己糖激酶（HK）是体内参与葡萄糖代谢的关键酶，可将葡萄糖磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸。人体组织中含有四种HK亚型，包括HK-Ⅰ~Ⅳ。HK-Ⅳ又称葡萄糖激酶，主要分布在肝脏和胰腺，是单体异构酶，因其独特的分子结构、酶动力学特征，成为HK家族中唯一可以作为葡萄糖传感器的蛋白酶。其活性由葡萄糖浓度直接调节，进而启动胰岛素、胰高糖素及时分泌，设定血糖稳态阈值，同时调节肝糖原合成，在维持血糖稳态中发挥核心作用。
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葡萄糖激酶（glucokinase，GK）又称己糖激酶（hexokinase，HK）-Ⅳ，属于HK家族的一种亚型。HK家族在人体中的亚型还包括HK-Ⅰ、HK-Ⅱ及HK-Ⅲ。尽管HK家族均参与细胞内葡萄糖磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）的过程，但不同亚型在分子结构、分布及功能上存在差异[1]。其中，GK独特的分子结构及酶动力学特征，使其成为人体内唯一可以作为葡萄糖传感器的HK。本文将对HK家族的组成、分布及特征作一综述。
HK是一种激酶，可将ATP上的磷酸基团转移到己糖（通常是葡萄糖）的6-羟基上，以产生6-磷酸酯，它能够磷酸化一系列己糖底物，但对特定己糖有明显偏好[2]。
HK在细胞内葡萄糖摄取和利用过程中发挥重要作用。葡萄糖经由细胞膜上的葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）进入细胞内，HK将葡萄糖磷酸化生成G6P。不仅启动葡萄糖利用的所有主要途径，并可维持促进葡萄糖进入细胞所需的梯度浓度，从而影响细胞内葡萄糖通量的大小和方向[3]。在不同细胞中，不同HK亚型的结构和分布不一，其功能及其调控存在很大差异（表1）。
| 类别 | HK-Ⅰ | HK-Ⅱ | HK-Ⅲ | GK（HK-Ⅳ） |
|---|---|---|---|---|
| 相对分子质量 | 约100 000 | 约100 000 | 约100 000 | 约50 000 |
| 结构 | 有N端结构域和C端结构域；N端结构域无催化活性；可与线粒体外膜结合 | 有N端结构域和C端结构域；N端结构域有催化活性，可与线粒体外膜结合 | 有N端结构域和C端结构域；N端结构域无催化活性；不可与线粒体外膜结合 | 仅有C端结构域；无N端结构域，不可与线粒体外膜结合 |
| 组织分布 | 大脑、红细胞等全身组织细胞 | 心肌、脂肪和骨骼肌 | 脾和淋巴细胞 | 主要分布在肝脏、胰岛；少量分布在下丘脑、垂体、肠道 |
| G6P抑制（Kia［mmol/L］） | 0.02 | 0.02 | 0.10 | 不受抑制 |
注：HK：己糖激酶；GK：葡萄糖激酶；G6P：葡萄糖-6-磷酸；aKi：抑制常数，即抑制反应达到最大抑制效果50%时对应的G6P的浓度
HK-Ⅰ~Ⅲ对葡萄糖的亲和力高，产物G6P可反馈性抑制其活性。HK-Ⅰ和HK-Ⅱ的葡萄糖动力学特征曲线符合米-曼式动力学，Km（酶促反应速度达到最大反应速度50%时所对应的葡萄糖浓度）分别为0.03 mmol/L与0.3 mmol/L；表示这两种亚型在人体正常血糖范围内酶促反应速度已接近Vmax（在一定酶量下的最大反应速率，酶在底物完全饱和时的反应速度），因此其动力学活性在很大程度上不受人体血糖水平变化的影响。HK-Ⅲ的Km仅为0.003 mmol/L，但其活性受过量葡萄糖抑制，在人体正常血糖范围或更高时，其活性反而下降[3,4]。
HK-Ⅰ由于和线粒体结合牢固，主要调节葡萄糖进入糖酵解途径并产生ATP。在大脑中，HK-Ⅰ催化葡萄糖磷酸化，决定大脑中糖酵解的速度，HK-Ⅰ可发挥协调酶的作用，防止糖酵解反应与线粒体氧化反应之间不平衡所导致的乳酸蓄积[5]。在造血细胞系中HK-Ⅰ与GLUT1共同表达，增加葡萄糖磷酸化水平，提高细胞质烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）水平，从而产生抗凋亡作用[6]。
HK-Ⅱ在不同组织中发挥不同作用：（1）在心肌细胞中，HK-Ⅱ过表达可通过增加戊糖磷酸途径通量来减少活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），以保护心肌细胞免受H2O2侵扰，从而减轻心肌肥大风险[5]；（2）在骨骼肌细胞中，HK-Ⅱ也为骨骼肌收缩后恢复过程中糖原的再合成提供G6P[3]；（3）在脂肪组织细胞中，HK-Ⅱ和GLUT4可协同表达参与糖代谢调控[7]。
HK-Ⅲ主要作用于葡萄糖的合成代谢，为糖原合成或通过磷酸戊糖途径的脂质合成提供G6P[5]。HK-Ⅲ可提高ATP水平，减少ROS产生，保护线粒体膜电位，从而发挥抗氧化作用[8]。
GK主要存在于肝脏和胰腺中，其中99.9%位于肝脏[9]。此外，在肠道内分泌细胞（包括L细胞和K细胞）[10]、下丘脑和脑干的多个部位[11]，垂体前叶细胞[12]中也发现有GK表达。
在胰岛细胞内，GK可催化葡萄糖磷酸化为G6P，导致ATP-K+通道关闭，诱导膜电位去极化，激活Ca2+通道，促进胰岛素释放；在肝细胞内，促进肝糖原合成，储存能量。GK活性不受G6P的反馈抑制机制调节[9]。
作为单体变构酶，GK在糖代谢中存在三种构象和两种催化循环。GK晶体分为大区域和小区域，大小区域之间通过连接区域相连，两区域间存在一个能与底物结合的可变角。当葡萄糖浓度较低时，GK处于非活性超开放构象（可变角为100°），糖代谢进入"慢循环"；当体内葡萄糖浓度升高时，GK与葡萄糖结合，处于活性开放/活性闭合构象（可变角分别为65°和40°），糖代谢进入"快循环"[13]。基于这种独特的分子结构以及与葡萄糖结合的特征，GK的葡萄糖动力学特性曲线呈"S"型，与葡萄糖呈现同促正协同作用，即底物葡萄糖浓度较低时，酶活性增长缓慢，葡萄糖浓度升高到一定程度后（约3.5 mmol/L），酶活性显著增加，最终增至最大活性[14]。
人体GK基因位于第7号染色体短臂，存在两个启动子，分别是：（1）上游神经内分泌启动子，驱动胰腺、大脑、垂体和肠道内分泌细胞中GK的表达；（2）下游肝启动子，控制肝脏中GK的表达[9]。
在肝脏中，GK的表达严格依赖于胰岛素。Iynedjian等[15]发现存在胰岛素分泌缺陷的糖尿病大鼠肝脏中GK活性降低90%以上，胰岛素治疗后GK活性与GK基因转录速率急剧增加，葡萄糖水平变化对肝脏GK基因转录则无明显影响。
在胰岛细胞中，GK的表达主要依赖于葡萄糖。葡萄糖对GK的影响主要发生在GK转录后，葡萄糖浓度升高可使细胞内GK蛋白表达增加。Gasa等[16]在分离的人胰岛中发现，高葡萄糖浓度培养7 d的胰岛中GK mRNA水平未发生显著变化，而GK的蛋白表达量随之升高，且随葡萄糖暴露时间延长而增多。该结果不仅证明了葡萄糖效应可能发生在GK转录后，且极大地支持了葡萄糖是GK的活性调节剂这一观点。
GK作为葡萄糖传感器，在维持机体葡萄糖稳态中具有核心地位：（1）在肝细胞与胰岛β/α细胞中，随着血浆葡萄糖浓度升高GK活性增加，进而促进肝糖原合成与胰岛素释放，同时抑制胰高血糖素分泌[9]；（2）在肠道内分泌细胞中，随葡萄糖水平增加，GK激活启动胰高糖素样肽-1（GLP-1）分泌，GLP-1可进一步促进β细胞的GK活性和胰岛素分泌增加[10,17]；（3）在下丘脑中，葡萄糖兴奋神经元中的GK将葡萄糖磷酸化后，导致KATP通道关闭，神经元去极化触发Ca2+通道打开，进而分泌神经递质调节血糖稳态；而在葡萄糖抑制神经元中GK可诱导ATP水平增加，来刺激Na+/K+ ATP泵完成神经元超极化，从而抑制神经元活动[11]。GK在垂体前叶细胞中也被证实存在葡萄糖传感功能，但具体机制有待进一步探索[12]。
基于GK在葡萄糖传感中的重要作用，GK基因突变/缺陷可能产生严重的糖代谢紊乱。GK基因缺陷导致的青少年的成年起病型糖尿病（MODY）-2患者的餐后肝糖原累积下降，肝脏糖异生增加；GK基因的纯合子失活突变可导致永久性新生儿糖尿病；GK基因中的杂合子激活突变可能导致常染色体显性的先天性高胰岛素血症[18]。糖尿病患者胰岛β细胞和肝细胞中GK基因表达均下降[19,20]。
在复杂的生物反应过程中，传感器是将激动剂和最终生物反应联系起来必不可少的物质。以胰岛β细胞中的糖代谢反应为例，GK识别葡萄糖浓度变化，并启动信号传导，引起一系列相应的改变，促进胰岛素分泌。早在20世纪末GK作为葡萄糖传感器的概念已被大多研究者接受。GK在人体广泛分布，参与全身血糖稳态系统的调节。由GK介导的葡萄糖传感器系统会根据葡萄糖浓度的变化，维持人体血糖稳态：血糖过高时，胰岛β细胞中GK活性增加，促进胰岛素早相分泌；肝细胞中GK与GK调节蛋白分离，活性增加，促进肝糖原合成；同时α细胞中GK活性增强，抑制胰高糖素释放，从而达到降低血糖的目的。反之，血糖过低时，GK表达与活性下降，使血糖上升至生理范围。因此，GK能够作为葡萄糖传感器维持人体血糖稳态。
GK作为唯一的葡萄糖传感器是由其结构决定的。GK作为独特的单体变构酶，与葡萄糖结合后，酶的构象发生改变，新构象有利于后续葡萄糖与酶结合及酶亲和度的提高，希尔系数为1.7（希尔系数>1为正协同，即一个葡萄糖分子与GK结合，GK对其他葡萄糖分子亲和度增加），因而出现同促正协同作用，葡萄糖动力学曲线为"S"型。从GK的动力学曲线可以看到，葡萄糖拐点浓度约为3.5 mmol/L，S0.5（1/2 Vmax时的底物浓度，反映了酶和底物的亲和力大小）约为7.5 mmol/L，与正常血浆葡萄糖浓度相当，因此保证了在生理葡萄糖水平下的最佳响应性，即当葡萄糖浓度发生微小变化时，GK仍可控制反应速率，发挥葡萄糖传感器的作用。而HK-Ⅰ~Ⅲ在人体正常血糖浓度范围内活性变化不敏感，同时，随着生理葡萄糖水平升高，GK的Vmax也较HK-Ⅰ~Ⅲ更高[4,14]。由此认为，GK是HK家族中唯一的葡萄糖传感器。
HK家族在人体细胞能量代谢中发挥重要作用，不同的HK其主要作用有所不同，GK因其独特的结构及酶动力学特征，是HK家族中唯一可以作为葡萄糖传感器的蛋白酶。近50年的研究表明GK在血糖稳态中发挥着核心作用，GK的损伤能够带来葡萄糖代谢相关的疾病如MODY-2等，糖尿病患者也被证实存在不同程度的GK损伤。近年来，GK激活剂也正在研发之中，有望为糖尿病患者带来新的治疗手段。
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