Рецепторы инсулина и механизм его действия

Первым этапом действия инсулина, как и других полипептидных гормонов, является его связывание со специфическими репепторами на плазматической мембране клетки (рис. 10—19). Инсу

Рис. 10—19. Взаимодействие инсулина с рецептором. Первым этапом дейст­вия инсулина на клетку является его связывание рецептором на клеточной мембране. Это взаимодействие «запускает» один или более пока не иден­тифицированных внутриклеточных процессов (вторые медиаторы?), обус­ловливающих мембранные (увеличение транспорта глюкозы в адипоциты и мышечные клетки) и ферментные (повышение активности гликогенсинте­тазы в печени) эффекты. Инсулинрецепторный комплекс проникает в клет­ку. где подвергается лизосомному разрушению. Необходимо ли проникнове­ние инсулинрецепторного комплекса в клетку для «запуска» внутриклеточ­ных эффектов инсулина (мембранных и ферментных) неизвестно.

линовый рецептор можно определить как компонент клеточной мембраны, который избирательно распознает и связывает инсу­лин и обладает характеристиками связывания (кинетика, опти­мум рН, специфичность по отношению к аналогам), удовлетво­ряющими требованиям к возможности генерировать сигнал, обус­ловливающий биологическую реакцию [67]. Хотя химическая структура инсулинового рецептора точно не известна, считают, что он представляет собой гликопротеин с молекулярной массой от 75 000 до 300 000. Физиологической сущностью инсулинового рецептора является специфичность, с которой он связывает гормон, и тесная зависимость действия гормона от этого связывания. При изучении 40 аналогов инсулина была показана прямая за­висимость между сродством аналога к инсулиновым рецепторам и его биологической активностью (рис. 10—20). Хотя показано, что число инсулиновых рецепторов на клетку колеблется от 50 000 (в адипоцитах) до 250000 (в гепатоцитах), максимальные био­логические эффекты наблюдаются при занятости небольшого ко­личества их (менее 10%). Функциональный смысл существова­ния такого «запаса рецепторов» заключается в том, что в усло­виях снижения числа рецепторов (например, при ожирении) при адекватном увеличении концентрации инсулина число гормонре­цепторных комплексов может достигать критического уровня, .необходимого для «запуска» биологической реакции (т. е. кривая доза — реакция для инсулина окажется сдвинутой вправо).

Рис. 10—20. Влияние инсулина и его аналогов на связы­вание ¹²⁵I-инсулина с мембра­нами печеночных клеток (а); и окисление глюкозы жировы­ми клетками (б). Можно ви­деть близкую корреляцию между сродством к рецепто­рам (а) и биологическим эф­фектом (б) (по Freychet P.. et al. Ргос. Natl. Acad. Sci. USA, 1971, 68, 1833). а: 1 — инсулины свиньи, быка и-человека; 2 — рыбий инсулин: 3— проинсулин: 4 — дезоктапептид; 5 — дезала. дезаен; 6 — инсулин морской свинки,.

Взаимодействие между инсулином и его рецептором — это не простая обратимая реакция между двумя молекулами с одной константой сродства или равновесия, а процесс, имеющий более сложную природу и характеризующийся гетерогенностью сродст­ва связывания. Указанная сложность проявляется криволинейной зависимостью, получаемой при скетчардовском анализе данных по связыванию инсулина [68]. Эти данные рассматриваются как указание на отрицательную кооперативность — феномен, при ко­тором увеличение занятости рецепторов приводит к снижению сродства вследствие взаимодействий связывающих мест между со­бой [67, 68]. Можно, однако, дать и другое или дополнительное объяснение, особенно применительно к адипоцитам, которое сво­дится к признанию существования двух разных классов рецепто­ров: с высоким сродством и низкой емкостью и с низким срод-

Рис. 10—20. Влияние инсулина и его анало­гов на связывание ¹²⁵I-инсулина с мем­бранами печеночных клеток (а) и окисление глюкозы жировыми клетками (б). Можно видеть близкую корре­ляцию между сродст­вом к рецепторам (а) и биологическим эффектом (б) (по Freychet P. et al. Ргос. Natl. Acad. Sci. USA, 1971, 68, 1833). б: 1 — свиной инсулин; остальные обозначения см. рис. 10—20, а.

Рис.10—21. Действие инсулина у лиц с нор­мальной массой тела (косо заштрихованный столбик) и у тучных людей после ночного голо­дания и на 3-й и 10-й день голодания. О дейст­вии инсулина судили по-скорости метаболизма глюкозы «М» в услови­ях физиологической ги­перинсулинемии, созда­ваемой с помощью спе­циальной методики введения инсулина. В ис­ходном состоянии ос­лабление действия инсу­лина при ожирении на­блюдалось на фоне сни­жения связывания инсулина; это указывает на то, что ограничивающим скорость инсулинового эффекта является рецепторный уровень. Напротив, после голодания эффект инсулина снижался еще больше, несмотря на, повышение его связывания, что указывает на ограничивающую скорость роль пострецепторных реакций (по данным DeFrouzo R. et al., J. Clin. Invest,. 1978, 62, 204). ством и высокой емкостью [69]. Еще одно свойство инсулиновых рецепторов — их регуляция окружающей концентрацией инсули­на. В условиях гиперинсулинемии (например, при ожирении) число инсулиновых рецепторов уменьшается («снижающая регу­ляция»), тогда как при гипоинсулинемии (например, при голо­дании) оно увеличивается [67, 68].

На биологическое значение инсулиновых рецепторов в каче­стве регуляторного фактора указывают различные состояния, при которых изменения чувствительности к инсулину сопровождаются изменением их числа и/или сродства. Изучение инсулиновых ре­цепторов у человека получило особый стимул после обнаружения; того факта, что связывание инсулина с циркулирующими моно­цитами отражает его связывание с тканями-мишенями (печень,. мышцы и жировая ткань) и во многих случаях тесно коррелиру­ет с биологическим действием инсулина in vivo (рис. 10—21).

Изменениями инсулиновых рецепторов пытались объяснить патогенез инсулинорезистентных состояний, а также состояний,. характеризующихся повышением чувствительности к инсулину (табл. 10—5) [70]. Инсулинорезистентность диагностируют обыч­но на основании снижения реактивности либо к эндогенному ин­сулину (гиперинсулинемия на фоне нормального или повышен­ного уровня глюкозы), либо к экзогенному инсулину (больные диабетом, нуждающиеся в получении массивных доз гормона). Наиболее распространенным инсулинорезистентным состоянием является ожирение при котором наблюдается снижение связы­вания инсулина с моноцитами, адипоцитами и мышечными клетками. Изменение функции рецепторов наблюдали также у больных диабетом с гиперинсулинемией, отсутствием ожирения и началом болезни в зрелом возрасте (II тип диабета), у некоторых больных липоатрофическим диабетом и у больных с синдромом acanthosis nigricans и резкой инсулинорезистентностью. При последнем синдроме встречается либо снижение числа ре­цепторов, либо присутствие антирецепторных антител в крови, препятствующих связыванию инсулина [70]. Наоборот, у трени­рованных спортсменов, при нервной анорексии [71] и дефиците гормона роста или глюкокортикоидов повышение чувствительно­сти к инсулину сопровождается увеличением его связывания.

Однако снижение связывания инсулина может быть не един­ственным или даже не самым главным механизмом инсулиноре­зистентности данной клетки-мишени. Например, при различных формах ожирения у экспериментальных животных можно обна­ружить дефект внутриклеточного окисления глюкозы при макси­мальных концентрациях инсулина, что невозможно отнести за счет снижения связывания гормона [72]. Кроме того, при голо­дании связывание инсулина с моноцитами и адипоцитами увели­чивается, тогда как внутриклеточная утилизация глюкозы умень­шается [73]. Эти данные свидетельствуют о том, что инсулино­резистентность может быть обусловлена различными механизма­ми, связанными с нарушениями на рецепторном и/или пострецеп­торном внутриклеточном уровне.

Таблица 10—5. Корреляция между связыванием и действием инсулина

1. Инсулинорезистентность — снижение связывания инсулина Ожирение Диабет взрослых

Тяжелая инсулинорезистентность и acanthosis nigricans Избыток гормона роста Избыток глюкокортикоидов Липоатрофический диабет

2. Гиперчувствительность к инсулину — повышение связывания инсулина Тренированные спортсмены Нервная анорексия Дефицит глюкокортикоидов

Главный нерешенный вопрос в отношении механизма дейст­вия инсулина заключается в идентификации внутриклеточных процессов, «запускаемых» инсулинрецепторным взаимодействием и приводящих к биологическому эффекту (изменение транспорт­ной и ферментативной активности) (см. рис. 10—19). Электронно-микроскопические исследования позволили получить прямое доказательство того. что после связывания инсулина со своим рецептором гормонрецепторный комплекс проникает в клетку и подвергается затем разрушению лизосомами [74]. Однако не вы­яснено, является ли такая интернализация инсулина необходимой для его непосредственного воздействия на функцию мембраны (например, транспорт глюкозы и аминокислот) и активность фер­ментов (например, гликогенсинтетазы). Альтернативная гипотеза предполагает существование «второго медиатора» (аналогичного» цАМФ, опосредующего действие глюкагона), активация которого «запускается» образованием гормонрецепторного комплекса (см, рис. 10—19). Однако природа этого «второго медиатора» остается; неясной.

Хотя первые исследования показали, что инсулин может про­тиводействовать повышению цАМФ, вызываемому глюкагоном и адреналином, в других опытах четкий биологический эффект ин­сулина (например, стимуляция гликогенсинтетазы) наблюдали в отсутствие изменений уровня цАМФ [62]. В качестве альтерна­тивного механизма действия инсулина предполагалось увеличение уровня циклического гуанозин-3-монофосфата (цГМФ); однако другие авторы показали отсутствие связи между повыше­нием содержания цГМФ и стимуляцией инсулинчувствительных внутриклеточных процессов (липолиз, гликогенолиз). Инсулин мог бы влиять на активность ферментов и мембранный транспорт не путем изменения уровня циклических нуклеотидов, а непо­средственно изменяя активность различных протеинкиназ и/или фосфатаз, расположенных внутри клетки и на плазматической мембране. Инсулин стимулирует фосфорилирование крупного пеп­тида с молекулярной массой 123 000 в жировой ткани и с моле­кулярной массой 46 000 в печени независимо от изменения уров­ня цАМФ [75]. С другой стороны, инсулин генерирует химиче­ский медиатор, контролирующий процессы фосфорилирования» а также дефосфорилирования [76, 77].