Характеристика гормонов поджелудочной железы и их действия в норме и при сахарном диабете

Инсулин

Инсулин впервые из поджелудочной железы собак был выделен (экстрагирован) в 1921 году канадскими исследователями Бантингом Ф. и Бестом Г. В кристаллическом виде в 1926 году Sander определил полностью аминокислотный состав инсулина. Интересно, что инсулин первый белок, аминокислотная последовательность которого полностью была расшифрована. В конце 1963 года осуществлен синтез инсулина группой Мейенгофера И., а в 1964 году — группой Катсояниса П. (США). В 1969 году с помощью методик рентгенодифракции была определена трехмерная структура инсулина. А в 1972 году академик Юдаев Н. А. с сотрудниками провел полный лабораторный синтез инсулина человека новым методом, позволяющим устранить нежелательные побочные реакции.

Инсулин представляет собой небольшой глобулярный белок молекулярной массой около 6000.

Инсулины всех позвоночных состоят из двух цепей, А и В, соединенным между собой двумя дисульфидными мостиками. Цепь, А состоит из 20−21 аминокислотного остатка, цепь В — из 29 — 31. Примерно 25 аминокислот идентичны у всех позвоночных, что дает возможность применять в клинике инсулины животного происхождения. Но при длительном применении препаратов чужеродного инсулина может проявляться антигенность гормонов.

Синтез инсулина начинается с образования на рибосомах в-клеток одноцепочечного пептида, состоящего из 104−110 аминокислотных остатков — предпроинсулина, включающео в себя А-цепь, В-цепь и расположенный между ними С-пептид. Предпроинсулин имеет в облати N-конца на 23 аминокислотных остатка больше чем проинсулин. Предпроинсулин попадает в шероховатый ретикулум. По которому он подвигается к секреторным гранулам. В цистернах ШЭР часть молекулы отщепляется и остается проинсулин, состоящий из 81−86 аминокислотных остатков. Различие проинсулинов разных видов по величине связаны только с размерами полипептидного фрагмента, который в проинсулине находится между С-концом В-цепи и N-концом А-цепи инсулина. все известные проинсулины млекопитающих имеют по два остатка основных аминокислот на каждом из концов соединяющего фрагмента (С-пептид). В комплексе Гольджи происходит упаковка гормона в секреторные гранулы, в которых протекает протеолитическое отщепление С-пептида с фрагментами, А и В.

Три дисульфидные связи проинсулина при превращении остаются незатронутыми: — две из них создают ковалентные мостики между, А и В-цепями инсулина. Главными ферментами, необходимыми для протеолитического расщепления, приводящего к образованию инсулина, является трипсиноподобная протеиназа и еще один специфичный фермент, удаляющий С-концевые основные остатки, обнажающиеся после триптического расщепления. В результате образуется модифицированный С-пептид и нативный инсулин. Затем гормонсодержащие гранулы аппарата Гольджи обособляются и перемещаются в цитозоль, где завершается расщепление проинсулина до инсулина.

Первичная структура инсулина — полипептидная — свернута спиралеобразно во вторичную. Спирали укладываются в множественные образования — третичную структуру инсулина.

Инсулин и проинсулин путем комлексирования с цинком легко полимеризуется, образуются малорастворимые комплексы и гормон депонируется в секреторных гранулах, образуя резерв.

Очень важно, что посредством секреторных гранул происходит внутриклеточный транспорт гормона по системе микротрубочек и микрофиламентов по направлению к цитоплазматической мембране.

Относительно выделения гормона во внутриклеточное пространство существует две теории:

• — мембрана гранулы и цитоплазматическая мембрана соединяются и материал, содержащийся в гранулах, выбрасывается во внеклеточное пространство. Причем передвижение гранул и контакт мембран происходит при участии ионов Са²⁺ и цАМФ.
• — гранулы растворяются в близи цитоплазматической мембраны и гормон выделяется через определенные ее участки (Гордиенко В.М., Козырицкий В. Г., 1978).

Регуляция секреции инсулина осуществляется главным образом гуморально. Важнейший стимул секреции инсулина — уровень глюкозы в крови. Это находит отражение в том, что ежемоментные колебания уровня инсулина в плазме повторяют колебания содержания глюкозы в ней. Существуют две альтернативные теории, одна из которых исходит из роли метаболизма глюкоза в островковых клетках, а другая — из взаимодействия глюкозы с мембранным рецептором (глюкорецептором). В пользу метаболической теории свидетельствуют следующие наблюдения:

• 1. метаболизируемые сахара (гексозы и триозы) являются более мощными стимуляторами секреции инсулина, чем неметаболизируемые углеводы (маннозы);
• 1. глюкоза увеличивает концентрацию интермедиаторов гликолиза островковых клеток;
• 2. вещества, угнетающие метаболизм глюкозы (манногептулоза и 2-дезоксиглюкоза), препятствуют секреции инсулина.

Но существуют также наблюдения, результаты которых свидетельствуют в пользу распознавания глюкозы за счет активации ею мембранного рецептора (глюкорецептора), вследствие чего запускается процесс высвобождения инсулина. В механизме, при помощи которого гликолиз стимулирует секрецию инсулина, может принимать участие увеличение в клетке HAD*H и НАDФ*Н, равно как и концентрация Н⁺.

Особенностью реакции инсулина на глюкозу является ее двухфазность. Начальный быстрый «всплеск секреции» начинается в пределах одной минуты после введения глюкозы, достигает максимума в пределах двух минут, а затем снижается в последующие 5−10 минут. Вторая фаза начинается спустя 5−10 минут после начала инфузии глюкозы и продолжается в течение последующего часа. В опытах на перфузируемой поджелудочной железе ингибитор синтеза белка пуромицин ослабляет действие второй фазы, но не влияет на раннюю фазу секреции инсулина. Эти данные позволили предположить, что в в-клетках содержится два пула инсулина.

Механизм регуляторного влияния глюкозы на секрецию инсулина весьма сложен. Секреторная реакция на глюкозу является Са²⁺ — зависимой. Са²⁺ поступает в островковые клетки вместе с глюкозой, при этом концентрация последней быстро уравновешивается. Изменение секреции инсулина в зависимости от концентрации глюкозы в крови, является следствием влияния интенсивности гликолиза в в-клетках ан скорость транспорта Са²⁺ через плазматические мембраны клеток. Следует заметить, что скорость синтеза инсулина не зависит от Са²⁺.

Глюкоза переносится в клетку через ее оболочку семейством специализированных транспортных белков, носящих название транспортеров глюкозы:

GLUT-1 — участвует в базальном опосредованном через иные нежели инсулин факторы включении глюкозы во многие типы клеток;

GLUT-2 — играет важную роль в в-клетках, где, наряду с глюкокиназой, создает предпосылки для реакции на глюкозу;

GLUT-3 — участвует в опосредованном через иные нежели инсулин факторы включении глюкозы в клетки мозга;

GLUT-4 — обеспечивает стимулируемое инсулином включение глюкозы — один из классических гипогликемических эффектов этого гормона — в мышечную и жировую ткани.

Т.о., механизм, посредством которого глюкоза стимулирует высвобождение инсулина, включает ее проникновение в в-клетку с помощью GLUT-2, который тесно связан с ферментом глюкокиназой. Последний фосфорилирует глюкозу и служит важным датчиком ее присутствия в в-клетке. Чтобы вызвать секрецию инсулина, глюкоза должна подвергнуться превращению в в-клетке посредством гликолиза, с образованием АТФ. В результате этого процесса закрываются чувствительные к АТФ калиевые каналы, что приводит к деполяризации клеточной оболочки и притоку ионов кальция, запускающих процессы транслокации секреторных гранул и экзоцитоз.

Стимулирующим действием на секрецию инсулина обладают и некоторые аминокислоты (аргинин, лейцин). Интенсивность секреции инсулина зависит также от его концентрации в крови — ауторегуляция секреции инсулина. Некоторые гормоны пищеварительной системы, такие гормоны пищеварительной системы, как секретин, гастрин, энтероглюкагон, холецистокинин-панкреозенин, также как и другие, гормон роста, глюкокортикоиды стимулируют секрецию инсулина.

Подавляют секрецию инсулина гипогликемия, соматостатин, никотиновая кислота, диазоксид, А-адреностимуляция и т. д.

Нервная регуляция секреции инсулина происходит посредством блуждающего и симпатического нервов. Возбуждение первого стимулирует секрецию, а второго, соответственно, вызывает торможение.

Инсулин в крови находится в свободной (иммуннореактивный инсулин ИРН) и связанной с белками форм.

Свободный инсулин действует на все инсулиночувствительные ткани (мышцы, жировую ткань, печень, мозг), а связанный — только на жировую ткань, способную освобождать инсулин от связи с белком. Между содержанием связанного и свободного инсулина в крови существует динамическое равновесие (например: после приема сладкой пищи увеличивается количество свободной фракции, а связанной уменьшается; натощак преобладает связанная фракция.).

Биологическое действие инсулина опосредуется через его рецепторы на поверхности клеток мишеней.

Рецептор инсулина представляет собой тирозиновую протеинкиназу, относящуюся к классу II («семейство» тирозинкиназных рецепторов включает в себя несколько классов). Это гликопротеин, состоящий из двух б-субъединиц имеющих молекулярную массу 130 000, расположенных на поверхности клетки и двух в-субъединиц с молекулярной массой 95 000, пронизывающих мембрану клетки. (рис.1) N-концевые домены б-субъединиц образуют центр связывания инсулина, тогда как каталитический Tyr-протеинкиназный центр находится на внутриклеточных доменах в-субъединиц. Для тирозинкиназных рецепторов этого класса характерно наличие цистеинбогатого домена на б-субъединице, а также гетеротетрамерность с S-S связями между протомерами.

Связывание инсулина с рецептором — сигнал к началу перемещения комплекса инсулин/рецептор из области клеточной поверхности с микроворсинками в области их отсутствия. Это процесс также требующий лигандзависимого аутофосфорилирования в-субъединиц и активации киназы. Затем комплекс взаимодействует с клатринокаймленными ямками и интернализуется. Затем инсулиновый рецептор либо возвращается в клеточную мембрану, либо включается в лизосомы и разрушается. Во многих типах клеток инсулин стимулирует экзоцитоз и деградацию инсулинового рецептора — пример отрицательной регуляции действия инсулина за счет уменьшения количества рецепторов на мембране, и следовательно ослабление сигналов, инициируемых инсулином.

В отсутствии инсулина рецептор не проявляет тирозинкиназной активности. Присоединение инсулина к центру связывания на б-субъединицах активирует ферменты, причем субстратом служит сам фермент (аутофосфорилирование) — одна всубъединица рецептора фосфорилирует другую по 6 — 7 тирозиновым остаткам.

Разрушается инсулин ферментом инсулиназой, в наибольшем количестве находящейся в почках и печени, а продукты распада выводятся с мочой. Инсулиназа предохраняет организм от избыточного поступления инсулина в общий круг кровообращения и связанных с этим нарушений обмена углеводов (гипогликемия). У молодых неполовозрелых крыс активность инсулиназы значительно больше, чем у взрослых животных. По-видимому, это имеет важный биологический смысл, т.к. сберегает инсулин для повышенных потребностей растущего организма.

При старении активность инсулиназы вновь понижается, что расценивается, как своеобразный приспособительный механизм, направленный на поддержание уровня сахара в крови при старении.

Период биологической жизни инсулина находится в пределах 4−5 минут. Основным местом разрушения инсулина является печень, которая извлекает 40 — 50% гормона из крови за один пассаж. После связывания с рецепторами инсулин подвергается интернализации в печени и локализуется в лизосомах — месте сосредоточения в клетке разнообразных ферментов разрушения. Обнаружены, по крайней мере, два фермента с инсулиндеградирующей активностью. Одним из них является глутатион — инсулинтрансгидрогеназа — восстанавливающий фермент, который расщепляет дисульфидные связи, высвобождая интактные, А и В-цепи. Идентифицированы также протеазы, инактивирующие инсулин, расщепляя пептидные связи. В почках происходит распад 15 — 20% инсулина. Почечный клиренс инсулина привлекает скорость клубочковой фильтрации, что указывает на эллиминацию гормона из крови не только за счет фильтрации, но и за счет канальцевых механизмов. У больных с недостаточностью почек поглощение инсулина в почках может снизиться до 9%.

Разрушение инсулина происходит также и в жировой ткани. Инсулин главный регулирующий обмен веществ в организме гормон. Хотя его действие многонаправленно конечным результатом является обеспечение энергетических и пластических процессов. Подсчитано, что инсулин участвует, как минимум, в 22 реакциях обмена веществ.