3.5. Инсулин

Инсулин относится к гормонам белковой природы. Он синтезируется bклетками подже лудочной железы. Инсулин является одним из важнейших анаболических гормонов. Связывание инсулина с клетками мишенями приводит к процессам, которые увеличива- ют скорость синтеза белка, а также накопление в клетках гликогена и липидов, являю- щихся резервом пластического и энергетического материала. Инсулин, возможно за счет своего анаболического эффекта, стимулирует рост и размножение клеток.Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей Ацепи и Вцепи. В состав Ацепи входит 21 аминокислотный остаток, в состав Вцепи 30. Эти цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками: один между А7 и В7 (номера аминокислот, считая с Nконцов полипептидных цепей), второй между А20 и В19. Третий дисульфидный мостик находится в цепи А, связывая А6 и А11.

Молекулярная масса инсулина человека составляет 5734. Первичная структура инсулина человека и ряда животных известна. Наиболее близкими по первичной структуре к инсулину человека являются инсулины свиньи и быка. В инсулине свиньи лишь остаток Тре в положении В30 заменен Ала, а в инсулине быка, кроме того, Тре в положении А8 замещен Ала и Илей в положении А10 замещен на Вал; эти инсулины нашли широкое применение в медицине. Молекула инсулина была синтезирована с помощью методов органического синтеза, чем окончательно доказана ее структура.

Синтез инсулина в bклетках поджелудочной железы начинается в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, причем на рибосомах образуется молекула предшественника препроинсулина, имеющего в своем составе 104 ам.к-тных остатка (молекулярная масса составляет 11 500). Затем в цистернах этой органеллы с Nконца отщепляется членная лидерная последовательность и образуется проинсулин с молекулярной массой 9 000, содержащий 81 ам.к-тных остатков. В составе проинсулина происходит формирование всех дисульфидных мостиков будущей молекулы инсулина. Проинсулин поступает в аппарат Гольджи, в котором под действием двух различных протеиназ из средней части молекулы проинсулина отщепляется Спептид и 4 дополнительных аминокислотных остатка (три Арг и один Лиз), участвующих в соединении А и Вцепей инсулина с Спептидом:

Сформированные молекулы инсулина вместе со свободными молекулами Спептида упаковываются в гранулы, образующиеся путем отшнуровывания участков аппарата Гольджи. В составе гранул молекулы инсулина образуют кристаллические структуры, в которых на каждые 6 молекул инсулина приходится 2 атома цинка. Гранулы содержат также некоторое количество проинсулина.

При соответствующей стимуляции содержимое гранул выбрасывается в ток крови путем экзоцитоза. Ежесуточное поступление инсулина в ток крови оценивается величиной 4050 единиц, что составляет от 15 до 20% всего инсулина, имеющегося в железе. Инсулин переносится кровью в свободном виде, причем биологической активностью обладает только мономер. Спептид, также оказывающийся в русле крови, биологической активностью не обладает. Поступающий в кровь в небольших количествах проинсулин обладает лишь примерно 5% активности инсулина.

Продолжительность периода «полужизни» молекул инсулина составляет 35 минут, его концентрация в сыворотке 0,029-0,18 нМ/л. Разрушается инсулин в русле крови с участием 2 ферментных систем.

В печени имеется специфическая глутатионинсулинтрансгидрогеназа, восстанавлива- ющая дисульфидные мостики в молекуле инсулина до HSгрупп, что приводит к расщеплению молекулы на отдельные полипептидные цепи, не обладающие биологи- ческой активностью. Кроме того, в печени и в ряде других тканей (мышцы, почки) имеется инсулинспецифическая протеиназа, расщепляющая полипептидные цепи инсули на. Известно, что за один оборот (или прохождение) крови через печень расщепляется до 50% содержащегося в ней инсулина.

Главным физиологическим стимулом выделения инсулина из bклеток в кровь является повышение содержания глюкозы в крови. Пороговой концентрацией является концентрация глюкозы 80100 мг/дл или 4,4-5,5мМ/л. Максимальная стимуляция выброса инсулина наблюдается при концентрации глюкозы в крови, равной 300-500 мг/дл.

Ответная реакция bклеток на повышение содержания глюкозы в крови носит двухфазный характер. В первую фазу, длящуюся в течение первых 5-10 минут, происходит быстрый подъем уровня секреции инсулина, сменяющийся во вторую фазу более медленным, но и более продолжительным увеличением секреции инсулина, причем вторая фаза круто обрывается сразу же после снижения концентрации глюкозы в крови. Установлено, что при пероральном введении глюкозы секреция инсулина bклетками более выражена, чем при ее внутривенном введении. Это наводит на мысль, что на секрецию инсулина существенное влияние оказывают гормоны, образующиеся в желудочнокишечном тракте, такие как секретин, холецистокинин, гастрин, желудочный ингибиторный полипептид.

Секреция инсулина стимулируется рядом гормоном, особенно при длительном воздействии их повышенных концентраций. К ним относятся соматотропин, кортизол, эстрогены, АКТГ и др. В свою очередь, адреналин, действуя через aрецепторы, угнетает секрецию инсулина. Секреция инсулина угнетается соматостатином, выделяемым Dклетками поджелудочной железы.

Рецепторы для инсулина локализованы в наружной клеточной мембране. При взаимодействии инсулина с рецептором изменяется конформация рецептора; рецепторы, нагруженные инсулином, связываются друг с другом, образуя микроагрегаты, которые подвергаются интернализации вместе с участком мембраны погружаются внутрь клетки; возникает какой-то сигнал, ответственный за формирование метаболического ответа клетки. Интернализация рецепторов, вероятно служит способом регуляции количества рецепторов на поверхности клеток. В условиях высокого содержания инсулина в плазме крови, н-р, при ожирении, число инсулиновых рецепторов уменьшается и чувствительность тканей мишеней к инсулину снижается.

Несмотря на усилия многих исследователей, механизм действия инсулина до настоящего времени не известен. Установлено, что домен инсулинового рецептора, расположенный на внутренней стороне наружной клеточной мембраны, обладает тирозинкиназной активностью,т.е. способен фосфорилировать белки по остаткам тирозина. Предполагается, что при активации инсулинового рецептора, т.е. при образовании гормонрецепторного комплекса, происходит фосфорилирование одного или нескольких внутриклеточных белков, обуславливающих последующие многочисленные изменения клеточного метаболизма.

В основе этих изменений лежит как изменение количества внутриклеточных белков, так и изменение их функциональной активности. Изменения количества отдельных белков происходят, во-первых, за счет изменения эффективности трансляции мРНК, во-вторых, за счет влияния на экспрессию генов. К настоящему времени известны десятки белков, скорость синтеза которых в клетках регулируется инсулином. Примерами могут служить фосфоенолпируваткарбоксикиназа, транскрипция гена которой ингибируется инсулином; глицерол3фосфатдегидрогеназа, транскрипция гена которой под влиянием инсулина, наоборот, ускоряется. Изменение функциональной активности белков достигается путем их фосфорилирования дефосфорилирования, причем при воздействии инсулина степень фосфорилирования одних ферментов увеличивается (фосфодиэстераза, ацетилКоАкарбоксилаза), других, напротив, уменьшается (триацилглицероллипаза, киназа фосфорилазы).

Влияние инсулина на обмен углеводов можно охарактеризовать следующими эффектами:

1.Инсулин увеличивает проницаемость клеточных мембран для глюкозы в так называемых инсулинзависимых тканях за счет увеличения количества белка переносчика в мембранах клеток. В печени а это инсулиннезависимый орган скорость поглощения глюкозы гепатоцитами под действием инсулина также возрастает: инсулин увеличивает количество глюкокиназы в клетках, ускоряя фосфорилирование глюкозы, тем самым поддерживается высокий концентрационный градиент глюкозы между кровью и цитозолем гепатоцитов, облегчающий поступление глюкозы в клетки.

2.Инсулин активирует окислительный распад глюкозы в клетках за счет повышения активности ряда ферментов, таких как глюкокиназа, фосфофруктокиназа, пируваткиназа и др.

3.Инсулин ингибирует распад гликогена и активирует его синтез в гепатоцитах. Вероятней всего, этот эффект базируется на активации инсулином фосфодиэстеразы и снижении уровня цАМФ в клетках, что в конечном итоге приводит к дефосфорилированию и фосфорилазы, и гликогенсинтетазы.

4.Инсулин стимулирует превращение глюкозы в резервные триглицериды.

5.Инсулин ингибирует глюконеогенез, снижая активность некоторых ферментов глюконеогенеза за счет снижения концентрации цАМФ в клетках и уменьшая количество фосфоенолпируваткарбоксикиназы одного из ключевых ферментов глюконеогенеза.

Влияние инсулина на обмен липидов складывается из ингибирования липолиза в липоцитах за счет дефосфорилирования триацилглицероллипазы и стимуляции липогенеза. В основе стимуляции липогенеза лежит ускорение поступления глюкозы в липоциты и ее расщепления с образование ацетилКоА и фосфодигидроксиацетона субстратов для синтеза высших жирных кислот и триглицеридов; кроме того, инсулин стимулирует синтез фермента ацетилКоАкарбоксилазы, ключевого фермента синтеза высших жирных кислот.

Инсулин оказывает анаболическое действие на обмен белков: он стимулирует поступление аминокислот в клетки, стимулирует транскрипцию многих генов и стимулирует, соответственно, синтез многих белков, как внутриклеточных, так и внеклеточных.

Инсулин стимулирует пролиферацию и рост многих клеток, однако биохимические механизмы, лежащие в основе этих эффектов, не выяснены, возможно, этот эффект связан с анаболическим действием гормона.

При недостаточности инсулина или устойчивости к его действию развивается сахарный диабет. Примерно у 90% больных диабетом наблюдается так называемый инсулиннезависимый сахарный диабет, связанный или с дефицитом рецепторов, или с нарушением структуры рецепторов, или же с нарушениями работы внутриклеточных механизмов реализации регуляторного сигнала, передаваемого при участии инсулина. Примерно у 10% больных диабетом наблюдается инсулинзависимый сахарный диабет, связанный с нарушением или синтеза инсулина, или его поступления в кровь из bклеток поджелудочной железы.