsłonięcie miejsca wiązania glukozy najpierw po jednej stronie błony, a następnie po drugiej.

Nie oznacza to, że białko obraca się przez błonę, ale że wiązanie cukru wprowadza zmianę w sposób, który niczym brama wystawia glukozę do wnętrza.

Funkcje GLUT 1

Ponieważ GLUT1 jest konstytutywnym transporterem ekspresji, to znaczy zawsze ulega ekspresji w większości komórek ssaków, funkcje, które spełnia, są dla tych komórek kluczowe. W rzeczywistości jest on wyrażany w prawie wszystkich tkankach płodu właśnie dlatego, że w fazach rozwoju potrzebna jest duża podaż energii, aby zapewnić wzrost.

Jednak jego ekspresja zmniejsza się po urodzeniu w niektórych tkankach, takich jak wątroba, gdzie ekspresja innych izoform, takich jak GLUT4, jest teraz zwiększona.

Dla erytrocytów ma to fundamentalne znaczenie, ponieważ te ostatnie są zależne wyłącznie od glukozy jako energii, ponieważ brakuje im mitochondriów. Jednak nadal odpowiada za wychwyt glukozy w celu wspomagania oddychania w innych typach komórek.

Ponieważ GLUT1 osiąga wysokie stężenie w komórkach śródbłonka naczyniowego wielu narządów i tkanek, jedną z jego funkcji jest przenoszenie glukozy z krwi.

Transport innych heksoz, takich jak mannoza, galaktoza i glukozamina, przez GLUT1 nie kwestionuje jego bezpośredniego związku z metabolizmem energii, ponieważ ATP można wytworzyć z wszystkich tych heksoz.

Ponadto wchłanianie i transport witaminy C do komórek niezdolnych do jej syntezy jest również jedną z funkcji opisywanych dla tego wszechobecnego receptora.

Bibliografia

1. Chen LY, Phelix CF. Zewnątrzkomórkowe bramkowanie transportu glukozy przez GLUT 1. Biochem Biophys Res Commun. 2019; 511 (3): 573-578.
2. Cunningham P, Naftalin RJ. powikłania nieprawidłowego wrażliwego na temperaturę transportu glukozy przez mutanta niedoboru transportera glukozy (GLUT1DS) T295M dla modeli transportu alternatywnego i transportu stałego. J Membr Biol.2013; 246 (6): 495-511.
3. Deng D, Xu C, Sun P, Wu J, Yan C, Hu M, Yan N. Struktura krystaliczna ludzkiego transportera glukozy GLUT1. Natura. 2014; 510 (7503): 121-125.
4. Deng D, Yan N. Crystallization and Structural Determination of the Human Glucose Transporters GLUT1 i GLUT3. Metody Mol Biol.2018; 1713: 15-29.
5. Fu X, Zhang G, Liu R, Wei J, Zhang-Negrerie D, Jian X, Gao Q. Mechanistic Study of Human Glucose Transport Mediated by GLUT1. J Chem Inf Model. 2016; 56 (3): 517–526.
6. Mueckler M, Makepeace C. Analiza transbłonowego segmentu 8 transportera glukozy GLUT1 przez mutagenezę skanującą cysteinę i dostępność cysteiny podstawionej. J Biol Chem.2004; 279 (11): 10494-10499.
7. Philip L. Rozdział 13 - Transport membranowy. Membranes of Cells (wydanie trzecie). 2016, pp 335-378.
8. Simmons R. Transport glukozy w komórkach i obsługa glukozy podczas rozwoju płodu i noworodka. Fetal and Neonatal Physiology (piąte wydanie). 2017; 1 pp 428-435.