Строение и функции инсулина. Строение инсулина. Регуляция секреции инсулина

Гормоны поджелудочной железы

Механизм действия и метаболические эффекты инсулина.

ЛЕКЦИЯ № 10

Клеточный (метаболический) уровень регуляции углеводного обмена

Метаболический уровень регуляции углеводного обмена осуществляется с участием метаболитов и поддерживает гомеостаз углеводов внутри клетки. Избыток субстратов стимулирует их использование, а продукты ингибируют свое образование. Например, избыток глюкозы стимулирует гликогенез, липогенез и синтез аминокислот, дефицит глюкозы - глюконеогенез. Дефицит АТФ стимулирует катаболизм глюкозы, а избыток – наоборот ингибирует.

IV. Педфак . Возрастные особенности ПФШ и ГНГ, значение.

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

кафедра биохимии

Утверждаю

Зав. каф. проф., д.м.н.

Мещанинов В.Н.

_____‘’_____________2006 г

Тема: Структура и обмен инсулина, его рецепторов, транспорт глюкозы.

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.

Поджелудочная железа выполняет в организме две важнейшие функции: экзокринную и эндокринную. Экзокринную функцию выполняет ацинарная часть поджелудочной железы, она синтезирует и секретирует панкреатический сок. Эндокринную функцию выполняют клетки островкового аппарата поджелудочной железы, которые секретируют пептидные гормоны, участвующие в регуляции многих процессов в организме. 1-2 млн. островков Лангерганса составляют 1-2% массы поджелудочной железы.

В островковой части поджелудочной железы выделяют 4 типа клеток, секретирующих разные гормоны: А- (или α-) клетки (25%) секретируют глюкагон, В- (или β-) клетки (70%) - инсулин, D- (или δ-) клетки (<5%) - соматостатин, F-клетки (следовые количества) секретируют панкреатический полипептид. Глюкагон и инсулин в основном влияют на углеводный обмен, соматостатин локально регулирует секрецию инсулина и глюкагона, панкреатический полипептид влияет на секрецию пищеварительных соков. Гормоны поджелудочной железы выделяются в панкреатическую вену, которая впадает в воротную. Это имеет большое значение т.к. печень является главной мишенью глюкагона и инсулина.

Инсулин - полипептид, состоящий из двух цепей. Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В - 30 аминокислотных остатков. В инсулине 3 дисульфидных мостика, 2 соединяют цепь А и В, 1 соединяет 6 и 11 остатки в А цепи.

Инсулин может существовать в форме: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизируется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц.

Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека. Бычий инсулин отличается от инсулина человека на 3 аминокислоты, а инсулин свиньи отличается только на 1 аминокислоту (ала вместо тре на С конце В-цепи).

Во многих положениях А и В цепи встречаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона. В положениях дисульфидных связей, остатков гидрофобных аминокислот в С-концевых участках В-цепи и С- и N-концевых остатков А-цепи замены встречаются очень редко, т.к. эти участки обеспечивают формирование активного центра инсулина.

Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последовательного протеолиза превращаются в активный гормон.

1. На рибосомах ЭПР синтезируется препроинсулин (L-В-С-А, 110 аминокислот), биосинтез его начинается с образования гидрофобного сигнального пептида L (24 аминокислот), который направляет растущую цепь в просвет ЭПР.

2. В просвет ЭПР препроинсулин превращается в проинсулин при отщеплении эндопептидазой I сигнального пептида. Цистеины в проинсулине окисляются с образованием 3 дисульфидных мостиков, проинсулин становиться «сложным», имеет 5% активности от инсулина.

3. «Сложный» проинсулин (В-С-А, 86 аминокислот) поступает в аппарат Гольджи, где под действием эндопептидазы II расщепляется с образованием инсулина (В-А, 51 аминокислот) и С-пептида (31 аминокислота).

4. Инсулин и С-пептид включаются в секреторные гранулы, где инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры. В секреторной грануле содержание инсулина и С-пептида составляет 94%, проинсулина, интермедиатов и цинка - 6%.

5. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, а инсулин и С-пептид попадают во внеклеточную жидкость и далее в кровь. В крови олигомеры инсулина распадаются. За сутки в кровь секретируется 40-50 ед. инсулина, это составляет 20% от его общего запаса в поджелудочной железе. Секреция инсулина энергозависимый процесс, происходит с участием микротубулярно-ворсинчатой системы.

Схема биосинтеза инсулина в β-клетках островков Лангерганса

ЭПР - эндоплазматический ретикулум. 1 - образование сигнального пептида; 2 - синтез препроинсулина; 3 - отщепление сигнального пептида; 4 - транспорт проинсулина в аппарат Гольджи; 5 - превращение проинсулина в инсулин и С-пептид и включение инсулина и С-пептида в секреторные гранулы; 6 - секреция инсулина и С-пептида.

Ген инсулина находиться в 11 хромосоме. Выявлены 3 мутации этого гена, у носителей низкая активность инсулина, отмечается гиперинсулинемия, нет инсулинорезистентности.

(от лат. Insula — остров) — гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Влияет на многие аспекты обмена веществ 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 превращение в печени и мышцах глюкозы в гликоген, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляет активность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. То есть, кроме 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.

Строение молекулы инсулина

Инсулин — это небольшой белок молекулярной массой 5,8 кДа. Он состоит из двух полипептидных цепей: А (21 аминокислота) и B (30 аминокислот). Молекула инсулина содержит три дисульфидные связи: два из них соединяют между собой A и B-цепи, а третий расположен внутри A-цепи. Бычий инсулин имеет такую первичную структуру:

Структура инсулина почти не изменилась в эволюции высших позвоночных, в частности инвариабельнимы является положение дисульфидных связей, аминокислот и карбокситерминальни участка A-цепи, и гидрофобные аминокислоты около C-конца B-цепи. Человеческий инсулин отличается от бычьего двумя аминокислотными заменами в A-цепи: в 8-м положении треонин вместо аланина, а в 10-м изолейцин вместо валина. Свиной гормон еще ближе к человеческому, он отличается всего одной аминокислотой: аланином в 30-м положении B-цепи вместо треонина.

В разведенном растворе молекулы инсулина существуют в мономерной состоянии, каждая такая молекула состоит из гидрофобного сердцевины и преимущественно гидрофильной поверхности, за исключением двух неполярных участков. Эти участки участвуют в образовании димеров и гексамеров. В концентрированных растворах, например в препаратах для инъекции, и кристаллах, как внутри секреторных везикул β-клеток, шесть мономеров инсулина вместе с двумя атомами цинка образуют гексамеров. Таким образом после подкожного введения инсулина он всасывается в кровь медленно, потому, что для диссоциации гексамеров необходимо дополнительное время.

Образование и секреция

Синтез инсулина в клетке

Инсулин синтезируется в β-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Ген предшественника инсулина — препроинсулина — у человека локализуется в коротком плече 11 хромосомы. Он содержит 3 экзона и 2 интрона. В других животных, например мышей, крыс и трех видов рыб, имеются два гена инсулина.

Препроинсулина человека состоит из 110 аминокислот: 24 из них составляют гидрофобный N-конечную лидерных последовательность (сигнальный пептид), за ней расположен B-ланюцюг, далее — последовательность Арг-Арг, соединительный C-пептид (от англ. Connecting peptide — с «соединительный пептид), последовательность Лиз-Арг, и А-цепь на C-конце. Лидерных последовательность необходима для котрансляцийного транспорта препроинсулина в полость шероховатого эндоплазматического ретикулума. После прохождения через мембрану лидерных последовательность отщепляется специальной сигнальной пептидазы и быстро деградирует. Образующийся после этого проинсулин состоит из 86 аминокислотных остатков и не обладает гормональной активностью. В эндоплазматическом ретикулуме происходит его свертывания и формирования внутри молекулы трех дисульфидных связей.

После образования правильной пространственной структуры проинсулин в транспортных везикулах переносится в цис -стороны комплекса Гольджи. В ходе движения прогормоном от цис — до транс -Гольджи происходит его отсортировку в компартмент секреторных гранул. Здесь, в незрелых гранулах, проинсулин подлежит дальнейшей модификации, а именно ограниченном протеолиза, что начинается с действия двух прогормонконвертаз (PC2 и PC3). Эти ферменты действуют специфически на карбоксикинцевий стороне последовательности из двух положительно заряженных аминокислот. В молекуле проинсулина есть два таких сайты: Арг31-Арг32 (место действия PC2) и между Лиз64-Арг65 (место действия PC3), где и происходит разрыв пептидных связей. Сразу же после прогормонконвертаз ферментативную активность проявляет карбоксипептидазы-H, которая отщепляет основные аминокислоты от образованных концов. Конечными продуктами протеолиза является молекула инсулина и C-пептид длиной 31 аминокислота. По сравнению с A- и B-цепями инсулина C-пептид значительно более вариабельным у позвоночных животных, его длина колеблется от 28 (у коров) до 38 у представителей семьи удильщику.

Зрелые секреторные везикулы β-клеток содержат кристаллический инсулин в форме гексамеров с атомами цинка и эквимолярных количество C-пептида. Они составляют пул гормона, предназначенный для экзоцитоза в ответ на стимул. Время полжизни β-гранул составляет несколько дней, и если они не секретируют свое содержимое, то подлежат деградации путем слияния с лизосомами. При повышенной потребности организма в инсулине деградация происходит медленнее.

Регуляция синтеза инсулина происходит на нескольких уровнях, в частности на уровне транскрипции, сплайсинга пре-мРНК, деградации мРНК, трансляции и посттрансляционной модификации. Сильнейшим стимулятором этих процессов является глюкоза, однако биосинтез проинсулина может включаться также другими сахарами, аминокислотами, в частности лейцином, промежуточными продуктами гликолиза, кетоновыми телами, гормоном роста, глюкагоном и некоторыми другими факторами.

Секреция инсулина

Бета-клетки поджелудочной железы, как типичные эндокринные клетки, секретируют большинство (95%) своего основного продукта — инсулина — регулируемым путем. Важнейшим активатором этого пути является глюкоза. В мембранах бета-клеток постоянно присутствуют переносчики глюкозы GLUT2, через которые она может свободно диффундировать. Благодаря этому увеличение концентрации глюкозы в крови приводит к аналогичному повышение ее уровня и в бета-клетках. Здесь она сразу же становится субстратом гексокиназную реакции, продуктом которой является глюкозо-6-фосфат. В инсулин-синтезирующих клетках поджелудочной железы экспрессируется один из изоферментов гексокиназы — гексокиназа IV или глюкокиназа, для нее характерна низкая сродство к субстрату: константа Михаэлиса составляет 10 мм, что превышает нормальное содержание глюкозы в крови (4-5 мм). Благодаря этому глюкокиназа может работать «глюкозы-сенсором», активируясь только в условиях гипергликемии.

Глюкозо-6-фосфат вступает в реакции гликолиза, продукты которого дальше окисляются в митохондриях, в результате чего в клетке образуется большое количество АТФ. Повышение концентрации АТФ приводит к закрытию АТФ-управляемых калиевых каналов (англ. ATP-gated K + channels, KATP) в плазмалемме. Вследствие уменьшения оттока калия из клетки мембрана деполяризуется, а это ведет к открытию потенциал-управляемых кальциевых каналов и приток кальция в клетку. Первоначальное увеличение концентрации ионов Ca 2+ в цитозоле ведет к дальнейшему их высвобождение из эндоплазматического ретикулума. Кальций вызывает слияние клатрин-окаймленных бета-гранул из плазмалемме и высвобождение их содержания в межклеточное пространство, откуда инсулин попадает в кровь через фенестровани стенки капилляров.

На активность АТФ-управляемых калиевых каналов кроме собственно АТФ могут влиять и другие вещества. Эти трансмембранные белки состоят из восьми субъединиц: четырех идентичных Kir6.2 и четырех идентичных SUR1. Первые формируют гидрофильный тоннель и отвечают за чувствительность к АТФ, а вторые являются рецепторами к Сульфанилмочевины (англ. S ulphonyl u rea r eceptor) и могут инактивировать канал после связывания со своим лигандом. Таким образом сульфонилмочевины активируют синтез инсулина, благодаря чему используются пероральные сахароснижающие препараты при сахарном диабете.

Кроме регулируемого существует так называемый «конститутивный путь» секреции инсулина бета-клетками, он работает при определенных расстройств, таких как инсулинома и сахарный диабет второго типа. В этом случае большое количество незрелого гормона (проинсулина или промежуточных «расщепленных» форм) выделяется прямо с везикул, образующихся в эндоплазматическом ретикулуме.

Регуляция секреции инсулина

Островки Лангерганса рядом иннервированные автономными и пептидергичнимы нервными волокнами. Холинергические окончания блукаючного нерва, является частью парасимпатической нервной системы стимулируют секрецию инслуину, в то время как адренергические окончания симпатической нервной системы подавляют этот процесс. Другие нервы выделяют вазоактивный интестинальный пептид, стимулирующий секрецию всех гормонов поджелудочной железы, и нейропептид Y, блокирует выделение инсулина.

Собственные гормоны поджелудочной железы также влияют на секрецию инсулина глюкагон стимулирует ее, а соматостатин — удручает. Кроме того инсулин действует автокринно активируя транскрипцию собственного гена и гена глюкокиназы.

Во время приема пищи секреция инсулина увеличивается не только под влиянием глюкозы или углеводов, а также аминокислот, особенно лейцина и аргинина некоторых гормониив пищеварительной системы системы: холецистокинина, глюкозозависимый инсулинотропный пептида, а также таких гормонов, как глюкагон, АКТГ, эстроген и другие. Также секрецию инсулина усиливает повышение уровня калия или кальция, свободных жирных кислот в плазме крови.

Инкертиновий эффект

Инкретиновий эффект — это феномен, заключающийся выделении значительно большей количеством инсулина в ответ на пероральное употребление глюкозы по сравнению с ее введением. За это явление отвечают гормоны пищеварительного тракта, секретируемых во время еды и усиливают глюкозо-стимулируемый высвобождение инсулина. К инкретинових гормонов относятся в частности глюкагоноподобного пептид-1 и желудочный ингибирующий полипептид, первый из них секретируются L-, а второй — K-клетками верхней части тонкой кишки.

Физиологическое действие инсулина

Влияние инсулина на уровень глюкозы в крови

Метаболический эффект	Молекула-мишень
Захват глюкозы (мышцы и жировая ткань)	Транспортер глюкозы GLUT4
Захват глюкозы (печень)	Глюкокиназа (повышенная экспрессия)
Синтез гликогена (печень и мышцы)	Гликогенсинтаза
↓ Расщепление гликогена (печень и мышцы)	↓ гликогенфосфорилазы
Гликолиз, продуцирование ацетил-КоА (печень и мышцы)	Фосфофруктокиназы-1 (через ФФК-2) пируватдегидрогеназного комплекс
Синтез жирных кислот (печень)	Ацетил-КОА-карбоксилаза
Синтез триацилгилцеролив (жировая ткань)	Липопротеинлипазу

Основная физиологическое действие инсулина заключается в снижении содержания глюкозы в крови, однако она не ограничивается этим, гормон также влияет на метаболизм белков и липидов. Одним из основных эффектов инсулина является то, что он стимулирует усиление усвоения глюкозы мышцами и жировой тканью, однако не влияет на этот процесс в печени, почках и мозга, клетки которых могут транспортировать глюкозу даже при отсутствии гормональной стимуляции. Также инсулин блокирует те метаболические пути, конечным продуктом которых является глюкоза, в частности глюконеогенез и расщепления гликогена, и стимулирует те, в которых она используется. Первый приоритет при этом принадлежит удовлетворению энергетических потребностей, в частности протеканию гликолиза, конечным продуктом которого является пируват, и дальнейшего окисления пирувата до ацетил-КоА, который может быть использован в цикле трикарбоновых кислот. Остаток глюкозы используется на пополнение запасов гликогена в печени и мышцах. В печени инсулин также стимулирует синтез жирных кислот с ацетил-КоА, необходимый для этого НАДФH производится в пентозофосфатному пути. Далее жирные кислоты в форме триглицеридов транспортируются к жировой ткани. Инсулин также влияет на метаболизм косвенно через головной мозг. Он влияет на ядра гипоталамуса таким образом, подавляющее потребления пищи и усиливает термогенез.

В мышечной ткани инсулин стимулирует захват аминокислот и синтез белков. Остаток аминокислот превращается в печени до пирувата и ацетил-КоА и используется для синтеза жиров.

Поглощение калия клетками также активируется под воздействием инсулина. Поэтому его препараты вместе с глюкозой используют для временного снижения гиперкальциемии у пациентов с почечной недостаточностью. Точный молекулярный механизм такого действия инсулина не выяснен, однако известно, что он может активировать Na + / K + -АТФазы.

К долговременным эффектам инсулина на организм относится ускорение роста, происходит благодаря его общем анаболические и белок-накопительных воздействия. Поэтому у детей с сахарным диабетом первого типа наблюдается задержка роста. Инсулин может стимулировать рост незрелых гипофизектомичних крыс, почти с такой же интенсивностью как и гормон роста при условии, если они употребляют большое количество углеводов. Также известно, что в культуре клеток инсулин ускоряет клеточное деление, подобно пептидных факторов роста, таких фактор роста эпидермиса, фактор роста фибробластов и тромбоцитарный фактор роста, и, кроме того, может усиливать их биологическое воздействие.

Связанные заболевания

Однако в контексте рассматриваемой проблемы, следует отметить особую роль инсулина в регуляции энергетического метаболизма в целом, включая обмен не только углеводов, но и жиров. Это касается механизмов координированного хранения и утилизации топливных молекул в жировой ткани, печени и скелетных мышцах. После переваривания пищи в организм поступает большое количество углеводов, но их концентрация в периферической крови и межклеточном пространстве благодаря активации экскреции инсулина не достигает критических величин. Этот гормон стимулирует поступление глюкозы в инсулинозависимый органы и ткани и одновременно подавляет процессы образования эндогенной глюкозы благодаря супрессии глюконеогенеза и гликогенолиза. Параллельно инсулин стимулирует и синтез гликогена. Подобное действие инсулин также проявляет по обмену жиров. Это манифестируется стимуляцией процессов накопления жира в жировой ткани и угнетением мобилизации жира из депо в результате активации инсулином липопротеиновой липазы, способствует очищению крови от триглицеридов и ингибирования активности гормоночувствительной липазы. Одновременно инсулин стимулирует поступление в липоциты глюкозы и возбуждает синтез внутриклеточных триглицеридов, т.е. активирует липогенез. В этом плане жировая ткань выполняет своеобразную буферную функцию, обеспечивая нормализацию концентрации жиров в плазме, особенно в постпрандиальный период. В состоянии покоя или кратковременного голода концентрация инсулина в крови снижается, повышается уровень контринсулярных гормонов и стимулируется функция симпатической нервной системы, что приводит к мобилизации печеночной глюкозы и активации липолиза с высвобождением из адипоцитов в кровообращение неетерификованих СЖК. В этих условиях глюкоза преимущественно утилизируется такими инсулиннезависимый тканями, как нервная система и эритроциты, тогда как скелетные мышцы получают энергию и за счет окисления жирных кислот. По удлиненного состояния голода в печени дополнительно происходит преобразование жирных кислот в кетоновые тела, а ацетил-КоА — в глюкозу. Подобные изменения имеют место и при физической нагрузке организма, но с усилением поступления глюкозы в мышцы. Итак, накопления и расходования жиров является динамичным процессом, протекает по-разному в зависимости от состояния организма и его потребностей в энергии. Следует также заметить, что инсулин — не единственный гормон, который регулирует энергетический обмен. Существует целый ряд контринсулярных гормонов (глюкагон, адреналин, гормон роста и глюкокортикоиды), активность которых направлена на увеличение в циркуляции концентрации глюкозы. Дополнительным антагонистом инсулина выступает симпатичная нервная система, стимуляция которой приводит к высвобождению ВЖК из жировых клеток. Наличие такого сложного регуляторного механизма предусматривает возможность повреждения или снижение чувствительности тканей к регуляторных факторов процессов накопления и утилизации энергетических ресурсов на разных уровнях.

Использование инсулина в качестве лекарств

Открытие эндокринной функции поджелудочной железы

В 1869 году в Берлине 22-летний студент-медик Лангерганс исследуя с помощью нового микроскопа строение поджелудочной железы, обратил внимание на ранее неизвестные группы клетки равномерно распределены по ее ткани. Он не делал никаких предположений относительно их назначения. Только 1893 Эдуад Лагес выяснил, что они отвечают за эндокринную функцию поджелудочной железы и назвал их «островками Лангерганса» в честь первооткрывателя.

В 1889 году Оскар Минковский и Джозеф фон Меринг исследовали функции пидшлукновои железы. Они провели панкреатомию здоровом собаке, через несколько дней после этого у животного начали наблюдаться симптомы диабета, в частности сильная жажда, усиленное выделение мочи с высоким содержанием сахара, чрезмерное потребление пищи и потеря веса. Через некоторое время исследователям удалось «вылечить» собаку путем трансплантации ткани поджелудочной железы под кожу.

В 1901 году был сделан следующий важный шаг, Юджин Опи (Eugene Opie) четко 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 был известен и раньше, но до этого не было ясно, что диабет связан именно с островками Лангерганса. Это, а также много других исследований патологий поджелудочной железы, привело таких ученых как Жан де Мейер (1909) и Эдвард Шарпи-Шафер (1916) к выводу о том, что островки Лангенгарса должны производить вещество с сахароснижающим эффектом. Мейер назвал ее инсулином от лат. Insula — остров.

Первые попытки выделения инсулина

В последующие два десятилетия было предпринято несколько попыток выделить островковый секрет как потенциальное лекарство. В 1907 году Георг Зюльцер (Georg Ludwig Zülzer) достиг некоторого успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак панкреатическим экстрактом и даже смог спасти одного пациента в диабетической коме. Однако его препарат имел сильные побочные эффекты, вероятной, из-за плохого очистки, из-за чего от него пришлось отказаться.

Эрнест Скотт между 1 911 и 1912 годами в Чикагском университете использовал водный экстракт поджелудочной железы и отмечал «некоторое уменьшение глюкозурии», но он не смог убедить своего руководителя в важности этих исследований, и вскоре эксперименты были прекращены. Такой же эффект демонстрировал Израэль Кляйнер в Рокфеллеровском университете в 1919 году, но его работа была прервана началом Первой мировой войны, и он не смог ее завершить. Похожую работу после опытов во Франции в 1921 году опубликовал профессор физиологии Румынской школы медицины Николас Паулеско, и многие, особенно в Румынии, считают именно его первооткрывателем инсулина.

Работа Бантинга и Беста

Большинство экстрактов поджелудочной железы, изготовленных различными исследователями в период до 1921 года, имели одну и ту же проблему: они содержали много примесей, в том числе продуктов экзокринной части железы, и вызвали абсцессы у пациентов. Впервые выделить и очистить до уровня пригодного к использованию для терапии людей удалось группе ученых Торонтского университета в 1921 году.

Фредерик Бантинг после завершения Первой мировой войны работал хирургом-ортопедом и читал лекции в Университете Западного Онтарио. Одной из тем этих лекций был метаболизм углеводов. В ходе ознакомления с предметом, Бантинг прочитал труд доктора Мозеса Баррона, в которой тот описывал отмирания экзокринной части поджелудочной железы в случаях, когда ее протока была перекрыта камнями. Это навело его на мысль о новом методе выделения эндокринного секрета поджелудочной железы, в своих заметках Бантинг записал:

Со своей идеей Бантинг обратился к Джону Маклеода — профессора Университета Торонто, международно известного исследователя метаболизма углеводов. Маклеод знал о трудностях, с которыми столкнулись предыдущие исследователи в попытках выделить лечебный панкреатический экстракт, однако он считал, что даже отрицательный результат работы Бантинга будет полезным, и поэтому согласился предоставить ему место в лаборатории, собак для опытов и одного помощника. На роль помощника претендовали два студента физиологи Чарльз Бест и Кларк Ноубл. Чтобы решить, кто именно из них будет помогать Бантингу, они бросили монетку. Хотя распространено мнение о том, что Бест выиграл, его знакомый Роберт ВОЛП настаивал на том, что он проиграл, поскольку ни один из студентов не хотел работать с меланхолинйим раздражительным Бантинг.

Летом 1921 Бантингу и Бест начали свои эксперименты и после небольшой задержки получили атрофированы поджелудочные железы. Экстракт получали следующим образом: резали ткань на куски, растирали ее в ступке и фильтровали раствор, после чего вводили диабетическим собакам. Хотя им удалось добиться снижения уровня глюкозы в крови животных, Бантинг и Бест столкнулись с той же проблемой, что и их предшественники: в месте инъекции развивался стерильный абсцесс и общая интоксикация. В течение конца лета и осени 1921 году они обнаружили, что экстракт из атрофированного поджелудочной железы собак не имел никакого преимущества над экстрактом из фетальных желез телят с бойни. И поэтому стали в дальнейшем использовать эту ткань, которая была значительно легче получить.

В конце 1921 года Маклеод предложил биохимику Джеймсу Коллипом присоединиться к группе Бантинга и Беста и поработать над новыми методами очистки экстракта. Коллипом согласился, и впоследствии также показал, что панкреатический экстракт стимулирует отложение гликогена в печени, уменьшает кетоацидоз в диабетических животных, и снижает уровень глюкозы в крови у здоровых. После этого для тестирования перепарату он использовал нормальных кроликов, а не панкреатомованих собак. В ноября 1921 года Бантинг и Маклеод посетили собрание Американского физиологического общества, где представили полученные результаты.

11 января 1922 Бантинг и Бест впервые испытали один из активных экстрактов телячьей поджелудочной железы, который они назвали «айлетином» от англ. Isle — остров, на пациенте — 14-летнем Леонарди Томпсоне. Ему ввели по 7,5 мл перепарату в каждый ягодичную мышцу и получили ожидаемый результат: уровень глюкозы в крови снизился, однако развился абсцесс и общее отравление. Через несколько недель после этой неудачи, Коллипом сообщил Бантингу, что ему в конце удалось получить нетоксичный экстракт, но не захотел рассказать детали процесса (вероятно, надеясь на будущий патент), что чуть не привело к драке между исследователями.

Новом экстракта Коллипом Маклеод дал название «инсулин» (вероятно, не подозревая, что такое же название использовал Мейер 1909). Его испытали 23 января на том же пациенте. На этот раз лечение было успешным: уровень глюкозы в крови Томпсона упал от 520 до 120 мг / дл, и не наблюдалось никаких побочных эффектов. Но впоследствии выяснилось, что Коллипом забыл протокол приготовления инсулина. В течение следующих нескольких недель с помощью Эли Лилли он пытался вновь обрести метод, ему, наконец, удалось сделать.

Среди первых пациентов, леченных Бантинг и Бест была Элизабет Хьюз дочь государственного секретаря Чарльза Хьюза. Она описала изменение своего состояния здоровья после инъекции инсулина как «несказанно прекрасное». Известны диабетолога того времени Эллиот Джослин и Фредерик Аллен также были поражены силой нового препарата. Описывая свои впечатления Джослин сравнил действие инсулина со сценой из Библии Иез. 37: 1-10:

Была на мне рука Господа, и Господь вывел меня духом и поставил меня среди поля, и оно было полно костей … они весьма сухи И сказал мне: сын человеческий! Оживут ли кости сии? Я сказал: Господи Боже! Ты знаешь И сказал мне: изреки пророчество на кости, и скажи им: кости сухие! Слушайте слово Господне …Пророчество, как повелено. И снялся шум, когда я предсказывал, и вот грохот, сближаться кости, кость с костью своею. И я видел, и вот на них жили, и плоть выросла, и была натянута на них кожа сверху, а духа не было в них. И сказал мне: изреки духу пророчество, сын человеческий, и скажи духу: так говорит Господь Бог: приди, дух, от четырех ветров, и дохни на этих убитых, и они оживут И я изрек пророчество, как Он повелел мне, и вошел в них дух, и они ожили, и стали на ноги свои, весьма, весьма великое …

За революционное открытие инсулина Маклеод и Бантинг в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинг сперва был сильно возмущен, что его помощник Бест не был представлен к награде вместе с ним, и сначала даже демонстративно отказался от награды, но потом все же согласился принять премию, и свою часть торжественно разделил с Бестом. Так же поступил и Маклеод, поделив свою премию по Коллипом. Патент на производство телячьего инсулина получили Бест и Коллипом, как немедицинские члены группы, поскольку участие медиков в коммерческих делах считалась неэтичным. Они передали патент Торонтскому университета, а он предоставил лицензии многим медицинским фирмам по всему миру. В частности, в США право на производство инсулина получила фармацевтическая фирма Эли Лилли, в Европе крупнейшим производителем стала компания основана в Дании Август Крог.

Исследование структуры инсулина

Инсулин был первым белковой молекулой, для которой было полностью установлено аминокислотную последовательность, то есть первичную структуру. Эту работу совершил 1953 британский молекулярный биолог Сенгер, за что был удостоен Нобелевской премии по химии 1958 года. А спустя почти 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин с помощью метода рентгеновской дифракции определила пространственное строение (третичную структуру) молекулы инсулина. Ее работы также отмечены Нобелевской премией.

Начиная с 1980-х годов человеческий инсулин получат генноинженерного методами с помощью клеток кишечной палочки или пивных дрожжей.

Инсулином называется гормон, производимый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Название инсулина происходит от латинского insula – остров. Эффекты инсулина

Несмотря на то, что инсулин вызывает множество эффектов в различных тканях человеческого тела, его основным эффектом является стимулирование перехода глюкозы из крови внутрь клеток, что приводит к снижению концентрации глюкозы в крови.

Другими эффектами инсулина являются стимулирование синтеза в печены и мышцах гликогена из глюкозы, увеличение создания жиров и белков, подавление активности ферментов, разрушающих жиры и белки. Таким образом, инсулин обладает анаболическим действием, поскольку усиливает образование жиров и белков, одновременно замедляя их распад.

Основной эффект инсулина заключается в усилении переноса глюкозы через клеточную мембрану внутрь клетки. Других гормонов, снижающих уровень глюкозы крови, в организме человека не существует. Основные эффекты инсулина проявляются в мышцах и жировой ткани, поэтому эти ткани называют инсулинозависимыми. Уровень глюкозы крови снижается при воздействии инсулина и повышается при воздействии т.н. гипергликемических гормонов (глюкагона, соматотропного гормона, глюкокортикоидов).

Дополнительными эффектами инсулина являются увеличение интенсивности образования гликогена, уменьшение образования глюкозы в печени, усиление поглощения клетками аминокислот, необходимых для синтеза белка. Одновременно инсулин уменьшает разрушение белков и жиров. Таким образом, общий эффект инсулина является анаболическим – направленным на формирование жировой и мышечной ткани.

Строение инсулина

Инсулин является полипептидным гормоном, состоящим из двух аминокислотных цепей: А- и В-цепи. Полипептидные цепи соединяются дисульфидными мостиками. Человеческий инсулин по структуре близок к свиному и бычьему, хотя и отличается от них одним и тремя аминокислотными остатками соответственно.

Открытие инсулина

Островки поджелудочной железы были открыты в 1869 году Паулем Лангергансом при микроскопическом исследовании структуры поджелудочной железы. В 1889 году Оскар Малиновски в Германии при удалении поджелудочной железы у собаки вызвал у нее симптомы сахарного диабета. В 1921 году Ф. Бантинг и Ч. Бест выделили из клеток островков поджелудочной железы инсулин, а Д. Коллип разработал методику его очистки.

В 1922 году инсулин впервые был введен пациенту, страдающему сахарным диабетом. Его лечебное действие показало, что такой вид терапии является наиболее эффективным. В последующие годы основные усилия ученых были направлены на организацию производства в больших количествах. В 1923 году была вручена Нобелевская премия за открытие и выделение инсулина. В последующем аминокислотная структура инсулина была полностью расшифрована Ф. Сенгером.

Синтез инсулина

В островковых клетках поджелудочной железы инсулин синтезируется в несколько этапов. На первом этапе происходит синтез молекулы предшественника инсулина – препроинсулина. На втором этапе от молекулы препроинсулина отделяется сигнальный пептид, после чего образуется проинсулин. После созревания происходит образование окончательной молекулы инсулина. На этапе созревания от молекулы проинсулина отделяется С-пептид, который не оказывает биологического действия. После отделения С-пептида формируется активная форма инсулина.

Выделение инсулина в кровь происходит при повышении уровня глюкозы в крови. Дополнительно регуляция выработки инсулина производится автономной нервной системы. Разрушение инсулина происходит в печени и почках при воздействии фермента инсулиназы.

Препараты инсулина

В настоящее время фармацевтическая промышленность производит значительное число препаратов инсулина, имеющих различные биологические эффекты. Выделяют человеческий, свиной инсулины, инсулин крупного рогатого скота. По степени очистки различают традиционные, монопиковые, монокомпонентные инсулины. По времени действия выделяют инсулины короткого и пролонгированного действия. Последние делятся на инсулины среднего, длительного и сверхдлительного срока действия. Есть также инсулины ультракороткого и депо-инсулины, выделяющиеся медленно из подкожной клетчатки.

Подбор схемы инсулинотерапии – сложное и очень ответственное мероприятие. От правильности выбора формы инсулина и схемы его дозирования зависит успешность достижения компенсации сахарного диабета и, как следствие, качество жизни пациента.

Типы сахарного диабета

В настоящее время выделяется два основных типа сахарного диабета, различающиеся по причине и механизму появления, а также по принципам лечения
Сахарный диабет 1 типа

Сахарный диабет 1 типа - заболевание эндокринной системы, для которого характерным признаком является повышенная концентрация глюкозы в крови, которое развивается из-за деструктивных процессов в специфических клетках поджелудочной железы, секретирующих гормон - инсулин, вследствие чего наблюдается абсолютный недостаток инсулина в организме
Сахарный диабет 2 типа

Сахарный диабет 2 типа - одна из разновидностей сахарного диабета - заболевания обмена веществ, возникающего в результате пониженной чувствительности клеток к инсулину, а также относительной недостачи инсулина в организме
Гестационный сахарный диабет при беременности

Гестационный сахарный диабет может развиваться при беременности (примерно в 4% случаев). В его основе лежит снижение способности по усвоению глюкозы
Гипогликемия

Гипогликемией называют патологическое состояние, характеризующееся снижением концентрации глюкозы в плазме крови ниже уровня 2,8 ммоль/л, протекающее с определенной клинической симптоматикой, либо менее 2,2 ммоль/л независимо от наличия или отсутствия клинических признаков
Кома при сахарном диабете

Информация о наиболее опасном осложнении сахарного диабета, требующем экстренной медицинской помощи,- коме. Описываются виды ком при сахарном диабете, их специфические признаки, тактика лечения
Синдром диабетической стопы

Синдром диабетической стопы - одно из осложнений сахарного диабета, наряду с диабетической офтальмопатией, нефропатией и др., представляющее собой патологическое состояние, возникшее вследствие поражения периферической нервной системы, артериального и микроциркуляторного русла, проявляющееся гнойно-некротическими, язвенными процессами и повреждением костей и суставов стопы
О диабете

Сахарный диабет - термин, объединяющий эндокринные заболеваний, характерной чертой которых является недостаточность действия гормона инсулина. Главным симптомом сахарного диабета является развитие гипергликемии – увеличения концентрации глюкозы в крови, имеющее стойкий характер

Свернуть

Всё об инсулине. Какую функцию призван выполнять инсулин в организме человека и как этот препарат теперь может помочь справиться с таким грозным заболеванием, как сахарный диабет.

Что это такое – инсулин, и почему он столь необходим человеку? Ответ на этот вопрос лежит буквально на поверхности в приведенной ниже статье.

Инсулин – произошедший от латинского слова Insula (остров), является неким веществом белковой природы, синтезирующимся определёнными клетками поджелудочной железы, а точнее, её образованиями. В медицинской терминологии они обозначены, как островки Лангерганса–Соболева.

Этот гормон поджелудочной железы оказывает огромнейшее влияние на все происходящие обменные процессы, в тканях которые присущи человеческому организму. Принадлежащий к пептидному ряду, он качественно насыщает клетки человека всеми необходимыми для него веществами, перенося по системе кроветворения калий, разнообразные аминокислоты и, конечно же, глюкозу. Так как именно благодаря глюкозе в организме человека поддерживается некий баланс углеводов.

Вот как это происходит: при поглощении пищи в организме человека увеличивается количество глюкозы, что влияет на уровень описываемого вещества в крови и его повышение.

Химическая и структурная формула

Конструктивное действие этого вещества связано с его молекулярным строением. Именно это вызывало интерес у учёных с самого начала открытия этого гормона. Так как точная химическая формула этого синтезированного вещества позволила бы выделить его химическим путём.

Естественно, что только химической формулы недостаточно для описания его строения. Но также верно, то, что наука не стоит на месте и на сегодняшний день его химическая природа уже известна. И это позволяет совершенствовать всё новые и новые разработки лекарственных средств направленных, на излечение у человека сахарного диабета.

Строение, его химическое начало включает в себя аминокислоты и представляет собой некий пептидный гормон. Его молекулярная структура имеет две полипептидные цепи, в образовании которых и участвуют аминокислотные остатки, число которых в целом — 51. Эти цепи соединённые, дисульфидными мостиками условно определили, как «А» и «В». Группа «А» имеет 21 аминокислотный остаток, «В» 30.

Сама же структура и действенность на примерах разнообразных биологических видов отличается друг от друга. У людей эта структура больше напоминает не ту, которая образуется в организме обезьяны, а ту, что обустроена у свиньи. Различия промеж структурами свиньи и человека лишь в единственном аминокислотном остатке, который расположен в цепи В. Последующий же близкий по структуре биологический вид – это бык, с отличием строения в трёх аминокислотных остатках. У млекопитающих же молекулы этого вещества по аминокислотным остаткам отличаются ещё больше.

Функции и на что влияет гормон

При приёме пищи белок инсулин, являясь пептидным гормоном, не переваривается как любой другой в кишечнике, а выполняет массу функций. Итак, что делает это вещество, главным образом инсулин, играет на понижение концентрированности глюкозы в крови. А также на повышение проницаемости клеточных мембран для глюкозы.

Хотя выполняет инсулин и другие не менее важные функции в организме:

Он стимулирует появление в печени и мышечной структуре гликогена – некой формы сохранности глюкозы в животных клетках;
Увеличивает синтез гликогена;
Снижает некую ферментную активность расщепляющую, жиры и гликогены;
Даёт возможность инсулин увеличивать синтез белка и жиров;
Держит под контролем иные системы человека и воздействует на правильное усвоение аминокислот клетками;
Подавляет появление кетоновых тел;
Подавляет расщепление липидов.

Инсулин — это гормон, который регулирует в организме человека углеводный обмен. Его роль в качестве белкового вещества при поступлении в кровь, это снижение уровня сахара в крови.

Сбой секреции инсулина в организме человека, вызванный распадом бета-клеток зачастую, ведёт к полному инсулиновому дефициту и к постановке диагноза – сахарный диабет 1 го типа. Нарушение же взаимодействия этого вещества на ткани приводит к развитию сахарного диабета 2 го типа.

Запах

Чем пахнет это вещество? Симптом диабета, который, прежде всего, обращает на себя внимание – это запах ацетона изо рта. Ввиду недостаточности описываемого гормона, глюкоза не проникает в клетки. В связи, с чем у клеток начинается самый настоящий голод. А скопившаяся глюкоза приступает к образованию кетоновых тел, в связи, с чем усиливается запах ацетона от кожи и мочи. Поэтому при появлении такого запаха необходимо сразу же обратиться к врачу.

Выявление и производство этого вещества в 20 веке в виде лекарственного средства для диабетиков, дало шанс многим людям не только продлить свою жизнь с таким заболеванием, но и полноценно наслаждаться ею.

Образование гормона в организме

Только «В» клетки ответственны за производство этого вещества в человеческом организме. Гормон инсулин занимается регулированием сахара и действием на жировые процессы. При нарушении этих процессов и начинает развиваться диабет. В связи, с чем перед учёными умами стоит задачка в такой области, как медицина, биохимия, биология и генная инженерия осмыслить все нюансы биосинтеза и действия инсулина на организм для дальнейшего контроля над этими процессами.

Итак, за что отвечают «В» клетки – за выработку инсулина двух категорий, один из которых давний, а другой усовершенствованный, новый. В первом случае образуется проинсулин – он не активен и не исполняет гормонной функции. Количество этого вещества определено в 5% и какую роль в организме оно играет пока что до конца неясно.

Гормон инсулин выделяется «В» клетками сначала, как и вышеописанный гормон, с той лишь разницей, что в дальнейшем он отправляется в комплекс Гольджи, где дальше и перерабатывается. Изнутри этой клеточной составляющей, которая предназначена для синтеза и скопления различных веществ с помощью ферментов происходит отделение С-пептида.

А дальше, как итог образуется инсулин и его накопление, упаковывание для лучшей сохранности в секреторные вместилища. Потом если появляется потребность инсулина в организме, что связано с поднятием глюкозы, «В» клетки этот гормон быстро выбрасывают в кровь.

Так организм человека и образует описываемый гормон.

Необходимость и роль описываемого гормона

Для чего нужен инсулин в организме человеку, зачем и какая этому веществу отведена в нём роль? Организм человека для правильной и нормальной работы всегда подсказывает, что для каждой его клеточки необходимо в определённый момент:

Насыщаться кислородом;
Нужными ему питательными веществами;
Глюкозой.

Именно так поддерживается его жизнедеятельность.

А глюкоза в виде некого источника энергии вырабатываемая печенью и, поступая в организм с пищей, нуждается в помощи для попадания в каждую клеточку из крови. В этом процессе инсулин для попадания глюкозы в клетки и играет роль в организме человека некоего проводника, обеспечивая тем самым транспортную функцию.

И, конечно же, недостаток этого вещества буквально смертелен для организма и его клеток, но и избыток может вызвать такие заболевания, как диабет 2 го типа, ожирение, нарушить работу сердца, сосудов и даже привести к развитию онкологических недугов.

В связи свыше сказанным уровень инсулина у человека больным диабетом необходимо как можно чаще проверять, сдавая анализы и обращаясь при этом за врачебной помощью.

Производство и составляющая вещества

Образуется в поджелудочной железе естественный инсулин. Лекарство же описываемое в этой статье, являясь жизненно необходимым препаратом, произвело настоящую революцию среди тех людей, которые страдают и мучаются от сахарного диабета.

Так что это такое и как инсулин производится в фармацевтике?

Препараты инсулина для диабетиков отличаются друг от друга:

Очисткой в той или иной мере;
Происхождением (бывает инсулин — бычий, свиной, человеческий);
Второстепенными компонентами;
Концентрированностью;
pH – раствором;
Возможностью перемешивания препаратов (короткого и продлённого действия).

Введение инсулина производится специальными шприцами, калибровка которых представлена следующим процессом: при заборе шприцем 0,5 мл лекарства, пациент забирает 20 единиц, 0,35 мл равняется 10 единицам и так дальше.

Лекарственным средством животного происхождения;
Биосинтетическим;
Генно-инженерным;
Генно-инженерным модифицированным;
Синтетическим.

Дольше всего применяли свиной гормон. Но такой инсулин состав, которого полностью не походил на естественные гормоны не имели абсолютного действенного результата. В связи, с чем настоящим успехом и эффектом в лечении диабета стал механизм действия инсулина рекомбинантного, свойства которого практически на 100 % удовлетворили людей, страдающих диабетом, причём разной возрастной категории.

Инсулин представляет собой белок, состоящий из двух пептидных цепей А (21 аминокислота) и В (30 аминокислот), связанных между собой дисульфидными мостиками. Всего в зрелом инсулине человека присутствует 51 аминокислота и его молекулярная масса равна 5,7 кДа.

Синтез

Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы в виде препроинсулина, на N-конце которого находится концевая сигнальная последовательность из 23 аминокислот, служащая проводником всей молекулы в полость эндоплазматической сети. Здесь концевая последовательность сразу отщепляется и проинсулин транспортируется в аппарат Гольджи. На данном этапе в молекуле проинсулина присутствуют А-цепь , В-цепь и С-пептид (англ. connecting – связующий). В аппарате Гольджи проинсулин упаковывается в секреторные гранулы вместе с ферментами, необходимыми для "созревания" гормона. По мере перемещения гранул к плазматической мембране образуются дисульфидные мостики, вырезается связующий С-пептид (31 аминокислота) и формируется готовая молекула инсулина . В готовых гранулах инсулин находится в кристаллическом состоянии в виде гексамера, образуемого с участием двух ионов Zn 2+ .

Регуляция синтеза и секреции

Секреция инсулина происходит постоянно, и около 50% инсулина, высвобождаемого из β-клеток, никак не связано с приемом пищи или иными влияниями. В течение суток поджелудочная железа выделяет примерно 1/5 от запасов имеющегося в ней инсулина.

Главным стимулятором секреции инсулина является повышение концентрации глюкозы в крови выше 5,5 ммоль/л, максимума секреция достигает при 17-28 ммоль/л. Особенностью этой стимуляции является двухфазное усиление секреции инсулина:

первая фаза длится 5-10 минут и концентрация гормона может 10-кратно возрастать, после чего его количество понижается,
вторая фаза начинается примерно через 15 минут от начала гипергликемии и продолжается на протяжении всего ее периода, приводя к увеличению уровня гормона в 15-25 раз.

Чем дольше в крови сохраняется высокая концентрация глюкозы, тем большее число β-клеток подключается к секреции инсулина.

Индукция синтеза инсулина происходит от момента проникновения глюкозы в клетку до трансляции инсулиновой мРНК. Она регулируется повышением транскрипции гена инсулина, повышением стабильности инсулиновой мРНК и увеличением трансляции инсулиновой мРНК.

Активация секреции инсулина

1. После проникновения глюкозы в β-клетки (через ГлюТ-1 и ГлюТ-2) она фосфорилируется гексокиназой IV (глюкокиназа, обладает низким сродством к глюкозе),
2. Далее глюкоза аэробно окисляется, при этом скорость окисления глюкозы линейно зависит от ее количества,
3. В результате нарабатывается АТФ, количество которого также прямо зависит от концентрации глюкозы в крови,
4. Накопление АТФ стимулирует закрытие ионных K + -каналов, что приводит к деполяризации мембраны,
5. Деполяризация мембраны приводит к открытию потенциал-зависимых Ca 2+ -каналов и притоку ионов Ca 2+ в клетку,
6. Поступающие ионы Ca 2+ активируют фосфолипазу C и запускают кальций-фосфолипидный механизм проведения сигнала с образованием ДАГ и инозитол-трифосфата (ИФ 3),
7. Появление ИФ 3 в цитозоле открывает Ca 2+ -каналы в эндоплазматической сети, что ускоряет накопление ионов Ca 2+ в цитозоле,
8. Резкое увеличение концентрации в клетке ионов Ca 2+ приводит к перемещению секреторных гранул к плазматической мембране, их слиянию с ней и экзоцитозу кристаллов зрелого инсулина наружу,
9. Далее происходит распад кристаллов, отделение ионов Zn 2+ и выход молекул активного инсулина в кровоток.

Схема внутриклеточной регуляции синтеза инсулина при участии глюкозы

Описанный ведущий механизм может корректироваться в ту или иную сторону под действием ряда других факторов, таких как аминокислоты, жирные кислоты, гормоны ЖКТ и другие гормоны, нервная регуляция .

Из аминокислот на секрецию гормона наиболее значительно влияют лизин и аргинин . Но сами по себе они почти не стимулируют секрецию, их эффект зависит от наличия гипергликемии, т.е. аминокислоты только потенциируют действие глюкозы.

Свободные жирные кислоты также являются факторами, стимулирующими секрецию инсулина, но тоже только в присутствии глюкозы. При гипогликемии они оказывают обратный эффект, подавляя экспрессию гена инсулина.

Логичной является положительная чувствительность секреции инсулина к действию гормонов желудочно-кишечного тракта – инкретинов (энтероглюкагона и глюкозозависимого инсулинотропного полипептида), холецистокинина , секретина , гастрина , желудочного ингибирующего полипептида .

Клинически важным и в какой-то мере опасным является усиление секреции инсулина при длительном воздействии соматотропного гормона , АКТГ и глюкокортикоидов , эстрогенов , прогестинов . При этом возрастает риск истощения β-клеток, уменьшение синтеза инсулина и возникновение инсулинзависимого сахарного диабета. Такое может наблюдаться при использовании указанных гормонов в терапии или при патологиях, связанных с их гиперфункцией.

Нервная регуляция β-клеток поджелудочной железы включает адренергическую и холинергическую регуляцию. Любые стрессы (эмоциональные и/или физические нагрузки, гипоксия, переохлаждение, травмы, ожоги) повышают активность симпатической нервной системы и подавляют секрецию инсулина за счет активации α 2 -адренорецепторов. С другой стороны, стимуляция β 2 -адренорецепторов приводит к усилению секреции.

Также выделение инсулина повышается n.vagus , в свою очередь находящегося под контролем гипоталамуса, чувствительного к концентрации глюкозы крови.

Мишени

Рецепторы инсулина находятся практически на всех клетках организма, кроме нервных, но в разном количестве. Нервные клетки не имеют рецепторов к инсулину, т.к. последний просто не проникает через гематоэнцефалический барьер.

Наибольшая концентрация рецепторов наблюдается на мембране гепатоцитов (100-200 тыс на клетку) и адипоцитов (около 50 тыс на клетку), клетка скелетной мышцы имеет около 10 тысяч рецепторов, а эритроциты - только 40 рецепторов на клетку.

Механизм действия

После связывания инсулина с рецептором активируется ферментативный домен рецептора. Так как он обладает тирозинкиназной активностью, то фосфорилирует внутриклеточные белки - субстраты инсулинового рецептора. Дальнейшее развитие событий обусловлено двумя направлениями: MAP-киназный путь и фосфатидилинозитол-3-киназный механизмы действия .

При активации фосфатидилинозитол-3-киназного механизма результатом являются быстрые эффекты – активация ГлюТ-4 и поступление глюкозы в клетку, изменение активности "метаболических" ферментов – ТАГ-липазы, гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы, киназы гликогенфосфорилазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы и других.

При реализации MAP-киназного механизма (англ. mitogen-activated protein ) регулируются медленные эффекты – пролиферация и дифференцировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза.

Два механизма действия инсулина

Скорость эффектов действия инсулина

Биологические эффекты инсулина подразделяются по скорости развития:

Очень быстрые эффекты (секунды)

Эти эффекты связаны с изменением трансмембранных транспортов :

1. Активации Na + /K + -АТФазы , что вызывает выход ионов Na + и вход в клетку ионов K + , что ведет к гиперполяризации мембран чувствительных к инсулину клеток (кроме гепатоцитов).

2. Активация Na + /H + -обменника на цитоплазматической мембране многих клеток и выход из клетки ионов H + в обмен на ионы Na + . Такое влияние имеет значение в патогенезе артериальной гипертензии при сахарном диабете 2 типа.

3. Угнетение мембранной Ca 2+ -АТФазы приводит к задержке ионов Ca 2+ в цитозоле клетки.

4. Выход на мембрану миоцитов и адипоцитов переносчиков глюкозы ГлюТ-4 и увеличение в 20-50 раз объема транспорта глюкозы в клетку.

Быстрые эффекты (минуты)

Быстрые эффекты заключаются в изменении скоростей фосфорилирования и дефосфорилирования метаболических ферментов и регуляторных белков.

Печень

торможение эффектов адреналина и глюкагона (фосфодиэстераза),
ускорение гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
активация гликолиза
превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
усиление синтеза жирных кислот (ацетил-SКоА-карбоксилаза),
формирование ЛПОНП ,
повышение синтеза холестерина (ГМГ-SКоА-редуктаза),

Мышцы

торможение эффектов адреналина (фосфодиэстераза),
ГлюТ-4 ),
стимуляция гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
усиливает транспорт нейтральных аминокислот в мышцы,
стимулирует трансляцию (рибосомальный синтез белков).

Жировая ткань

стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация Глют-4 ),
активирует запасание жирных кислот в тканях (липопротеинлипаза ),
активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
усиление синтеза жирных кислот (активация ацетил-SКоА-карбоксилазы),
создание возможности для запасания ТАГ (инактивация гормон-чувствительной-липазы).

Медленные эффекты (минуты-часы)

Медленные эффекты заключаются в изменении скорости транскрипции генов белков, отвечающих за обмен веществ, за рост и деление клеток, например:

1. Индукция синтеза ферментов в печени

глюкокиназы и пируваткиназы (гликолиз ),
АТФ-цитрат-лиазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы, синтазы жирных кислот, цитозольной малатдегидрогеназы (синтез жирных кислот ),
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (пентозофосфатный путь ),

2. Индукция в адипоцитах синтеза глицеральдегидфосфат-дегидрогеназы и синтазы жирных кислот.

3. Репрессия синтеза мРНК, например, для ФЕП-карбоксикиназы (глюконеогенез ).

4. Обеспечивает процессы трансляции , повышая фосфорилирование по серину рибосомального белка S6.

Очень медленные эффекты (часы-сутки)

Очень медленные эффекты реализуют митогенез и размножение клеток. Например, к этим эффектам относится

1. Повышение в печени синтеза соматомедина, зависимого от гормона роста .

2. Увеличение роста и пролиферации клеток в синергизме с соматомединами.

3. Переход клетки из G1-фазы в S-фазу клеточного цикла.

Именно группой медленных эффектов объясняется "парадокс" наличия инсулинорезистентности адипоцитов (при сахарном диабете 2 типа) и одновременное увеличение массы жировой ткани и запасание в ней липидов под влиянием гипергликемии и инсулина.

Инактивация инсулина

Удаление инсулина из циркуляции происходит после его связывания с рецептором и последующей интернализации (эндоцитоза) гормон-рецепторного комплекса, в основном в печени и мышцах . После поглощения комплекс разрушается и белковые молекулы лизируются до свободных аминокислот. В печени захватывается и разрушается до 50% инсулина при первом прохождении крови, оттекающей от поджелудочной железы. В почках инсулин фильтруется в первичную мочу и, после реабсорбции в проксимальных канальцах, разрушается.

Патология

Гипофункция

Инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет. Для диагностики этих патологий в клинике активно используют нагрузочные пробы и определение концентрации инсулина и С-пептида.