Мембранные эффекты инсулина
БИЛЕТ
Строение инсулина
Молекула инсулина (51 АК остаток) состоит из двух полипептидных цепей А и В (21 и 30 АК). Цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками. Бычий инсулин отличается от человеческого по трем АК остаткам, а свиной – только по одному. Эти замены практически не влияют на биологическую активность гормона, что позволяет использовать эти инсулины в качестве ЛС.
Синтез и секреция инсулина
Синтез полипептида инициируется на рибосомах с образованием N-концевого “сигнального” пептида длиной в 23 аминокислотных остатка, который проникает через мембрану ЭПР.
2. Дальнейшее удлинение направляет полипептидную цепь внутрь цистерн ЭПР, имея конечным результатом образование препроинсулина (109 аминокислотных остатков).
3. “Сигнальный” пептид отщепляется специфическими протеазами и образующийся проинсулин (86 АК) транспортируется из ЭПР в аппарат Гольджи. Там под действием двух специфических пептидаз от него отщепляется связующий пептид (31 АК), или С-пептид. В итоге образуется двухцепочечная молекула инсулина.
4. Инсулин и С-пептид хранятся в секреторных гранулах, образуемых из мембран аппарата Гольджи.
Депонирование инсулина в β-клетках поджелудочной железы происходит с образованием гексамеров и других кристаллических форм, для образования которых необходим цинк.
5. Секреторные гранулы высвобождаются в кровеносное русло путем экзоцитоза.
В секреторных гранулах инсулин и С-пептид находятся в эквимолярных количествах и высвобождаются в кровь одновременно. Определение уровня С-пептида в плазме крови используется для контроля за функцией бета-клеток и продукции ими инсулина. Процесс биосинтеза - около 1 часа.
Секреция инсулина стимулируется повышением уровня глюкозы выше порогового уровня 5,55 мМ/л.
Секреция инсулина ингибируется при голодании и/или стрессе ( обусловленно ингибирующим действием адреналина).
Механизм действия
Инсулин связывается со специфическим рецептором, обнаруженным на поверхности большинства клеток млекопитающих.
Рецептор инсулина – это гликопротеин, состоящий их четырех субъединиц (2α и 2β), которые удерживаются между собой дисульфидными связями. β-субъединица пересекает мембрану, а α-субъединица выступает снаружи клетки и обеспечивает связывание гормона. Цитозольный домен каждой β-субъединицы обладает тирозинкиназной активностью, т.е. катализирует фосфорилирование тирозиновых остатков белков.
Связывание инсулина с α-субъединицами рецептора индуцирует конформационные изменения, которые передаются к β-субъединицам, вызывая быстрое аутофосфорилирование тирозинового остатка каждой β-субъединицы. Это повышает способность тирозинкиназной активности рецептора фосфорилировать другие белки, обозначенные как IRS – субстраты инсулинового рецептора. Фосфорилированные IRS способствуют изменению активности других киназ (развивается целый киназный каскад), которые в свою очередь фосфорилируют специфические белки (ферменты), что и ведет к развитию метаболических эффектов инсулина.
IRS-2 активирует ряд протеинкиназ и липидкиназ, что приводит к развитию метаболических эффектов инсулина посредством влияния: а) на количество мембранных глюкозных транспортеров (GLUT-4) и инсулиновых рецепторов; б) на активность ряда ключевых ферментов обмена жиров, белков и углеводов через их фосфорилирование или дефосфорилирование; в) на транскрипцию некоторых генов ферментов обмена углеводов и жиров.
IRS-1 через многоступенчатую активацию МАР киназы и последующую активацию фактора транскрипции elk-1 стимулирует транскрипцию генов, необходимых для роста и деления клеток. Другими словами, активация IRS-1 приводит к развитию ростовых эффектов инсулина (синтез ДНК, РНК, рост и размножение клеток).
Каскадная активация МАР-киназы: а) IRS-1 активирует гуаниннуклеотид-связывающий белок Ras;
б) Ras-белок активирует фермент Raf-1 (серин-треониноваяпротеинкиназа);
в) Raf-1 активирует (через фосфорилирование) киназу МАР-киназы, а она в свою очередь через фосфорилирование активирует МАР-киназу;
г) активная МАР-киназа продолжает каскадное фосфорилирование, вовлекая в него ядерные факторы транскрипции (белки, необходимые для роста и деления клетки).
Быстрые метаболические эффекты инсулина определяются циклом “фосфорилирование-дефосфорилирование” белков и ферментов.
В одном случае инсулин снижает концентрацию внутриклеточного ц-АМФ, активируя фосфодиэстеразу (фермент, разрушающий ц-АМФ) или ингибируя (черезвнутриклеточный посредник) активность мембранной аденилатциклазы. Это ведет к уменьшению активности ц-АМФ-зависимойпротеинкиназы, что, позволяет ферменту гликогенсинтазе оставаться в активной форме, в то же время фермент киназафосфорилазы, отвечающий за распад гликогена, ингибируется.
В другом случае, действие инсулина не зависит от концентрации ц-АМФ и связано с активированием фосфатаз. Это повышает активность гликогенсинтазы.
Мембранные эффекты инсулина
В клетки глюкоза поступает путем облегченной диффузии, связанной с наличием в мембранах клеток особых белков-переносчиков, называемых глюкозными транспортерами и обозначаемыми как GLUT 1– GLUT 5. Переносчик GLUT 4 обуславливает вход глюкозы в скелетные мышцы, миокард и жировую ткань. Транспорт глюкозы в эти ткани резко повышается в присутствии инсулина. Данный эффект связан с перемещением GLUT-4 из внутриклеточных везикул на поверхность клеток, а значит с увеличением числа функционирующих переносчиков глюкозы. Эти ткани относятся к абсолютно инсулинозависимым.
В некоторые ткани и клетки, включая нервную ткань, эритроциты, эндотелий сосудов, хрусталик и сетчатку глаза, эпителий кишечника и почечные канальцы, транспорт глюкозы не зависит от концентрации инсулина. Это связано с тем, что на поверхности их клеток находятся глюкозные транспортеры, активность которых не зависит от концентрации инсулина. Эти ткани относятся к инсулинонезависимым.
Печень представляет собой важное исключение из этой схемы. Инсулин не стимулирует облегченную диффузию глюкозы в гепатоциты, но усиливает её приток косвенным путем, повышая количество глюкокиназы – фермента, превращающего глюкозу в глюкозо-6-фосфат. В результате фосфорилирования концентрация свободной глюкозы поддерживается на низком уровне, что способствует поступлению глюкозы в клетки путём простой диффузии по градиенту концентрации.