Гормоны поджелудочной железы
В поджелудочной железе в разных ее клетках образуется 4 гормона:
- инсулин в В -клетках
- глюкагон в А-клетках
- соматостатин в D-клетках
- панкреатический полипептид в F-клетках
Инсулин – по химическому строению – это белок с небольшой молекулярной массой. Он состоит из двух полипептидных цепей А и В (21 и 30 аминокислотных остатков соответственно), объединенных дисульфидными мостиками. В-клетки вначале синтезируют белок-предшественник инсулина. Его называют препроинсулином и состоит он из 104 остатков аминокислот. В течение нескольких минут от него с N-конца отщепляется микросомальными протеазами фрагмент полипептидной цепи и образуется проинсулин. Он переносится в аппарат Гольджи β-клеток, где происходит его «упаковка» в микропузырьки. В этих секреторных гранулах мембранными протеазами в проинсулине выстригается С-пептид, и проинсулин превращается в инсулин. Высвобождение содержимого из зрелых гранул (микропузырьков) происходит путем их перемещения к плазматической мембране В-клеток. После слияния их мембран инсулин и С-пептид выталкиваются во внеклеточное пространство (экзоцитоз) и затем попадают в кровь.
В периферической крови здоровых лиц доля проинсулина не превышает 15% от общего содержания активного инсулина. При патологии доля проинсулина может возрастать до 65-90% от общего количества инсулина плазмы. Однако активность его в 20 раз ниже , чем у инсулина, что вызовет возникновение патологии.
Концентрация инсулина в плазме периферической крови составляет 10-20 миллиЕд/литр.
У больных сахарным диабетом, получавшим с терапевтической целью инсулин других животных (свиной, крупного рогатого скота), выробатываются антитела к этому гормону, и они препятствуют определению инсулина крови методами РИА (радиоиммуннологического) и ИФА (иммуноферментного) анализов. В таких случаях оценить содержание собственного эндогенного инсулина можно лишь через определение С-пептида. В норме соотношение С-пептид/инсулин в плазме крови составляет: 0,9-3,5 / 0,4-0,8 нг/мл (1 мг инсулина содержит 20 МЕ). Количество С-пептида в этом случае дает представление о содержании инсулина в плазме. Если в крови мало С-пептида на фоне высокого содержания инсулина – это экзогенный, чаще свиной, инсулин. Инсулин свиной отличается от гормона человека только присутствием аланина вместо треонина в терминальном положении В-цепи. Бычий инсулин имеет большее число различий в составе аминокислот. Разработан и осуществляется в настоящее время синтез инсулина человека с помощью обратной транскриптазы. Синтетические гены, кодирующие инсулин, объединяют с геномом клетки E.coli, которые начинают синтезировать инсулин человека.
1. Регуляция секреции инсулина. Наиболее мощным регулятором секреции инсулина является глюкоза. Колебания инсулина в плазме крови у здоровых лиц повторяют колебания в ней содержания глюкозы. Повышение уровня глюкозы ведет к усилению секреции и повышению в крови количества инсулина, вслед за снижением уровня глюкозы понижается содержание инсулина. Предложены две гипотезы, объясняющие регуляцию биосинтеза инсулина - метаболическая и мембранная (рецепторная). Общую цепь событий в В-клетке можно описать следующим образом: глюкоза прикрепляется к рецептору на мембране В-клеток и запускает ряд химических реакций, представленных на рисунке:
2. Стимулируют секрецию инсулина помимо глюкозы белки, аминокислоты, триглицериды, НАДН, НАДФН, а также
3. Гормоны желудочно-кишечного тракта:
- гастрин;
- секретин;
- холецистокинин;
- вазоактивный полипептид;
- желудочный ингибиторный полипептид и др. гормоны ЖКТ оказывают стимулирующее влияние на секрецию инсулина.
Действием последних гормонов объясняется тот факт, что реакция поджелудочной железы и содержание инсулина на пероральную нагрузку глюкозой в 2 и более раз превосходит его реакцию на внутривенную нагрузку, хотя в последнем случае уровень глюкозы в крови возрастает больше.
Врачу важно обратить внимание на двухфазность реакции В-клеток. Начальный, небольшой, но быстрый «всплеск» секреции инсулина начинается в пределах 1 минуты после введения глюкозы и достигает максимума ко 2 минуте. Затем начинается вторая фаза. Она характеризуется постепенным приростом уровня инсулина, спустя 5-10 мин после нагрузки глюкозой. Наличие 2-х фаз объясняется, очевидно, тем, что в В-клетках имеется резерв инсулина. Он выбрасывается в первые минуты (I- фаза), а затем начинается стимулируемый глюкозой синтез инсулина (II-фаза).
4. Определенное влияние на секрецию инсулина оказывают и другие гормоны эндокринных желез. Действие некоторых из них является, очевидно, косвенным, через глюкозу. Так, глюкагон, АКТГ, эстрогены, прогестины, тиреоидные гормоны, глюкокортикоиды, повышая в крови содержание глюкозы, стимулируют секрецию инсулина.
Рецепторы инсулина и механизм транспорта глюкозы
Инсулин, как и другие полипептидные гормоны, связывается со специфическими рецепторами на плазматической мембране органов-мишеней.
Инсулиновый рецептор – это компонент клеточной мембраны, который избирательно распознает и связывает высокоспецефичный инсулин. Число таких рецепторов на мембране клетки колеблется от 50.000 (в адипоцитах) до 250.000 (в гепатоцитах).
В покое инсулином занято ~ 10% рецепторов, т.е. у здоровых лиц имеется большой резерв рецепторов, которым определяется чувствительность клеток к инсулину. Количество рецепторов на мембране не постоянно и зависит от многих причин. Так, например, при ожирении или гиперинсулинемии число инсулиновых рецепторов уменьшается, а при гипоинсулинемии и голодании оно увеличивается. Эффект действия инсулина может также нарушаться вследствие появления антител к рецепторам или изменения их структуры - сродства к инсулину.
Регуляция транспорта глюкозы при участии инсулина описывается следующим образом. Прикрепляясь к специфическому рецептору на наружной стороне мембраны, гормон стимулирует фосфорилирование той части рецептора, которая находится внутри клетки. Это служит сигналом для извлечения из везикул цитоплазмы клеток белка транспортера глюкозы (Glu-T), который направляется к плазматической мембране клетки, встраивается в нее и обеспечивает транспорт глюкозы. При снижении концентрации инсулина Glu-Т возвращается в состав везикул цитоплазмы клеток.
Биологические эффекты действия инсулина
Инсулин – это основной гормон, который контролирует обмен и накопление (+) поступающих в организм энергетических ресурсов - гликогена, липидов, белков. Секреция инсулина после еды облегчает всасывание, утилизацию и их накопление. Снижение в крови содержания инсулина приводит к мобилизации выше перечисленных эндогенных ресурсов. Действие инсулина на обмен веществ осуществляется во всех органах и тканях, но главными органами мишенями являются: печень, скелетные мышцы и жировая ткань, в которых наиболее эффективно с помощью инсулина регулируется обмен углеводов.
Влияние инсулина на транспорт и обмен углеводов в различных тканях.
Транспорт глюкозы в клетки по градиенту концентрации осуществляется с помощью специальных белков, переносчиков глюкозы, которые обозначаются GluT и нумеруются в соответствии с их распределением в тканях:
GluT-1 – в эндотелии кровеносных сосудов гематоэнцефалического барьера и обеспечивает поток глюкозы в мозг;
GluT-2 – в печени, кишечнике и почках, т.е. органах, которые выделяют глюкозу в кровь, а также в В-клетках;
GluT-3 – в нейронах мозга и обеспечивают к ним приток глюкозы;
GluT-4 – переносчик глюкозы в скелетных мышцах и адипоцитах, где синтезируются, соответственно, гликоген и липиды;
GluT-5 в тонком кишечнике.
GluT существует в двух конформациях: одна до связывания глюкозы на внеклеточной стороне мембраны; вторая – когда глюкоза связывается с рецептором, от этого изменяется конформация GluT- и глюкоза оказывается внутри клетки. Важно обратить внимание на тот факт, что это семейство белков, переносчиков глюкозы по градиенту концентрации, отличается от белков, транспортирующих моносахариды пищи из кишечника против концентрационного градиента (симпорт совместно с транспортом натрия).
Работа белков - транспортеров глюкозы в одних тканях контролируется инсулином, особенно GluT-4 в тканях скелетных мышц и адипоцитах. В других тканях транспорт глюкозы не зависит от инсулина. Отсюда возникло понятие об инсулин-зависимых и -независимых тканях:
– ЦНС , надпочечники, гонады поглощают глюкозу из крови без участия инсулина (инсулин-независимые ткани);
– Скелетные мышцы, липоциты, жировая и соединительная ткань, клетки крови – являются абсолютно инсулинзависимыми, где транспорт глюкозы белком GluT-4 контролируется инсулином;
– Печень, почки, миокард – занимают промежуточное положение. Плазматическая мембрана гепатоцита (в отличие от миоцита и липоцита) свободно проницаема для нейтральной глюкозы.
Полагают, что помимо эффекта действия на транспорт глюкозы, инсулин может путем рецепторного эндоцитоза проникать в клетку и даже клеточное ядро, где взаимодействует с геномом. Среди цитоплазматических посредников действия инсулина лучше всего изучен белок IRS-1, который фиксирует на себе ряд инсулинзависимых энзимов (серин-треониновых киназ) и стимулирует или ингибирует через них активность ферментов обмена углеводов, липидов и белков.
Эффект действия инсулина на обмен углеводов проявляется прежде всего в тканях печени, почек, скелетных мышц и жировой ткани. В них инсулин:
(+) повышает активность ключевых ферментов гликолиза (гексокиназы, глюкокиназы, очевидно, за счет повышения в цитоплазме клеток содержания глюкозы и глюкозо-6-фосфата);
(+) увеличивает скорость пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Полагают, что этот эффект обусловлен стимуляцией синтеза жирных кислот, где окисляются коферменты ПФП (НАДФН2);
(+) стимулирует синтез гликогена, прежде всего в печени, за счет повышения содержания глюкозы, глюкозо-6-фосфата и активности гликогенсинтетазы;
( - ) инсулин ингибирует активность фосфорилазы (т.е. распад гликогена);
( - ) инсулин тормозит активность ферментов глюконеогенеза и преж-
де всего тех, которые катализируют превращение пирувата в фосфоенолпируват.
Эти эффекты действия инсулина понижают содержание глюкозы в крови. При недостатке инсулина (гипоинсулинемии) вышеописанные метаболические процессы приобретают противоположное направление, и тогда развивается гипергликемия – главный симптом сахарного диабета.
Основным органом, определяющим поглощение или высвобождение глюкозы, является печень. Ее гликогенсинтетаза и фосфорилаза крайне чувствительны к изменению концентрации глюкозы и инсулина в крови. При повышении уровня глюкозы всего на 15-20% уровень инсулина в крови возрастает на 60-100%, что приводит к полному прекращению выхода глюкозы из печени.
Таким образом, можно признать, что в регуляции баланса глюкозы в крови принимают участие, как сама глюкоза, стимулирует образование инсулина, так и инсулин. Эффекты их действия реализуются, прежде всего, в печени и меньше в скелетных мышцах и жировой ткани.
Влияние инсулина на обмен липидов
У человека липогенез (синтез ВЖК) происходит в основном в печени, а не в жировой ткани. Липиды затем переносятся в составе ЛПОНП в жировую ткань, где используются для биосинтеза триглицеридов.
Инсулин:
1. (+) стимулирует синтез ВЖК в печени, путем повышения скорости гликолиза, ЦТК, ПФП, повышения содержания интермедиатов, используемых на пути биосинтеза ВЖК (НАДФН2, а-ГФ, малонил-КоА и др.)
2. (+) повышает скорость этерификации жирных кислот;
3. (+) стимулирует синтез ЛПОНП;
4. (+) активирует на поверхности клеток эндотелия и жировой ткани липопротеинлипазу и облегчает этим поглощение тканями триглицеридов из плазмы крови;
( - ) ингибирует в липоцитах жировой ткани активность триглицеридлипазы и этим ограничивает гидролиз триглицеридов и выход продуктов их распада в кровяное русло.
Антилиполитические действия инсулина проявляются даже при низких концентрациях гормона, которые недостаточны для регуляции обмена углеводов.
Инсулин понижает также уровень кетоновых тел в крови. Это объясняется тем, что инсулин понижает способность печени окислять жирные кислоты и образование из них ацетил-КоА, а затем кетоновых тел. Более того, он ускоряет их окисление.