Ген инсулина

Что такое инсулин: действие гормона и инструкция по применению



Инсулин это гормон белкового происхождения, который вырабатывает поджелудочная железа после повышения уровня глюкозы в крови.

Ее уровень становится выше сразу, как только человек закончил принимать пищу.

Оглавление:

Важно иметь в виду, что каждый из продуктов по-разному повышает уровень сахара в крови: некоторые резко и выше нормы, а некоторые постепенно и не на много.

Действие инсулина — нормализация, то есть, снижение повышенного уровня глюкозы в крови до нормального значения, а также, транспортировка этой глюкозы в ткани и клетки, чтобы предоставить им энергию, это можно узнать и из статьи, что википедия размещает.

Действие инсулина основано на том, что он образует жир, именно при его непосредственном участии формируются запасы глюкозы в клетках. При избытке глюкозы организм включает механизм преобразования глюкозы в жир, после чего он откладывается на теле.

Как известно, все углеводы бывают простыми и сложными или быстрыми и медленными. Именно быстрые или простые углеводы, — все мучное и сладкое, поднимают сахар в крови, а значит, провоцируют ощутимую выработку инсулина, повышая скорость формирования жира.



Исходя из этого, можно сделать вывод – потребление большого количества углеводов приводит к повышенной выработке инсулина. Это не совсем ответ на вопрос, что такое инсулин, но он дает понять, как работают механизмы образования жира, о которых, кстати, и википедия пишет.

Натуральный инсулин

Инсулин сам по себе вырабатывается организмом. После переваривания еды, углеводы распадаются на глюкозу крови, которая выступает источником энергии.

Поджелудочная железа высвобождает инсулин, для помощи организму в использовании и переведении в запас глюкозы. Инсулин выполняет всю эту деятельность вместе с другими гормонами, такими как амилин и глюкагон.

Инсулин и диабет

У больных с сахарным диабетом 1 типа, поджелудочной железой не может вырабатываться инсулин. Организм людей с диабетом 2 типа может вырабатывать инсулин, но не в состоянии его полноценно использовать. Это имеет большое значение, поскольку высокий уровень глюкозы наносят организм разнообразные повреждения, например:

  • появляются бляшки в артериях нижних конечностей, сердца и мозга.
  • повреждаются нервные волокна, что вызывает онемение и чувство покалывания, которое начинается с ног и рук.
  • увеличивается риск формирования слепоты, почечной недостаточности, инсульта, инфаркта и ампутации рук или ног.

Люди, страдающие диабетом 1 типа должны постоянно вводить в свой организм инсулин, чтобы справляться с глюкозой, которая поступает в организм через пищу.



Действие инсулина развивается так, что он не может всосаться, поскольку переварится вместе с другими веществами и расщепится желудочным соком. Именно поэтому инсулин вводят в организм с помощью инъекций, чтобы он сразу попадал в кровоток.

Все пациенты уникальны, и причины, определяющие особенности заболевания, и образ жизни человека, имеют важное значение для лечения. Сейчас инсулин доступен в более тридцати различных формах, и действие инсулина может быть достаточно разнообразным по времени.

Они отличаются друг от друга способом получения, стоимостью и нюансами действия. Некоторые разновидности инсулинов получают с помощью животных, например, свиней; а некоторые виды синтезируются искусственно.

Типы инсулина

Типы инсулина, которые используются для лечения сахарного диабета, включают в себя:

  • Быстродействующий инсулин. Вещество начинает действие в течение пяти минут. Максимальный эффект наступает через час, но действие заканчивается также быстро. Укол нужно делать в процессе употребления пищи, как правило, «быстрый» инсулин вводят вместе с длительного действия.
  • Короткий. Инсулин короткого действия или обычный инсулин. Эффект этой разновидности вещества наступает через полчаса. Его можно принимать перед пищей. Инсулин короткого действия несколько дольше контролирует уровень глюкозы в крови, чем быстродействующий инсулин.
  • Инсулин средней длительности. Вещество часто используют вместе с быстрым инсулином либо инсулином короткого действия. Это нужно, чтобы инсулин действовал длительно, например не меньше половины дня.
  • Инсулин длительного действия, как правило, вводят утром. Он перерабатывает глюкозу на протяжении всего дня, при условии его использования вместе с инсулином короткого действия или быстродействующим инсулином.
  • Инсулин, который предварительно смешивается, состоит из инсулинов средней и короткой длительности. Такой инсулин вводится два раза в день, перед едой. Обычно, этот вид инсулина используется людьми, которым сложно самостоятельно смешивать инсулин, читать инструкции и выяснять дозировки. Какой вид инсулина предпочтет больной, зависит от множества разнообразных факторов.

Организм каждого человека по-разному реагирует на введение инсулина. Ответ на поступление инсулина зависит от того, что и когда человек ест, занимается ли спортом и насколько он активен. Количество инъекций, которые может произвести человек, его возраст, частота выполнения проверок уровня глюкозы, — все это влияет на выбор вида инсулина и метода его введения в организм.

Источники и структура

Все инсулины поступают в организм человека в виде жидкостей, в которых они растворялись. Инсулины могут быть разной концентрации, но основная: U-100 – это сто единиц инсулина на 1 мл жидкости.



В раствор помещаются дополнительные элементы, которые препятствуют размножению бактерий и сохраняют нейтральный кислотно-щелочной баланс. У некоторых людей эти вещества могут вызывать аллергию, но такие случаи случаются довольно редко.

Сейчас все виды инсулинов в США создаются на базе человеческого инсулина. Впервые синтетический инсулин был создан в 1980-х годах, он смог полностью заменить инсулины животного происхождения, которые производились из поджелудочных желез свиней и коров.

Тем не менее, некоторые люди лучше переносят инсулины животного происхождения, поэтому FDA допускает импорт инсулина натурального происхождения для некоторых категорий пациентов.

Прием инсулина

Лечащий врач устанавливает оптимальную для пациента, его особенностей и общего состояния организма, схему ввода инсулина. Как правило, люди с диабетом 1 типа начинают делать инъекции 2 раза в день, причем различными типами инсулина, переходящими в комбинацию из четырех разновидностей вещества. Принято считать, что 3-4 инъекции в день дают самый лучший контроль над уровнем глюкозы в крови, а также предотвращают либо задерживают осложнения на глаза, почки или нервы, к которым часто приводит диабет.

В настоящее время доступно несколько способов введения инсулина: с помощью шприца-ручки (пен-инъектор), шприца или помпы.



Шприц

Новое поколение шприцов и игл намного тоньше старых образцов, это делает инъекцию не такой болезненной. Иглу вводят под кожу, в жировую ткань ягодиц, бедер, плеча или живота.

Шприц-ручка

Шприц-ручка для введения инсулина продается с инсулином и имеет шкалу дозировки. Иногда в аппарат устанавливается специальный картридж. Здесь инсулин вводится посредством иглы, но вместо поршня – курок. Прибор легче использовать для детей, которые вводят инсулин самостоятельно. Безусловно, это удобнее флакона и шприца.

Помпа

Помпа – это небольшой аппарат, который можно носить с собой. Инсулин вводится через определенные периоды времени по трубочке в катетер, который установлен под кожу в районе живота.

Главное достоинство помпы в том, что этот аппарат делает объем глюкозы в крови более постоянным, снижая либо полностью устраняя необходимость инъекций.

Новые методы

Со временем, больной диабетом привыкает к необходимости использования иглы, но постоянные инъекции неудобны и дискомфортны. Ученые постоянно проводят новые эксперименты, чтобы сформировать новые методы введения инсулина.



Ранее разработчики новых методов предлагали вводить инсулин вдыханием, но производители прекратили продажи таких аппаратов в 2007 году.

Может быть, однажды в продаже появятся спреи для введения инсулина в рот или специальные накожные пластыри. Но сейчас больной может приобрести только помпы, шприцы и шприцы-ручки.

Места для инъекций

Инсулин для самого быстрого всасывания можно вводить в живот. Кроме этого, больные вводят вещество в верхнюю часть плеча. Самое медленное введение инсулина будет, если ввести его в бедра или ягодицы.

Для лечения диабета важно регулярно использовать один способ и место введения инсулина, не меняя их. Однако, чтобы избежать уплотнений либо скопления жировой ткани, следует иногда менять место инъекций. Лучше всего чередовать по кругу места нанесения инъекций и знать, как правильно колоть инсулин.

Мониторирование

В качестве дополнения к инсулину проводится мониторирование уровней глюкозы. На уровень глюкозы в крови может влиять абсолютно все: что человек ест, когда ест, как занимается спортом, какие эмоции испытывает, как лечит другие болезни и т.д. Часто одни и те же детали образа жизни, могут по-разному влиять на течение диабета у разных людей и у одного человека, но на разном этапе жизни. Поэтому важно несколько раз в день измерять уровень глюкоза, беря кровь из пальца.

Сахарный диабет 1 типа – заболевание, которое длится всю жизнь, поэтому оно требует пожизненной заботы о состоянии. Важно понимать каждый аспект заболевания, это сделает мониторирование лечение проще и легче.

Эффекты инсулина

Инсулин играет важнейшую роль в процессах обмена веществ, он – биокатализатор. Вещество способствует транспортировке глюкозы из крови в ткани. Кроме этого, инсулин участвует в процессе превращения глюкозы в скелетных мышцах и печени — в гликоген.

Инсулин повышает функцию проницаемости биологических мембран для аминокислот, глюкозы, кислорода и ионов. Он стимулирует потребление этих веществ тканями. Инсулин участвует в процессах окислительного фосфорилирования вследствие активации цикла гексокиназной реакции и трикарбоновых кислот. Эти процессы являются ключевыми для метаболизма глюкозы.

Глюкоза содержится в тканях по большей части в интерстициальной жидкости, а глюкогексокиназа — внутри клеток. Инсулин, повышая проницаемость мембран клеток, способствует внедрению глюкозы в цитоплазму клеток, там на нее воздействует фермент. Задача фермента ингибировать активность глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей гликогенолиз.

Инсулин увеличивает анаболические эффекты в клетках, то есть повышается синтез липидов, белков и нуклеиновых кислот, именно для этого и используется инсулин в бодибилдинге. Помимо этого, активируется окисление жирных кислот, что влияет на работу всего организма. Антикатаболический фактор состоит в торможении гликонеогенеза и препятствии дегидрогенирования свободных жирных кислот и появлении предшественников глюкозы.



При снижении чувствительности ткани к эндогенному гормону или дефиците инсулина, организм утрачивает способность потреблять глюкозу, что приводит к развитию сахарного диабета. Основными симптомами диабета выступают:

  1. Полиурия (6-10 л в сутки) и жажда;
  2. Гипергликемия (6,7 ммоль-л»1 и выше, определяется натощак);
  3. Глюкозурия (10—12 %);
  4. Снижение количества гликогена в мышцах и печени;
  5. Нарушение обмена белков;
  6. Недостаточное окисление жиров и повышение их количества в крови (липидемия);
  7. Метаболический ацидоз (кетонимия).

Диабетическая кома может возникнуть при тяжелой форме сахарного мочеизнурения. Если наблюдается низкий уровень активного инсулина в крови, то повышается концентрация глюкозы, аминокислот и свободных жирных кислот. Все это вещества, которые непосредственно участвуют в патогенезе артериосклероза и диабетической ангиопатии.

Комплекс «инсулин+рецептор» идет внутрь клетки, там инсулин высвобождается и действует. Он стимулирует движение глюкозы через мембраны клеток и влияет на ее утилизацию жировой и мышечной тканями.

Инсулин воздействует на синтез гликогена, он угнетает перевод аминокислот в глюкозу. Именно поэтому полезно делать инсулиновую инъекцию сразу после физической нагрузки. Также, инсулин участвует в доставке в клетку аминокислот. А это положительно сказывается на росте мышечных волокон.

К негативным проявлениям инсулина относится его способность увеличивать депонирование триглицеридов в жировой ткани, в свою очередь это стимулирует объем подкожно-жировой прослойки, именно это и есть огромный минус, который выделяет гормон инсулин.



Уровень глюкозы в норме находится в пределахмг/дл, если отметка ниже 70 мг/дл это признается гипогликемическим состоянием. А вот превышение нормы в течение нескольких часов после еды считается нормальным состоянием.

После истечения трех часов уровень глюкозы должен опуститься до привычного значения. Если после принятия пищи уровень глюкозы в крови превышен и составляет от 180 мг/дл, данное состояние называют гипергликемическим.

Если уровень глюкозы у человека после употребления водного сахарного раствора начинается от отметки в 200 мг/дл, причем не единственный раз, а после нескольких тестов, то можно с уверенностью утверждать, что человек имеет сахарный диабет.

Источник: http://diabethelp.org/kolem/chto-takoe-insulin-dejjstvie-gormona-i-instrukciya-po-primeneniyu.html

Анатомия Инсулина человека – информация:

Инсулин —

Инсулин (от лат. insula — остров) — гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Оказывает многогранное влияние на обмен практически во всех тканях. Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови.



Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ключевые ферменты гликолиза, стимулирует образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляет активность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. То есть, помимо анаболического действия, инсулин обладает также и антикатаболическим эффектом. Нарушение секреции инсулина вследствие деструкции бета-клеток — абсолютная недостаточность инсулина — является ключевым звеном патогенеза сахарного диабета 1-го типа. Нарушение действия инсулина на ткани — относительная инсулиновая недостаточность — имеет важное место в развитии сахарного диабета 2-го типа.

Молекула инсулина образована двумя полипептидными цепями, содержащими 51 аминокислотный остаток: A-цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, B-цепь образована 30 аминокислотными остатками. Полипептидные цепи соединяются двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина, третья дисульфидная связь расположена в A-цепи. Первичная структура инсулина у разных биологических видов несколько различается, как различается и его важность в регуляции обмена углеводов. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи, который различается с ним всего одним аминокислотным остатком: в 30 положении B-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в инсулине человека — треонин; бычий инсулин отличается тремя аминокислотными остатками.

Открытие и изучение инсулина

В 1869 году в Берлине 22-летний студент-медик Поль Лангерганс изучая с помощью нового микроскопа строение поджелудочной железы, обратил внимание на ранее не известные клетки, образующие группы, которые были равномерно распределены по всей железе. Назначение этих «маленьких кучек клеток», впоследствии известных как «островки Лангерганса», было не понятно, но позднее Эдуад Лагус показал, что в них образуется секрет, который играет роль в регуляции пищеварения.

В 1889 году немецкий физиолог Оскар Минковски (Oscar Minkowski) чтобы показать, что значение поджелудочной железы в пищеварении надумано, поставил эксперимент, в котором произвёл удаление железы у здоровой собаки. Через несколько дней после начала эксперимента, помощник Минковски, который следил за лабораторными животными, обратил внимание на большое количество мух, которые слетались на мочу подопытной собаки. Исследовав мочу, он обнаружил, что собака с мочой выделяет сахар. Это было первое наблюдение, позволившее связать работу поджелудочной железы и сахарный диабет.



В 1901 году был сделан следующий важный шаг, Евген Опи (Eugene Opie) чётко показал, что «Сахарный диабет… обусловлен разрушением островков поджелудочной железы, и возникает только когда эти тельца частично или полностью разрушены.» Связь между сахарным диабетом и поджелудочной железой была известна и раньше, но до этого не было ясно, что диабет связан именно с островками. В следующие два десятилетия были предприняты несколько попыток выделить островковый секрет как потенциальное лекарство.

В 1906 Georg Ludwig Zuelzer достиг некоторого успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак панкреатическим экстрактом, но не мог продолжить свою работу. E.L. Scott между 1911 и 1912 в Чикагском университете использовал водный экстракт поджелудочной железы и отмечал «некоторое уменьшение гликозурии», но он не смог убедить своего руководителя в важности своих исследований, и вскоре эти эксперименты были прекращены. Такой же эффект демонстрировал и Израэль Кляйнер в Рокфеллеровском университете в 1919, но его работа была прервана началом первой мировой войны, и он не смог её завершить. Похожую работу после опытов во Франции в 1921 году опубликовал и профессор физиологии Румынской школы медицины Никола Паулеско, и многие, в том числе и в Румынии, считают именно его первооткрывателем инсулина. Однако практическое выделение инсулина принадлежит группе учёных Торонтского университета.

В октябре 1920 года Фредерик Бантинг прочитал в работах Минковского о том, что если у собак препятствовать выделению пищеварительного сока из поджелудочной железы, то железистые клетки вскоре погибают, а островки остаются живыми, и сахарный диабет у животных не развивается. Этот интересный факт заставил его задуматься над возможностью выделения из железы неизвестного фактора, способствующего снижению уровня сахара в крови. Из его записок: «перевязать собаке панкреатический проток. Оставить собаку, пока не разрушатся ацинусы и останутся только островки. Попытаться выделить внутренний секрет и подействовать на гликозурию…» В Торонто Бантинг, встретился с Дж. Маклаудом (J. Macleod) и изложил ему свои соображения в надежде заручиться его поддержкой и получить необходимое для работы оборудование. Идея Бантинга сперва показалась профессору абсурдной и даже смешной. Но молодому учёному всё-таки удалось убедить Маклауда поддержать проект.

И летом 1921 года он предоставил Бантингу университетскую лабораторию и ассистента, 22-летнего Чарльза Беста, а также выделил ему 10 собак. Их метод заключался в том, что вокруг выводного протока поджелудочной железы затягивалась лигатура, препятствуя выделению из железы панкреатического сока, и спустя несколько недель, когда внешнесекреторные клетки погибли, в живых оставались тысячи островков, из которых им удалось выделить белок, который достоверно снижал уровень сахара в крови у собак с удалённой поджелудочной железой. Сперва его назвали «айлетин». Вернувшись из Европы, Маклауд оценил значение всей проделанной его подчинённым работы, однако для того, чтобы быть полностью уверенным в эффективности метода, профессор потребовал ещё раз переделать эксперимент при себе. И спустя несколько недель, было ясно, что вторая попытка также успешна. Однако выделение и очистка «айлетина» из поджелудочных желез собак было чрезвычайно трудоёмкой и длительной работой. Бантинг решил попытаться использовать в качестве источника поджелудочные железы плодов телят, в которых ещё не вырабатываются пищеварительные ферменты, но уже синтезируется достаточное количество инсулина. Это существенно облегчило работу.

После решения проблемы с источником инсулина следующей важной задачей стала очистка белка. Для её решения в декабре 1921 Маклауд привлёк блестящего биохимика, Джеймса Коллипа, который в итоге сумел разработать эффективный метод очистки инсулина. И 11 января 1922 года, после множества успешных испытаний с собаками, страдающему диабетом 14-летнему Леонарду Томпсону была сделана первая в истории инъекция инсулина. Однако первый опыт применения инсулина оказался неудачным. Экстракт оказался недостаточно очищенным, и это привело к развитию аллергии, поэтому инъекции инсулина были приостановлены. Следующие 12 дней Коллип напряжённо работал в лаборатории над улучшением экстракта. А 23 января Леонарду была введена вторая доза инсулина. На сей раз, успех был полным, не только не было явных побочных действий, но и у больного перестал прогрессировать диабет. Однако впоследствии Бантинг и Бест не сработались с Коллипом и вскоре с ним расстались. Потребовались большие количества чистого инсулина. И прежде чем был найден эффективный способ быстрого промышленного получения инсулина, была проведена очень большая работа. Важную роль в этом сыграло знакомство Бантинга с Эли Лилли, будущим основателем крупнейшей фармакологической компании. За это революционное открытие Маклауд и Бантинг в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинг сперва был сильно возмущён, что его помощник Бест не был представлен к награде вместе с ним, и поначалу даже демонстративно отказался от денег, но потом всё же согласился принять премию, и свою часть торжественно разделил с Бестом. Также поступил и Маклауд, поделив свою премию с Коллипом. А патент на инсулин был продан Торонтскому университету за один доллар, и вскоре началось производство инсулина в промышленных масштабах.



Заслуга по определению точной последовательности аминокислот, образующих молекулу инсулина (так называемая первичная структура) принадлежит британскому молекулярному биологу Фредерику Сенгеру. Инсулин стал первым белком, для которого была полностью определена первичная структура. За проделанную работу в 1958 году он был удостоен Нобелевской премии по химии. А спустя почти 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин с помощью метода рентгеновской дифракции определила пространственное строение молекулы инсулина. Её работы также отмечены Нобелевской премией.

Образование и секреция инсулина Главным стимулом к синтезу и выделению инсулина служит повышение концентрации глюкозы в крови.

Синтез инсулина в клетке Синтез и выделение инсулина представляют собой сложный процесс, включающий несколько этапов. Первоначально образуется неактивный предшественник гормона, который после ряда химических превращений в процессе созревания превращается в активную форму. Ген, кодирующий первичную структуру предшественника инсулина, локализуется в коротком плече 11 хромосомы. На рибосомах шероховатой эндоплазматической сети синтезируется пептид-предшественник — т.н. препроинсулин. Он представляет собой полипептидную цепь, построенную из 110 аминокислотных остатков и включает в себя расположенные последовательно: L-пептид, B-пептид, C-пептид и A-пептид. Почти сразу после синтеза в ЭПР от этой молекулы отщепляется сигнальный (L) пептид — последовательность из 24 аминокислот, которые необходимы для прохождения синтезируемой молекулы через гидрофобную липидную мембрану ЭПР. Образуется проинсулин, который транспортируется в комплекс Гольджи, далее в цистернах которого происходит так называемое созревание инсулина. Созревание является наиболее длительным этапом образования инсулина. В процессе созревания из молекулы проинсулина с помощью специфических эндопептидаз вырезается C-пептид — фрагмент из 31 аминокислоты, соединяющий B-цепь и A-цепь. То есть молекула проинсулина разделяется на инсулин и биологически инертный пептидный остаток. В секреторных гранулах инсулин, соединяясь с ионами цинка, образует кристаллические гексамерные агрегаты.

Секреция инсулина Бета-клетки островков Лангерганса чувствительны к изменению уровня глюкозы в крови; выделение ими инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы реализуется по следующему механизму:

  • Глюкоза свободно транспортируется в бета-клетки специальным белком-переносчиком GluT 2
  • В клетке глюкоза подвергается гликолизу и далее окисляется в дыхательном цикле с образованием АТФ; интенсивность синтеза АТФ зависит от уровня глюкозы в крови.
  • АТФ регулирует закрытие ионных калиевых каналов, приводя к деполяризации мембраны.
  • Деполяризация вызывает открытие потенциал-зависимых кальциевых каналов, это приводит к току кальция в клетку.
  • Повышение уровня кальция в клетке активирует фосфолипазу C, которая расщепляет один из мембранных фосфолипидов — фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат — на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерат.
  • Инозитолтрифосфат связывается с рецепторными белками ЭПР. Это приводит к высвобождению связанного внутриклеточного кальция и резкому повышению его концентрации.
  • Значительное увеличение концентрации в клетке ионов кальция приводит к высвобождению заранее синтезированного инсулина, хранящегося в секреторных гранулах. В зрелых секреторных гранулах кроме инсулина и C-пептида находятся ионы цинка и небольшие количества проинсулина и промежуточных форм. Выделение инсулина из клетки происходит путём экзоцитоза — зрелая секреторная гранула приближается к плазматической мембране и сливается с ней, и содержимое гранулы выдавливается из клетки. Изменение физических свойств среды приводит к отщеплению цинка и распаду кристаллического неактивного инсулина на отдельные молекулы, которые и обладают биологической активностью.

Регуляция образования и секреции инсулина

Главным стимулятором освобождения инсулина является повышение уровня глюкозы в крови. Дополнительно образование инсулина и его выделение стимулируется во время приёма пищи, причём не только глюкозы или углеводов. Секрецию инсулина усиливают аминокислоты, особенно лейцин и аргинин, некоторые гормоны гастроэнтеропанкреатической системы: холецистокинин, ГИП, ГПП-1, а также такие гормоны, как глюкагон, АКТГ, СТГ, эстрогены и др., препараты сульфонилмочевины. Также секрецию инсулина усиливает повышение уровня калия или кальция, свободных жирных кислот в плазме крови. Понижается секреция инсулина под влиянием соматостатина. Бета-клетки также находятся под влиянием автономной нервной системы.


  • Парасимпатическая часть (холинергические окончания блуждающего нерва) стимулирует выделение инсулина
  • Симпатическая часть (активация α2-адренорецепторов) подавляет выделение инсулина. Причём синтез инсулина заново стимулируется глюкозой и холинергическими нервными сигналами.

Так или иначе, инсулин затрагивает все виды обмена веществ во всём организме. Однако в первую очередь действие инсулина касается именно обмена углеводов. Основное влияние инсулина на углеводный обмен связано с усилением транспорта глюкозы через клеточные мембраны. Активация инсулинового рецептора запускает внутриклеточный механизм, который напрямую влияет на поступление глюкозы в клетку путём регуляции количества и работы мембранных белков, переносящих глюкозу в клетку. В наибольшей степени от инсулина зависит транспорт глюкозы в двух типах тканей: мышечная ткань (миоциты) и жировая ткань (адипоциты) — это т.н. инсулинозависимые ткани. Составляя вместе почти 2/3 всей клеточной массы человеческого тела, они выполняют в организме такие важные функции как движение, дыхание, кровообращение и т. п., осуществляют запасание выделенной из пищи энергии.

Механизм действия инсулина

Подобно другим гормонам своё действие инсулин осуществляет через белок-рецептор. Инсулиновый рецептор представляет собой сложный интегральный белок клеточной мембраны, построенный из 2 субъединиц (a и b), причём каждая из них образована двумя полипептидными цепочками. Инсулин с высокой специфичностью связывается и распознаётся а-субъединицей рецептора, которая при присоединении гормона изменяет свою конформацию. Это приводит к появлению тирозинкиназной активности у субъединицы b, что запускает разветвлённую цепь реакций по активации ферментов, которая начинается с самофосфорилирования рецептора.

Весь комплекс биохимических последствий взаимодействия инсулина и рецептора ещё до конца не вполне ясен, однако известно, что на промежуточном этапе происходит образование вторичных посредников: диацилглицеролов и инозитолтрифосфата, одним из эффектов которых является активация фермента — протеинкиназы С, с фосфорилирующим (и активирующим) действием которой на ферменты и связаны изменения во внутриклеточном обмене веществ. Усиление поступления глюкозы в клетку связано с активирующим действием посредников инсулина на включение в клеточную мембрану цитоплазматических везикул, содержащих белок-переносчик глюкозы GluT 4. Комплекс инсулин-рецептор после образования погружается в цитозоль и в дальнейшем разрушается в лизосомах. Причём деградации подвергается лишь остаток инсулина, а освобождённый рецептор транспортируется обратно к мембране и снова встраивается в неё.

Физиологические эффекты инсулина Инсулин оказывает на обмен веществ и энергии сложное и многогранное действие. Многие из эффектов инсулина реализуются через его способность действовать на активность ряда ферментов. Инсулин — единственный гормон, снижающий содержание глюкозы в крови, это реализуется через:


  • усиление поглощения клетками глюкозы и других веществ;
  • активацию ключевых ферментов гликолиза;
  • увеличение интенсивности синтеза гликогена — инсулин форсирует запасание глюкозы клетками печени и мышц путём полимеризации её в гликоген;
  • уменьшение интенсивности глюконеогенеза — снижается образование в печени глюкозы из различных веществ

Анаболические эффекты инсулина

  • усиливает поглощение клетками аминокислот (особенно лейцина и валина);
  • усиливает транспорт в клетку ионов калия, а также магния и фосфата;
  • усиливает репликацию ДНК и биосинтез белка;
  • усиливает синтез жирных кислот и последующую их этерификацию — в жировой ткани и в печени инсулин способствует превращению глюкозы в триглицериды; при недостатке инсулина происходит обратное — мобилизация жиров.

Антикатаболические эффекты инсулина

  • подавляет гидролиз белков — уменьшает деградацию белков;
  • уменьшает липолиз — снижает поступление жирных кислот в кровь.

Регуляция уровня глюкозы в крови

Поддержание оптимальной концентрации глюкозы в крови — результат действия множества факторов, сочетание слаженной работы почти всех систем организма. Однако главная роль в поддержании динамического равновесия между процессами образования и утилизации глюкозы принадлежит гормональной регуляции. В среднем уровень глюкозы в крови здорового человека колеблется от 2,7 до 8,3 ммоль/л, однако сразу после приёма пищи концентрация резко возрастает на короткое время. Две группы гормонов противоположно влияют на концентрацию глюкозы в крови:

  • единственный гипогликемический гормон — инсулин
  • и гипергликемические гормоны (такие как глюкагон, гормон роста и адреналин), которые повышают содержание глюкозы в крови

Когда уровень глюкозы опускается ниже нормального физиологического значения, высвобождение инсулина из B-клеток замедляется (но в норме никогда не останавливается). Если же уровень глюкозы падает до опасного уровня, высвобождаются так называемые контринсулярные (гипергликемические) гормоны (наиболее известный — глюкагон α-клеток панкреатических островков), которые вызывают высвобождение глюкозы из клеточных запасов в кровь.



Адреналин и другие гормоны стресса сильно подавляют выделение инсулина в кровь. Точность и эффективность работы этого сложного механизма является непременным условием нормальной работы всего организма, здоровья. Длительное повышенное содержание глюкозы в крови (гипергликемия) является главным симптомом и повреждающим фактором сахарного диабета. Гипогликемия — понижение содержания глюкозы в крови — часто имеет ещё более серьёзные последствия. Так, экстремальное падение уровня глюкозы может быть чревато развитием гипогликемической комы и смертью.

Гипергликемия — увеличение уровня сахара в крови. В состоянии гипергликемии увеличивается поступление глюкозы как в печень, так и в периферические ткани. Как только уровень глюкозы зашкаливает, поджелудочная железа начинает вырабатывать инсулин.

Гипогликемия — патологическое состояние, характеризующееся снижением уровня глюкозы периферической крови ниже нормы (обычно, 3,3 ммоль/л). Развивается вследствие передозировки сахароснижающих препаратов, избыточной секреции инсулина в организме. Гипогликемия может привести к развитию гипогликемической комы и привести к гибели человека.

Существует 3 основных режима инсулинотерапии. У каждого из них имеются свои преимущества и недостатки. У здорового человека секреция инсулина происходит постоянно и составляет около 1 ЕД инсулина в 1 ч, это так называемая базальная или фоновая секреция. Во время еды происходит быстрое (болюсное) повышение концентрации инсулина во много раз. Стимулированная секреция инсулина составляет приблизительно 1-2 ЕД на каждые 10 г углеводов. При этом поддерживается постоянный баланс между концентрацией инсулина и потребностью в нем по принципу обратной связи. Больной сахарным диабетом 1-го типа нуждается в заместительной инсулинотерапии, которая бы имитировала секрецию инсулина в физиологических условиях. Необходимо использовать различные виды препаратов инсулина в разное время. Добиться удовлетворительных результатов однократным введением инсулина у больных сахарным диабетом 1-го типа невозможно. Количество инъекций может быть от 2 до 5-6 раз в сут. Чем больше инъекций, тем режим инсулинотерапии больше приближен к физиологическому. У больных сахарным диабетом 2-го типа с сохраненной функцией бета-клеток достаточно одно-, двукратного введения инсулина для поддержания состояния компенсации.

К каким докторам обращаться для обследования Инсулина:

Какие заболевания связаны с Инсулином:

Какие анализы и диагностики нужно проходить для Инсулина:

Вас что-то беспокоит? Вы хотите узнать более детальную информацию о Инсулине или же Вам необходим осмотр? Вы можете записаться на прием к доктору – клиника Eurolab всегда к Вашим услугам! Лучшие врачи осмотрят Вас, проконсультируют, окажут необходимую помощь и поставят диагноз. Вы также можете вызвать врача на дом. Клиника Eurolab открыта для Вас круглосуточно.



Телефон нашей клиники в Киеве: (+3(многоканальный). Секретарь клиники подберет Вам удобный день и час визита к врачу. Наши координаты и схема проезда указаны здесь. Посмотрите детальнее о всех услугах клиники на ее персональной странице.

Если Вами ранее были выполнены какие-либо исследования, обязательно возьмите их результаты на консультацию к врачу. Если исследования выполнены не были, мы сделаем все необходимое в нашей клинике или у наших коллег в других клиниках.

Необходимо очень тщательно подходить к состоянию Вашего здоровья в целом. Есть много болезней, которые по началу никак не проявляют себя в нашем организме, но в итоге оказывается, что, к сожалению, их уже лечить слишком поздно. Для этого просто необходимо по несколько раз в год проходить обследование у врача, чтобы не только предотвратить страшную болезнь, но и поддерживать здоровый дух в теле и организме в целом.

Если Вы хотите задать вопрос врачу – воспользуйтесь разделом онлайн консультации, возможно Вы найдете там ответы на свои вопросы и прочитаете советы по уходу за собой. Если Вас интересуют отзывы о клиниках и врачах – попробуйте найти нужную Вам информацию на форуме. Также зарегистрируйтесь на медицинском портале Eurolab, чтобы быть постоянно в курсе последних новостей и обновлений информации о Инсулине на сайте, которые будут автоматически высылаться Вам на почту.

Другие анатомические термины на букву «И»:



Актуальные темы

  • Лечение геморроя Важно!
  • Лечение простатита Важно!

Последние публикации

Советы астролога

Новости медицины

Новости здравоохранения

Другие сервисы:

Мы в социальных сетях:

Наши партнеры:

При использовании материалов сайта, ссылка на сайт обязательна.

Торговая марка и торговый знак EUROLAB™ зарегистрированы. Все права защищены.

Источник: http://www.eurolab.ua/anatomy/265

Получение инсулина

Всем широко и печально известна такая болезнь, как сахарный диабет, когда организм человека утрачивает способность вырабатывать физиологически важный гормон инсулин. В результате в крови накапливается сахар и больной может погибнуть. Инсулин вырабатывается бета — клетками островков Лангерганса поджелудочной железы.[9] Попытки извлечь его из поджелудочной железы долгое время оставались тщетными, так как этот гормон является полипептидом и разрушается трипсином, содержащимся в ткани вырезанной из организма поджелудочной железы.

Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. В 1922 году инсулин, выделенный из поджелудочной железы животного, был впервые введен десятилетнему мальчику, больному диабетом. Результат превзошел все ожидания, и уже через год американская фирма «Eli Lilly» выпустила первый препарат животного инсулина.[12]



Для получения 100 г кристаллического инсулина требуетсякг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. Так, в 1979 году из 6 млн. больных во всем мире только 4 млн. получали инсулин. Без лечения инсулином больные умирали. А если учесть, что среди больных диабетом немало детей, становится понятным, что для многих стран это заболевание превращается в национальную трагедию. Более того, многолетнее применение животного инсулина приводило к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму животного инсулина.

В 1978 году исследователи из компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки (E. coli).

Генные инженеры в качестве первой практической задачи решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, в результате E.coli приобретает способность синтезировать белковую цепь, состоящую из галактозидазы и инсулина. Синтезированные полипептиды отщепляют от фермента химическим путем, затем проводят и очистку который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается.

Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный (природный) двухцепочечный инсулин. Одним из методов получения генно-инженерного инсулина является раздельное (разные штаммы-продуценты) получение обеих цепей с последующим фолдингом молекулы (образование дисульфидных мостиков) и разделением изоформ.

Другой метод получения инсулина — синтез проинсулина в клетках E.Coli, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили трипсином и карбоксипептидазой и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.



В Великобритании с помощью E.coli синтезированы обе цепи человеческого инсулина, которые затем были соединены в молекулу биологически активного гормона. Чтобы одноклеточный организм мог синтезировать на своих рибосомах молекулы инсулина, необходимо снабдить его нужной программой, то есть ввести ему ген гормона.

В Институте РАН получен рекомбинантный (полученный с помощью генной инженерии) инсулин с использованием генно-инженерных штаммов E.coli. Из выращенной биомассы выделяется предшественник, гибридный белок, экспрессируемый в количестве 40% от всего клеточного белка, содержащий препроинсулин. Превращение его в инсулин in vitro осуществляется в той же последовательности, что и in vivо — отщепляется лидирующий полипептид, препроинсулин превращается в инсулин через стадии окислительного сульфитолиза с последующим восстановительным замыканием трех дисульфидных связей и ферментативным вычленением связывающего С-пептида. После ряда хромотографических очисток, включающих ионообменные, гелевые и ВЭЖХ (Высокоэффективная жидкостная хроматография), получают человеческий инсулин высокой чистоты и природной активности.

Можно использовать штамм со встроенной в плазмиду (небольш. молекулы ДНК) нуклеотидной последовательностью, экспрессирующей гибридный белок, который состоит из линейного проинсулина и присоединенного к его N-концу через остаток метионина фрагмента белка А Staphylococcus aureus.

Культивирование насыщенной биомассы клеток рекомбинантного штамма обеспечивает начало производства гибридного белка, выделение и последовательная трансформация которого in tube приводят к инсулину.

В последнее время пристальное внимание уделяется упрощению процедуры получения рекомбинантного инсулина методами генной инженерии. Так, например, можно получить слитой белок, состоящий из лидерного пептида интерлейкина 2 присоединенного к N-концу проинсулина, через остаток лизина. Белок эффективно экспрессируется и локализуется в тельцах включения. После выделения белок расщепляется трипсином с получением инсулина и С-пептида.



Полученные инсулин и С-пептид очищались ОФ ВЭЖХ. При создании слитых конструкций весьма существенным является соотношение масс белка носителя и целевого полипептида. С-пептиды соединяются по принципу «голова-хвост» с помощью аминокислотных спейсеров, несущих сайт рестрикции Sfi I и два остатка аргинина в начале и в конце спейсера для последующего расщепления белка трипсином. ВЭЖХ продуктов расщепления показывает, что отщепление С-пептида проходит количественно, а это позволяет использовать способ мультимерных синтетических генов для получения целевых полипептидов в промышленном масштабе.

Источник: http://studwood.ru//meditsina/poluchenie_insulina

Ген инсулина

Островки в поджелудочной железе были обнаружены в 1860 г. Лангерганс, которому принадлежит это открытие, не представлял себе, какова их функция; не знали этого ни Меринг, ни Минковский, установившие в 1889 г., что удаление поджелудочной железы приводит к сахарному диабету. Предположение о наличии тесной связи между островками и диабетом высказали де Мейер в 1909 г. и Шарпей-Шаффер в 1917 г., но только в 1921 г. Бантинг и Бест доказали это. Экстрагировав подкисленным этанолом ткань поджелудочной железы, они выделили некий фактор, обладающий мощным гипогликемизирующим действием. Этот фактор был назван инсулином. Вскоре было установлено, что инсулин, содержащийся в островках поджелудочной железы крупного рогатого скота и свиней, активен и у человека. Не прошло и года, как этот препарат стал широко и успешно применяться для лечения диабета.

Бычий и свиной инсулин можно легко получать в больших количествах, что является важнейшим условием для успешного биохимического исследования. Именно инсулин оказался первым белком с доказанной гормональной активностью, первым белком, полученным в кристаллическом виде (Abel, 1926), первым белком, у которого была установлена аминокислотная последовательность (Sanger et al, 1955), первым белком, синтезированным химическими методами (Du et al.; Zahn; Katsoyanis, 1964). Именно для инсулина впервые было показано, что молекула может синтезироваться в виде более крупного предшественника (Steiner et al., 1967). Кроме того, инсулин оказался первым белком, полученным для коммерческих целей с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Но, несмотря на эти впечатляющие «первенства», механизм действия инсулина на молекулярном уровне изучен хуже, чем для большинства других гормонов.

Химические свойства

Молекула инсулина — полипептид, состоящий из двух цепей, А и В, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, соединяющими остаток А7 с остатком В7 и остаток А20 с остатком В19. Третий дисульфидный мостик связывает между собой остатки 6 и 11 A-цепи. Локализация всех трех дисульфидных мостиков постоянна, а А- и В-цепи у представителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислот соответственно. Ковалентная структура человеческого инсулина (мол. масса 5734) показана на рис. 51.1, сведения об аминокислотных заменах в инсулинах различных видов содержатся в табл. 51.2. В обеих цепях во многих положениях встречаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона, однако наиболее часты замены по положениям 8,9 и 10 A-цепи. Из этого следует, что данный участок молекулы не имеет критического значения для биологической активности инсулина. Однако некоторые участки и области молекулы инсулина обладают высокой консервативностью.

Рис. 51.1. Ковалентная структура инсулина человека. (Reproduced, with permission, from Ganong W.F. Review of Medical Physiology, 13th ed., Appleton and Lange, 1987.)

Рис. 51.2. Участок молекулы инсулина, отвечающий за его биологическую активность. Данная схема молекулы инсулина построена по результатам рентгеносгруктурпой кристаллографии. Заштрихованная область соответствует той части инсулина, которой отводят главную роль в реализации биологической активности гормона. Остатки Phe в положениях В24 и В25 — это те сайты, мутации в которых влияют на биологическую активность инсулина. N-концы А- и В-цепей инсулина показаны знаком « + », тогда как С-концы — знаком « -». (Redrawn and reproduced, with permission, from Tager H.S. Abnormal products of the human insulin gene, Diabetes, 1984, 33, 693.)

К ним относятся 1) положения трех дисульфидных мостиков, 2) гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи и 3) С- и N-концевые участки А-цепи. Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислот шести этих участков помогли идентифицировать сложный активный центр (рис. 51.2). Расположенный на С-конце В-цепи гидрофобный участок участвует гакже в димеризации инсулина.

Как явствует из табл. 51.2, между инсулином человека,

Таблица 51.2. Различия в структуре инсулина у представителей разных видов млекопитающих. (Modified and reproduced, with permission, from Banong W. F.: Review of Medical Physiology. 13th ed., Appleton and Lange, 1987.)

свиньи и быка существует большое сходство.

Инсулин свиньи отличается от человеческого инсулина одной-единственной аминокислотной заменой: вместо треонина в положении 30 В-цепи находится аланин. В бычьем инсулине помимо этого треонин А8 заменен на аланин, а изолейцин А10 — на валин. Эти замены практически не влияют на биологическую активность гормона и очень слабо влияют на его антигенные свойства. Хотя у большинства больных, получавших гетерологичный инсулин, обнаруживаются циркулирующие в небольшом титре антитела против введенного гормона, некоторые пациенты демонстрируют титр антител клинически значимой величины. До тех пор пока человеческий инсулин не научились получать с помощью методов генной инженерии, для терапевтических целей использовали обычно бычий и свиной инсулины. Несмотря на значительные различия в первичной структуре, все три инсулина имеют сходную биологическую активность (25-30 МЕд/мг сухого веса).

Инсулин образует очень интересные сложные структуры. Цинк, концентрация которого в В-клетках достигает высоких значений, формирует комплексы с инсулином и проинсулином. Инсулины всех позвоночных образуют изологичные димеры с помощью водородных связей между пептидными группами остатков В24 и В26 двух мономеров, которые при высоких концентрациях в свою очередь реорганизуются в гексамеры, содержащие по два атома цинка каждый. Наличие такой высоко упорядоченной структуры облегчило изучение кристаллической структуры инсулина. При физиологических концентрациях инсулин находится, вероятно, в мономерной форме.

Биосинтез

А. Предшественники инсулина. Инсулин синтезируется в виде препрогормона (мол. масса). Он

Рис. 51.3. Биосинтез инсулина с образованием короткоживущего предшественника. Буквами А, В и С обозначены А- и В-цепи инсулина и связующий (С) пептид. Лидерная последовательность из 23 аминокислот, закодированная в сегменте мРНК, расположенном рядом с тем сегментом, который детерминирует В-цепь (прерывистая линия), после образования отщепляется, вероятно, еще до завершения синтеза остальной части молекулы проинсулина. (Reproduced, with permission, from Steiner D. F.. Erros in insulin biosynthesis, N. Engl. J. Med., 1976, 294, 952.)

Рис. 51.4. Структура проинсулина человека. Молекулы инсулина и С-пептида связаны между собой с помощью двух ди-пептидных линкеров, расположенных по обе стороны от С-пептида. (Slightly modified and reproduced, with permission, from Karam J. H., Sabler P. R., Forsham P. H. Pancreatic hormones and diabetes mellitus. In: Basic and Clinical Endocrinology, 2nd ed., Greenspan F. S., Forsham P. H.(eds.), Appleton and Lange, 1986.)

может служить примером пептида, образующегося в результате различных преобразований из более крупной молекулы предшественника. Последовательность и субклеточная локализация соответствующих биохимических превращений показаны на рис. 51.3. Состоящая из 23 аминокислот гидрофобная лидерная последовательность (пре-фрагмент) направляет молекулу-предшественник в цистерну эндоплазматического ретикулума и там отделяется. В результате образуется молекула проинсулина (мол. масса 9000), принимающая конформацию, необходимую для образования нужных дисульфидных мостиков. Как показано на рис. 51.4, молекула проинсулина имеет следующее строение, считая от аминоконца:

Молекула проинсулина расщепляется в нескольких специфических участках с образованием эквимолярных количеств зрелого инсулина и С-пептида. Эти ферментативные превращения, показанные схематически на рис. 51.5, начинаются с протеиназы, обладающей трипсиноподобной активностью — ферментом, отщепляющим с каждой из сторон С-пептида по две основные аминокислоты: дипептид Arg31-Arg32 на N-конце С-пептида и дипептид Lys64-Arg65 — на С-конце С-пептида2.

Б. Предшественники других гормонов островковых клеток. Синтез других гормонов островковых клеток также требует ферментативного превращения молекул-предшественников с большей молекулярной массой. Строение молекул панкреатического полипептида, глюкагона и соматостатина в сравнении со строением инсулина схематически показано на рис. 51.6. В образовании этих гормонов участвуют различные комбинации эндопротеолитических (трипсиноподобных) и экзопротеолитических (подобных карбоксипептидазе-В) ферментов, поскольку обладающие гормональной активностью

Рис. 51.5. Стадии расщепления проинсулина человека при совместном действии протеиназ, подобных трипсину, и кар-боксипептидазе В. Стрелками показано, в каких местах происходит расщепление молекулы. (Redrawn and reproduced, with permission, from Steiner D. F., Tager H. S. p. 927. In: Endocrinology, Vol. 2., DeGroot L. J. (ed.), Grune and Stratton, 1979.)

последовательности могут обнаруживаться в различных участках молекулы-предшественника: соматостатин — на карбоксильном конце молекулы, панкреатический полипетид — на аминоконце, инсулин — на обоих концах и глюкагон — в средней части.

В. Субклеточная локализация синтеза инсулина и формирование гранул. Синтез инсулина и его упаковка в 1 ранулы происходит в определенном порядке (рис. 51.7). Проинсулин синтезируется на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем в цистернах этой органеллы происходит ферментативное отщепление лидерной последовательности (пре-сегмент), образование дисульфидных мостиков и складывание молекулы (рис. 51.3). После этого молекула проинсулина переносится в аппарат Гольджи, где начинаются протеолиз и упаковка в секреторные гранулы. Созревание гранул продолжается по мере продвижения по цитоплазме в направлении плазматической мембраны. Как проинсулин, так и инсулин соединяются с цинком, образуя гексамеры, но поскольку около 95% проинсулина превращается в инсулин, то именно кристаллы последнего придают гранулам их морфологические особенности. Наряду с инсулином в гранулах содержатся также эквимолярные количества С-пептида, однако эти молекулы не образуют кристаллических структур.

Рис. 51.6. Схема строения четырех основных продуктов эндокринных клеток поджелудочной железы. Черными полосками показана часть молекулы предшественника, соответствующая указанному в надписи гормону, тонкой линией обозначены остальные участки пептидной цепи молекулы-предшественника. Места расположения двухосновных аминокислот (аргинина или лизина), где происходит расщепление молекулы-предшественника, обозначены черными кружками. Молекула проинсулина изображена в виде линейной структуры, в которой дисульфидные связи не показаны. В действительности молекула проинсулина имеет последовательность: В-цепь — С-пептид — A-цепь. (Redrawn and reproduced, with permission, from Tager H. S. Abnormal products of the human insulin gene. Diabetes. 1984. 33. 693.)

При соответствующей стимуляции зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, выбрасывая свое содержимое во внеклеточную жидкость путем эмиоцитоза.

Г. Свойства проинсулина и С-пептида. Длина проинсулинов колеблется от 78 до 86 аминокислот, причем эти различия обусловлены длиной С-пептида. Проинсулин имеет ту же растворимость и изоэлектрическую точку, что и инсулин. Он также образует гексамеры с кристаллами цинка и реагирует с антисывороткой к инсулину. Биологическая активность проинсулина составляет менее 5% биологической активности инсулина. Отсюда следует, что большая часть активного центра инсулина в молекуле предшественника замаскирована. Некоторая часть проинсулина секретируется вместе с инсулином, а в определенных ситуациях (опухоль из островковых клеток) он высвобождается в больших количествах, чем в норме. Поскольку период полужизни проинсулина в плазме значительно выше, чем у инсулина, и при этом проинсулин дает сильную перекрестную реакцию с антисывороткой к инсулину, уровень «инсулина», определяемый радиоиммунологическим методом, в некоторых случаях может превышать содержание биологически активного гормона.

Рис. 51.7. Структурные компоненты В-клетки поджелудочной железы, участвующие в индуцированных глюкозой биосинтезе и секреции гормона. На схеме секреторные гранулы прилегают к микрофиламентам, которые сокращаются под влиянием кальция. (Based on data presented by Orci L. A portrait of the pancreatic В cell, Diabetologia, 1974, 10, 163.) (Modified and reproduced, with permission, from Junqueira L. C., Carneiro J., Long J. A., Basic Histology. 5th ed., Appleton and Lange, 1986.)

Какой-либо биологической активности С-пептида не обнаружено. Эта молекула обладает иными антигенными свойствами, чем инсулин и проинсулин, поэтому иммунологическое определение С-пептида позволяет отличить эндогенносекретируемый инсулин от вводимого гормона и дает возможность судить о количестве эндогенного инсулина в тех случаях, когда его прямое определение оказывается невозможным из-за наличия инсулиновых антител. С-пептиды представителей различных видов характеризуются высокой частотой аминокислотных замен, что подтверждает положение о вероятном отсутствии биологической активности у этого фрагмента.

Д. Предшественники пептидов, родственных инсулину. Структурная организация молекулы прогормона неспецифична для предшественника инсулина. Предшественники близкородственных инсулину пептидных гормонов (релаксина и инсулиноподобных факторов роста) имеют такую же организацию (рис. 51.8). У всех этих гормонов последовательности А- и В-цепей в молекуле предшественника имеют на карбоксильных и аминоконцах высокогомологичные участки, соединяющиеся между собой связующим пептидом. В пептидных предшественниках инсулина и релаксина по обе стороны от связующего пептида расположены по две основные аминокислоты, соединяющие его с А- и В-цепями. После возникновения между А- и В-цепями дисульфидных мостиков связующий пептид вырезается в результате эндопротеолиза, и молекула превращается в пептидный гормон, состоящий из двух (А и В) цепей. Инсулиноподобные факторы роста, будучи высокогомологичными инсулину и релаксину по своей первичной структуре, тем не менее имеют одно важное отличие: в молекуле их предшественника отсутствуют участки, по которым происходит отщепление связующего пептида, и поэтому активные гормоны сохраняют структуру единой полипептидной цепи.

Е. Ген инсулина человека. Ген человеческого инсулина (рис. 51.9) локализован в коротком плече хромосомы 11. У большинства млекопитающих экспрессируется один ген инсулина, организованный подобно человеческому гену, но у крыс и мышей имеются два неаллельных гена. В каждом из них закодирован особый проинсулин, дающий начало двум различным активным молекулам инсулина. В настоящее время разработан метод получения человеческого инсулина в бактериальных экспрессирующих системах с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Таким образом, проблему получения этого гормона в количествах, необходимых для больных диабетом, можно считать решенной.

Ж. Аномальные продукты гена инсулина человека. Знание структуры инсулинового гена и инсулиновой

Рис. 51.8. Схематическое изображение структуры предшественников родственных инсулину пептидов. Гомологичные участки релаксина, инсулина и инсулиноподобного фактора роста изображены в виде черных полос. Аминокислотные последовательности, соединяющие В- и А-цепи в молекуле предшественников релаксина и инсулина, обозначены светлыми полосами. В ходе процессинга предшественников с образованием соответствующих продуктов, состоящих из двух цепей, эти связующие последовательности удаляются (вертикальные стрелки). Аминокислотная последовательность инсулиноподобного фактора роста, соответствующая таким связующим пептидам, но не удаляемая в ходе процессинга, изображена участком с точками. Инсулинопочобный фактор роста состоит лишь из одной пептидной цепи. (Redrawn and reproduced, with permission, from Tager H. S. Abnormal products of the human insulin gene, Diabetes, 1984, 33, 693.)

молекулы позволяет выявлять аномальные продукты гена, что в свою очередь дает дополнительную информацию о функции данного гормона. Выявлены три мутации этого гена, причем для каждой из них идентифицирована молекулярная основа дефекта. В одном случае в результате мутации единичного основания на месте фенилаланина-В24 оказался серии, в другом (опять-таки в результате единичной мутации) произошла замена фенилаланина-В25 на лейцин. В третьем случае изменился процессинг проинсулина в активный гормон: мутация нарушила отщепление З-конца С-пептида на границе с А-цепью. В основе этого дефекта лежит замена дипептида Lys-Arg в этом месте полипептидной цепи на Lys-X, в результате которой трипсиноподобное расщепление оказалось невозможным.

Рис. 51.9. Схематическое изображение структуры гена человеческого инсулина. Области, заштрихованные диагональными линиями, соответствуют нетранслируемым областям мРНК. Светлые участки соответствуют вставочным последовательностям, участки, выделенные пунктиром, — кодирующим последовательностям. Буквами L, В, С и А обозначены последовательности, кодирующие лидерный (сигнальный) пептид, В-цепь инсулина. С-пептид и А-цепь инсулина соответственно. Следует обратить внимание на то, что кодирующая последовательность для С-пептида разделена вставочной последовательностью. Масштаб в схеме выдержан. (Redrawn and reproduced, with permission. from Tager H. S. Abnormal products of the human insulin gene. Diabetes, 1984, 33, 639.)

Выявлению описанных мутаций способствовала их локализация в активном центре молекулы инсулина, в результате чего у соответствующих носителей 1) имеет место гиперинсулинемия, 2) отсутствуют признаки инсулинорезистентности, 3) снижена биологическая активность циркулирующего в крови инсулина и 4) отмечается нормальная реакция на экзогенный инсулин. По крайней мере еще четыре нуклеотидные замены были идентифицированы у «здоровых» людей. Эти мутации локализованы во вставочных (т. е. некодирующих) последовательностях, и на функциональную активность молекулы инсулина они не повлияли.

Регуляция секреции инсулина

Поджелудочная железа человека секретирует доед. инсулина в сутки, что соответствует 15—20% общего количества гормона в железе. Секреция инсулина — энергозависимый процесс, происходящий с участием системы микротрубочек и микрофиламентов островковых В-клеток и ряда медиаторов.

А. Глюкоза. Повышение концентрации глюкозы в крови—главный физиологический стимул секреции инсулина. Пороговой для секреции инсулина является концентрация глюкозы натощакмг%, а максимальная реакция достигается при концентрации глюкозымг%. Секреция инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы носит двухфазный характер (рис. 51.10). Немедленный ответ, или первая фаза реакции, начинается в пределах 1 мин после повышения концентрации глюкозы и продолжается в течение 5—10 мин. Затем наступает более медленная и продолжительная вторая фаза, обрывающаяся сразу после удаления глюкозного стимула. Согласно существующим представлениям, наличие двух фаз ответной реакции инсулина отражает существование двух различных внутриклеточных компартментов, или пулов, инсулина. Абсолютная концентрация глюкозы в плазме — не единственная

Рис. 51.10. Двухфазный характер секреции инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы в плазме крови.

детерминанта секреции инсулина. В-клетки реагируют и на скорость изменения концентрации глюкозы в плазме.

При пероральном введении глюкозы происходит гораздо более сильная стимуляция секреции инсулина, чем при ее внутривенном введении. Отсюда следует, что на секрецию инсулина помимо глюкозы влияют также и различные гормоны желудочно-кишечного тракта, такие, как секретин, холецистокинин, гастрин и энтероглюкагон. Однако наибольшая роль в этом процессе принадлежит желудочному ингибиторному полипептиду (ЖИП).

Предполагаются два разных механизма регуляции глюкозой секреции инсулина. Согласно одной гипотезе, глюкоза взаимодействует с рецептором, локализованным, вероятно, на поверхностной мембране В-клетки, что и приводит к активации механизма секреции. Вторая гипотеза исходит из того, что в стимуляции секреции инсулина участвуют внутриклеточные метаболиты или скорость таких метаболических путей, как пентозофосфатный шунт, цикл лимонной кислоты или гликолиз. Обе гипотезы нашли экспериментальные подтверждения.

Б. Гормональные факторы. На высвобождение инсулина влияет множество гормонов. а-Адренергические агонисты, особенно адреналин, подавляют секрецию инсулина даже при стимуляции этого процесса глюкозой. -Адренергические агонисты стимулируют секрецию инсулина, вероятно, путем повышения концентрации внутриклеточного сАМР (см. ниже). Именно этот механизм, по-видимому, лежит в основе действия желудочного ингибиторного пептида, который повышает секрецию инсулина, а также в основе эффектов высоких концентраций ТТГ, АКТГ, гастрина, секретина, холеци-стокинина и энтероглюкагона.

При хроническом воздействии избыточных количеств гормона роста, кортизола, плацентарного лактогена, эстрогенов и прогестинов секреция инсулина также повышается. Поэтому и неудивительно, что на поздних сроках беременности секреция инсулина значительно возрастает.

В. Фармакологические агенты. Секрецию инсулина стимулируют многие лекарственные препараты, однако в терапевтических целях чаще всего используются производные сульфонилмочевины. Для лечения диабета типа II (инсулиннезависимого) широко применяют такие средства, как толбутамид, который стимулирует секрецию инсулина иным способом, чем глюкоза.

Г. Внутриклеточные медиаторы секреции. При стимуляции секреции инсулина глюкозой возрастает потребление О, и использование АТР. Это сопряжено с индуцированной деполяризацией мембраны, что приводит к быстрому проникновению в клетку по потенциал-зависимому каналу. Слияние инсулин-содержащих секреторных гранул с плазматической мембраной и происходящая в результате секреция инсулина — процесс, зависимый от кальция. Стимуляция секреции инсулина глюкозой происходит и с участием метаболитов фосфатидилинозитола (гл. 44).

В процессе секреции инсулина участвует и который потенциирует эффекты глюкозы и аминокислот. Этот нуклеотид может стимулировать высвобождение из внутриклеточных органелл или активировать киназу, фосфорилирующую какой-то компонент системы микрофиламенты — микротрубочки (что обусловливает ее чувствительность к и способность к сокращению). Замена внеклеточного на какой-либо другой одновалентный катион ослабляет эффекты глюкозы и других стимуляторов секреции инсулина; возможно, регулирует внутриклеточную концентрацию через систему совместного транспорта.

Метаболизм инсулина

В отличие от инсулиноподобных факторов роста инсулин не имеет белка-носителя в плазме. Поэтому в норме период его полужизни не достигает и 3—5 мин. Метаболические превращения инсулина происходят в основном в печени, почках и плаценте. Около 50% этого гормона исчезает из плазмы за один пассаж через печень. В метаболизме инсулина участвуют две ферментные системы. Первая представляет собой инсулин — специфическую протеиназу, обнаруживаемую во многих тканях, но в наибольшей концентрации — в органах, перечисленных выше. Эта протеиназа была выделена из скелетных мышц и очищена. Установлено, что ее активность зависит от сульфгидрильных групп и проявляется при физиологических значениях Вторая система — глутатион-инсулин-трансгидрогеназа. Этот фермент восстанавливает дисульфидные мостики, после чего отделенные друг от друга А- и В-цепи быстро расщепляются. Какой из двух механизмов наиболее активен в физиологических условиях, не ясно; не ясно также, является ли каждый из них регулируемым.

Физиологические эффекты инсулина

О том, сколь велика роль инсулина в углеводном, белковом и липидном обмене, яснее всего свидетельствуют последствия инсулиновой недостаточности у человека. Основным признаком сахарного диабета является гипергликемия, развивающаяся в результате 1) пониженного проникновения глюкозы в клетки, 2) снижения утилизации глюкозы различными тканями

и 3) повышения образования глюкозы (глюконеогенеза) в печени. Ниже мы рассмотрим все эти процессы более подробно.

Полиурия, полидипсия и потеря веса, несмотря на адекватное потребление калорий, — таковы главные симптомы инсулиновой недостаточности. Чем они объясняются? Если в норме уровень глюкозы в плазме у человека редко превышает 120 мг%, то у больных с инсулиновой недостаточностью он, как правило, бывает значительно выше. Когда содержание глюкозы в плазме достигает определенных значений (у человека это обычно выше 180 мг%), максимальная способность реабсорбции глюкозы в почечных канальцах оказывается превышенной и сахар выделяется с мочой (глюкозурия). Объем мочи при этом увеличивается из-за осмотического диуреза, что обязательно сопровождается вначале потерей жидкости (полиурия), затем обезвоживанием организма, жаждой и чрезмерным потреблением воды (полидипсия). Глюкозурия вызывает значительную потерю калорий (4,1 ккал на каждый грамм экскретируемой глюкозы), что в сочетании с потерей мышечной и жировой ткани приводит к резкому похуданию, несмотря на повышенный аппетит (полифагия) и нормальное или увеличенное потребление калорий.

В отсутствие инсулина снижается биосинтез белка, что отчасти объясняется уменьшением транспорта аминокислот в мышцы (аминокислоты служат субстратами для глюконеогенеза). Таким образом, инсулиновая недостаточность у человека сопровождается отрицательным азотным балансом. Характерное для этой ситуации отсутствие антилиполитического действия инсулина, равно как и его липогенного действия, приводит к тому, что содержание жирных кислот в плазме возрастает. Когда оно достигает уровня, превышающего способность печени окислять жирные кислоты до в крови накапливаются Р-гидроксимасляная и ацетоуксусная кислоты (кетоз). Вначале организм компенсирует накопление этих органических кислот увеличением количества выдыхаемого Однако если развитие кетоза не сдерживается введением инсулина, то развивается тяжелый метаболический ацидоз и больной погибает от диабетической комы. Механизм инсулиновой недостаточности схематически представлен на рис. 51.11.

А. Влияние на транспорт глюкозы через мембрану.

Внутриклеточная концентрация свободной глюкозы значительно ниже ее внеклеточной концентрации. Большинство имеющихся данных свидетельствует о том, что скорость транспорта глюкозы через плазматическую мембрану мышечных и жировых клеток определяет интенсивность фосфорилирования глюкозы и ее дальнейший метаболизм. D-глюкоза и другие сахара с аналогичной конфигурацией по (галактоза, D-ксилоза и L-арабиноза) проникают в клетки путем облегченной диффузии, опосредованной переносчиком. Во многих клетках инсулин усиливает этот процесс (рис. 51.12), что обусловливается увеличением числа переносчиков ( -эффект), а не повышением сродства связывания ( -эффект).

Рис. 51.11. Патофизиология инсулиновой недостаточности. (Courtesy of R. J. Havel.)

Согласно имеющимся данным, в жировых клетках это происходит путем мобилизации переносчиков глюкозы из неактивного их пула в аппарате Гольджи с дальнейшим направлением их к активному участку плазматической мембраны. Такая транслокация переносчиков — процесс, зависимый от температуры и энергии и независимый от синтеза белков (рис. 51.13).

Печеночные клетки представляют собой важное исключение из этой схемы. Инсулин не стимулирует облегченной диффузии глюкозы в гепатоциты, но усиливает ее приток косвенным путем, индуцируя глюкокиназу — фермент, превращающий глюкозу в глюкозо-6-фосфат. В результате быстро протекающего фосфорилирования концентрация свободной глюкозы в гепатоцитах поддерживается на очень низком уровне, что способствует проникновению глюкозы в клетки путем простой диффузии по градиенту концентрации.

Рис. 51.12. Проникновение глюкозы в мышечные клетки.

Рис. 51.13. Транслокация переносчиков глюкозы под влиянием инсулина. (Reproduced, with permission, from Karnieli E. et al. Insulin-stimulated translocation of glucose transport systems in the isolated rat adipose cell, J. Biol, Chem., 1981, 256, 4772, Courtesy of S. Cushman.)

Инсулин способствует также проникновению в клетки аминокислот (особенно в мышечные клетки) и стимулирует перемещение нуклеозидов и органического фосфата. Эти эффекты не зависят от влияния инсулина на поступление в клетку глюкозы.

Б. Влияние на утилизацию глюкозы. Как показано ниже, инсулин оказывает влияние на внутриклеточную утилизацию глюкозы различными путями.

В норме примерно половина поглощенной глюкозы вступает на путь гликолиза и превращается в энергию, другая половина запасается в виде жиров или гликогена. В отсутствие инсулина ослабевает интенсивность гликолиза и замедляются анаболические процессы гликогенеза и липогенеза. Действительно, при инсулинодефицитном диабете всего лишь 5% поглощенной глюкозы превращается в жир.

Инсулин усиливает интенсивность гликолиза в печени, повышая активность и концентрацию ряда ключевых ферментов, таких, как глюкокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Более интенсивный гликолиз сопровождается более активной утилизацией глюкозы и, следовательно, косвенно способствует снижению выхода глюкозы в плазму. Инсулин, кроме того, подавляет активность глюкозо-6-фосфатазы — фермента, обнаруживаемого в печени, но не в мышцах. В результате глюкоза удерживается в печени, так как для глюкозо-6-фосфата плазматическая мембрана непроницаема.

В жировой ткани инсулин стимулирует липогенез путем 1) притока ацетил-СоА и NADPH, необходимых для синтеза жирных кислот, 2) поддержания нормального уровня фермента ацетил-СоА-карбоксилазы, катализирующего превращение ацетил-СоА в малонил-СоА, и 3) притока глицерола, участвующего в синтезе триацилглицеролов. При инсулиновой недостаточности все эти процессы ослабляются и в результате интенсивность липогенеза снижается. Другой причиной снижения липогенеза при инсулиновой недостаточности служит тот факт, что жирные кислоты, высвобождающиеся в больших количествах под действием некоторых гормонов, не встречающих противодействия со стороны инсулина, подавляют собственный синтез, ингибируя ацетил-СоА-карбоксилазу. Из всего сказанного следует, что суммарный эффект влияния инсулина на жир — анаболический.

Механизм влияния инсулина на утилизацию глюкозы включает в себя и другой анаболический процесс. В печени и в мышцах инсулин стимулирует превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат, который затем подвергается изомеризации в глюкозо-1-фосфат и в таком виде включается в гликоген под действием фермента гликогенсинтазы (ее активность также стимулируется инсулином). Это действие имеет двойственный и непрямой характер. Инсулин снижает внутриклеточный уровень сАМР, активируя фосфодиэстеразу. Поскольку сАМР-зависимое фосфорилирование инактивирует гликогенсинтазу, при низком уровне этого нуклеотида фермент находится в активной форме. Инсулин активирует и фосфатазу, катализирующую дефосфорилирование гликогенсинтазы, тем самым активируя этот фермент. И наконец, инсулин ингибирует фосфорилазу с помощью механизма, работающего с участием с АМР и фосфатазы, как описано выше. В результате высвобождение глюкозы из гликогена снижается. Таким образом, влияние инсулина на метаболизм гликогена также является анаболическим.

В. Влияние на образование глюкозы (глюконеогенез). Влияние инсулина на транспорт глюкозы, гликолиз и гликогенез проявляется за считанные секунды

или минуты, поскольку первичные реакции этого влияния сводятся к активации или инактивации ферментов путем их фосфорилирования или дефосфорилирования. Более продолжительное влияние инсулина на содержание глюкозы в плазме крови связано с ингибированием глюконеогенеза. Образование глюкозы из предшественников неуглеводной природы осуществляется в результате ряда ферментативных реакций, многие из которых стимулируются глюкагоном (действие которого опосредовано сАМР), глюкокортикоидными гормонами и в меньшей степени а- и ( -адренергическими агентами—ангиотензином II и вазопрессином. Инсулин же подавляет эти ферментативные реакции. Роль ключевого фермента глюконеогенеза в печени принадлежит фосфоенолпируват-карбоксикиназе (ФЕПКК), катализирующей превращение оксалоацетата в фо-сфоенолпируват. Недавние исследования (см. ниже) показывают, что под действием инсулина количество этого фермента снижается в результате избирательного ингибирования транскрипции гена, кодирующего мРНК для фосфоенолпируват-карбок-сикиназы.

Г. Влияние на метаболизм глюкозы. Результирующее действие всех перечисленных выше эффектов инсулина сводится к снижению содержания глюкозы в крови. Этому действию инсулина противостоят эффекты целого ряда гормонов, что, несомненно, отражает один из важнейших защитных механизмов организма, поскольку длительная гипогликемия способна вызвать несовместимые с жизнью изменения в мозге и, следовательно, ее нельзя допускать.

Д. Влияние на метаболизм липидов. Липогенное действие инсулина уже рассматривалось в разделе, посвященном его влиянию на утилизацию глюкозы. Кроме того, инсулин является мощным ингибитором липолиза в печени и жировой ткани, оказывая, таким образом, непрямое анаболическое действие. Частично это может быть следствием способности инсулина снижать содержание сАМР (уровень которого в тканях повышается под действием липолитических гормонов глюкагона и адреналина), а также способности инсулина ингибировать активность гормон — чувствительной липазы. В основе такого ингибирования лежит, по-видимому, активация фосфатазы, которая дефосфорилирует и тем самым инактивирует липазу или сАМР-зависимую протеинкиназу. В результате инсулин снижает содержание жирных кислот в крови. Это в свою очередь вносит вклад в действие инсулина на углеводный обмен, поскольку жирные кислоты подавляют гликолиз на нескольких этапах и стимулируют глюконеогенез. Данный пример показывает, что при обсуждении регуляции метаболизма нельзя учитывать действие лишь какого-либо одного гормона или метаболита. Регуляция — сложный процесс, в котором превращения по определенному метаболическому пути представляют собой результат сложных взаимодействий целого ряда гормонов и метаболитов.

У больных с инсулиновой недостаточностью активность липазы повышается, что приводит к усилению липолиза и увеличению концентрации жирных кислот в плазме и печени. Содержание глюкагона у таких больных также повышается, и это тоже усиливает выход свободных жирных кислот в кровь. (Глюкагон оказывает противодействие многим эффектам инсулина, и метаболический статус при диабете отражает соотношение уровней глюкагона и инсулина). Часть свободных жирных кислот метаболизируется до ацетил-СоА (обращение липогенеза) и затем в лимоннокислом цикле — до При инсулиновой недостаточности емкость этого процесса быстро оказывается превышенной и ацетил-СоА превращается в ацетоацетил-СоА и затем в ацетоуксусную и -гидроксимасляную кислоты. Под действием инсулина происходят обратные превращения.

Инсулин, по-видимому, влияет на образование или клиренс липопротеинов очень низкой плотности и липопротеинов низкой плотности, поскольку у больных с плохой компенсацией диабета содержание этих частиц, а следовательно, и содержание холестерола часто бывает повышенным. Именно этот метаболический дефект лежит, очевидно, в основе такого серьезного осложнения, как ускоренный атеросклероз, наблюдаемый у многих больных диабетом.

Влияние инсулина на метаболические процессы проиллюстрировано на рис. 51.14, где изображен ряд важнейших метаболических превращений в отсутствие инсулина.

Е. Влияние на метаболизм белков. Инсулин, как правило, оказывает анаболическое действие на белковый обмен, поскольку он стимулирует синтез белков и уменьшает их распад. Инсулин стимулирует поглощение мышцей нейтральных аминокислот типа А—эффект, не связанный с поглощением глюкозы или с последующим включением аминокислот в белки. Влияние инсулина на синтез белков в скелетной и сердечной мышцах проявляется, по-видимому, на уровне трансляции мРНК.

В последние годы было показано, что инсулин влияет на синтез специфических белков, вызывая изменения в соответствующих мРНК. Возможно, именно этим объясняется действие гормона на активность или количество отдельных белков. (Подробнее эта проблема обсуждается ниже.)

Ж. Влияние на размножение клеток. Инсулин стимулирует пролиферацию ряда клеток в культуре. Возможно, он участвует и в регуляции роста in vivo. При изучении регуляции роста чаще всего используются культуры фибробластов. В таких клетках инсулин усиливает способность фактора роста фибробластов (ФРФ), тромбоцитарного фактора роста (ТФР), фактора роста эпидермиса (ФРЭ), стимулирующих

Рис. 51.14. Метаболические последствия инсулиновой недостаточности. СЖК—свободные жирные кислоты.

рост опухолей форболовых эфиров, простаглаидина вазопрессина и аналогов сАМР активировать размножение клеток, остановленных в фазе G, в результате удаления из среды сыворотки.

Преходящая потребность в различных факторах роста лежит в основе концепции о существовании двух классов таких факторов. Один из них, к которому относятся ТФР, ФРФ, ПГЕ2 и форболовые эфиры, вызывает, по-видимому, какие-то биохимические изменения в ранней G-фазе, которые, возникнув, устраняют дальнейшую потребность клетки в этих факторах и делают ее способной к репликации. Факторы роста второго класса (к ним относится инсулин) способствуют «продвижению» клетки к S-фазе и через нее и должны присутствовать постоянно. Данная модель описывает процессы, происходящие в фибробластах ЗТЗ, и ее универсальность не доказана. Не известно также, связан ли эффект инсулина с его взаимодействием с собственным рецептором или с рецептором инсулиноподобного фактора роста (ИФР) (тем более, что ИФР-1 тоже является фактором «продвижения»).

Инсулин поддерживает рост и репликацию многих клеток эпителиального происхождения, в том числе гепатоцитов, клеток гепатомы, клеток опухоли коры надпочечника и клеток карциномы молочной железы. Очень низкие концентрации инсулина стимулируют репликацию (по-видимому, через инсулиновый рецептор), причем нередко это происходит в отсутствие других пептидных факторов роста. Действительно, инсулин является необходимым компонентом всех известных сред для культивирования тканей, так что его значение для роста и репликации клеток несомненно.

Биохимический механизм влияния инсулина на репликацию клеток не выяснен; предполагают, что он основан на анаболическом действии гормона.

Возможно, здесь играет роль влияние на поглощение глюкозы, фосфата, нейтральных аминокислот типа А и катионов. Г ормон может стимулировать репликацию, используя свою способность активировать или инактивировать ферменты путем регуляции скорости и степени фосфорилирования белков или регулируя синтез ферментов.

Весьма интересная новая область исследований связана с изучением тирозинкиназной активности. Инсулиновый рецептор, как и рецепторы многих других факторов роста, включая ТФР и ФРЭ, обладает тирозинкиназной активностью. Важно отметить, что по крайней мере 10 онкогенных продуктов (многие из которых, вероятно, участвуют в стимулировании репликации злокачественных клеток) также представляют собой тирозинкиназы. Клетки млекопитающих содержат аналоги этих онкогенов (протоонкогены), продукты которых могли бы участвовать в репликации нормальных клеток. В пользу предположения о роли протоонкогенов свидетельствуют недавние работы, показавшие, что экспрессия, по крайней мере двух продуктов — после добавления сыровотки к культуре клеток с остановленным ростом усиливается. Показано также что, ТФР стимулирует образование специфических мРНК. Предстоит выяснить, аналогичен ли механизм действия инсулина.

Механизм действия инсулина

А. Рецептор инсулина. Действие инсулина начинается с его связывания со специфическим гликопротеиновым рецептором на поверхности клетки-мишени. Различные эффекты этого гормона (рис. 51.15) могут проявляться либо через несколько секунд или минут (транспорт, фосфорилирование белков, активация и ингибирование ферментов, синтез РНК), либо через несколько часов (синтез белка и ДНК и клеточный рост).

Инсулиновый рецептор подробно исследован с помощью биохимических методов и технологии рекомбинантных ДНК. Он представляет собой гетеродимер, состоящий из двух субъединиц (а и р) в конфигурации связанных между собой дисульфидными мостиками (рис. 51.15). Обе субъединицы содержат много гликозильных остатков. Удаление сиаловой кислоты и галактозы снижает как способность связывать инсулин, так и активность этого гормона. Каждая из гликопротеиновых субъединиц обладает особой структурой и определенной функцией. а-Субъединица (мол. масса) целиком расположена вне клетки, и связывание инсулина, вероятно, осуществляется с помощью богатого цистином домена. -Субъединица (мол. масса 95000) — трансмембранный белок, выполняющий вторую важную функцию рецептора (гл. 44), т. е. преобразование

Рис. 51.15. Связь между рецептором инсулина и его действием. (Courtesy of С. R. Kahn.)

Рис. 51.16. Схема строения рецепторов липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), фактора роста эпидермиса (ФРЭ) и инсулина. В каждом из этих рецепторов аминоконцы находятся в той части молекулы, которая выступает из клетки. Рамками обозначены участки, богатые цистеином, которые, как считают, участвуют в связывании лиганда. В каждом рецепторе (

25 аминокислот) имеется короткий домен, пересекающий плазматическую мембрану (заштрихованная полоса), и внутриклеточный домен варьирующей длины. Рецепторы ФРЭ и инсулина обладают тирозинкиназной активностью, локализованной в цитоплазматическом домене; кроме того, в этом домене находятся участки, в которых происходит аутофосфорилирование. Инсулиновый рецептор представляет собой гетеротетрамер, отдельные цепи (вертикальные полосы) которого связаны между собой дисульфидными мостиками.

сигнала. Цитоплазматическая часть 13-субъединицы обладает тирозинкиназной активностью и содержит участок аугофосфорилирования. Считается, что и то и другое важно для преобразования сигнала и действия инсулина (см. ниже). Поразительное сходство между тремя рецепторами, выполняющими различные функции, проиллюстрировано на рис. 51.16. Действительно, последовательности некоторых участков Р-субъединицы гомологичны таковым в рецепторе ФРЭ.

Рецептор инсулина постоянно синтезируется и распадается; его период полужизни составляетч. Рецептор синтезируется в виде одноцепочечного пептида в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и быстро гликозилируется в аппарате Гольджи. Предшественник человеческого рецептора инсулина состоит из 1382 аминокислот, его мол. масса составляет, при расщеплении он образует зрелые а- и Р-субъединицы. У человека ген инсулинового рецептора локализован в хромосоме 19.

Рецепторы инсулина обнаружены на поверхности большинства клеток млекопитающих. Их концентрация достигаетна клетку, причем часто они выявляются и на таких клетках, которые не относят к типичным мишеням инсулина. Спектр метаболических эффектов инсулина хорошо известен. Однако инсулин участвует и в таких процессах, как рост и репликация клеток (см. выше), органогенез и дифференцировка у плода, а также в процессах заживления и регенерации тканей. Строение инсулинового рецептора, способность различных инсулинов связываться с рецепторами и вызывать биологические реакции практически идентичны в клетках всех типов и у всех видов. Так, свиной инсулин почти всегда в 10—20 раз эффективнее свиною проинсулина, который в свою очередь в 10—20 раз эффективнее инсулина морской свинки даже у самой морской свинки. Инсулиновый рецептор имеет, по-видимому, высоко консервативную структуру, еще более консервативную, чем структура самого инсулина.

При связывании инсулина с рецептором происходят следующие события: 1) изменяется конформация рецептора, 2) рецепторы связываются друг с другом, образуя микроагрегаты, пятна (patches) или нашлепки, 3) рецептор подвергается интернализации и 4) возникает какой-то сигнал. Значение конформационных изменений рецептора не известно, но интернализация, вероятно, служит средством регуляции количества и кругооборота рецепторов. В условиях высокого содержания инсулина в плазме, например при ожирении или акромегалии, число инсулиновых рецепторов снижается и чувствительность тканей-мишеней к инсулину уменьшается. Такая «снижающая» регуляция обусловлена потерей рецепторов в результате их интернализации, т.е. процесса проникновения инсулин-рецепторных комплексов в клетку путем эндоцитоза с помощью покрытых клатрином пузырьков (см. гл. 41). «Снижающая» регуляция объясняет отчасти инсулинорезистентность при ожирении и сахарном диабете II типа.

Б. Внутриклеточные медиаторы. Хотя механизм действия инсулина изучается более 60 лет, некоторые важнейшие вопросы, например природа внутриклеточного сигнала, остаются нерешенными, и инсулин в этом отношении не исключение. Внутриклеточные посредники не идентифицированы для очень многих гормонов (табл. 44.1). Множество различных молекул рассматривалось в качестве возможных внутриклеточных вторых посредников или медиаторов. К ним относятся сам инсулин, кальций, циклические нуклеотиды (сАМР, cGMP), , пептиды мембранного происхождения, фосфолипиды мембраны, одновалентные катионы и тирозинкиназа (рецептор инсулина). Не одно из предположений не подтвердилось.

В центре внимания современных исследователей лежит тот факт, что инсулиновый рецептор сам является ферментом, чувствительным к инсулину, поскольку при связывании инсулина он подвергается аутофосфорилированию. Эта функция осуществляется Р-субъединицей, которая, действуя как протеинкиназа, переносит у-фосфат с АТР на остаток тирозина в -субъединице. Инсулин повышает Утах этой ферментативной реакции, а двухвалентные катионы, особенно снижают для АТР.

Фосфорилирование тирозина нетипично для клеток млекопитающих (на долю фосфотирозина приходится всего 0,03% фосфоаминокислот, содержащихся в нормальных клетках), и вполне возможно, что наличие у рецепторов ФРЭ, ТФР, ИФР-1 тирозинкиназной активности неслучайно. Существует предположение, что тирозинкиназная активность — важный фактор в действии продуктов ряда вирусных онкогенов. Их связь с клеточными аналогами онкогенов, обладающими сходными свойствами при злокачественном и нормальном клеточном росте, рассматривалась выше. Изучение структуры этих компонентов выявило высокую степень гомологии между рецепторами и онкогенами, например между рецептором ФРЭ и между рецептором ТФР и и между инсулиновым рецептором и v-rav.

Участие тирозинкиназы в преобразовании инсулин-рецепторного сигнала не доказано, но оно могло бы заключаться в фосфорилировании специфического белка, инициирующего действие инсулина, в запуске каскада фосфорилирование-дефосфорилирование, в изменении некоторых свойств клеточной мембраны или образовании какого-то связанного с мембраной продукта, например фосфолипида.

В. Фосфорилирование-дефосфорилирование белка.

Многие из метаболических эффектов инсулина, особенно те, которые возникают быстро, опосредованы его влиянием на реакции фосфорилирования-дефосфорилирования белка, что в свою очередь влияет на ферментативную активность данного белка. Перечень ферментов, активность которых регулируется таким путем, приведен в табл. 51.3. В некоторых случаях инсулин снижает внутриклеточное содержание с АМР (активируя сАМР-фосфодиэстеразу), что приводит к уменьшению активности сАМР-зависимой протеинкиназы. Такие эффекты характерны для гликогенсинтазы и фосфорилазы. В других случаях действие инсулина не зависит от с АМР и сводится к активации других протеинкиназ (например, в случае тирозинкиназы инсулинового рецептора), ингибированию третьих протеинкиназ (табл. 44.4) или (что значительно чаще) к стимуляции фосфатаз фосфопротеинов. Дефосфорилирование увеличивает активность ряда ключевых ферментов (табл. 51.3). Такие ковалентные модификации обеспечивают почти мгновенные изменения активностей ферментов.

Таблица 51.3. Ферменты, степень фосфорилирования и активность которых регулируются инсулином. (Modified and reproduced, with permission, from Denton R. M. et al: a partial view of the mechanism of insulin action. Diabetologia 1981, 21, 347.)

Г. Влияние на трансляцию мРНК. Известно, что инсулин влияет на количество и активность по крайней мере 50 белков в различных тканях, причем многие из этих эффектов сводятся к ковалентной модификации. Представление о роли инсулина в трансляции мРНК основывается главным образом на данных о рибосомном 86-белке—компоненте рибосомной субъединицы Такой механизм мог бы обеспечивать общее влияние инсулина на синтез белков в печени, скелетных и сердечных мышцах.

Д. Влияние на экспрессию генов. Все описанные эффекты инсулина реализуются на уровне плазматической мембраны или в цитоплазме. Однако инсулин способен влиять (по-видимому, через свой внутриклеточный медиатор) и на некоторые специфические ядерные процессы. Фермент фосфоенолпнруват-карбоксикнназа (ФЕПКК) катализирует скорость — лимитирующую реакцию глюконеогенеза. Синтез ФЕПКК под действием инсулина снижается, а следовательно, уменьшается и интенсивность глюконеогенеза. Сравнительно недавно было показано, что при добавлении инсулина к культуре клеток гепатомы уже через несколько минут избирательно уменьшается скорость транскрипции гена ФЕПКК (рис. 51.17). В результате уменьшается количество как первичного транскрипта, так и зрелой что в свою очередь приводит к снижению синтеза ФЕПКК. Этот эффект проявляется при физиологических концентрациях инсулина опосредуется инсулиновым рецептором и, по-видимому, обусловлен снижением скорости синтеза

Рис. 51.17. Влияние гена инсулина на транскрипцию специфического гена. При внесении инсулина в культуру клеток гепатомы скорость транскрипции гена ФЕПКК быстро снижается, что сопровождается уменьшением количества первичного транскрипта в зрелой При уменьшении количества цитоплазматической снижается и скорость синтеза ФЕПКК-белка. (Reproduced, with permission, from Sasaki K.et al. Multihormonal regulation of phosphoenolpyruvate carboxykinase gene transcription, J. Biol. Chem., 1984, 259, 15242.)

Впервые влияние инсулина на транскрипцию генов было обнаружено при изучении механизма регуляции ФЕПКК, однако в настоящее время известны и другие примеры. Более того, представляется вероятным, что регуляция синтеза мРНК — главный эффект инсулина. Инсулин оказывает влияние на синтез многих специфических мРНК (табл. 51.4), в том числе на пока не идентифицированные мРНК в печени, жировой ткани и в мышцах (скелетных и сердечной). Доказано действие инсулина на транскрипцию генов овальбумина, альбумина и казеина.

Действие инсулина распространяется на ферменты, остающиеся в клетках, на секретируемые ферменты и белки, на белки, принимающие участие в процессах размножения, и на структурные белки (табл. 51.4). Эти эффекты регистрируются во многих органах и тканях и у многих видов. Регуляция транскрипции специфических мРНК под действием инсулина в настоящее время не вызывает сомнений. Этот путь модуляции ферментативной активности по важности не уступает механизму фосфорилирования-дефосфорилирования. Именно влиянием инсулина на транскрипцию генов, вероятно, объясняется его роль в эмбриогенезе, дифференцировке, а также росте и делении клеток.

Таблица 51.4. Белки, информационные РНК которых регулируются инсулином

Патофизиология

При недостаточности инсулина или устойчивости к его действию развивается сахарный диабет. Примерно у 90% больных диабетом наблюдается инсулин-независимый сахарный диабет II типа (ИНЗСД). Для таких больных характерны ожирение, повышенное содержание в плазме инсулина и снижение количества инсулиновых рецепторов. У остальных 10% больных наблюдается диабет типа I, т.е. инсулинзависимый сахарный диабет I типа (ИЗСД). Рассмотренные выше метаболические нарушения более типичны именно для диабета типа I.

Ряд редких состояний иллюстрирует важные особенности действия инсулина. У некоторых людей образуются антитела к рецепторам инсулина. Эти антитела предотвращают связывание инсулина с рецептором, и в результате у таких лиц развивается синдром тяжелой инсулинорезистентности (см. табл. 43.2). При опухолях из В-клеток возникает гиперин-сулинемия и синдром, характеризующийся тяжелой гипогликемией. О важной роли инсулина (или, возможно, ИФР-1 или ИФР-2) для органогенеза свидетельствуют редкие случаи карликовости. Этот синдром характеризуется низким весом при рождении, малой мышечной массой, малым количеством подкожного жира, очень мелкими чертами лица, инсулинорезистентностью со значительным повышением содержания биологически активного инсулина в плазме и ранней смертью. У некоторых таких больных либо совсем отсутствовали рецепторы инсулина, либо они были дефектными.

Раздел V. Биохимия внутри- и межклеточных коммуникаций

Раздел VI. Частные вопросы

Копирование информации со страницы разрешается только с указанием ссылки на данный сайт

Источник: http://edu.sernam.ru/book_b_chem2.php?id=120