Основные эффекты инсулина в тканях-мишенях

Ткани и органы \ Эффекты	Анаболические	Катаболические
Печень Жировая ткань Скелетные мышцы	Стимулирует биосинтез гликогена (гликогеногенез) Стимулирует поступление глюкозы из крови в адипоциты Стимулирует биосинтез жирных кислот и триацилглицеролов (липогенез) Стимулирует поступление в клетки глюкозы, аминокислот Стимулирует биосинтез гликогена (гликогеногенез) и белков (протеиногенез)	Тормозит распад гликогена (гликогенолиз), глюконеогенез, кетогенез Тормозит мобилизацию триацилглицеролов (липолиз) Тормозит тканевой протеолиз и освобождение аминокислот

Более подробное обсуждение эффектов инсулина стоит начать с его участия в регуляции углеводного обмена. В фокусе регуляции этого обмена находится содержание глюкозы в плазме крови. В норме оно составляет 3,3 – 5,5 ммоль/л. Величина менее 3,3 ммоль/л оценивается как гипоглюкоземия, а превышающая 5,5 ммоль/л свидетельствует о гиперглюкоземии. Почечный порог глюкозы в крови составляет 8 – 10 ммоль/л, при превышении которого она может обнаруживаться в моче (глюкозурия).

Поддержание глюкозы в крови на нормальном уровне зависит от соотношения процессов ее поступления и удаления. В случае гипоглюкоземии многие гормоны-регуляторы углеводного обмена (адреналин, глюкагон, кортизол, йодтиронины и др.) стимулируют первые и тормозят вторые (рис. 6.4). В этом состоит их гипергликемизирующее действие.

Содержание глюкозы в клетках тканей и органов значительно ниже, чем в плазме крови. Следовательно, удаление ее в них идет диффузией в направлении падения градиента концентрации. Оно осуществляется с участием белков-переносчиков и называется облегченной диффузией.

В клетках печени и головного мозга скорость этого транспорта регулируется уровнем глюкозы в крови (рис. 6.4). В мышцах и жировой ткани облегченная диффузия глюкозы ускоряется инсулином (рис. 6.4). Гормон осуществляет свой контроль путем включения «в работу» специальных белков-переносчиков. Их еще называют глюкозные транспортеры (Глют). В различных тканях и органах обнаружено пять видов глюкозных транспортеров (табл. 6.3). Все они имеют сходное строение и получают номера (1 – 5) по мере их открытия. В каждом из них выделяют по несколько доменов. Эти белки способны располагаться в мембранах, пересекая их несколько раз.

Инсулинзависимыми являются лишь Глют-4, обнаруженные в адипоцитах, миоцитах и кардиомиоцитах (см. табл. 4.4, 6.3). В отсутствие инсулина они находятся в специальных гранулах (рис. 4.13). При поступлении сигнала гормона последние перемещаются к плазматическим мембранам и сливаются с ними. При этом происходит встраивание белков-транспортеров в мембраны. Далее экстрацеллюлярные домены Глют-4 связывают глюкозу. Последующие их конформационные изменения обеспечивают перемещение глюкозы к их интрацеллюлярным доменам, а затем и ее освобождение внутрь клеток.

В случае прекращения передачи инсулинового сигнала Глют-4 возврвщаются в гранулы цитоплпзмы и поступление глюкозы в клетки-мишени приостанавливается.

Таблица 6.3.

Эффекты инсулина на транспортные системы глюкозы (Глют) в клетках различных тканей

Ткани	Белки-транспортеры глюкозы (Глют)	Эффект инсулина на транспорт глюкозы
Головной мозг и другие отделы нервной системы	Глют-1, 3	0
Печень (гепатоциты)	Глют-2	0
Эритроциты	Глют-1	0
Жировая ткань (адипоциты)	Глют-4	+
Мышцы, сердечная мышца (миоциты, кардиомиоциты)	Глют-4	+

Хотя инсулин напрямую не влияет на диффузию глюкозы в клетки печени, он делает это опосредованно. Реализуя свои сигналы в гепатоцитах, гормон активирует гексокиназу и способствует ингибированию глюкозо-6-фосфатазы (рис. 6.5). Количество свободной глюкозы в печени снижается, диффузия ее сюда из крови ускоряется.

Следует отметить, что инсулин стимулирует все процессы утилизации глюкозы в клетках тканей (рис. 6.4), влияя на их ферменты (рис. 6.5):

а) Активирует гликонеогенез в печени, почках, мышцах.

б) Активирует дихотомический путь распада глюкозы до CO₂ и H₂O с извлечением энергии в различных тканях и органах.

в) Активирует пентозофосфатный путь распада глюкозы с образованием НАДФ·Н + Н⁺, используемого для ряда синтезов, в том числе и жирных кислот, холестерола (многие ткани и органы).

г) Активирует липогенез в жировой ткани, печени.

д) Активирует протеиногенез в скелетных мышцах, сердце, печени.

Напротив, инсулин подавляет процессы, способствующие образованию свободной глюкозы и ее поступлению в кровь (рис. 6.4, 6.5):

а) Задерживает распад гликогена в печени, почках.

б) Замедляет реакции глюконеогенеза в этих органах.

В результате инсулин снижает уровень глюкозы в крови до нормальных величин (гипогликемизирующий эффект).

Рис. 6.4. Процессы, обеспечивающие поступление глюкозы в кровь (слева). Процессы, способствующие ее удалению из крови и последующему использованию в тканях (справа).

+ Активизирующее влияние гормонов

− Тормозящее действие гормонов

Внутриклеточные эффекты инсулина, стимулирующие утилизацию глюкозы, реализуются по Ras-пути (рис. 4.12) и проявляются изменениями активности различных доменов. Его сигналы могут привести к их активированию или ингибированию, а через факторы транскрипции индуцировать или репрессировать биосинтез многих мРНК и ферментов (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Способы регуляции инсулином активности ферментов углеводного и липидного обменов.

Относительно липидного обмена следует отметить, что эффекты инсулина здесь в большинстве своем противоположны действиям других гормонов-регуляторов.

Стимулируемое инсулином поглощение глюкозы адипоцитами (рис. 4.13) способствует превращению ее в ТАГ. При этом он ускоряет и биосинтез жирных кислот – субстратов липогенеза и обеспечивает за счет индукции синтеза ферментов гликолиза образование ДАФ, превращающегося в глицерол-3-фосфат (рис. 6.5). Повышение скорости биосинтеза жирных кислот достигается стимуляцией «работы» цитратного челночного механизма, транспортирующего ацетил-КоА из матрикса митохондрий в цитозоль. Он активирует и ферменты – участники этого механизма цитратсинтазу и малатдегидрогеназу, декарбоксилирующую «малик-фермент». Кроме того, инсулин индуцирует биосинтез пальмитатсинтазы I и способствует активированию ацетил-КоА-карбоксилазы (рис. 6.5), нарабатывающей малонилы-КоА. Дефосфорилированная форма этого фермента активна. Инсулин способствует количественному преобладанию этой формы двумя путями. С одной стороны он активирует фосфодиэстеразу, снижая уровень 3', 5' цАМФ (рис. 4.12), с другой стороны стимулирует функцию протеинфосфатазы (рис. 6.5).

Повышая уровень малонилов-КоА – аллостерических ингибиторов ацилкарнитин-трансферазы I, инсулин подавляет β-окисление жирных кислот. Он также замедляет распад триацилглицеролов (липолиз) в адипоцитах и др. клетках за счет репрессии синтеза тканевой липазы или ускоряя ее дефосфорилирование (механизм здесь тот же, что и выше рассмотренный для ацетил-КоА-карбоксилазы, хотя результат противоположный – дефосфорилированная липаза неактивна).

Снижение скорости биосинтеза кетоновых тел (кетогенеза) в гепатоцитах, как один из эффектов инсулина, наблюдается в связи с дефицитом ацетилов-КоА – субстратов этого процесса. Гормон достигает этой цели, замедляя β-окисление жирных кислот (см. выше), ускоряя реакции цитратного цикла (рис. 6.5), усиливая биосинтез жирных кислот (см. выше).

Активирнуя ГМГ-КоА-редуктазу, инсулин в стероидогенных тканях усиливает биосинтез холестерола – субстрата гормонов, желчных кислот, витамина D₃.

Инсулин оказывает анаболическое действие, влияя на белковый обмен. В мышцах он стимулирует поступление в клетки нейтральных аминокислот – субстратов биосинтеза белков и этим активируют протеиногенез (рис. 6.3, 6.4). Кроме того, инсулин стимулирует сборку рибосом и их участие в трансляции. Долговременные его эффекты связаны с усилением синтеза ДНК, РНК и митотической активности клеток инсулинзависимых тканей.

При недостаточности инсулина в организме или при отсутствии ответов на его сигналы в тканях-мишенях возникает сахарный диабет.

Примерно у 10% больных развивается инсулинозависимый диабет I типа. У 90% болеющих развивается инсулиннезависимы диабет II типа.

По заключению экспертов Всемирной организации здравоохранения (1981) сахарный диабет – синдром хронической гиперглюкоземии, развивающейся вследствие абсолютного или относительного дефицита инсулина и проявляющейся

• глюкозурией (появление глюкозы в моче),

• полиурией (увеличение суточного количества мочи),

• полидипсией (жажда),

• нарушениями липидного, белкового и минерального обменов

и развитием характерных осложнений (острых и хронических).

Инсулин играет важную роль и как гормон, и как медикаментозное средство, поскольку ≈5% людей болеют сахарным диабетом и ≈5% к нему предрасположены.

Причинами инсулинзависимого диабета могут быть:

• вирусные поражения поджелудочной железы,

• образование антител к инсулину, которые его связывают,

• генетические дефекты системы синтеза этого гормона,

• усиление расщепления инсулина в печени инсулиназой.

У больного инсулиннезависимым сахарным диабетом синтез этого гормона не нарушен, но ткани-мишени не реагируют ни на свой, ни на введенный извне в виде инъекций инсулин. В основе развития этого диабета лежат:

• снижение количества или биосинтез мутантных рецепторов;

• образование антител к этим рецепторам;

• генетические дефекты белков – участников реализации инсулиновых сигналов по Ras-пути, в том числе Глют-4.

Лечение больных со второй формой диабета инсулином оказывается малоэффективным.

Ранние симптомы заболевания связаны с дефицитом функции инсулина.

• Гиперглюкоземия, глюкозурия возникают в связи со снижением утилизации глюкозы в инсулинчувствительных тканях. Это вызывает преобладание эффектов контринсулярных гормонов (глюкагон, адреналин, кортикотропин, кортизол и др.). Они стимулируют распад гликогена в печени, почках с поставкой глюкозы «на экспорт» в кровь.

• Из-за ускорения липолиза в адипоцитах в крови повышено содержание жирных кислот и глицерола и поступление их в печень.

• Кетонемия, кетонурия возникают в связи с усилением контринсулярными гормонами β-окисления жирных кислот в гепатоцитах использования ацетилов-КоА для кетогенеза. В норме их (ацетоацетат, 3-гидроксибутират) содержание в плазме крови составляет 0,1 – 0,6 ммоль/л, при диабете может достигать 20 ммоль/л. В этом случае в дополнение к вышеназванным веществам появляется ацетон.

• Полиурия, полидипсия. Первая появляется в связи с увеличением жидкости в крови. Повышение уровня глюкозы в крови стимулирует в связи с повышением осмотического давления выход воды из тканей и выведение ее из организма. Потеря жидкости является причиной полидипсии (жажды).

• Гипокалиемия возникает в связи с потерей К⁺, Cl¯ с мочой. Назначают прием KCl.

• Полифагия (повышение аппетита) связана с дефицитом глюкозы в клетках тканей на фоне ее избытка в крови («голод среди изобилия»).

• Гипераминацидемия, гипераммониемия, азотемия – следствие ускорения распада белков в тканях.

• Из-за избытка субстратов (аминокислоты) в печени и почках усилен глюконеогенез. Это еще одна из причин гиперглюкоземии.

• При истощении резервов буферных систем крови (рН в норме – 7,36 – 7,44) может возникнуть кетоацидоз, приводящий к кетоацидотической (гиперглюкоземической) коме.

Поздние осложнения сахарного диабета связаны в основном с повышением уровня глюкозы в крови и неферментативным гликозилированием белков. Гликозилируются белки плазмы крови (липопротеины, гемоглобин и др.), внеклеточного матрикса стенок сосудов (коллаген, эластин и др.), базадьных мембран (коллаген и др.). Белки становятся функционально неполноценными. Базальные мембраны утолщаются, эластичность артерий утрачивается. В почках, сетчатке глаза это проявляется нефро- и ретинопатией. При поражении периферических сосудов конечностей возникают трофические язвы, трудно поддающиеся лечению. Этому же способствует лизилирование гемоглобина, сопровождаемое гипоксией. Взаимодействие с глюкозой липопротеинов (ЛНП), богатых холестеролом, затрудняет их метаболизм в эндотелтоцитах и может инициировать развитие атеросклероза или отягощать его течение, если он до этого уже был.

Причиной поздних осложнений сахарного диабета является повышение скорости превращения глюкозы в условиях ее избытка в сорбитол (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Реакция превращения глюкозы в сорбитол.

Сорбитол плохо проходит через плазматические мембраны и накапливается в клетках (шванновские в нервной ткани, эритроциты, семенники, сетчатка, хрусталик и т. д.). Наблюдается осмотическое набухание клеток. В результате появляются диабетический полиневрит, катаракта хрусталиков с ухудшением зрения.

Неспецифическими проявлениями сахарного диабета являются кожный зуд, ослабление регенерации, из-за чего часто возникают дерматиты, гнойные осложнения ран, фурункулы, карбункулы, гингивиты, стоматиты, пародонтиты.

При длительном безуспешном лечении воспалительных заболеваний полости рта стоматолог может предположить существование сахарного диабета, который порой развивается исподволь.

Глюкагон как один из контринсулярных гормонов секретируется α-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Вначале синтезируется проглюкагон, состоящий из 160 аминокислот. В ходе посттрансляционного созревания ограниченным протеолизом освобождается активный пептид глюкагон из 29 аминокислотных остатков (Mr ≈ 3,5 кДа).

В крови гормон циркулирует в свободном состоянии, где его время полужизни составляет 3 – 5 минут, инактивация происходит в печени.

Его клетками-мишенями являются гепатоциты и адипоциты (см. табл. 6.1). В мышцах нет рецепторов для глюкагона. Сигналы свои он передает по аденилатциклазному каскадному пути. Его рецепторы, т. н. глюкагонсвязывающие белки, с G_s-белками активируют аденилатциклазу, а образующиеся 3' 5' цАМФ (см. рис. 4.5) активируют соответствующие цАМФ-зависимые протеинкиназы (рис. 4.7).

В печени одновременное фосфорилировние этими протеинкиназами гликогенсинтазы и киназы фосфорилазы, а затем и самой гликогенфосфорилазы, приводит к ускорению распада гликогена и замедлению его биосинтеза.

Глюкагону присущи и другие эффекты, приводящие к гиперглюкоземии.

Фосфорилирование и инактивирование пируваткиназы, а также бифункционального фермента (БИФ) вызывает торможение гликолиза и активирование глюконеогенеза. Здесь следует подробнее рассмотреть роль БИФ как одного из регуляторов этих процессов. Этот фермент катализирует две взаимно противоположные реакции образования фруктозо-2,6-бисфосфата и его дефосфорилирования.

Киназная активность БИФ проявляется в его дефосфорилированном состоянии (БИФ-ОН), фосфатазная, напротив, в фосфорилированном (БИФ-ОРО₃^2-). Отсюда его название (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема проявления двойственной активности бифункциональным ферментом (БИФ) в печени.

Что же касается фруктозо-2,6-бисфосфата, что он является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы – фермента гликолиза и ингибитором фруктозо-1,6-бисфосфатазы, катализирующей соответствующую реакцию глюконеогенеза (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Схема, отражающая роль фруктозо-2,6-бисфосфата как аллостерического модулятора ферментов гликолиза (активатор фосфофруктокиназы) и глюконеогенеза (ингибитор фруктозо-1,6-бисфосфатазы).

При низком инсулин/глюкагоновом индексе, например, в постадсорбтивном периоде, в условиях преобладания сигнала глюкагона БИФ фосфорилируется и «работает» как фосфатаза. Количество фруктозо-2,6-бисфосфата снижается, глюконеогенез ускоряется, гликолиз замедляется, уровень глюкозы в крови повышается.

Отметим еще, что инсулин, активирующий протеинфосфатазу и фосфодиэстеразу (см. рис. 4.12), мог бы повысить киназную активность БИФ (рис. 6.7), но его мало. Этот эффект инсулина реализуется при возрастании вышеуказанного индекса.

Глюкагон стимулирует глюконеогенез из аминокислот, усиливая также биосинтез его ключевых ферментов фосфоенолпируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы, глюкозо-6-фосфатазы. Это достигается усилением по аденилатциклазному пути фосфорилирования соответствующих факторов транскрипции.

Эффекты глюкагона на липидный обмен можно оценить как катаболические.

• В адипоцитах он через аденилатциклазный каскад активирует тканевую липазу и стимулирует липолиз.

• Активируя ацилкарнитинтрансферазу, глюкагон стимулирует β-окисление жирных кислот.

• Образующиеся в избытке ацетилы-КоА усиленно используются для биосинтеза кетоновых тел (ацетоацетат, β-гидроксибутират). Это является важным аспектом нарушений метаболизма при сахарном диабете, поскольку при этом падает инсулин/глюкагоновый индекс.

Снижая активность ацетил-КоА-карбоксилазы, глюкагон подавляет биосинтез жирных кислот, а вслед за этим и триацилглицеролов. Этому же способствуют снижение количества глицерол-3-фосфатов и АТФ из-за замедления гликолиза и цитратного цикла.

Соматостатин как гормон поджелудочной железы синтезируется в виде огромного прогормона (Mr 11,5 кДа) в D (δ)-клетках островков Лангерганса. Этот предшественник в результате многостадийной посттрансляционной модификации превращается в зрелый гормон, который состоит из 14 аминоацилов (Mr ≈ 1,6 кДа).

Действуя паракринно на А(α) – В(β)-клетки островков, соматостатин подавляет выработку инсулина, глюкагона. Ему присущ еще ряд эффектов, проявляющихся на работе желудочно-кишечного тракта: тормозит секрецю гастрина и, как следствие, соляной кислоты в желудке, снижает выработку ферментов в поджелудочной железе, замедляет всасывание моносахаридов в тонком кишечнике.

Панкреатический полипептид состоит из 36 аминокислотных остатков (Mr 4,2 кДа). Показано, что он начинает активно секретироваться F(ƒ)-клетками поджелудочной железы при значительных физических нагрузках. Его выработку усиливает голодание или, напротив, прием богатой белками пищи. Гипоглюкоземия стимулирует, а введение глюкозы подавляет его секрецию.

Полный спектр эффектов и механизм действия этого гормона до конца не ясны. Показано лишь, что он стимулирует желудочно-кишечную и панкреатическу секркцию ферментов и влияет на содержание гликогена в печени. Кроме того, этот полипептид тормозит перистальтику кишечника и расслабляет желчный пузырь.

Надпочечники состоят из двух разных в морфологическом и функциональном отношении слоев: мозгового и коркового.

Мозговое вещество является и эндокринным органом, высоко специализированным отделом симпатической нервной системы. Его рассматривают подобно задней доле гипофиза производным нервной ткани. Оно состоит из хромаффинных клеток, также называемых феохромоцитами из-за гистологическиз характеристик, выявляемых при окрашивании. Эти клетки вырабатывают несколько типов катехоламинов, каждый из которых представляет из себя модифицированную молекулу тирозина (рис. 2.2). Собственно гормоном считается адреналин. Накапливаясь в гранулах хромаффинных клеток, адреналин покидает их, преодолевая плазматическую мембрану экзоцитозом. Это происходит при физическом или нервном стрессе благодаря существованию нервно-рефлекторных связей надпочечников. Усиление синтеза и секреции адреналина наблюдается в ответ на болевые и эмоциональные раздражители (страх, сильное волнение), кровотечение, гипоксию, мышечную нагрузку, охлаждение и т. д.

По чревному нерву приходят возбуждающие импульсы. В синапсы выбрасывается ацетилхолин. Он связывается с N-холинорецепторами и возникают потенциалы действия. На короткое время в цитоплазме хромаффинных клеток возрастает концентрация Са²⁺, что служит сигналом как для секреции катехоламинов, так и их дополнительного синтеза. Выработка адреналина не зависит от концентрации глюкозы в крови.

Адреналин явлеятся гормоном «тревоги». Его сигналы инициируют метаболические и гемодинамические сдвиги, позволяющие экстренно обеспечить головной мозг, сердце, скелетные мышцы и другие органы достаточным количеством энергетического материала для срочного образования АТФ.

Выработка адреналина стимулируется глюкокортикоидами. Высокие их концентрации, доставляемые из коркового вещества по портальной системе сосудов, активируют фермент дигидроксифенилэтаноламин-N-метилтрансферазу, катализирующую непосредственно образование адреналина из норадреналина (рис. 2.2).

В крови он циркулирует в комплексе с альбуминами. Его период полужизни в ней (Т¹/₂) составляет 1 – 3 минуты. Катаболизм катехоламинов рассмотрен в разделе 2 (рис. 2).

Клетками-мишенями для адреналина являются клетки скелетных мышц, печени, жировой ткани, сердечно-сосудистой системы. Механизм действия мембранно-цитозольный.

Адренэргические рецепторы являются интегральными белками, семь раз пронизывающими плазматические мембраны и сопряженные с G-белками – рецепторы третьего типа (рис. 4.3). Идентифицированы как минимум девять их подтипов – α_1A-, α_1B-, α_1C-, α_2A-, α_2B-, α_2C-, β₁-, β₂-, β₃-адренорецепторы. Точная функция конкретно каждого из них до конца не определена. Все α₁-рецепторы «работают» по фосфоинозитидному механизму (табл. 4.3, рис. 4.10). Все α₂-рецепторы передают сигналы, ингибирующие аденилатциклазу, а все β-рецепторы ее активируют (табл. 4.1, рис. 4.7). Установлено также, что через α_2А- и α_2В-рецепторы передаются сигналы, ингибирующие Са²⁺-каналы, а через β₁-рецепторы их активирующие. Показано участие в стимулирующем влиянии на каналы К⁺-каналы α_2А-рецепторов.

Катехоламины имеют широкий спектр эффектов в различных тканях и органах. Они воздействуют на гликогенолиз, глюконеогенез, липолиз, существенно влияют на сердечно-сосудистую систему и др. Некоторые из эффектов адреналина, опосредованные различными типами рецепторов (без учета их подтипов), представлены в таблице 6.4.

Таблица 6.4.