Инсулин

1.Синтез инсулина.Синтез инсулина происходит в b-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Ген человеческого инсулина локализован в коротком плече 11 хромосомы. Инсулин синтезируется на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума в виде препроинсулина (М.м. 11500), который на N-конце содержит сигнальный пептид, состоящий из 16 аминокислот и направляющий пептидную цепь в просвет эндоплазматического ретикулума. В ЭПР сигнальный пептид отделяется и после замыкания дисульфидных связей образуется проинсулин (М.м. 9000). Биологическая активность проинсулина составляет 5% биологической активности инсулина. Проинсулин поступает в аппарат Гольджи, где в секреторных везикулах происходит отщепление эквимолярного количества С-пептида и образуется зрелый инсулин, который сохраняется в форме цинксодержащего гексамера вплоть до секреции. Мембраны секреторных пузырьков (гранул) в процессе секреции сливаются в плазматической мембраной клетки, а их содержимое высвобождается во внеклеточное пространство. Определение в крови концентрации С-пептида может быть использовано для определения функции поджелудочной железы при введении экзогенного инсулина или при невозможности прямого определения инсулина в сыворотке крови из-за наличия инсулиновых антител.

2.Структура инсулина. Молекула инсулина – полипептид, состоящий из 2-х цепей, А цепь (21 аминокислотный остаток) и В цепь (30 аминокислотных остатков). Цепи связанны между собой дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики локализованы между аминокислотными остатками А7-В7 и А20-В19. Третий дисульфидный мостик связывает между собой 6 и 11 аминокислотные остатки А цепи. Локализация всех трех дисульфидных мостиков постоянна.

Выделяют 3 консервативных участка в молекуле инсулина; 1) положение 3-х дисульфидных связей; 2) гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи и 3) С- и N-концевые участки А-цепи.

Наиболее схожи по своему строению инсулин человека, свиньи (отличие по 1 аминокислоте) и быка (3 аминокислоты), что позволяет их использовать в качестве заместительной терапии при сахарном диабете.

Поджелудочная железа человека секретирует до 40-50 ед. инсулина в сутки, что соответствует 15-20% общего количества гормона в железе.

3.Регуляция синтеза инсулина. Повышение концентрации глюкозы в крови – главный физиологический стимул секреции инсулина. Пороговой для секреции инсулина является концентрация глюкозы натощак >5,0 ммоль/л, а максимальная секреция наблюдается при концентрации глюкозы 15-20 ммоль/л. Кроме того, стимулируют синтез и секрецию инсулина являются аминокислоты лейцин, глюкагон, гормон роста, кортизол, плацентарный лактоген, эстрогены и прогестерон. Ингибируется синтез инсулина адреналином.

4.Деградация инсулина. В крови инсулин не имеет белков-переносчиков. Период полужизни 3-5 минут. Катаболизм инсулина происходят в основном в печени, почках и плаценте. Около 50% инсулина метаболизируется за один пассаж крови через печень. В деградации инсулина участвуют 2 ферментативные системы: 1) инсулин-специфическая протеиназа, расщепляющая инсулин до аминокислот и 2) глутатион-инсулин-трансгидрогеназа, который восстанавливает дисульфидные мостики.

5.Формы инсулина в крови. Различают 3 формы инсулина в крови: 1) свободная форма инсулина – способствует утилизации глюкозы жировой и мышечной тканью; 2) связанная с белками форма инсулина – влияет только на жировую ткань; 3) форма А – промежуточная форма инсулина, появляется в крови в ответ на быструю, срочную потребность организма в инсулине.

5.Механизм действия инсулина. По механизму действия инсулин относится к гормонам со смешанным механизмом действия. Эффект инсулина начинается со связывания со специфическим гликопротеиновым рецептором, который содержит много гликозильных остатков на поверхности клетки-мишени. Удаление сиаловых кислот и галактозы снижает способность рецептора связывать инсулин и активность гормона.

Рецептор для инсулина состоит из 2-х a и 2-х b-субъединиц, связанных дисульфидными мостиками. a-субъединица расположена вне клетки и осуществляет связывание инсулина. b-субъединица обладает тирозинкиназной активностью и содержит участок аутофосфорилирования. Фосфорилированные β-субъединицы активируют протеинкиназы и фосфатазы, оказывая биологическое действие. При связывания инсулина с рецептором происходит изменение конформации рецептора, гормон-рецепторный комплекс проникает в цитозоль путем эндоцитоза (интернализация), распадается и генерируется сигнал внутри клетки. Рецепторы могут подвергаться протеолизу или повторному процессингу и вновь страиваться в мембрану. В качестве внутриклеточных посредников выступает сам инсулин, ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты распада фосфатидилинозитола, пептиды мембран.

Различные эффекты инсулина делятся на 1) быстрые, которые проявляются через несколько секунд или минут (деполяризация мембран, транспорт глюкозы и ионов, фосфорилирование белков, активация или ингибирование ферментов, синтез РНК) и 2) медленные – от нескольких часов до суток (синтез белка, ДНК, пролиферация клеток).

6.Метаболические эффекты инсулина.

Все органы делятся на инсулинчувствительные (мышечная, жировая ткани и частично печень) и инсулиннечувствительные (нервная ткань, эритроциты).

Основное биологическое значение инсулина – создание резерва веществ в организме. Поэтому инсулин стимулирует анаболические процессы и ингибирует катаболизм.

Обмен углеводов.Инсулин – единственный гормон, который снижает уровень глюкозы в крови по следующим механизмам.

1. Инсулин повышает проницаемость мембран мышечной и жировой тканей для глюкозы, увеличивая количество переносчиков для глюкозы и транслокацию их из цитозоля в мембрану. Гепатоциты хорошо проницаемы для глюкозы и инсулин способствует задержке глюкозы в клетках печени, стимулируя активность глюкокиназы и ингибируя глюкозо-6-фосфатазу. В результате быстро протекающего фосфорилирования концентрация свободной глюкозы в гепатоцитах поддерживается на очень низком уровне, что способствует проникновению ее в клетки по градиенту концентрации.

2. Инсулин влияет на внутриклеточную утилизацию глюкозы следующими путями: 1) ~50% поглощенной глюкозы превращается в энергию (гликолиз); 2) 30-40% - в жиры и ~ 10% в гликоген.

3. Инсулин усиливает интенсивность гликолиза в печени, повышая активность ферментов глюкокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Более интенсивный гликолиз способствует более активной утилизации глюкозы и, следовательно, способствует снижению выхода глюкозы из клетки.

4. В печени и мышцах инсулин стимулирует синтез гликогена путем ингибирования аденилатциклазы и активации фосфодиэстеразы. В результате концентрация цАМФ уменьшается, что приводит к активации гликогенсинтазы и ингибированию фосфодиэстеразы.

5. Инсулин ингибирует глюконеогенез в результате уменьшения концентрации фосфоенолпируваткарбоксилазы (ингибирование транскрипции генов и синтез мРНК).

Обмен липидов.

1. Инсулин стимулирует липогенез в жировой ткани путем:

а) увеличения концентрации ацетил КоА и НАДФН2, необходимых для синтеза жирных кислот в результате активации пируватдегидрогеназного полиферментного комплекса и пентозофосфатного пути распада глюкозы;

б) активации фермента ацетил-КоА-карбоксилазы, катализирующего превращение ацетил-КоА в малонил-КоА;

в) активации полиферментного комплекса синтазы высших жирных кислот путем дефосфорилирования;

г) увеличение притока глицерина, необходимого для синтеза триглицеридов;

2. В печени и жировой ткани инсулин ингибирует липолиз через снижение концентрации цАМФ и ингибирования гормон-чувствительной липазы;

3. Инсулин ингибирует синтез кетоновых тел в печени

4. Инсулин влияет на образование и клиренс ЛПОНП и ЛПНП.

Обмен белков. Инсулин оказывает анаболический эффект на обмен белков, поскольку он стимулирует синтез и тормозит распад белков. Инсулин стимулирует поступление нейтральных аминокислот в мышечную ткань. Влияние инсулина на синтез белков в скелетных мышцах и сердечных мышцах проявляется, вероятно, на уровне трансляции мРНК.

Пролиферация клеток. Инсулин стимулирует пролиферацию клеток в клеточных культурах и возможно участвует в регуляции роста in vivo.

Нарушение метаболизма инсулина.При недостатке инсулина развивается сахарный диабет. Примерно у 90% больных диабетом наблюдается инсулиннезависимый сахарный диабет II типа. Характерен для людей зрелого возраста. Для таких больных типичны ожирение, повышенное содержание в плазме инсулина и снижение количества инсулиновых рецепторов. У 10% наблюдается диабет I типа (инсулинзависимый, ювенильный), начинается в раннем возрасте. Обусловлен поражением поджелудочной железы различными факторами и снижением количества инсулина в крови. Разрушение β-клеток может быть вызвана лекарственными препаратами, вирусами, аутоиммунными процессами.

Метаболические изменения при диабете. Основными признаками инсулина являются: гипергликемия, кетоацидоз и гипертриглицеридемия. Гипергликемия обусловлена снижением утилизации глюкозы периферическими тканями и повышенной продукцией глюкозы за счет активации глюконеогенеза и гликогенолиза. Когда концентрация глюкозы превышает порог реабсорбции, глюкоза экскретируется с мочой (глюкозурия). Повышенная мобилизация жирных кислот приводит к повышенной продукции кетоновых тел и развитию кетоацидоза. При диабете повышается превращение жирных кислот в триацилглицеролы и секреция ЛПОНП и хиломикронов, что приводит к увеличению их концентрации в крови.