Инсулин — полипептид, состоящий из двух полипептидных цепей, в совокупности включающие 51 аминокислотый остаток Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В — 30 аминокислотных остатков. Обе цепи соединены между собой двумя дисульфидными мостиками. Наибольшее сходство первичной структуры обнаруживают инсулины быка (различается от инсулина человека по трем аминокислотным остаткам) и свиньи (отличается от инсулина человека по одному аминокислотному остатку), что позволяет использовать последний (является агонистом) в качестве препарата заместительной терапии при сахарном диабете.
Инсулин синтезируется в виде препроинсулина. Препоследовательность явялется сигнальной и обеспечивает направление молекулы в просвет эндоплазматического. После ее отщепления образуется проинсулин, который обладает 5% активностью инсулина. Проинсулин поступает в аппарат Гольджи, где происходит отщепление соединительного С-пептида. Образовавший зрелый инсулин сохраняется до секреции в форме цинксодержащего гексамера. Инсулин и С-пептид в эквимолярных количествах включаются в секреторные гранулы.
Период полураспада инсулина в плазме крови составляет 3-10 мин, С-пептида — около 30 мин. Разрушение инсулина происходит под действием фермента инсулиназы в основном в печени и в меньшей степени в почках.
Регуляция синтеза и секреции инсулина.Глюкоза –главный регулятор секреции инсулина, Пороговой для секреции инсулина является концентрация глюкозы 5,5 ммоль/л, максимальная секреция наблюдается при концентрации глюкозы 15-20 ммоль/л. Кроме глюкозы стимулирующим действием на синтез инсулина в β-клетках облдают аминокислота лейцин, глюкагон, гормон роста, кортизол, ингибирует синтез адреналин. Повышают секрецию инсулина секретин, холецистокинин и желудочный ингибирующий пептид (GIP). Секреция инсулина является Са 2+ -зависимым процессом и при дефиците Са 2+ снижается даже в условиях высокой концентрации глюкозы.
Транспорт глюкозы в β-клетки осуществляется ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-2. Поступившая в клетки глюкоза фосфорилируется с образованием глюкозо-6-фосфата под действием глюкокиназы. Мутации глюкокиназы приводят к развитию одной из форм сахарного диабета.
В крови инсулин может быть в свободной форме, которая способствует утилизации глюкозы жировой и мышечной тканью. Связанная с белкми форма инсулина влияет только на жировую ткань.
Действие инсулина начинается со связывания с рецептором. Инсулиновые рецепторы постоянно синтезируются и разрушается. Период полураспада рецептора составляет 7-12 ч. Число инсулиновых рецепторов может изменяться. Так при избыточной массе тела количество рецепторов уменьшается и клетки-мишени становятся менее чувствительными к инсулину. Снижение сродства рецепторов к инсулину возможно вследствие их модификация путем фосфорилирования.
После связывания инсулина с рецептором гормон-рецепторный комплекс проникает внутрь клетки. В качестве внутриклеточных посредников выступают сам инсулин, ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты распада фосфатидилинозитолдифосфата. Внутриклеточные посредники обеспечивают перемещение из цитозольных везикул в плазматическую мембрану ГЛЮТ-4, которые осуществляют транспорт глюкозы в клетку. В клетках печени инсулин стимулирует активность глюкокиназы, благодаря которой образуется активный метаболит глюкозо-6-фосфат. Гипогликемические эффекты инсулина сявзаны с активацией ферментов фосфофруктокиназы, пируваткиназы, пируватдегидрогеназы, глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы, что способствует утилизации глюкозы по пути аэробного дихотомического распада и пентозного пути. Кроме того инсулин стимулирует образование гликогена путем активации гликогенсинтазы и ингибирования гликогенфосфорилазы. На синтез гликогена расходуется около 10% поступившей глюкозы. Инсулин подавляет образование глюкозы вследствие репрессии синтеза фосфоенолпируваткарбоксикиназы.
Инсулин стимулирует липогенез в печени и жировой ткани благодаря активации ацетил-КоА-карбоксилазы, катализирующей ключевую реакцию синтеза жирных кислот, увеличения притока глицерина, активации ферментного комплекса синтазы жирных кислот (на образование нейтрального жира расходуется до 40% поступившей глюкозы). В печени и жировой ткани инсулин ингибирует гормончувствительную триацилглицерол-липазу, таким образом подавляя мобилизацию триацилглицеролов. Благодаря активации метаболизма глюкозы инсулин подавляет кетогенез в печени.
Инсулин является одним из наиболее активных анаболических гормонов. Он влияет на процессы репликации и транскрипции, участвуя таким образом в регуляции клеточной дифференцировки и пролиферации, ограничивает использование аминокислот по пути ихглюконеогенеза.
Эффекты инсулинамогут проявляться в течение секунд и минут (транспорт веществ, фосфорилирование и дефосфорилирование белков, активация и ингибирование ферментов, синтез РНК) или через несколько часов (синтез ДНК, белков, пролифирация клеток).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
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.
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+ .
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 (ИФ3),
7. Появление ИФ3 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.
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 α2-адренорецепторов. С другой стороны, стимуляция β2-адренорецепторов приводит к усилению секреции.
Также выделение инсулина повышается n.vagus, в свою очередь находящегося под контролем гипоталамуса, чувствительного к концентрации глюкозы крови.
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.
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 ФИ-3-киназный механизмы действия (подробно).
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. MAP — mitogen-activated protein) регулируются медленные эффекты – пролиферация и дифференцировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза.
Биологические эффекты инсулина подразделяются по скорости развития:
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 заключаются в изменении скоростей фосфорилирования и дефосфорилирования метаболических ферментов и регуляторных белков.
- торможение эффектов адреналина и глюкагона (фосфодиэстераза),
- ускорение гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
- активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
- превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
- усиление синтеза жирных кислот (ацетил-SКоА-карбоксилаза),
- формирование ЛПОНП,
- повышение синтеза холестерина (ГМГ-SКоА-редуктаза),
- торможение эффектов адреналина (фосфодиэстераза),
- стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация 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).
- 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 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 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.
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.
Инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет. Для диагностики этих патологий в клинике активно используют нагрузочные пробы и определение концентрации инсулина и С-пептида.
Инсули́н (от лат. insula — остров) — гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Оказывает многогранное влияние на обмен практически во всех тканях. Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови. Впервые был выделен канадскими учёными Ф. Бантингом и Ч. Бестом (1921—22).
Молекула инсулина образована двумя полипептидными цепями, содержащими 51 аминокислотный остаток: A-цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, B-цепь образована 30 аминокислотными остатками. Полипептидные цепи соединяются двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина, третья дисульфидная связь расположена в A-цепи.
Первичная структура инсулина у разных биологических видов несколько различается, как различается и его важность в регуляции обмена углеводов. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи, который различается с ним всего одним аминокислотным остатком: в 30 положении B-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в инсулине человека — треонин; бычий инсулин отличается тремя аминокислотными остатками.
Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последовательного протеолиза превращаются в активный гормон. Биосинтез препроинсулина начинается с образования сигнального пептида на полирибосомах, связанных с ЭР. Сигнальный пептид проникает в просвет ЭР и направляет поступление в просвет ЭР растущей полипептидной цепи. После окончания синтеза препроинсулина сигнальный пептид, включающий 24 аминокислотных остатка, отщепляется (рис. 11-24).
Проинсулин (86 аминокислотных остатков) поступает в аппарат Гольджи, где под действием специфических протеаз расщепляется в нескольких участках с образованием инсулина (51 аминокислотный остаток) и С-пептида, состоящего из 31 аминокислотного остатка.
Инсулин и С-пептид в эквимолярных количествах включаются в секреторные гранулы. В гранулах инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, и инсулин и С-пептид секретируются во внеклеточную жидкость в результате экзоцитоза. После секреции в кровь олигомеры инсулина распадаются. Т1/2 инсулина в плазме крови составляет 3-10 мин, С-пептида — около 30 мин.
Биологическая роль— Инсулин резко повышает проницаемость стенок мышечных и жировых клеток для глюкозы. Т. к. все процессы усвоения глюкозы происходят внутри клеток, а инсулин способствует транспорту глюкозы в них, то он обеспечивает утилизацию глюкозы организмом, синтез гликогена (резервного углевода) и накопление его в мышечных волокнах. Увеличивая поступление глюкозы в клетки жировой ткани, инсулин стимулирует образование жира в организме. Кроме того, инсулин стимулирует и синтез белка в клетке, увеличивая проницаемость клеточных стенок для аминокислот.
Гипергликемия — увеличение уровня сахара в крови.
В состоянии гипергликемии увеличивается поступление глюкозы как в печень, так и в периферические ткани. Как только уровень глюкозы зашкаливает, поджелудочная железа начинает вырабатывать инсулин.
Гипогликемия — патологическое состояние, характеризующееся снижением уровня глюкозы периферической крови ниже нормы ( Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
Инсулин — двухцепочечный полипептид, образуется в-клетками островков Лангерганса панкреаса, а также слюнных желез, состоит из 51 аминокислотного остатка и имеет М.м. — 6000. Его короткая цепь А состоит из 21 остатка аминокислот, а более длинная цепь В — из 30 остатков (рис. 21). Обе цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками (7-7 и 20-19).
Цепи инсулина кодируются одним геном, который обусловливает синтез первично крупного одноцепочечного белка-предшественника, из которого затем выщепляются обе цепи инсулина.
Инсулин как гормон был открыт Соболевым (1902) и препаративно выделен Бантингом и Бестом (1921). Его первичная химическая структура была расшифрована Сэнгером (1953), а пространственная структура — Ходжкин (1972). Инсулин найден у представителей всех классов позвоночных; более чем у 20 видов изучена его первичная структура, строение которой сходно. Наибольшие видовые различия обнаружены в 8-10-й позициях цепи А и 30-м положении цепи В. Инсулин рыб отличается от гормона млекопитающих по 15 или более аминокислотным остаткам. В отличие от большинства других видов животных у некоторых рыб, а также крыс и мышей одновременно образуются два вида инсулина, различающихся несколькими аминокислотными остатками и кодируемых двумя различными генами.
Инсулин и его аналоги выявлены в некоторых микроорганизмах, в клетках ряда растений и беспозвоночных животных.
Осуществлен полный химический и молекулярно-биологический синтез инсулина человека. Синтез, основанный на методах генной инженерии, уже внедрен в промышленное производство.
Инсулин — важнейший регулятор основных видов межуточного обмена, он стимулирует в разных тканях синтез гликогена и утилизацию глюкозы, синтез белков и жиров. Анализ функциональной роли структурных элементов его молекулы показал, что каждая цепь в отдельности биологической активностью не обладает. Для проявления биологической активности необходима жесткая пространственная конфигурация его двухцепочечной молекулы, закрепленная двумя дисульфидными мостиками, которые соединяют цепи А и В, а также внутренним дисульфидным мостиком 6-11 цепи А (рис. 21, Л).
Считается, что С-концы цепей А и В находятся вблизи друг от друга, образуя гидрофобный центр, богатый ароматическими аминокислотами (рис. 21, Б). Возможно, этот центр имеет первостепенное значение для проявления биологической активности инсулина. Предполагается также, что для связывания клеточными рецепторами специфическое значение имеет 24-29-я С-концевая часть цепи В.
Релаксин — гормон яичников и плаценты, имеет близкий к инсулину общий план строения. Его молекула также состоит из двух цепей (А и В), связанных двумя дисульфидными мостиками, причем цепь А содержит внутренний дисульфидный мостик, она имеет 22 аминокислотных остатка (вместо 21 у инсулина), а цепь В — 26. Несмотря на то, что оба гормона имеют общий план строения, первичная структура их цепей существенно различается. Это, по-видимому, и обусловливает различную направленность их эффектов. Релаксин — гормон родов у млекопитающих, обусловливающий лизис хряща лонного сращения тазовой кости, расслабление связок малого таза, раскрытие шейки матки и т.д.
Инсулиноподобные ростовые факторы (ИРФ-I и И РФ-II) — белковые гистогормоны, принадлежащие по первичной структуре и ряду свойств к семейству инсулина. В структурном плане они наиболее близки к биосинтетическому предшественнику инсулина проинсулину (см. гл. 4). ИРФ-I (соматомедин С) состоит из 70 аминокислотных остатков (М.м. 7649), ИРФ-II — из 67 аминокислотных остатков (М.м. 7471). Оба ИРФ близки по строению, содержат 3 дисульфидных мостика, их N-концевые фрагменты гомологичны В-цепи инсулина, а ближе к С-концу в них содержится последовательность, гомологичная А-цепи инсулина (Хюмбель, 1984).
Оба фактора обладают инсулиноподобной и ростовой активностями, при этом ИРФ-I, действующий через собственные рецепторы (IP), оказывает преимущественно ростовые эффекты в постэмбриональном онтогенезе организма; ИРФ-П, действующий через особые рецепторы (IIP), вызывает более сильные инсулиноподобные эффекты (повышение проницаемости ряда клеток к глюкозе и аминокислотам) в основном в эмбриогенезе. ИРФ-I — важнейший посредник и усилитель системных эффектов СТГ, а ИРФ-И, по-видимому, плацентарного ХСМ (Ван Вик, 1984). В сверхфизиологичёских концентрациях инсулин может воспроизводить эффекты ИРФ-I через IP. Вместе с тем оба ИРФ, но особенно ИРФ-П могут в больших дозах воспроизводить в жировой ткани эффекты инсулина через рецепторы последнего.
Гормоны тимуса — семейство одноцепочечных олигопептидных гормонов, регулирующих лимфопоэз. иммунные процессы, а также интенсивность линейного роста тела, развитие гонад, процессы нервномышечной передачи (Голдстейн, 1975; Лоу, Голдстейн, 1979). Тимозин I (М.м. -2600) и шимозин II (М.м. -3400) стимулируют иммунокомпетентность Т-лимфоцитов и их пролиферацию. Тимопоэшины I и II (М.м. —5500) — индукторы ряда свойств Т-клеток и ингибиторы нервно-мышечной передачи. Гомеосшатический гликопептид (М.м. -2000) — синергист СТГ в отношении ростовых процессов. Гуморальный фактор тимуса (М.м.—3200) — активатор ответных реакций Т-клеток на антигены. Кроме того, в тимусе найдено особое стероидоподобное соединение — тимостерин, оказывающее множественные регуляторные эффекты на лимфоидную ткань.
Первичная структура олигопептидов тимуса полностью расшифрована, некоторые гормоны синтезированы. Интересно, что все тимозины ацетилированы с N-конца.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
« Новосибирский медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
(ГБОУ ВПО НГМУ Минздрава России)Реферат
Инсулин – пептидный гормон. Структура .Биороль.
Выполнил:
Студент 1 курсЛечебного факультета
Специальности «Лечебное дело»25группы
Антипов Роман ОлеговичПроверила:
Преподаватель. Рауткина Л.В.
Содержание
Инсулин структура и егопонятия………………… .…………..1 стр
Открытие и изучение инсулина…………………………………3 стр
Строение и механизм действие инсулина….………. 6 стр
Действие инсулина на организм………………………………. 10стр
Инсулин.
Инсулин — гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангергансаподжелудочной железы. Оказывает многогранное влияние на обмен 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 образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляетактивность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. То есть, помимо 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 инсулина.
Молекула инсулина образована двумя полипептидными цепями, содержащими 51 аминокислотный остаток: A-цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, B-цепь образована 30аминокислотными остатками. Полипептидные цепи соединяются двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина, третья дисульфидная связь расположена в A-цепи. Первичная структура инсулина у разных биологических видов несколько различается, как различается и его важность в регуляции обмена углеводов. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи, который различается с ним всего одним аминокислотным остатком:в 30 положении B-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в инсулине человека — треонин; бычий инсулин отличается тремя аминокислотными остатками.
Действие инсулина.
Так или иначе, инсулин затрагивает все виды обмена веществ во всём организме. Однако в первую очередь действие инсулина касается именно обмена углеводов. Основное.
Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.
21)Гормоны. Классиф-я. Принципы гормональной регуляции метаболизма.Гормоны – в-ва органич природы, вырабатыв-ся в специализ-х кл-ах желез внутр секреции, поступающие в кровь и оказыв-е регулирующее влияние на обмен в-в и физиол ф-й. Классиф-я гормонов: 1) по хим природе: произ а/к(тироксин, адреналин);пептидные(глюкагон, инсулин, пролактин), стероидные(кортикостер, андрогены), производные жпрных к-т. 2)функц класиф: эффекторные(влияние непосредств на кл-мишень),тройные( регул синтеза и выдел эффект горм. Аденогипофиз), релизинг-горм( регул синтез и выдел горм аденогипофиза.. 3) по биол ф-ям: а) регулир-е обмен БЖУ (инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол), б) . водно-солевой обмен (альдостерон, вазопрессин), в) . обмен Са и фосфатов (паратгормон, кальцитонин, кальцитриол), г) . обмен в-в, связ-й с репродуктивной ф-й (эстрадиол, прогестерон, тестстостерон), д). ф-и эндокринных желез – тропные Г (кортикотропин, тиротропин, гонадотропин). Типы физиологич д-ия на орг: кинетич(пусковые), метаболич(изм обмена в-в), морфогенетич(д-ие на рост..), корригирующие
22)Класс-я гормонов по мех-му действия. Мех-м действия гормонов бел и стер природы.По мех-му действия: а) пептидные + адреналин –их рецепторы расположены на наруж повер-ти плазмат мембраны, и гормон внутри кл-ки не проникает. Они передают сигнал с помощью цАМФ; б) стероидные гормоны – их рец-ры распол в цитозоле кл-ки. Г проникает из крови в кл-ку+с рецеп-м=> в ядро. Эти Г влияют на транскрипцию => синтез белков. Мех-м действия Г белк природы:1) гормон+рецептор=комплекс, 2) изменение структуры рецептора, 3) действует G-белок (кальмодулин+ГТФ), 4) G-белок активирует фермент аденилатциклазу, под действием кот происходит синтез цАМФ из АТФ, синтез проферментов и синтез неактивных протеинкиназ, 5) под действием протеинкиназы образуется комплекс состоящий из 2-х каталитич субъединиц (С2) и 2-х регулятор субъединиц (R2), 6) активация: в присутствии цАМФ протеинкиназный комплекс обратимо диссоциирует на одну R2 субъединицу и 2 свободные С2 субъединицы=>активация проферментов=>обр-ся активные ферменты=>участие в биохим процессе. Мех-м действия Г стер природы:рецептор стер гормонов имеет доменную структуру и содержит: 1) домен, связ-ся с гормоном; 2) домен, имеющий сродство с ДНК. 3) регуляторный фермент. 2-й домен в неактив состоянии рецептора блокирован белком – ингибитором. Г проходит в цитоплазму кл-ки, где связ-ся с доменом рецептора, обр-ся комплекс =>отсоедин-ся белок-ингибитор=>рецептор изменяет свою конформацию=>обр-ся активный комплекс, кот транспортируется в ядро и связ-ся с ДНК (на ДНК есть участки узнаваемые рецептором). В следствии этого происходит активация транскрипции генов. Образующаяся мРНК выходит из ядра в цитоплазму где происходит синтез белков. По этому прнципу работают: прогестерон, тестостерон, кортизол, альдостерон, тиреоидные гормоны.
23)Гипоталомические гормоны.В Кл-ках гипоталамуса синтезируются особые пептиды – либерины (релизинг – факторы или нейрогормоны). В ответ на возбуждение опред центров мозга либерины освоб-ся из аксонов нерв к-ток гипоталамуса, оканчивающихся в гипофизе, и стимул-т синтез и выделение тропных гормонов клет гипофиза. Наряду с либеринами в гипоталамусе вырабат-ся статины, ингибирующие синтез и секрецию гипофизных гормонов. В гипоталамусе открыто 7 либеринов (тирео-, кортико-, фолли-, сомато-, пролакто-, меланолиберин) и 3 статина (сомато-, пролакто- и меланостатин). Тиролиберин – стимулирует освобождение (и, возможно, синтез) тиротропина – гормона гипофиза. Соматостатин – ингибирует освобождение (или синтез) гирмона роста гипофиза – соматотропина. В ПЕР ДОЛИ ГИПОТ – СУПРАОПТИЧ И ПАРАВЕНТРИКУЛ ядро(вазопрессин и окситоцин), кот по отросткам нейросекр кл по гипофизарной ножке поступают а нейрогипофизи накаплив.
24)Гормоны задней доли гипофиза.К гормонам задней доли гипофиза (нейрогипофиза) относятся окситоцин и вазопрессин (АДГ). Вазопрессин отлич-ся от оксит двумя а/к: он содержит в полож 3 от N-конца фенилаланин вместо изолейцина и в положении 8 аргинин вместо лейцина. Вазопрессин – это нонапептид, синтез-ся в нейронах гипоталамуса, по аксонам транспор-ся в зад долю гипоф и сикрет-ся из окончаний этих аксонов в кровь. Он увелич скорость реабсорбции воды из первич мочи и тем самым уменш диурез. Моча при этом станов-ся концентр. Таким путем АДГ сохраняет необходимый обьем жидкости в организме, не влияя на кол-во выделяемого NaCl. В норме он контролирует осмот давление плазмы крови и водный баланс орг-ма. При некот болезнях поврежд-х гипоталамус или гипофиз (опухоли, травмы, инф-ии), синтез и секреция В-сина уменш-ся и развивается несахарный диабет(несахр мочеизнурение). При этом больные выдел-т до 20 – 30 (40) л мочи в сутки; соответственно увел-ся и потребление воды. В-син вызывает также сужение артериол и капилляров, а след-но и повыш кров давления. Окситоцин – 1) Стимул-ет сокращение мускулатуры матки при родах; 2) Усиливает выделение молока лактирующей молоч железы; 3) Тормозит развитие и ф-цию желтого тела; 4) Влияет на изменение тонуса гладких мышц ЖКТ.
25)Гормоны передней доли гипофиза.Переддоля гипофиза (аденогипофиз) вырабатывает: 1) АКТГ(кортикотропин) – помимо основного действия стимуляции синтеза и секреции гормонов коры надпочечников, обладает жиромобилизующей и меланоцистимулирующей активностью. В мол АКТГ есть два актив-х участка пептидной цепи, один из которых ответствен за связывание с соответ-щим рецептором, др – за гормональный эффект. 2) СТГ (гормон роста, соматотропин) состоит из 191 а/к и содержит 2 дисульф-е связи, N- и С- концевые а/к представлены фенилаланином. СТг влияет на обмен б, ж, у и минералов. Он усиливает биосинтез белка, ДНК, РНК и гликогена, способствует мобилизации жиров из депо и распаду высших жир к-т и глк в тканях. СТГ стимул рост и развитие тканей организма. Гипоф-ция – карликовый нанизм (карликовость). Гипперф-я – гигантизм; после окончания роста чел разв-ся акромегалия. 3) ТТГ (тиротропин) явл-ся сложным гликопротеином и содержит помимо полипептидной цепи, еще по две алфа- и бета- субъеденици, которые в отдельности биол активностью не обладают. Он контролирует развитие и ф-цию щитовид железы и регул биосинтез и секрецию в кровь тиреоидных гормонов. 4) Лактотропный Г (пролактин, лютеотропный) стимул развитие молоч желез и лактации, стимул рост внутр органов, секрецию желтого тела, оказывает ренотропное, эритропоэтич и гипергликемическое действие и др. Избыток пролактина, образующийся обычно при наличии опухолей приводит к прекращению менструаций (аменорея) и увеличению молоч желез у женщин и к импотенции у мужчин. 5) Гонадотропные Г (гонадотропины) – это фолликулостимулирующий Г (ФСГ, фоллитропин) и лютеинезирующий Г (ЛГ, лютропин). Они явл-ся гликопротеинами, регулируют стероидо- и гаметогенез в пол железах. ФСГ вызывает созревание фолликулов в яичниках, влияет на сперматогенез. ЛГ стимулирует секрецию эстрогенов и прогестерона, разрыв фолликулов с образованием желтого тела, а также секрецию тестостерона.
26)Гомоны щит железы.Считается, что все йодсодержащие Г отличающиеся др от др содержанием йода явл-ся производными L-тиронина, котор синтез-ся в орг-ме из а/к-ты L-тирозина. Деятельность щит железы регул за счет тириотропного гормона, сикретируемого гипофизом. Гормоны: тироксин и трийодтиронин называются тиреоглобулином. Катаболизм Г щит железы протекает по двум направлениям: распад г-нов с освоб йода и дезаминирование (отщепл аминогруппы) бок цепи г-нов. Продукты обмена или неизмененные Г экскретируются почками или киш-ком. Некоторая часть неизменен тироксина поступает через печень и желчь в кишеч-к, вновь всасывается, пополняярезервы Г в организме. Г щит жел-зы: 1) регулируют обмен в-в, вводно-электролит обмен, ф-цию ССС, гемопоэз, потребность в вит, сопротивляемость орг-ма инфекциям; 2) увелич теплообмен; 3) усил окислит процессы и расходование б, ж, у. 4) способ выделению воды и калия из орг-ма (гормон тирокальцитонин – антагонист тироксина); 5) регул процессы роста и развития; 6) активир деятельность надпочечников, пол и молоч желез. 7) оказыв стимул влияние на деят ЦНС. Гипотериозв рез-те дефицита тиреоид Г у детей раннего возраста развив кретинизм.(задержка роста, пол, психич развития, вплоть до слабоумия; наруш развития кост с-мы). Гипотиреоз у взрослых вызыв микседему (слиз отек) – нарушение белк обмена; выражженый отек тканей. Гипертиреоз – развив-ся диффузный токсич зоб (Базедова болезнь) – дополнит выдел-е тепла; постоянное повыш АД; повыш обмен в-в; уменшение массы тела; повыш аппетит; задержка роста; похудание; слабость в м-цах рук и ног; дрожание конечностей; тахикардия; повыш раздрожит-сти; увел щит железы в размерах; умственная и физич отсталость (дибелизм, креатинизм).
27)Гормоны регул уровень кальция в крови.Врегул конц-ции Са основную роль играют три гормона: паратгормон, кальцитонин и кальцитриол. Паратгормон– это пептидный Г,паращитов. Его синтез и секреция стимул-ся при снижении конц-ции Са в крови и подавляются при повыш. Он способствует выходу Са из костной ткани в кровь, всасыванию Са в почках и выдел-ю фосфатов с мочей. Гипопаратиреоз – судорожное сокращение скелетной мускулатуры (причина – снижение Са в крови). У детей – нарушение роста костей. Гиперпаратиреоз – вызывается злокач опухолями паращит желез (болезнь Реклинхгаузена). Кальцитонин – пептидный Г синтезируется в паращит и щит железах. Секреция К-на увел-ся при возрастании содержания кальция в крови; т.о., паратгормон и кальцитонин регул-ся кальцием противоположным образом. Основной орган – мишень для к-на – кости, в которых он подавляет мобилизацию Са. Кальцитриол – его предшественником явл-ся вит Д3. Превращение витамина в кальцитриол: в печени образ-ся кальцидиол, который в почках превр-ся в кальцитриол. Органы–мишени ка-ла – тонкий киш-ник и кости. В тонком кишечнике Г стимул-ет всасывание Са и фосфатов, в костях – мобилизацию Са.
28)Инсулин и глюкогон. Инсулин.МолекулаИ, сост из двух полипептид цепей соед между собой дисульф мостиками. Предшественником И явл-ся проинсулин. Он представлен одной полипеп цепью, лишен гормональной активности. Местом синтеза проинсулина считается фракция микросом бета-клеток панкреатич островков; превращение не актив проИ в актив И происходит при перемещении проИ от рибосом к секретор гранулам путем частичного протеолиза (отщепление с С-конца полипептид цепи пептида, содержащего 33 а/к остатка). И – единственный гормон в организме сниж-й конц-ю углеводов в крои путем повыш-я проницаемости мембран кл-ток для глк. Глюкагон – явл-ся антагонистом инсулина, синтез-ся в основном альфа-клетками остр Лангерганса, а также в ряде кл-ток кишечника. Он представлен одной полинептид цепью. Особенностью структуры глюкагона явл-ся отсутствие дисульф связей и цистеина. Предшественником явл-ся проглюкагон, содерж на С-конце полипептида дополнительный октапептид, отщепляемый в процессе постсинтетического протеолиза. Глюкагон вызывает увелич конц-ии глк в крови за счет распада гликогена в печени. Органами-мишенями явл-ся печень миокар, жир ткань, но не скел мышци.
29)Метабол нарушения при сах диабете.При недостаточной секреции (синтезе) инсулина развив-ся специфич заболевание-сахар диабет. Помимо клинически выявляемых симптомов (полиурия, полидипсия и полифагия), С.Д. хар-ся нарушением процессов обмена: усиленный распад гликогена в печени и м-цах, замедление биосинтеза белков и жиров, снижение скорости окисления глк в тканях, развитие отрицат-го азотистого баланса, увеличение содержания холестерина и др липидов в крови. При диабете усил-ся мобилизация жиров из депо, синтез углеводов из а/к (глюконеогенез) и избыточный синтез кетоновых тел (кетонурия). У больных развив-ся гипергликемия и глюкозурия. После введения больным инсулина все нарушения, как правило, исчезают, однако действие гормона ограничено во времени, поэтому необходимо вводить его постоянно. Нарушения при С.Д. могут быть связаны не только с отсут-ем синтеза инсулина. Известно, что при второй форме С.Д.-инсулинрезистентной, имеют место и молекуляр дефекты: нарушение структуры инсулина или нарушение фермент-го превращения проИ в И. В основе развития этой формы диабета лежит потеря рецепторами к-ток-мишеней способности соединяться с молекулой И., синтез которого нарушен.
30)Гормоны мозгового слоя надпочечников.Предшественником гормонов мозг в-ва надпоч-ов – катехоламинов: адреналина и норА явл-ся тирозин, подвергающийся в процессе обмена р-циям гидроксилир-я, декарбоксилиров-я и метилирования. В плазме крови оба Г присутствуют как в свободном, так и в связан., в частности, с альбуминами сосиоянии. Адреналин:1)расщепляет гликоген, усиливает его запасы в м-цах и печени; 2)увелич содержание углеводов в крови, являясь как бы антагонистом инсулина; 3)усиливает и учащает сокращение сердеч м-цы; 4)суживает просвет сосудов, повышая этим АД. А. и норА быстро разруш-ся в орг-ме; с мочой выделяются неактивн продукты их обмена. Эти метаболиты содерж-ся в моче преимущ-но в связанной с глюкуроновой к-той форме.
31)Гормоны коркового слоя надпочесников: глюкокортикоиды и минералокортикоиды.В коре надпоч-в обнаруживается 46 различ-х стероидных в-в. Их можно разделить на 3 группы: 1) Глюкокортик-ды, 2) Минералокортик-ды, 3) Эстрокортикоиды и андрокортикоиды. Глюкокортик-дыповыш уровень глюкозы в крови. Усилив расщепл углев, белков, жиров, увел работоспос скелетн мышц, при недост ГК- прекр сокр мышц(адинамия). Противосп д-ие, уменьш проницаемость капил, имунодепрессорное д-ие. Участв в защ р-ях орг на стрессовые сост. Роль в обмене: глюконеогенез (участ. Гликогенные АК), подавляет синтез гликогена в мышцах, стимулирует распад липидов. Эти факторы вызывают гипергликемию. Минералокортик-ды. Влияют на обмен солей и воды..возвращают работоспос мышц путем восстановл норм соотнош между натрием и калием, увелич реабсорбц воды в почках. Альдостерон секр при недостатке в крови натрия.
Гипоф-ия корк слоя – аддисонова бол(адинамия, снижение ОЦК,гипогликемия, уселенная пигмент кожи) Гиперф-ия – преждевременное образов половых горм, ранее пол созревания. Избыток кортизола – синдром Кушинга(ожирение туловища, гипертензия, слабость, утомляемость, аменорея, отеки,остеопороз)
32)Половые гормоны.Пол гормоны умуж и жен регул-т гаметогенез и развитие вторич пол признаков. ЭСТРАДИОЛ (жен) и ТЕСТОСТЕРОН (муж) регул-т гаметогенез и развитие вторич пол признаков; ПРОГЕСТЕРОН (жен) стимул-т трансформацию эндометрия. В децедуальную ткань для имплантации развив-ся яйцеклетки. В орг-ме женщины синтезируется и тестостерон, а в орг-ме мужчины – эстрадиол и прогестерон. Синтез и секреция пол гормонов контролируется гонадотропным гормоном гипофиза, кот одинаков умуж и жен. Муж пол горм. Тестостерон синтез-ся в коре надпочечников, семенниках(Интерстиц кл яичк) и яичниках. Действие: стимулирует сперматогенез, определяет формир-е вторич пол признаков, мощный анаболический эффект (ускор синтеза ДНК, РНК, белков, структурных липидов и полисахаридов, что приводит к увелич мышечной массы), созрев сперматозоидов,уменьш содерж жира в орг,стимул эритропоэз. При врожд отсутствии яичек или ихповрежд до пол созрев – евнухоидизм(недоразв вн и нар пол орг, вторичн пол признаков) в постпуберт периоде(демаскулинизация, уменьш оволосения, сниж мыш массы, ожирение по жен типу, импотенция, бесплодие). Усил прод в детском возр(ранее пол созревание), во взрослом(гиперсекс, усил рост волос). Эстродиол синт-ся в созревающем фолликуле яичника, Эстрогены стим разв перв и вторичн пол признаков, стим рост и разв молочной ж-зы. Влияют на разв костного скелета, анаболич эффект, распределение жира. прогестерон – в желтом теле и плаценте.подготовка эндометрия к имплатанция, норм протекание беремен, обладает мощным противозачаточным действием. недост в детск(недоразв матки, влагалища, мол ж-з, узкий таз, плоские ягодици), у взрослых(вторичная аменорея, вегетоневрозы), Эстрадиол и прогестерон регулирует синтез и секрецию гонадотропных гормонов гипофиза по мех-му отрицательно обратной связи.
33)Эйкозаноиды.Окисленные производные полиненасыщенных жирных к-т. Группа физиол и фармакол активных соединений: ПРОСТАНОИДЫ (простагландины, простациклины и тромбоксанты) и ЛЕЙКОТРИЕНЫ. Предшественником эйкозаноидов явл-ся арахидоновая к-та. Простагландины – 20-ти углерод жир к-ты, содержащие 5-углеродное кольцо и гидрокси- или/и кетогруппы. Обнаружено 6 первичных природных ПГ: 3 из них серии Е (в положении 9 содержат кетогруппу) и 3 серии F – гидроксигруппу. Они вызывают сокращение гладкой мускулатуры, регул-т приток крови к определенному органу, оказывают переменчивое влияние на кров давление, контролируют транспорт ионов через мембрану. Влияют на физиол функции тех клеток, в кот синтезируются. Тромбоксанты обр-ся в тромбоцитах и после выхода в кров русло вызывают сужение кров сосудов и агрегацию тромбоцитов. Простакинины обр-ся в стенке кров сосудов и явл-ся сильными ингибиторами агрегации тромбоцитов. Лейкотриены – синт в лейкоц, кл легких, селез, мозга, сердца.это производные 20-ти углеродных полинасыщенных к-т. синтезируются из эйкозановых к-т. Они явл-ся медиаторами воспалит реакций, способствуют сокращению бронхов; способ-т сокращению коронарных сосудов. В лейк стим хемотаксис, миграцию в очаг воспаления.
В зависимости от исходной ЖК делят на: 1)из эйкозитриеновой к-ты; 2)из арахидоновой;3)из тимнодоновой.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Инсулин — полипептид, состоящий из двух полипептидных цепей. Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В — 30 аминокислотных остатков. Обе цепи соединены между собой двумя дисульфидными мостиками (рис. 11-23). Инсулин может существовать в нескольких формах: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизируется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц.
Молекула инсулина содержит также внутримолекулярный дисульфидный мостик, соединяющий шестой и одиннадцатый остатки в А-цепи. Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека.
Бычий инсулин отличается от инсулина человека по трём аминокислотным остаткам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту, которая представлена аланином вместо треонина на карбоксильном конце В-цепи.
В обеих цепях во многих положениях встречаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона. Наиболее часто эти замены обнаруживаются в положениях 8, 9 и 10 цепи А.
В то же время 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, что свидетельствует о важности этих участков для проявления биологической активности инсулина. Использование химических модификаций и замен аминокислот в этих участках позволили установить структуру активного центра
Рис. 11-23. Структура инсулина человека.А. Первичная структура инсулина. Б. Модель третичной структуры инсулина (мономер): 1 — А-цепь; 2 — В-цепь; 3 — участок связывания с рецептором.
инсулина, в формировании которого принимают участие остатки фенилаланина В-цепи в положениях 24 и 25 и N- и С-концевые остатки цепи А.
Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последовательного протеолиза превращаются в активный гормон. Биосинтез препроинсулина начинается с образования сигнального пептида на полирибосомах, связанных с ЭР. Сигнальный пептид проникает в просвет ЭР и направляет поступление в просвет ЭР растущей полипептидной цепи. После окончания синтеза препроинсулина сигнальный пептид, включающий 24 аминокислотных остатка, отщепляется (рис. 11-24).
Проинсулин (86 аминокислотных остатков) поступает в аппарат Гольджи, где под действием специфических протеаз расщепляется в нескольких участках с образованием инсулина (51 аминокислотный остаток) и С-пептида, состоящего из 31 аминокислотного остатка.
Инсулин и С-пептид в эквимолярных количествах включаются в секреторные гранулы. В гранулах инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, и инсулин и С-пептид секретируются во внеклеточную жидкость в результате экзоцитоза. После секреции в кровь олигомеры инсулина распадаются. Т1/2инсулина в плазме крови составляет 3-10 мин, С-пептида — около 30 мин.
Рис. 11-24. Схема биосинтеза инсулина вβ-клетках островков Лангерханса.ЭР — 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.
Разрушение инсулина происходит под действием фермента инсулиназы в основном в печени и в меньшей степени в почках.
Регуляция синтеза и секреции инсулина. Глюкоза — главный регулятор секреции инсулина, а β-клетки — наиболее важные глюкозо-чувствительные клетки в организме. Глюкоза регулирует экспрессию гена инсулина, а также генов других белков, участвующих в обмене основных энергоносителей. Действие глюкозы на скорость экспрессии генов может быть прямым, когда глюкоза непосредственно взаимодействует с транскрипционными факторами, или вторичным, через влияние на секрецию инсулина и глюкагона. При стимуляции глюкозой инсулин быстро освобождается из секреторных гранул, что сопровождается активацией транскрипции мРНК инсулина.
Синтез и секреция инсулина не являются строго сопряжёнными процессами. Синтез гормона стимулируется глюкозой, а секреция его является Са 2+ -зависимым процессом и при дефиците Са 2+ снижается даже в условиях высокой концентрации глюкозы, которая стимулирует синтез инсулина.
Потребление глюкозы β-клетками происходит в основном при участии ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-2, и концентрация глюкозы в клетках быстро уравнивается с концентрацией глюкозы в крови. В β-клетках глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат глюкокиназой, имеющей высокую Кm, вследствие чего скорость её фосфорилирования почти линейно зависит от концентрации глюкозы в крови. Фермент глюкокиназа — один из важнейших компонентов глюкозо-чувствительного аппарата β-клеток, в который, помимо глюкозы, вероятно, входят промежуточные продукты метаболизма глюкозы, цитратного цикла и, возможно, АТФ. Мутации глюкокиназы приводят к развитию одной из форм сахарного диабета.
На секрецию инсулина влияют другие гормоны. Адреналин через α2-рецепторы тормозит секрецию инсулина даже на фоне стимуляции глюкозой, β-адренергические агонисты её стимулируют, вероятно, в результате повышения концентрации цАМФ. Этот механизм, полагают, лежит в основе действия гормонов ЖКТ, таких как секретин, холецистокинин и желудочный ингибирующий пептид (GIP), которые повышают секрецию инсулина. Высокие концентрации гормона роста, кортизола, эстрогенов также стимулируют секрецию инсулина.
2. Биологические функции инсулина
Инсулин — главный анаболический гормон. Он участвует в регуляции метаболизма, транспорта глюкозы, аминокислот, ионов, в синтезе белков. Инсулин влияет также на процессы репликации и транскрипции, участвуя таким образом в регуляции клеточной дифференцировки, пролиферации и трансформации клеток. Участие инсулина в регуляции метаболизма рассмотрено в соответствующих разделах (см. разделы 7, 8, 9). Влияние инсулина на ключевые ферменты метаболизма представлено в табл. 11-7.
Транспорт глюкозы в клетки происходит при участии специальных белков-переносчиков (см. раздел 7). Переносчик, регулируемый инсулином (ГЛЮТ-4), содержится только в мышцах и жировой ткани (инсулинзависимые ткани). В отсутствие инсулина ГЛЮТ-4 находятся в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит транслокация везикул в плазматическую мембрану; при снижении концентрации гормона глюкотранспортёры возвращаются в цитозоль, и транспорт глюкозы прекращается.
В клетках печени инсулин индуцирует синтез глюкокиназы. В результате фосфорилирования концентрация свободной глюкозы в клетках поддерживается на низком уровне, что способствует её транспорту из крови по градиенту концентрации.
Влияние инсулина на метаболизм глюкозы. Инсулин стимулирует утилизацию глюкозы в клетках разными путями. Около 50% глюкозы используется в процессе Гликолиза, 30-40% превращается в жиры и около 10% накапливается в форме гликогена. Общий результат стимуляции этих процессов — снижение концентрации глюкозы в крови.
Влияние инсулина на метаболизм глюкозы осуществляется путём повышения активности и количества ключевых ферментов гликолиза: глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируват-киназы (см. раздел 7). В мышцах инсулин активирует гексокиназу П. В печени и мышцах под влиянием инсулина снижается концентрация цАМФ в результате активации фосфодиэс-теразы. Кроме того, инсулин активирует фос-фатазы, дефосфорилирующие гликогенсинтазу,
Таблица 11-7. Влияние инсулина на ключевые ферменты метаболизма
Жировая ткань
4. Пируватдегидрогеназный комплекс
4. Пируватдегидрогеназный комплекс
5. Фосфатаза гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы
5. Фосфатаза гликогенсинтазы
1 . Глицеральдегидфосфат- дегидрогеназа
в результате чего происходит активация синтеза гликогена и тормозится его распад.
Эффекты инсулина, обусловленные фосфорилированием и дефосфорилированием ферментов, проявляются очень быстро, в течение нескольких секунд и минут. Параллельно с активацией ферментов гликолиза инсулин тормозит глюконеогенез, репрессируя синтез ключевого фермента глюконеогенеза — фосфоенолпируваткарбок-сикиназы (ФЕП карбоксикиназы).
Влияние инсулина на метаболизм жиров. В печени и жировой ткани инсулин стимулирует синтез жиров, обеспечивая получение для этого процесса необходимых субстратов (ацетил-КоА, α-глицерофосфат и NADPH) из глюкозы. В адипоцитах инсулин активирует ацетил КоА-карбок-силазу и ЛП-липазу и индуцирует синтез синта-зы жирных кислот, ацетил-КоА-карбоксилазы и ЛП-липазы (см. раздел 8 и табл. 11-7). Инсулин в жировой ткани тормозит мобилизацию жиров. Он активирует фосфатазу, которая дефосфорилирует и тем самым инактивирует гормончувствительную ТАГ-липазу. Таким образом, под влиянием инсулина снижается концентрация жирных кислот, циркулирующих в крови (см. раздел 8). Инсулин стимулирует потребление нейтральных аминокислот в мышцах и синтез белков в печени, мышцах и сердце.
Инсулин стимулирует пролиферацию большого количества клеток в культуре тканей, а также, вероятно, может участвовать в регуляции роста in vivo. Для изучения регуляции роста чаще всего используют культуры фиброб-ластов. В таких клетках инсулин усиливает способность фактора роста фибробластов (FGF), тромбоцитарного фактора роста (PDGF), фактора роста эпидермиса (EGF), простагландина (PGF2α), вазопрессина и аналогов цАМФ активировать размножение клеток, остановленных в фазе G.
3. Механизм действия инсулина
Действие инсулина начинается с его связывания со специфическим гликопротеиновым рецептором на поверхности клетки-мишени (см. раздел 5). Рецепторы инсулина обнаружены почти во всех типах клеток, но больше всего их в гепатоцитах и клетках жировой ткани. Так как концентрация инсулина в крови составляет
10 -10 М, количество рецепторов, связанных с инсулином, зависит от их количества на мембране клетки. Клетки с разным содержанием рецепторов реагируют по разному на одну и ту же концентрацию гормона.
Инсулиновый рецептор (IR) постоянно синтезируется и разрушается. Т1/2рецептора составляет
7-12 ч. При высокой концентрации инсулина в плазме крови, например, при ожирении, число инсулиновых рецепторов может уменьшаться, и клетки-мишени становятся менее чувствительными к инсулину, что может быть одной из причин сахарного диабета II типа (см. ниже подраздел V).
Снижение чувствительности клеток к гормону (десенситизация) опосредуется 2 механизмами. Первый включает утрату рецепторов путём их интернализации. Комплекс инсулин-рецептор захватывается внутрь клетки эндоцитозом. В результате интернализации часть рецепторов подвергается разрушению в лизосомах, а часть возвращается в плазматическую мембрану. Второй механизм десенситизации — ковалентная модификация рецептора в результате фосфорилирования. Так, фосфорилирование IR по остаткам серина и треонина снижает его сродство к инсулину.
Рецептор инсулина относят к типу рецепторов, обладающих тирозинкиназной активностью (см. раздел 5). Стимулированное инсулином аутофосфорилирование β-субъединицы IR по остаткам тирозина приводит к фосфорилированию других внутриклеточных белков — субстратов инсулинового рецептора (IRS). Известно несколько таких субстратов: IRS-1, IRS-2, а также некоторые белки семейства STAT.
Главную роль в формировании ответной реакции клетки на инсулиновый сигнал играет IRS-1. IRS-1 — фосфопротеин, состоящий из более чем 1200 аминокислотных остатков. Часть остатков серина, тирозина и треонина фосфо-рилирована. При стимуляции инсулином степень фосфорилирования IRS-1 увеличивается и придаёт ему способность соединяться с другими цитозольными белками. Это приводит к активации нескольких сигнальных путей, представляющих каскад реакций активации специфических протеинкиназ. В результате активации протеинкиназ происходит фосфорилирование ферментов и факторов транскрипции, что составляет основу многочисленных эффектов инсулина.
Активация инсулином сигнального пути Ras. Белок, известный как Ras-белок, относят к семейству малых ГТФ-связывающих белков. В неактивном состоянии Ras-белок прикреплён к внутренней поверхности плазматической мембраны и связан с ГДФ. Стимуляция инсулином приводит к образованию активной ГТФ-связанной формы Ras (рис. 11-25).
Превращение Ras-белка в активную форму происходит при участии семейства белков, являющихся активаторами протеинкиназ и протеинкиназами и, так же, как Ras-белок, получившие свои названия от онкогенов (см. раздел 16). Один из субстратов инсулинового рецептора She участвует в образовании комплекса с небольшим цитозольным белком Grb. Образовавшийся комплекс взаимодействует с Ras-бел-ком. В этот комплекс включаются другие белки: GAP (от англ. GTP-ase activating factor — фактор, активирующий ГТФ:азу), GEF (от англ.GTP exchange factor — фактор обмена ГТФ) и SOS (от англ,son ofsevenless, названный по мутации гена у мушки дрозофилы). Два последних белка способствуют отделению ГДФ от Ras-белка и присоединению ГТФ. Активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1. Raf-1 в неактивном состоянии находится в цитозоле в соединении с шаперонами. Активация Raf-1 происходит в результате многоэтапного процесса, включающего присоединение белка к плазматической мембране, фосфорилирование и взаимодействие с рецептором инсулина. Активированная Raf-киназа стимулирует каскад реакций фосфорилирования и активации других протеинкиназ, в частности, митогенакти-вируемых протеинкиназ (МАПК). При участии Raf-1 сначала фосфорилируется и активируется киназа МАПК, которая, в свою очередь, фос-форилирует МАПК.
МАПК фосфорилирует многие цитоплазматические белки: протеинкиназу pp90S6, белки рибосом, фосфолипазу А2, активаторы транскрипции (ПСАТ). Путь Ras активируется не только инсулином, но и многими другими гормонами и факторами роста. Многие компоненты этого пути являются продуктами протоонкогенов, мутации которых приводят к злокачественной трансформации клеток (см. раздел 16).
Эффекты инсулина могут проявляться в течение секунд и минут (транспорт веществ, фосфорилирование и дефосфорилирование белков, активация и ингибирование ферментов, синтез РНК) или через несколько часов (синтез ДНК, белков, рост клеток).
Активация фосфоинозитол-3-киназы (ФИ-3-киназы). Этот фермент катализирует фосфорилирование
Рис. 11-25. Активация Ras-пути инсулином.1 — GRB-2/mSOS — цитозольный белок нековалентно присоединяется к фосфо-рилированному рецептору инсулина при участии одного из субстратов инсулинововго рецептора — She; 2 — образовавшийся комплекс взаимодействует с белком Ras; в этот комплекс включаются также белки, которые обеспечивают отделение от Ras ГДФ и присоединение ГТФ; 3 — активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1, вследствие чего происходит активация Raf-1-киназы; 4, 5 — активированная Raf-1-киназа стимулирует каскад реакций фосфорилирования и активации других протеинкиназ, в частности, МАПКК и МАПК. МАПК фосфорилируют многие цитоплазматические белки и факторы транскрипции. МАПК — митогенактивируемые протеинкиназы.
ФИ, ФИ-4-фосфата и ФИ-4,5-бисфосфата в положении 3, образуя полифосфоинозитиды: ФИ-3-фосфат, ФИ-3,4-бисфосфат, ФИ-3,4,5-трифосфат, которые в разных клетках стимулируют мобилизацию Са 2+ и активацию специфических протеинкиназ (см. раздел 5). Активация ФИ-3-киназы стимулирует транслокацию ГЛЮТ-4 в плазматическую мембрану и таким образом ускоряет трансмембранный перенос глюкозы в клетки жировой и мышечной ткани. В жировой ткани активация ФИ-3-киназы приводит к торможению липолиза. Снижение скорости липолиза происходит в результате активации фосфодиэстеразы и уменьшения внутриклеточной концентрации цАМФ (рис. 11-26).
Активация гликогенсинтазы инсулином. Одной из протеинкиназ, активируемых через путь Ras. является протеинкиназа pp90S6. Этот фермент фосфорилирует протеинфосфатазу, связанную с гранулами гликогена. При фосфорилировании протеинфосфатаза активируется и дефосфорилирует киназу гликогенфосфорилазы, гликогенфосфорилазу
Рис. 11-26. Активация фосфодиэстеразы адипоцитов инсулином.1 — фосфорилированныи рецептор инсулина фосфорилирует субстраты инсулинового рецептора; 2 — образование комплекса фосфоинозитол-3-киназы (ФИ-3-киназы) с активированными субстратами инсулинового рецептора; 3 — активация протеинкиназы В (ПК-В); 4 — протеинкиназа В активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ) путём фосфорилирования; 5 — ФДЭ катализирует реакцию превращения цАМФ в АМФ.
и гликогенсинтазу. Дефосфорилированные формы киназыфосфорилазы и гликогенфосфорилазы неактивны, вследствие чего мобилизация гликогена замедляется. Гликогенсинтаза, напротив, активируется, и синтез гликогена ускоряется (рис. 11-27).
Инсулин влияет на скорость транскрипции более, чем 100 специфических мРНК в печени, жировой ткани, скелетных мышцах и сердце. Впервые влияние инсулина на транскрипцию генов было показано на примере фосфоенолпируваткарбоксикиназы — ключевого фермента глюконеогенеза, скорость синтеза которого в культуре клеток гепатомы снижалась в течение нескольких минут.
Глюкагон — одноцепочечный полипептид, состоящий из 29 аминокислотных остатков. Биосинтез глюкагона происходит в α-клетках
Рис. 11-27. Активация гликогенсинтазы инсулином.1 — активация пути RAS; 2 — протеинкиназа ррЭОЗб, активируемая инсулином через путь RAS (рис. 11-25), фосфорилирует протеинфосфатазу гранул гликогена, которая включает каскад реакций дефосфорилирования; 3 — инактивация киназыфосфорилазы и гликогенфосфорилазы; 4 — торможение мобилизации гликогена; 5 — активация гликогенсинтазы; 6 — стимуляция синтеза гликогена.
островков Лангерханса, в нейроэндокринных клетках кишечника и в некоторых отделах ЦНС. Неактивный предшественник проглюкагон в результате частичного протеолиза превращается в несколько пептидов. В клетках поджелудочной железы главный пептид — глюкагон; в клетках кишечника образуются глюкагонопо-добные пептиды (от англ. GLP — glucagon like peptide): GLP-1, GLP-2, глицентин и другие. GLP-1 ингибирует секрецию глюкагона и стимулирует синтез и секрецию инсулина. Стимулятором секреции GLP-1 служит другой гормон — желудочный ингибирующий полипептид (от англ.GIF — gastrial inhibitor peptide), который синтезируется в клетках слизистой оболочки верхних отделов тонкого кишечника. Секреция GIP стимулируется при приёме пищи; наиболее сильным стимулятором служит глюкоза. На
секрецию глюкагона влияют и многие другие соединения, включая аминокислоты, жирные кислоты, кетоновые тела и нейромедиаторы. При приёме пищи, богатой углеводами, секреция глюкагона снижается. Белковая пища стимулирует секрецию инсулина и глюкагона; однако некоторые аминокислоты в большей степени влияют на секрецию одного из них. Например, аланин стимулирует секрецию глюкагона, но не инсулина.
В плазме крови глюкагон не связан с каким-либо транспортным белком. Т1/2гормона составляет
5 мин. В печени глюкагон быстро разрушается под действием специфических протеаз.
Эффекты глюкагона в основном противоположны эффектам инсулина. Основные клетки-мишени глюкагона — печень и жировая ткань. Связываясь с рецепторами на плазматической мембране клеток-мишеней, глюкагон повышает содержание цАМФ (см. раздел 5). В гепатоцитах это приводит к активации фосфорилазы гликогена и к снижению активности гликогенсинтазы. В результате ускоряется мобилизация гликогена. Фосфорилирование пируваткиназы и БИФ вызывает торможение гликолиза и ускорение глюконеогенеза. Кроме того, глюкагон стимулирует глюконеогенез, индуцируя синтез ферментов: глюкозо-6-фосфатазы, фосфоенол-пируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы (см. раздел 7). В клетках жировой ткани глюкагон через аденилатциклазный каскад активирует гормончувствительную ТАГ-липазу и стимулирует липолиз (см. раздел 8). Таким образом, в противоположность инсулину глюкагон стимулирует мобилизацию основных энергоносителей — углеводов и жиров.