グルコースの摂取

グルコースの取り込み方法は、組織の代謝ニーズとグルコースの利用可能性という 2 つの要因に応じて組織ごとに異なります。グルコースの取り込みが行われる 2 つの方法は、促進拡散 (受動プロセス) と二次能動輸送 ( ATPの加水分解によって確立されるイオン勾配に基づく能動プロセスで、一次能動輸送として知られています) です。能動輸送は、濃度勾配に逆らうイオンまたは分子の移動です。

グルコーストランスポーターには 10 種類以上ありますが、研究上最も重要なのは GLUT1-4 です。

GLUT1とGLUT3 は、体全体の細胞の細胞膜に存在し、ブドウ糖の摂取の基礎速度を維持する役割を果たしています。基礎血糖値は約 5 mM ( 5 ミリモル) です。GLUT1および GLUT3 タンパク質のKm値 (ブドウ糖分子に対するトランスポータータンパク質の親和性を示す指標。Km 値が低いほど親和性が高いことを示します) は 1 mM です。したがって、GLUT1 および GLUT3 はブドウ糖に対する親和性が高く、血流からの摂取は一定です。

対照的に、GLUT2は Km 値が高く (15-20mM)、したがってグルコースに対する親和性は低いです。これらは肝細胞と膵臓ベータ細​​胞の細胞膜に存在します(マウスでは GLUT1 ですが、ヒトのベータ細胞では GLUT1 です。参考文献 1 を参照)。GLUT2 の Km 値が高いためグルコースを感知でき、グルコースの流入速度は血糖値に比例します。

GLUT4トランスポーターはインスリン感受性があり、筋肉と脂肪組織に存在します。筋肉はグルコースの主な貯蔵場所であり、脂肪組織はトリグリセリド(グルコースはトリグリセリドに変換されて貯蔵されます) の主な貯蔵場所であるため、GLUT4 は食後に血流から余分なグルコースを取り込む上で重要です。さらに、最近のいくつかの論文では、GLUT 4 が脳にも存在することを示しています。メトホルミンという薬はGLUT4 をリン酸化して、インスリンに対する感受性を高めます。

断食中、一部の GLUT4 トランスポーターは細胞表面に発現します。しかし、大部分は細胞内の細胞質 小胞に存在します。食事後、インスリン (ランゲルハンス島から放出) が細胞表面の受容体に結合すると、シグナル伝達カスケードが開始され、ホスファチジルイノシトールキナーゼ活性が活性化され、細胞質小胞が細胞表面膜に向かって移動します。小胞はプラズマ膜に到達すると膜と融合し、細胞表面に発現する GLUT4 トランスポーターの数が増加し、グルコースの取り込みが増加します。

細胞外環境と細胞内環境の間の濃度勾配により ATP 加水分解が不要になるため、血流と細胞の間で促進拡散が起こります。

しかし、腎臓では、グルコースは尿細管腔内の濾液から再吸収され、そこでは比較的低濃度となり、尿細管の内側を覆う単純立方上皮を通過して、グルコースが比較的高濃度となっている血流に入ります。そのため、グルコースの濃度勾配は再吸収に抵抗し、輸送にはエネルギーが必要となります。

腎臓におけるグルコースの二次能動輸送はNa ^{+ と}関連しているため、Na ^{+勾配を確立する必要があります。これは Na +} /K ⁺ポンプの作用によって実現され、そのエネルギーはATP の加水分解によって供給されます。3 つの Na ⁺イオンが細胞から排出され、2 つの K ⁺イオンが膜内酵素Na+/K+-ATPaseを介して細胞内に入ります。これにより、細胞内区画のNa ⁺が相対的に不足します。Na ⁺イオンは濃度勾配に沿って円柱上皮に拡散し、グルコースを輸送します。上皮細胞内に入ると、グルコースは GLUT2 トランスポーターによる促進拡散によって血流に戻ります。

したがって、グルコースの再吸収は、NaKATPase の能動的な機能によって生成される既存のナトリウム勾配に依存します。内腔からのグルコースとナトリウムの共輸送は、ATP 加水分解を直接必要とせず、ATPase の作用に依存するため、これは二次能動輸送と呼ばれます。

腎臓尿細管内には 2 種類の二次能動輸送体が存在します。糸球体の近くではグルコース レベルが高く、SGLT2 はグルコース輸送に対する親和性は低いものの、輸送能力は高いです。ヘンレ係蹄の近くと、多くのグルコースが血流に再吸収されているネフロンの遠位曲尿細管では、SGLT1 輸送体が見つかります。これらはグルコースに対する親和性が高く、輸送能力は低いです。これら 2 つの二次能動輸送体が連携して機能することで、尿中に排泄されるグルコースの無駄はごくわずかになります。

1. De Vos, A., H. Heimberg, et al. (1995). 「ヒトとラットのβ細胞はグルコーストランスポーターが異なるが、グルコキナーゼ遺伝子の発現は異なるわけではない。」The Journal of Clinical Investigation 96(5): 2489–2495.