Kas ir glicerīna kināze?

Glicerīna kināze (starptautiskajā fermentu klasifikācijā EC 2.7.1.30) pieder fosfotransferāžu klasei, tas ir, fermentiem, kas pārnes fosfātu saturošas grupas no vienas molekulas uz otru. Kināžu apakšgrupā tā ietilpst tāpēc, ka fosfāta donors ir ATP, bet akceptors ir spirta hidroksilgrupa. Latviešu tekstos līdzās nosaukumam glicerīna kināze lieto arī apzīmējumu glicerokināze, un abi apzīmē vienu un to pašu olbaltumvielu.

Cilvēkā fermentu kodē gēns GK, kas atrodas X hromosomas īsajā plecā. Aktīvā olbaltumviela ir divu domēnu struktūra, kas pieder tā sauktajai aktīna un heksokināzes strukturālajai virsdzimtai: substrāts iesēžas plaisā starp diviem domēniem, un, tam pievienojoties, domēni saveras ciešāk kopā, pietuvinot ATP fosfātu glicerīna hidroksilgrupai. Reakcijai nepieciešami magnija joni, kas saista ATP fosfātus pareizā telpiskā stāvoklī.

Šūnas iekšienē daļa fermenta ir izšķīdusi citoplazmā, bet ievērojama daļa ir piesaistīta mitohondriju ārējai membrānai porīna kanālu tuvumā. Tas nav nejauši: šāda novietojuma dēļ ferments atrodas turpat, kur ATP izplūst no mitohondrija, un var izmantot to uzreiz, nesajaucoties ar pārējo šūnas ATP krājumu.

Aktīvākie audi ir aknas un nieres, kam seko tievo zarnu gļotāda, brūnie taukaudi un laktējošs piena dziedzeris. Skeleta muskuļos un baltajos taukaudos aktivitāte ir zema. Sēkliniekos strādā atsevišķs, radniecīgs ferments, ko kodē cits gēns, un tas paskaidro, kāpēc daļa vielmaiņas traucējumu neietekmē visus audus vienādi.

• Aknas: glicerīnu pārvērš par glikozi badošanās laikā un izmanto triglicerīdu un fosfolipīdu sintēzei.
• Nieres: pieskaitāmas pie orgāniem, kas spēj veidot glikozi no glicerīna ilgstošas badošanās laikā.
• Tievo zarnu gļotāda: no uzsūktajiem tauku sadalīšanās produktiem atjauno triglicerīdus.
• Brūnie taukaudi: glicerīna-3-fosfāts nepieciešams, lai atkārtoti esterificētu taukskābes siltuma ražošanas laikā.
• Baltie taukaudi: aktivitāte ir ļoti zema, tāpēc glicerīns tiek izlaists asinīs, nevis izmantots uz vietas.

Reakcija pati par sevi ir vienkārša, bet enerģētiski svarīga. Tā praktiski nav atgriezeniska, tāpēc kalpo par vienvirziena vārstu, kas glicerīnu ieslēdz šūnā.

Tieši neatgriezeniskums ir iemesls, kāpēc fermenta trūkums nav kompensējams ar citiem ceļiem. Ja fosforilēšana nenotiek, glicerīns uzkrājas asinīs un tiek izvadīts ar urīnu.

1. Triglicerīdi taukaudos tiek sadalīti ar lipāžu palīdzību, un atbrīvojas glicerīns un trīs taukskābes.
2. Glicerīns nokļūst asinsritē un tiek uzņemts aknu šūnā caur akvaporīna tipa kanālu, kas laiž cauri ne tikai ūdeni, bet arī glicerīnu.
3. Glicerīna kināze saista ATP un magnija jonu, pēc tam glicerīnu; fermenta domēni saveras kopā.
4. Fosfāta grupa tiek pārnesta uz glicerīna trešo oglekļa atomu; rodas glicerīna-3-fosfāts un ADP.
5. Lādētais glicerīna-3-fosfāts vairs nevar izkļūt cauri membrānai un tiek novirzīts vai nu uz glikozes veidošanu, vai uz tauku un fosfolipīdu sintēzi.

Produkts atrodas krustcelēs starp ogļhidrātu un tauku vielmaiņu, un tieši tāpēc šis ferments ir daudz nozīmīgāks, nekā liecinātu viena vienkārša reakcija. Atkarībā no tā, vai organisms ir paēdis vai badojas, viens un tas pats glicerīna-3-fosfāts tiek izmantots pilnīgi pretējiem mērķiem.

Papildus tam glicerīna-3-fosfāts piedalās arī elektronu pārnesē no citoplazmas uz mitohondriju, izmantojot tā saukto glicerofosfāta šatlu. Tas ir atsevišķs mehānisms, kurā iesaistīts cits ferments, glicerīna-3-fosfāta dehidrogenāze, un to nedrīkst jaukt ar pašu glicerīna kināzi.

Viens no interesantākajiem faktiem par šo fermentu ir tā gandrīz pilnīgā prombūtne baltajos taukaudos. Tauku šūna ik dienu sadala un atjauno savus triglicerīdu krājumus, tātad tai nepārtraukti vajadzīgs glicerīna-3-fosfāts. Tomēr tā nespēj to iegūt no brīva glicerīna, jo tai trūkst kināzes.

Risinājums ir apkārtceļš, ko sauc par glicerīnneoģenēzi. Tauku šūna izveido glicerīna-3-fosfātu no piruvāta, laktāta un aminoskābēm, izmantojot fosfoenolpiruvāta karboksikināzi. Tādējādi tauku šūna taukskābju atkārtotai esterificēšanai izmanto oglekli, kas nāk no ogļhidrātu un olbaltumvielu vielmaiņas, nevis no pašas atbrīvotā glicerīna.

Praktiskā nozīme ir liela. Tieši tāpēc asinīs mērāmais brīvā glicerīna līmenis pētījumos kalpo par lipolīzes, tas ir, tauku sadalīšanās intensitātes, rādītāju: ja taukaudi to nepatur, viss atbrīvotais glicerīns nonāk asinīs. Tas arī izskaidro, kāpēc badošanās laikā aknas saņem stabilu glicerīna plūsmu un var no tā ražot glikozi, kad glikogēna krājumi jau izsīkuši.

Glicerīna kināzes aktivitāti neregulē tik strauji un dramatiski kā, piemēram, glikolīzes galvenos fermentus. Galvenais regulators ir pats substrāta daudzums: jo vairāk glicerīna nonāk aknās, jo vairāk tā tiek fosforilēts. Papildus tam glicerīna plūsmu ietekmē hormoni, kas vada tauku sadalīšanos taukaudos.

Insulīns kavē lipolīzi, tāpēc pēc ēdienreizes glicerīna pieplūde aknām samazinās. Glikagons, kateholamīni, augšanas hormons un kortizols lipolīzi pastiprina, tāpēc badošanās, stresa, drudža vai ilgstošas fiziskas slodzes laikā aknas saņem daudz vairāk glicerīna. Glikokortikoīdi un badošanās ietekmē arī paša fermenta un ar to saistīto pārnesējolbaltumvielu daudzumu aknu šūnā.

Bakterijās šis ferments ir mācību grāmatu piemērs alostēriskai regulācijai, jo tur to bremzē fruktozes-1,6-bisfosfāts un cukuru transporta sistēmas olbaltumvielas. Cilvēka fermentam šāda spēcīga alostēriska kontrole nav raksturīga, un tas ir viens no biežākajiem pārpratumiem, pārnesot mikrobioloģijas datus uz cilvēka fizioloģiju.

Ja gēns GK ir bojāts, rodas glicerīna kināzes deficīts. Tā kā gēns atrodas X hromosomā, slimība izpaužas gandrīz tikai zēniem, bet sievietes var būt nesējas. Raksturīgākā laboratoriskā pazīme ir liels glicerīna daudzums asinīs un urīnā.

Klīniskā aina ir pārsteidzoši mainīga. Daļai cilvēku izolēts fermenta trūkums nekad nerada sūdzības un tiek atklāts nejauši. Citiem, īpaši zīdaiņiem un maziem bērniem, gadās vielmaiņas krīzes ar vemšanu, miegainību, muskuļu vājumu, zemu cukura līmeni asinīs un skābju un sārmu līdzsvara traucējumiem, parasti infekcijas vai ilgas neēšanas provocētas.

Atsevišķi jāizdala tā sauktā sarežģītā jeb saistīto gēnu forma. Blakus GK gēnam X hromosomā atrodas gēns, kas saistīts ar Dišēna muskuļu distrofiju, un gēns, kas nepieciešams virsnieru garozas attīstībai. Plašs dzēsums var skart visus trīs, un tad bērnam vienlaikus ir fermenta trūkums, progresējošs muskuļu vājums un iedzimta virsnieru mazspēja. Tieši virsnieru mazspēja šajā kombinācijā ir dzīvībai bīstamākā sastāvdaļa, jo var izpausties kā smags sāļu zuduma stāvoklis jaunā vecumā.

Ja bērnam ir atkārtotas nesaprotamas vemšanas epizodes ar miegainību un zemu cukura līmeni, tas vienmēr ir iemesls neatliekamai ārsta apskatei, neatkarīgi no tā, kāda vielmaiņas slimība tiek meklēta.

• Izolēta forma: skarts tikai GK gēns; bieži bez sūdzībām vai ar retām vielmaiņas krīzēm.
• Sarežģītā forma zīdainim: gēnu dzēsums skar arī virsnieru attīstību, iespējama virsnieru mazspēja jau pirmajos dzīves mēnešos.
• Sarežģītā forma ar muskuļu distrofiju: pievienojas progresējošs proksimālais muskuļu vājums un paaugstināta kreatīnkināze.
• Nesējas: parasti bez simptomiem, bet grūtniecības plānošanā vēlama ģenētiķa konsultācija.

Pirmā norāde bieži ir nevis simptoms, bet laboratorijas dīvainība. Lielākā daļa triglicerīdu noteikšanas metožu vispirms sadala triglicerīdus un pēc tam mēra iegūto glicerīnu. Ja asinīs jau sākotnēji ir daudz brīva glicerīna, analizators to ieskaita kopējā rezultātā un izdod ļoti augstu triglicerīdu vērtību, lai gan patiesībā tauku līmenis ir normāls. Šo parādību sauc par pseidohipertrigliceridēmiju, un tā ir klasisks slazds, kura dēļ cilvēkam var tikt nepamatoti nozīmēta lipīdu terapija.

Tālāk izmanto tiešu glicerīna noteikšanu asins plazmā un urīnā, organisko skābju analīzi urīnā, kā arī gēna GK molekulārģenētisku izmeklēšanu. Ja ir aizdomas par plašu dzēsumu, papildus vērtē kreatīnkināzi, virsnieru hormonus un elektrolītus, kā arī veic hromosomu mikromasīva analīzi.

Ar šādiem pacientiem strādā vielmaiņas slimību ārsts jeb metabolais pediatrs sadarbībā ar medicīnas ģenētiķi. Ja pievienojas virsnieru mazspēja, iesaistās endokrinologs, bet muskuļu simptomu gadījumā neirologs. Latvijā iedzimtu vielmaiņas slimību diagnostika un uzraudzība ir koncentrēta universitātes slimnīcu līmenī, un ģimenes ārsts šādus bērnus tur nosūta pēc pirmajām aizdomām.

Nosaukumu līdzība šajā vielmaiņas stūrī ir liela, un pārpratumi ir bieži. Vairākiem fermentiem ir gandrīz identiski nosaukumi, bet pilnīgi atšķirīgas funkcijas.

Jāatceras arī, ka glicerīns pats par sevi medicīnā tiek lietots plaši: kā mīkstinošs līdzeklis ādas kopšanā, kā palīgviela sīrupos, kā osmotiski aktīva viela un kā saldinātājs zobu pastā. Liela glicerīna uzņemšana vai ievade nav tas pats, kas fermenta traucējums, lai gan asins analīzēs sekas var izskatīties līdzīgas.

Mācību grāmatas parasti pasniedz glicerīna kināzi kā mazsvarīgu soli tauku vielmaiņā. Praksē tās galvenā vērtība ir tieši tās nevienmērīgais sadalījums audos. Ja ferments būtu vienlīdz aktīvs visur, taukaudi varētu uzreiz pārstrādāt atpakaļ savu atbrīvoto glicerīnu, un asinīs mērāmais glicerīna līmenis vairs neko neliecinātu par tauku sadalīšanās ātrumu. Pateicoties tam, ka taukaudos kināzes gandrīz nav, glicerīns kļūst par tīru un ticamu lipolīzes marķieri, ko izmanto gan fizioloģijas pētījumos, gan sporta zinātnē.

Otrs praktiskais secinājums attiecas uz laboratoriju. Cilvēkam ar izolētu fermenta trūkumu vienīgā mūža izpausme var būt tā, ka katrā profilaktiskajā analīzē triglicerīdi izskatās dramatiski augsti. Zināšanas par šo mehānismu novērš gadiem ilgu nevajadzīgu ārstēšanu un atkārtotus izmeklējumus, tāpēc arī neliela vielmaiņas fermenta zināšana var mainīt konkrēta cilvēka aprūpi.

Trešais nianses punkts ir tas, ka glicerīns organismā nenāk tikai no taukaudiem. Zarnās to atbrīvo uzņemto tauku sagremošana, bet asinsritē tas var nonākt arī no medikamentiem un intravenozi ievadītiem šķīdumiem. Tāpēc pirms secinājumiem par vielmaiņas slimību vienmēr jāsaprot, vai glicerīna avots nav ārējs.