Інсулін

Структура молекули інсуліну

Інсулін (від лат. insula — острів) — гормон пептидної природи, що утворюється в бета-клітинах острівців Лангерганса підшлункової залози. Робить багатогранний вплив на обмін речовин практично у всіх тканинах. Основна дія інсуліну полягає в зниженні концентрації глюкози в крові.

Інсулін збільшує проникність плазматичних мембран для глюкози, активує ключові ферменти гліколізу, стимулює перетворення в печінці і м'язах глюкози на глікоген, підсилює синтез жирів і білків. Крім того, інсулін пригнічує активність ферментів, що розщеплюють глікоген і жири. Тобто, крім анаболічної дії, інсулін володіє також і антикатаболічним ефектом.

Порушення секреції інсуліну унаслідок деструкції бета-клітин — абсолютна недостатність інсуліну — є ключовою ланкою патогенезу цукрового діабету 1-го типу. Порушення дії інсуліну на тканини — відносна інсулінова недостатність — має важливе місце в розвитку цукрового діабету 2-го типу.

Відкриття і дослідження

У 1869 році в Берліні 22-річний студент-медик Поль Лангерганс досліджуючи за допомогою нового мікроскопу будову підшлункової залози, звернув увагу на раніше не відомі клітини, створюючі групи, які були рівномірно розподілені в усій залозі. Призначення цих «маленьких купок клітин», надалі відомих як «острівці Лангерганса», було не зрозуміле, але пізніше Едуад Лагус показав, що в них утворюється секрет, який грає роль в регуляції травлення.

Кристали інсуліну

У 1889 році німецький фізіолог Оскар Мінковський (Oscar Minkowski) щоб показати, що значення підшлункової залози в травленні надумане, поставив експеримент, в якому провів видалення залози у здорового собаки. Через декілька днів після початку експерименту, помічник Мінковські, який стежив за лабораторними тваринами, звернув увагу на велику кількість мух, які зліталися на сечу піддослідного собаки. Дослідивши сечу, він виявив, що собака з сечею виділяє цукор. Це було перше спостереження, що дозволило зв'язати роботу підшлункової залози і цукровий діабет. У 1901 році був зроблений наступний важливий крок, Евген Опі (Eugene Opie) чітко показав, що «цукровий діабет обумовлений руйнуванням острівців підшлункової залози, і виникає тільки коли ці тільця частково або повністю зруйновані». Зв'язок між цукровим діабетом і підшлунковою залозою був відомий і раніше, але до цього не було ясно, що діабет пов'язаний саме з острівцями Лангерганса.

У наступні два десятиліття було зроблено декілька спроб виділити острівковий секрет як потенційні ліки. У 1906 році Георг Цюльцер (Georg Ludwig Zülzer) досяг деякого успіху в зниженні рівня глюкози в крові піддослідних собак панкреатичним екстрактом, але не міг продовжити свою роботу. Е Скотт (E.L. Scott) між 1911 і 1912 роками в Чиказькому університеті використовував водний екстракт підшлункової залози і відзначав «деяке зменшення глікозурії», але він не зміг переконати свого керівника у важливості своїх досліджень, і незабаром ці експерименти були припинені. Такий же ефект демонстрував і Ізраель Кляйнер в Рекфелірівському університеті в 1919 році, але його робота була перервана початком Першої світової війни, і він не зміг її завершити. Схожу роботу після дослідів у Франції в 1921 році опублікував і професор фізіології Румунської школи медицини Никола Паулеско, і багато хто, особливо в Румунії, вважають саме його першовідкривачем інсуліну.

Проте практичне виділення інсуліну належить групі вчених Торонтського університету. У жовтні 1920 року Фредерик Бантінг прочитав в роботах Мінковського про те, що якщо у собак перешкоджати виділенню травного соку з підшлункової залози, то залізисті клітки незабаром гинуть, а острівці залишаються живими, і цукровий діабет у тварин не розвивається. Цей цікавий факт примусив його задуматися над можливістю виділення із залози невідомого чинника, сприяючого зниженню рівня цукру в крові. З його записок: «Перев'язати собаці панкреатичну протоку. Залишити собаку, поки не руйнуватимуться ацинуси і залишаться тільки острівці. Спробувати виділити внутрішній секрет і подіяти на глікозурію.»

У Торонто Бантінг зустрівся з Дж. Маклаудом (J. Macleod) і виклав йому свої міркування в надії заручитися його підтримкою і отримати необхідне для роботи устаткування. Ідея Бантінга спершу здалася професорові абсурдною і навіть смішною. Але молодому ученому таки вдалося переконати Маклауда підтримати проект. І літом 1921 року він надав Бантінгу університетську лабораторію і асистента, 22-річного Чарльза Беста, а також виділив йому 10 собак. Їхній метод полягав в тому, що навколо вивідної протоки підшлункової залози затягувалася лігатура, перешкоджаючи виділенню із залози панкреатичного соку, і опісля декілька тижнів, коли зовнішнєсекреторні клітини загинули, живими залишалися тисячі острівців, з яких їм вдалося виділити білок, який достовірно знижував рівень цукру в крові у собак з видаленою підшлунковою залозою. Спершу його назвали «айлетін».

Після повернення з Європи, Маклауд оцінив значення всієї виконаної його підлеглим роботи, проте для того, щоб бути повністю упевненим в ефективності методу, професор зажадав ще раз переробити експеримент при ньому. І опісля декілька тижнів, було ясно, що друга спроба також успішна. Проте виділення і очищення «айлетіну» з підшлункових залоз собак було надзвичайно трудомісткою і тривалою роботою. Бантінг вирішив спробувати використовувати як джерело підшлункові залози ембріони телят, в яких ще не виробляються травні ферменти, але вже синтезується достатня кількість інсуліну. Це істотно полегшило роботу. Після рішення проблеми з джерелом інсуліну, наступним важливим завданням стало очищення білка. Для її вирішення в грудні 1921 року Маклауд привернув блискучого біохіміка, Джеймса Колліпа, який у результаті зумів розробити ефективний метод очищення інсуліну.

11 січня 1922 року, після безлічі успішних випробувань з собаками, страждаючому діабетом 14-річному Леонарду Томпсону була зроблена перша в історії ін'єкція інсуліну. Проте перший досвід застосування інсуліну виявився невдалим. Екстракт опинився недостатньо очищеним, і це привело до розвитку алергії, тому ін'єкції інсуліну були припинені. Наступні 12 днів Колліп напружено працював в лабораторії над поліпшенням екстракту. А 23 січня Леонарду була введена друга доза інсуліну. Цього разу, успіх був повним, не тільки не було явних побічних дій, але і у хворого перестав прогресувати діабет. Проте надалі Бантінг і Бест не спрацьовували з Колліпом і незабаром з ним розлучилися.

Було потрібно навчитися отримувати великі кількості чистого інсуліну. І перш ніж був знайдений ефективний спосіб швидкого промислового отримання інсуліну, була проведена дуже велика робота. Важливу роль в цьому зіграло знайомство Бантінга з Елі Ліллі, майбутнім засновником найбільшої фармакологічної компанії.

За це революційне відкриття Маклауд і Бантінг в 1923 році були удостоєні Нобелівської премії з фізіології і медицини. Бантінг спершу був сильно обурений, що його помічник Бест не був представлений до нагороди разом з ним, і спочатку навіть демонстративно відмовився від грошей, але потім все ж таки погодився прийняти премію, і свою частину урочисто розділив з Бестом. Так само поступив і Маклауд, поділивши свою премію з Колліпом. А патент на інсулін був проданий Торонтському університету за один долар, і незабаром почалося виробництво інсуліну в промислових масштабах.

Заслуга за визначення точної послідовності амінокислот, створюючих молекулу інсуліну (так звана первинна структура) належить британському молекулярному біологові Фредеріку Сенгеру. Інсулін став першим білком, для якого була повністю визначена первинна структура. За виконану роботу в 1958 році він був удостоєний Нобелівської премії з хімії. А через майже 40 років Дороті Кроуфут Ходжкин за допомогою методу рентгенівської дифракції визначила просторову будову (третинну структуру) молекули інсуліну. Її роботи також відмічені Нобелівською премією.

Будова молекули інсуліну

Молекула інсуліну утворена двома поліпептіднимі ланцюжками, що містять 51 амінокислотний залишок: A-ланцюжок складається з 21 амінокислотного залишку, B-ланцюжок утворений 30 амінокислотними залишками. Поліпептідні ланцюжки з'єднуються двома дисульфідними містками через залишки цистєїну, третій дисульфідний зв'язок розташований в A-ланцюжку.

Первинна структура інсуліну у різних біологічних видів декілька розрізняється, як розрізняється і його важливість в регуляції обміну вуглеводів. Найбільш близьким до людського є інсулін свині, який розрізняється всього одним амінокислотним залишком: у 30 положенні B-ланцюжка свинячого інсуліну розташований аланін, а в інсуліні людини — треонін; бичачий інсулін відрізняється трьома амінокислотними залишками.

Утворення і секреція

Головним стимулом до синтезу і виділення інсуліну служить підвищення концентрації глюкози в крові.

Синтез інсуліну в клітині

Синтез і виділення інсуліну є складним процесом, що включає декілька етапів. Спочатку утворюється неактивний попередник гормону, який після ряду хімічних перетворень в процесі дозрівання перетворюється на активну форму.

Ген, що кодує первинну структуру попередника інсуліну, локалізується в короткому плечі 11 хромосоми.

На рибосомах шорсткого ендоплазматичного ретикулуму (ЕПР) синтезується пептид-попередник — так званий препроїнсулін. Він є поліпептідним ланцюжком, побудованим з 110 амінокислотних залишків і включає розташовані послідовно: L-пептид, B-пептид, C-пептид і A-пептид.

Майже відразу після синтезу в ЕПР від цієї молекули відщеплюється сигнальний (L) пептид — послідовність з 24 амінокислот, які необхідні для проходження молекули, що синтезується, через гидрофобную ліпідну мембрану ЕПР. В результаті утворюється проінсулін, який транспортується в комплекс Гольджі, далі в цистернах якого відбувається так зване дозрівання інсуліну.

Дозрівання є найбільш тривалим етапом утворення інсуліну. В процесі дозрівання з молекули проінсуліну за допомогою специфічних ендопептидаз вирізується C-пептид — фрагмент з 31 амінокислотного залишку, що сполучає B-ланцюжок і A-ланцюжок. Тобто молекула проінсуліну розділяється на інсулін і біологічно інертний пептидний залишок.

У секреторних гранулах інсулін, з'єднуючись з іонами цинку, утворює кристалічні гексамерні агрегати.

Секреція інсуліну

Бета-клітини острівців Лангерганса чутливі до зміни рівня глюкози в крові; виділення ними інсуліну у відповідь на підвищення концентрації глюкози реалізується за наступним механізмом:

• Глюкоза вільно транспортується в бета-клетини спеціальним білком-переносником GLUT 2
• У клітині глюкоза піддається гліколізу і далі окислюється в дихальном циклі з утворенням АТФ; інтенсивність синтезу АТФ залежить від рівня глюкози в крові.
• АТФ регулює закриття іонних калієвих каналів, приводячи до деполяризації мембрани.
• Деполяризація викликає відкриття потенціал-залежних кальцієвих каналів, це приводить до струму кальцію в клітину.
• Підвищення рівня кальцію в клітині активує фосфоліпазу C, яка розщеплює один з мембранних фосфоліпідів — фосфатиділінозитол-4,5-біфосфат на інозитол-1,4,5-трифосфат і діацилгліцерат.
• Інозитолтрифосфат зв'язується з рецепторними білками ЕПР. Це приводить до вивільнення зв'язаного внутріклітинного кальцію і різкого підвищення його концентрації.
• Значне збільшення концентрації в клітині іонів кальцію приводить до вивільнення заздалегідь синтезованого інсуліну, що зберігається в секреторних гранулах.

У зрілих секреторних гранулах окрім інсуліну і C-пептиду знаходиться іони цинку і невеликі кількості проінсуліну та інших проміжних форм.

Виділення інсуліну з клітини походить шляхом екзоцитозу — зріла секреторна гранула наближається до плазматичної мембрани і зливається з нею, і вміст гранули видавлюється з клітини. Зміна фізичних властивостей середовища приводить до відщеплювання цинку і розпаду кристалічного неактивного інсуліну на окремі молекули, які і володіють біологічною активністю.

Регуляція утворення і секреції інсуліну

Головним стимулятором звільнення інсуліну є підвищення рівня глюкози в крові. Додаткове утворення інсуліну і його виділення стимулюється під час прийому їжи, причому не тільки глюкози або вуглеводів. Секрецію інсуліну підсилюють амінокислоти, особливо лейцин і аргінін, деякі гормони гастроентеропанкреатичної системи: холецистокінін, ГІП, а також такі гормони, як глюкагон, АКТГ, СТГ, естроген та інші і препарати сульфонілсечовини. Також секрецію інсуліну підсилює підвищення рівня калію або кальцію, вільних жирних кислот в плазмі крові. Знижується секреція інсуліну під впливом соматостатину.

Бета-клітини також знаходяться під впливом автономної нервової системи.

• Парасимпатична частина (холінергічні закінчення блукаючого нерва) стимулюють виділення інсуліну
• Симпатична частина (активація α2-адренорецепторів) пригнічує виділення інсуліну.

Причому синтез інсуліну наново стимулюється глюкозою і холінергичними нервовими сигналами.

Регуляторна дія інсуліну

Головне в дії інсуліну — його регулюючий вплив на обмін вуглеводів, зниження вмісту глюкози в крові, і Це досягається тим, що інсулін сприяє активному транспорту глюкози та деяких інших гексоз, а також пентоз через клітинні І мембрани та їх утилізації печінкою, м'язовою і жировою тканинами. Інсулін стимулює гліколіз, індукує синтез ферментів І глюкокінази, фосфофруктокінази і піруваткінази, стимулює пентозофосфатний І цикл, активуючи глюкозофосфатдегідрогеназу, підвищує синтез глікогену, активуючи глікогенсинтетазу, активність якої І знижена у хворих на цукровий діабет. З іншого боку, гормон пригнічує глікогеноліз (розкладання глікогену) та гліконеогенез.

Пов'язані захворювання

Проте в контексті проблеми, що розглядається, слід наголосити на особливій ролі інсуліну в регуляції енергетичного метаболізму в цілому, включаючи обмін не лише вуглеводів, а й жирів. Це стосується механізмів координованого збереження й утилізації паливних молекул у жировій тканині, печінці та скелетних м'язах. Після перетравлення їжі в організм надходить велика кількість вуглеводів, проте їх концентрація у периферичній крові та міжклітинному просторі завдяки активації екскреції інсуліну не досягає критичних величин. Цей гормон стимулює надходження глюкози в інсулінозалежні органи і тканини й одночасно пригнічує процеси утворення ендогенної глюкози завдяки супресії глюконеогенезу та глікогенолізу. Паралельно інсулін стимулює і синтез глікогену. Подібну дію інсулін також проявляє щодо обміну жирів. Це маніфестується стимуляцією процесів накопичення жиру в жировій тканині й пригніченням мобілізації жиру з депо внаслідок активації інсуліном ліпопротеїнової ліпази, що сприяє очищенню крові від тригліцеридів та інгібіції активності гормоночутливої ліпази. Одночасно інсулін стимулює надходження в ліпоцити глюкози та збуджує синтез внутрішньоклітинних тригліцеридів, тобто активує ліпогенез. У цьому плані жирова тканина виконує своєрідну буферну функцію, забезпечуючи нормалізацію концентрації жирів у плазмі, особливо в постпрандіальний період. У стані спокою або короткочасного голоду концентрація інсуліну в крові знижується, підвищується рівень контрінсулярних гормонів та стимулюється функція симпатичної нервової системи, що призводить до мобілізації печінкової глюкози та активації ліполізу з вивільненням із адипоцитів у кровообіг неетерифікованих ВЖК. За цих умов глюкоза переважно утилізується такими інсулінонезалежними тканинами, як нервова система та еритроцити, тоді як скелетні м'язи одержують енергію і за рахунок окислення жирних кислот. За подовженого стану голоду в печінці додатково відбувається перетворення жирних кислот у кетонові тіла, а ацетил-КоА – у глюкозу. Подібні зміни мають місце і при фізичному навантаженні організму, але з посиленням надходження глюкози в м'язи. Отже, накопичення і витрачання жирів є динамічним процесом, що протікає по-різному залежно від стану організму та його потреб в енергії. Слід також зауважити, що інсулін – не єдиний гормон, який регулює енергетичний обмін. Існує ціла низка контрінсулярних гормонів (глюкагон, адреналін, гормон росту і глюкокортикоїди), активність яких спрямовано на збільшення в циркуляції концентрації глюкози. Додатковим антагоністом інсуліну виступає симпатична нервова система, стимуляція якої призводить до вивільнення ВЖК із жирових клітин. Наявність такого складного регуляторного механізму передбачає можливість ушкодження або зниження чутливості тканин до регуляторних чинників процесів накопичення та утилізації енергетичних ресурсів на різних рівнях.

Використання інсуліну в якості ліків

При цукровому дiабетi.

Див. також

• Інсулінотерапія