Гормоны эндокринной части поджелудочной железы. 1 часть

Инсулин

Биосинтез

У человека ген инсулина локализован на корот­ком плече хромосомы 11. Предшественник инсули­на, препроинсулин, представляет собой пептид с молекулярной массой 11500, образующийся при трансляции мРНК в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме р-клеток. Почти сразу же после своего синтеза препроинсулин расщепля­ется микросомными ферментами, что приводит к образованию проинсулина (молекулярная масса 9000). Проинсулин переносится в ап­парат Гольджи, где упаковывается в покрытые клатрином секреторные гранулы. При созревании этих гранул клатриновая оболочка теряется, а молекулы проинсулина расщепляются в двух местах протеолитическими ферментами, превра­щаясь в молекулы инсулина и небольшого соеди­нительного пептида (С-пептид). Зрелые (не по­крытые оболочкой) секреторные гранулы содер­жат инсулин и С-пептид в эквимолярных количествах, а также небольшое количество проин­сулина и продуктов его частичного гидролиза.

Типы клеток в островках Лангерганса

Биохимия

В составе 86-аминокислотной последовательно­сти проинсулина содержатся А- и В-цепи инсулина, а также соединительный сегмент из 35 аминокислот. В незрелых секреторных грану­лах, помимо проинсулина, присутствуют еще два белка — прогормонпревращающие ферменты PC 1/3 и РС2. Эти ферменты распознают и разделяют пары основных аминокислот, удаляя тем самым после­довательность С-пептида, вклинивающуюся меж­ду А- и В-цепями инсулина. После расщепления двух пар основных аминокислот карбоксипептида- зой Е образуются молекулы инсулина (51 амино­кислотный остаток) и С-пептида (31 аминокислот­ный остаток).

Небольшие количества проинсулина сохраняют свою структуру и секретируются в кровь вместе с инсулином и С-пептидом. Большинство антител к инсулину, используемых в стандартных наборах для его иммунологического определения, перекре­стно реагируют с проинсулином, и примерно 3-5% иммунореактивного инсулина (ИРИ), выделенного из поджелудочной железы человека, на самом деле, являются проинсулином. Поскольку проинсулин не удаляется печенью, его t_1/2 в 3-4 раза превышат t_1/2 инсулина. Поэтому он накапливается в крови, где на его счет у человека в исходном состоянии приходится 12-20% общего количества ИРИ. Био­логическая активность проинсулина составляет примерно 7-8% активности инсулина, и основным местом его разрушения являются почки.

Из двух основных продуктов расщепления про­инсулина, присутствующих в плазме, количество одного (расщепленного между Арг32-33) намного превышает количество другого (расщепленного между аминокислотами 65-66). У здоровых людей концентрации проинсулина и продукта его 32-33 расщепления в плазме после ночного голодания со­ставляют в среднем 2,3 и 2,2 пмоль/л. После прие­ма пищи их уровень возрастает соответственно до 10 и 20 пмоль/л.

При отщеплении инсулина от проинсулина обра­зуется С-пептвд (цепь из 31 аминокислоты, молеку­лярная масса 3000). Его биологическая активность неизвестна. Он секретируется р-клетками в эквимо- лярных с инсулином количествах и разрушается и выводится главным образом почками. Его t_1/2 также в 3-4 раза больше, чем t_1/2 инсулина. В исходном со­стоянии после ночного голодания средняя концен­трация С-пептида в плазме достигает 1000 пмоль/л.

Инсулин, белок из 51 аминокислоты, содержит две пептидные цепи: А-цепь (21 аминокислота) и В-цепь (30 аминокислот). Цепи соединены друг с другом двумя дисульфидными мостиками. Еще один дисульфидный мостик свя­зывает между собой аминокислоты 6 и 11 в А-цепи. Молекулярная масса инсулина человека — 5808.

Период полужизни эндогенного инсулина в крови составляет 3-5 минут. Он разрушается главным образом инсулиназами печени, почек и плаценты. За один пассаж крови через печень удаляется примерно 50% инсулина.

Секреция

Поджелудочная железа здорового человека за сутки секретирует около 30 единиц (Ед) инсули­на. Его базальная концентрация в крови составляет в среднем 10 мкЕд/мл (0,4 нг/мл, или 61 пмоль/л). У здорового человека после стандартного завтрака уровень инсулина редко превышает 100 мкЕд/мл (610 пмоль/л). Концентрация инсулина в перифе­рической крови возрастает через 8—10 минут после приема пищи, достигая максимума через 30-45 ми­нут. Затем его уровень быстро снижается парал­лельно концентрации глюкозы в крови, которая достигает исходной через 90-120 минут.

Базальной секрецией инсулина (т.е. в отсутст­вие экзогенных стимулов) называют количество инсулина, секретируемого до приема пищи (нато­щак). Хотя глюкоза в концентрации ниже 80-100 мг% (4,4-5,6 ммоль/л) не стимулирует сек­рецию инсулина, ее присутствие необходимо (в системах in vitro) для реализации действия боль­шинства известных стимуляторов секреции этого гормона.

Стимулированная секреция инсулина возника­ет под действием экзогенных стимуляторов. In vivo Р-клетки реагируют на прием пищи. Самым мощ­ным стимулятором секреции инсулина является глюкоза. При перфузии поджелудочной железы крыс раствором глюкозы секреция инсулина меня­ется двуфазно . При остром повышении концентрации глюкозы в системе наблюдается кратковременный выброс инсулина (первая фаза). Далее при сохранении этой концентрации глюкозы секреция инсулина постепенно снижается, но за­тем начинает нарастать вновь, достигая повышен­ного стабильного уровня (вторая фаза). Однако на фоне постоянно высокого уровня глюкозы (при­мерно через 4 часа in vitro или 24 часа in vivo) про­исходит обратимая десенситизация р-клеток, и они перестают реагировать на глюкозу, сохраняя спо­собность реагировать на другие стимулы.

Структура проинсулина человека. С-пептид и инсулин в двух местах соединены дипептидной связью

Глюкоза проникает в р-клетки поджелудочной железы путем пассивной диффузии, но этот про­цесс облегчают специфические мембранные бел­ки — транспортеры глюкозы. Поскольку эти белки функционируют в обоих направлениях, а р-клетки богаты ими, концентрация глюкозы в внутри и вне р-клеток одинакова. Существуют многочисленные доказательства роли метаболизма глюкозы в сти­муляции секреции инсулина. Так, ингибиторы ме­таболизма глюкозы (например, 2-дезоксиглюкоза) препятствуют ее стимулирующему действию на секрецию инсулина. Скорость метаболизма глю­козы в (5-клетках ограничивается реакцией ее фос- форилирования под действием глюкокиназы (фер­мента, обладающего низким сродством к субстра­ту). Катаболизм глюкозы сопровождается ростом отношения АТФ/АДФ в клетках, что приводит к закрытию АТФ-зависимых калиевых каналов на поверхности р-клеток и, тем самым, к деполяри­зации последних и активации потенциалзависи­мых кальциевых каналов.

 Многофазная реакция поджелудочной железы in vitro в условиях постоянной стимуляции глюкозой

Известно, что секреция инсулина требует при­сутствия кальция, а глюкоза влияет на уровень кальция в клетках. Она увеличивает поступление в Р-клетки кальция извне, тормозит отток кальция из клеток, а, кроме того, цАМФ, образующийся в клетках под влиянием глюкозы, мобилизует внутриклеточные запасы кальция.

Глюкоза непосредственно увеличивает уровень цАМФ в Р-клетках. Многие стимуляторы секреции инсулина, помимо глюкозы, также обладают этим эффектом. Однако в отсутствие глюкозы само по себе повышение внутриклеточного уровня цАМФ не усиливает секрецию инсулина.

Факторы, участвующие в регуляции секреции инсулина, можно разделить на 3 категории: прямые стимуляторы, амплификаторы, потенцирующие реакцию (З-кле- ток на глюкозу, и ингибиторы. Действием ампли- фикаторов (многие из которых являются гормона­ми желудочно-кишечного тракта) объясняется тот факт, что секреция инсулина после приема пищи оказывается большей, чем при внутривенном вве­дении глюкозы и других стимуляторов.

Рецепторы и эффекты инсулина

Действие инсулина начинается с его связыва­ния рецепторами поверхностной мембраны кле­ток-мишеней. Рецепторы инсулина присутствуют на мембранах большинства клеток. В жировой, пе­ченочной и мышечной ткани рецепторы взаимо­действуют с инсулином с высокой специфично­стью; их сродство к инсулину настолько высоко, что они связываются с ним, даже при его пикомо­лярных концентрациях.

Рецепторы инсулина, относящиеся к семейству рецепторов факторов роста, представля­ют собой мембранные гликопротеины, состоящие из двух белковых субъединиц, которые кодируют­ся одним геном. Более крупная а-субъединица с молекулярной массой 135000 располагается вне- клеточно и связывает молекулу инсулина. Эта субъединица соединена дисульфидной связью с меньшей бета-субъединицей (молекулярная мас­са 95000). р-субъединица пронизывает клеточную мембрану, и ее цитоплазматический домен облада­ет тирозинкиназной активностью, которая и запус­кает специфические внутриклеточные пути пере­дачи гормонального сигнала.

При связывании инсулина с альфа-субъедини­цей бета-субъединица активируется путем ауто- фосфорилирования. Активированная бета-субъединица образует комплекс с дополнительными белками и фосфорилирует сеть внутриклеточных субстратов, включая так называемый субстраты инсулинового рецептора (СИР-1 и СИР-2). Каждый из этих активированных суб­стратов мобилизует ряд киназ, фосфатаз и других молекул двух сигнальный путей — митогенного, который опосредует ростовые эффекты инсулина, и метаболического, который регулирует метабо­лизм питательных веществ.

Активация фосфатидилинозитол-3-киназы при­водит к перемещению пузырьков, содержащих транспортер глюкозы (GLUT 4), в клеточную мембрану, стимулирует синтез гликогена и липидов, а также другие метаболические реакции. Часть ин­сулин- рецепторных комплексов подвергается ин­тернализации. Неясно, однако, играет ли этот про­цесс роль в реализации внутриклеточных эффектов инсулина или интернализация этих комплексов ог­раничивает эффект гормона, приводя к его разруше­нию в лизосомах.

Уменьшение количества инсулиновых рецепто­ров при хронически повышенном уровне инсулина (вероятно, за счет ускорения их внутриклеточного распада) называют -«снижающей регуляцией». С другой стороны, при низком уровне инсулина связывающая способность рецепторов увеличива­ется («повышающая регуляция»). К состояниям, сопровождающимся высоким уровнем инсулина и уменьшением его связывания рецепторами, отно­сятся ожирение, высокоуглеводная диета и хрони­ческая гиперинсулинемия (в том числе экзоген­ная). При физических нагрузках и голодании, напротив, уровень инсулина снижается, а его свя­зывание с рецепторами увеличивается. Большие дозы кортизола ослабляют связывание инсулина с рецепторами, хотя неясно, является ли это пря­мым эффектом кортизола или опосредовано воз­растающим уровнем инсулина.

В большинстве случаев главную роль в наруше­нии чувствительности к инсулину играют, вероят­но, не изменения его рецепторов, а другие факторы. Клинически значимая инсулинорезистентность обычно связана с нарушением пострецепторных механизмов проведения сигналов гормона, хотя точный характер этих нарушений у большинства больных с инсулинорезистентностью остается неизвестным.

Метаболические эффекты инсулина

Основная функция инсулина заключается в стимуляции запасания потребляемых питатель­ных веществ. Хотя инсулин прямо или косвенно

влияет на функцию почти всех тканей, особого внимания заслуживает его действие на три главных ткани, в которых происходит запасание энергети­ческих веществ: печень, мышцы и жировую ткань. Кроме того, следует вкратце рассмотреть пара- кринные эффекты инсулина. Гормональная регу­ляция обмена веществ подробно обсуждается в спе­циальном разделе.

Паракринные эффекты

«Паракринными» называются влияния продук­тов эндокринных клеток на соседние клетки [в от­личие от «эндокринных» влияний, которые реали­зуются в отдаленных от места секреции тканях (см. гл. 1)]. Паракринным влияниям р- и 5-клеток на близлежащие а-клетки (см. рис. 8.1) принадле­жит важная роль. Именно а-клетки, расположен­ные на периферии панкреатических островков, первыми подвергаются действию инсулина, кото­рый ингибирует их секреторную активность. Сома- тостатин (секретируемый 5-клетками в ответ на большинство тех же стимулов, которые усилива­ют секрецию инсулина) также ингибирует секре­цию глюкагона а-клетками.

Так как глюкоза стимулирует только Ц и 5-клетки (чьи продукты ингибируют а-клетки), a аминокислоты стимулируют секрецию и инсулина, и глюкагона, характер и количество островковых гормонов зависит от соотношения углеводов и бел­ков в пище. Чем выше содержание в ней углеводов, тем меньшее количество глюкагона секретируется в ответ на содержащиеся в ней аминокислоты. На­против, преимущественно белковая пища приво­дит к относительно большей секреции глюкагона, поскольку аминокислоты слабее стимулируют сек­рецию инсулина, чем глюкоза, но являются мощ­ными стимуляторами а-клеток.

Эндокринные эффекты

а.    Стимуляция анаболизма. Инсулин стимули­рует синтез и запасание гликогена и тормозит его распад. Эти эффекты опосредуются изменением активности ферментов синтеза гликогена (см. далее). Печень способна запасать до 100-110 г гликогена (примерно 440 ккал энергии).

Инсулин стимулирует в печени синтез белка и триглицеридов и образование липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Он также ингибирует глюконеогенез и усиливает гликолиз, изменяя активность гликолитических ферментов.

б.   Ингибирование катаболизма. Ингибируя гликогенолиз, кетогенез и глюконеогенез в печени, инсулин блокирует катаболические процессы, характерные для голодания.

Влияния на печень Устранение катаболических эффектов недостаточности инсулина Ингибирование гликогенолиза Ингибирование превращения жирных кислот и аминокислот в кетокислоты Ингибирование превращения аминокислот в глюкозу Анаболическое действие Стимуляция запасания глюкозы в виде гликоге­на (активация глюкокиназы и гликогенсинтета- зы, ингибирование фосфорилазы)

Инсулин стимулирует запасание триглицери­дов в жировой ткани разными механизмами. 1) Он индуцирует образование липопротеинлипазы (этот фермент связан с эндотелиальными клетками сосудов жировой ткани), которая гидролизует триглицериды липопротеинов крови, обеспечивая возможность поглощения жирных кислот адипо- цитами. 2) Стимулируя транспорт глюкозы в жи­ровые клетки, инсулин увеличивает количество а-глицерофосфата, необходимого для эстерифика- ции жирных кислот и образования триглицеридов.

Инсулин тормозит внутриклеточный липолиз запасенных триглицеридов, ингибируя внутрикле­точную липазу (называемую также гормон-чувствительной липазой). Это уменьшает поступление жирных кислот в печень и, по-видимому, играет ос­новную роль в торможении печеночного глюконеогенеза и кетогенеза.

Белки-транспортеры глюкозы (GLUT)

Глюкоза — основной источник энергии для мно­гих клеток и абсолютно необходима для функции головного мозга. Клеточные мембраны непрони­цаемы для гидрофильных молекул, какими явля­ются молекулы глюкозы. Поэтому клетки нужда­ются в специальных белках-транспортерах, кото­рые переносили бы глюкозу через липидный бислой мембран в цитоплазму. В кишечнике и поч­ках присутствует энергозависимый котранспортер Na⁺ и глюкозы, но все другие клетки содержат энер­гонезависимые транспортеры, облегчающие диф­фузию глюкозы через мембраны (в направлении от большей ее концентрации к меньшей). Известно, по меньшей мере, 13 белков этого крупного семей­ства, хотя способность некоторых из них транспор­тировать глюкозу не доказана. Лучше других оха­рактеризованы первые 4 белка этого семейства; они обладают разным сродством к глюкозе и экспрес­сируются в разных клетках.

Во всех тканях человека присутствует GLUT 4. Он обладает очень высоким сродством к глюкозе и поэтому способен транспортировать ее в клетки, даже при относительно низких концентрациях са­хара, которые типичны для базального состояния (натощак). Поэтому он является важным компо­нентом сосудистой системы головного мозга (гема- тоэнцефалического барьера), обеспечивая необхо­димый транспорт глюкозы из плазмы в ЦНС.

GLUT 3, который также присутствует во всех тканях и обладает высоким сродством к глюкозе, расположен на поверхности нейронов и является основным ее переносчиком в эти клетки.

GLUT 2 обладает низким сродством к глюкозе и, по-видимому, выполняет роль транспортера только при относительно высоких ее концентраци­ях (после приема пищи). Он является главным транспортером глюкозы в клетках печени, кишеч­ника и почечных канальцев; поэтому поглощение глюкозы этими клетками возрастает при высокой ее концентрации. Из-за низкого сродства GLUT 2 к глюкозе ее поглощение печенью в базальном со­стоянии и при голодании невелико. Этот белок экс­прессируется также на поверхности р-клеток гры­зунов, но не человека.

В двух основных тканях-мишенях инсулина — скелетных мышцах и жире — присутствует GLUT 4. По-видимому, он локализуется внутри клеток и, по­этому, приобретает способность транспортировать глюкозу только после того, как инсулиновый сигнал (возникающий после приема пищи) вызовет его транслокацию в клеточную мембрану.

Амилин

Амилин представляет собой пептид из 37 ами­нокислотных остатков. Он вырабатывается р-клет- ками и хранится в секреторных гранулах вместе с инсулином (1 молекула амилина на 100 молекул инсулина). Под воздействием глюкозы и других стимуляторов Р-клеток амилин секретируется вме­сте с инсулином. Не исключено, что он регулирует функцию кишечника, но его точная физиологиче­ская роль остается неизвестной.

У большинства больных с длительным сахар­ным диабетом 2 типа в островках поджелудочной железы обнаруживаются отложения амилоида. Эти отложения представляют собой конгломераты нерастворимых фибриллярных белков, состоящих в основном из амилина и его предшественника.

Они постепенно занимают территорию островков и даже проникают внутрь р-клеток. Менее обшир­ные отложения амилоида иногда присутствуют в островках пожилых лиц и в отсутствие сахарного диабета. До сих пор не ясно, являются ли эти отло­жения причиной или следствием гиперстимуля­ции функции островков поджелудочной железы, характерной для сахарного диабета 2 типа. Недав­но было одобрено использование растворимого аналога амилина — прамлинтида у больных сахар­ным диабетом 1 типа, а также 2 типа, получающих инсулин.