Glucosetransporter

  Glucosetransporter (GLUT, SLC2A) sind transmembranäre Transportproteine, die den Transport von Glucose durch die Zellmembran katalysieren.

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Funktion

Monosaccharide wie Glucose sind sowohl in Wasser als auch im Blut gut löslich (polar) und können daher problemlos über das Blut zu den Zielzellen transportiert werden. Die (apolare) Lipiddoppelschicht der Zellen ist für Glucose aber nur schwer durchlässig, weshalb es in den Plasmamembranen Glucosetransporter gibt, die eine erleichterte Diffusion ermöglichen. Sie arbeiten ohne Energieverbrauch rein aufgrund des chemischen Gradienten für Glucose.

Damit dieses notwendige Konzentrationsgefälle zwischen Intrazellularraum und Extrazellularraum aufrecht erhalten wird, reagiert die Glucose nach Eintritt ins Zytosol zu Glucose-6-phosphat (G6P), was durch die Hexokinase (verschiedene Isoformen) katalysiert wird. G6P ist Ausgangsprodukt der Glykolyse, des Pentosephosphatweges und der Glykogensynthese.

Struktur

Bislang sind 14 verschiedene Arten von Glucosetransportern bekannt, die in drei Klassen unterteilt werden. Jeder Glucosetransporter besteht aus insgesamt zwölf amphiphilen Transmembrandomänen, die sich so in der Plasmamembran anordnen, dass die hydrophoben Anteile nach außen in die Membran binden und in der Mitte eine hydrophile Pore für Glucose entsteht. Dabei liegen Amino-Terminus und Carboxyl-Terminus auf zytosolischer Seite (intrazellulär). Die Bindung von Glucose verursacht eine Konformationsänderung, durch die das Molekül zur anderen Seite transportiert wird.

Typen

Aufgrund von Gemeinsamkeiten in der Sequenz werden die GLUTs in drei Klassen eingeteilt. GLUT1, GLUT2 und GLUT3 sind auch für Dehydroascorbat durchlässig.

Typ1 (GLUT1 bis GLUT4, GLUT14)

GLUT1

GLUT1 ist der am weitesten verbreitete Typ und kommt in vielen Säugerzellen vor. Vor allem in den Zellen des ZNS und den Erythrocyten ist dieser Typ häufig anzutreffen, weshalb man davon ausgeht, dass ihm eine besondere Funktion bei der Nährstoffversorgung dieser Zellen zukommt. Er ist ein insulinunabhängiger Transporter, sein K_M-Wert liegt bei 18-21 mmol/l.

GLUT2

Er kommt in Hepatozyten, in den β-Zellen des Pankreas, in der Darmmukosa und in den Epithelzellen der Niere vor. Der Transporter ist ebenfalls insulinunabhängig, besitzt aber nur eine geringe Glucoseaffinität, sodass er bei einem hohen Blutzuckerspiegel mehr Glucose einschleust und dadurch die Insulinsynthese und -freisetzung in den β-Zellen aktiviert sowie den Glykogenabbau der Leber hemmt.

GLUT3

Kommt vor allem in Nervenzellen des Gehirns vor. Durch die geringere K_M im Vergleich zu GLUT1 wird eine ausreichende Glucoseaufnahme auch bei niedrigen Blutzuckerspiegeln gewährleistet. Er ist insulinunabhängig.

GLUT4

Kommt in Fettzellen und Muskelzellen vor. GLUT4 ist insulinabhängig, besitzt eine hohe Affinität und wird intrazellulär in der Membran von Vesikeln gespeichert. Steigt der Blutzuckerspiegel an, steigt auch der Insulinspiegel. Insulin vermittelt die Fusion der Vesikel mit der Plasmamembran, sodass der Blutzuckerspiegel durch Aufnahme von Glucose in die Zellen wieder gesenkt werden kann. Danach werden die Transporter durch Endozytose wieder aufgenommen und können erneut verwendet werden. In den Fettzellen kann die Glucose dann in Form von Triacylglycerin, in Muskelzellen in Form von Glykogen, gespeichert werden.

GLUT14

Kommt ausschließlich im Hoden vor und ist strukturell mit GLUT3 verwandt.

Typ2 (GLUT5, GLUT7, GLUT9, GLUT11)

GLUT5

Dieser Typ ist kein reiner Glucose- sondern ein Fructosetransporter und kommt vor allem in den Spermatozoen und im Intestinaltrakt vor.

GLUT6

Nicht exprimiertes Pseudogen.

GLUT7

Dieser Transporter dient dem Transport der in der Gluconeogenese in der Leber entstandenen Glucose aus den Zellen in das Blut. Dafür muss zunächst Glucose-6-phosphat durch die am Endoplasmatischen Retikulum lokalisierte Glucose-6-phosphatase dephosphoryliert werden.

Typ3 (GLUT6, GLUT8, GLUT10, GLUT12, "GLUT13" (HMIT))

Funktionen

GLUT1, GLUT3 und GLUT4 sowie die Hexokinase sind damit die Traubenzucker-Grundversorger des Organismus, die selbst bei niedrigem Blutzuckerspiegel noch effizient arbeiten,da sie einen niedriges Km haben(und daher eine hohe Affinität). Wichtig ist, dass die Menge an Glucose, die in der Zelle verstoffwechselt wird, ausschließlich von der Hexokinase-Menge in der Zelle abhängt und nicht vom Blutzuckerspiegel.

GLUT2 und die Glucokinase dagegen sind in ihrer Aktivität abhängig von der Blutzuckerkonzentration, da sie eine niedrige Affinität besitzen(hohes Km).Das bedeutet,dass die Aufnahme von Glukose nur dann erfolgt,wenn eine Hyperglykämie besteht. Sie dienen somit als eine Art Glucosesensor. Gibt es einen Glucosemangel, ist damit zuerst die Versorgung der Organe und der Muskulatur (von besonderer Wichtigkeit ist die Versorgung der Erythrozyten und des ZNS mit Glucose, da diese auf eine Mindestglucosekonzentration angewiesen sind) sichergestellt, bevor Glucose in den Leberzellen oder den Fettzellen gespeichert wird. Die Glucokinase im Pankreas sorgt dafür, dass in Abhängigkeit von der Blutzuckerkonzentration ausreichend Insulin hergestellt und sezerniert wird. Wäre in diesen Zellen die Hexokinase lokalisiert, so wären die β-Zellen völlig unangepasst und würden ständig Insulin ausschütten.

Die meisten Zellen sind nicht in der Lage, freie Glucose selbst zu synthethisieren, da ihnen die Glucose-6-phosphatase fehlt. Sie sind somit auf eine Versorgung durch das Blut angewiesen. Lediglich Hepatozyten und bedingt Darm- und Nierenzellen sind in der Lage, Gluconeogenese zu betreiben.

Medizinische Bedeutung

In Tiermodellen von Diabetes mellitus ist die Expression von GLUT1 in Herzmuskelgewebe und in Gefäßen der Netzhaut (Retina) vermindert. Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 weisen in Skelettmuskelzellen eine verminderte Expression von GLUT1 und eine verminderte Glukoseaufnahme auf. Im Gegensatz dazu findet man bei Diabetikern in der Mesangiumzelle des Nierenkörperchens eine erhöhte Expression von GLUT1. Dies bewirkt in der Niere eine vermehrte Glukoseaufnahme und eine überschießende Aktivierung glukoseabhängier Stoffwechselwege. Dies führt letztendlich zu einer erhöhten Bildung von TGF-β. Diese Hochregulation von TGF-β fördert die überschießende Produktion extrazellulärer Matrix, welche als eine mögliche Ursache der diabetischen Nierenschädigung angesehen wird. Zudem fördert TGF-β wiederum die Expression von GLUT1 und unterhält so den Pathomechanismus.

Eine erhöhter Druck in den Kapillaren des Nierenkörperchens oder ein Anstieg von Angiotensin-2 fördert ebenfalls die Expression von GLUT1 in der Niere. Möglicherweise ist dieser Mechanismus eine Ursache der durch Bluthochdruck oder Fettsucht verursachten Nierenschädigung (Nephrosklerose).^[1]

Einzelnachweise

1. ↑ Luigi Gnudi et al.:: „Mechanical Forces in Diabetic Kidney Disease: A Trigger for Impaired Glucose Metabolism“. J Am Soc Nephrol 2007; 18: s. 2226-2232 [Abstract]

Literatur

• Rainer Klinke, Hans-Christian Pape, Stefan Silbernagl (Hrsg.): Lehrbuch der Physiologie. 5. Auflage. Thieme, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-796003-7
• Georg Löffler, Petro E. Petrides, Peter C. Heinrich (Hrsg.): Biochemie und Pathobiochemie. 8. Auflage, Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-5403268-0-9.