Химические свойства

Молекула инсулина — полипептид, состоящий из двух цепей, А и В, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, соединяющими остаток А7 с остатком В7 и остаток А20 с остатком В19. Тре­тий дисульфидный мостик связывает между собой остатки 6 и 11 А-цепи. Локализация всех трех дисульфидных мостиков постоянна, а А- и В-цепи у пред­ставителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислот соответственно. В обеих цепях во многих положениях встречаю­тся замены, не оказывающие влияния на биологиче­скую активность гормона, однако наиболее часты замены по положениям 8,9 и 10 А-цепи. Из этого сле­дует, что данный участок молекулы не имеет крити­ческого значения для биологической активности ин­сулина. Однако некоторые участки и области молеку­лы инсулина обладают высокой консервативностью.

К ним относятся 1) положения трех дисульфидных мостиков, 2) гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи и 3) С- и N-концевые участки А-цепи. Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислот шести этих участков помо­гли идентифицировать сложный активный центр. Расположенный на С-конце В-цепи гидро­фобный участок участвует также в димеризации ин­сулина.

Между инсулином чело века, свиньи и быка существует большое сходство.

Инсулин свиньи отличается от человеческого инсу­лина одной-единственной аминокислотной заменой: вместо треонина в положении 30 В-цепи находится аланин. В бычьем инсулине помимо этого треонин А8 заменен на аланин, а изолейцин А10—на валин. Эти замены практически не влияют на биологиче­скую активность гормона и очень слабо влияют на его антигенные свойства. Хотя у большинства боль­ных, получавших гетерологичный инсулин, обнару­живаются циркулирующие в небольшом титре анти­тела против введенного гормона, некоторые пациен­ты демонстрируют титр антител клинически значи­мой величины. До тех пор пока человеческий инсу­лин не научились получать с помощью методов ге­нной инженерии, для терапевтических целей исполь­зовали обычно бычий и свиной инсулины. Несмотря на значительные различия в первичной структуре, все три инсулина имеют сходную биологическую ак­тивность.

Инсулин образует очень интересные сложные структуры. Цинк, концентрация которого в В-клетках достигает высоких значений, формирует комплексы с инсулином и проинсулином. Инсулины всех позвоночных образуют изологичные димеры с помощью водородных связей между пептидными группами остатков В24 и В26 двух мономеров, кото­рые при высоких концентрациях в свою очередь ре­организуются в гексамеры, содержащие по два ато­ма цинка каждый. Наличие такой высоко упорядо­ченной структуры облегчило изучение кристалличе­ской структуры инсулина. При физиологических концентрациях инсулин находится, вероятно, в мо­номерной форме.

Биосинтез

А. Предшественники инсулина. Инсулин синтези­руется в виде препрогормона (мол. масса 11 500). Он может служить примером пептида, образующегося в результате различных преобразований из более крупной молекулы предшественника. Состоит из 23 аминокислот- гидрофобная лидерная последовательность (пре-фрагмент) направ­ляет молекулу-предшественник в цистерну эндоплазматического ретикулума и там отделяется. В резуль­тате образуется молекула проинсулина (мол. масса 9000), принимающая конформацию, необходимую для образования нужных дисульфидных мостиков. Молекула проинсулина имеет следующее строение, считая от аминоконца:

В-цепь -С-пептид-А-цепь

Молекула проинсулина расщепляется в нескольких специфических участках с образованием эквимолярных количеств зрелого инсулина и С-пептида.

Б. Предшественники других гормонов островковых клеток. Синтез других гормонов островковых клеток также требует ферментативного превраще­ния молекул-предшественников с большей молеку­лярной массой. В образовании этих гормонов уча­ствуют различные комбинации эндопротеолитических (трипсиноподобных) и экзопротеолитических (подобных карбоксипептидазе-В) ферментов, посколь­ку обладающие гормональной активностью по следовательности могут обнаруживаться в различ­ных участках молекулы-предшественника: соматостатин — на карбоксильном конце молекулы, пан­креатический полипетид — на аминоконце, инсу­лин— на обоих концах и глюкагон — в средней ча­сти.

В. Субклеточная локализация синтеза инсулина и формирование гранул. Синтез инсулина и его упа­ковка в гранулы происходит в определенном поряд­ке. Проинсулин синтезируется на рибосо­мах шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем в цистернах этой органеллы происходит ферментативное отщепление лидерной последова­тельности (пре-сегмент), образование дисульфидных мостиков и складывание молекулы. После этого молекула проинсулина переносится в аппарат Гольджи, где начинаются протеолиз и упаковка в се­креторные гранулы. Созревание гранул продолжае­тся по мере продвижения по цитоплазме в направле­нии плазматической мембраны. Как проинсулин, так и инсулин соединяются с цинком, образуя гексамеры, но поскольку около 95% проинсулина превра­щается в инсулин, то именно кристаллы последнего придают гранулам их морфологические особенно­сти. Наряду с инсулином в гранулах содержатся так­же эквимолярные количества С-пептида, однако эти молекулы не образуют кристаллических структур. При соответствующей стимуляции зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, выбрасы­вая свое содержимое во внеклеточную жидкость пу­тем эмиоцитоза.

Г. Свойства проинсулина и С-пептида. Длина проинсулинов колеблется от 78 до 86 аминокислот, при­чем эти различия обусловлены длиной С-пептида. Проинсулин имеет ту же растворимость и изоэлектрическую точку, что и инсулин. Он также образует гексамеры с кристаллами цинка и реагирует с анти­сывороткой к инсулину. Биологическая активность проинсулина составляет менее 5% биологической ак­тивности инсулина. Отсюда следует, что большая часть активного центра инсулина в молекуле предше­ственника замаскирована. Некоторая часть проинсу­лина секретируется вместе с инсулином, а в опреде­ленных ситуациях (опухоль из островковых клеток) он высвобождается в больших количествах, чем в норме. Поскольку период полужизни проинсулина в плазме значительно выше, чем у инсулина, и при этом проинсулин дает сильную перекрестную реак­цию с антисывороткой к инсулину, уровень «инсули­на», определяемый радиоиммунологическим мето­дом, в некоторых случаях может превышать содер­жание биологически активного гормона.

Какой-либо биологической активности С-пептида не обнаружено. Эта молекула обладает иными анти­генными свойствами, чем инсулин и проинсулин, поэтому иммунологическое определение С-пептида позволяет отличить эндогенносекретируемый инсу­лин от вводимого гормона и дает возможность су­дить о количестве эндогенного инсулина в тех слу­чаях, когда его прямое определение оказывается не­возможным из-за наличия инсулиновых антител. С-пептиды представителей различных видов характе­ризуются высокой частотой аминокислотных замен, что подтверждает положение о вероятном отсут­ствии биологической активности у этого фрагмента.

Д. Предшественники пептидов, родственных инсу­лину. Структурная организация молекулы прогормона неспецифична для предшественника инсулина. Предшественники близкородственных инсулину пеп­тидных гормонов (релаксина и инсулиноподобных факторов роста) имеют такую же организацию. У всех этих гормонов последовательности А- и В-цепей в молекуле предшественника имеют на кар­боксильных и аминоконцах высокогомологичные участки, соединяющиеся между собой связующим пептидом. В пептидных предшественниках инсулина и релаксина по обе стороны от связующего пептида расположены по две основные аминокислоты, соеди­няющие его с А- и В-цепями. После возникновения между А- и В-цепями дисульфидных мостиков связующий пептид вырезается в результате эндопротеолиза, и молекула превращается в пептидный гор­мон, состоящий из двух (А и В) цепей. Инсулиноподобные факторы роста, будучи высокогомологичны­ми инсулину и релаксину по своей первичной струк­туре, тем не менее имеют одно важное отличие: в мо­лекуле их предшественника отсутствуют участки, по которым происходит отщепление связующего пептида, и поэтому активные гормоны сохраняют структуру единой полипептидной цепи.

Е. Ген инсулина человека. Ген человеческого ин­сулина локализован в коротком плече хро­мосомы 11. У большинства млекопитающих экспрессируется один ген инсулина, организованный подобно человеческому гену, но у крыс и мышей имеются два неаллельных гена. В каждом из них за­кодирован особый проинсулин, дающий начало двум различным активным молекулам инсулина. В настоящее время разработан метод получения че­ловеческого инсулина в бактериальных экспрессирующих системах с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Таким образом, проблему получе­ния этого гормона в количествах, необходимых для больных диабетом, можно считать решенной.

Ж. Аномальные продукты гена инсулина человека. Знание структуры инсулинового гена и инсулиновой молекулы позволяет выявлять аномальные продук­ты гена, что в свою очередь дает дополнительную информацию о функции данного гормона. Выявле­ны три мутации этого гена, причем для каждой из них идентифицирована молекулярная основа дефек­та. В одном случае в результате мутации единичного основания на месте фенилаланина-В24 оказался се­рии, в другом (опять-таки в результате единичной мутации) произошла замена фенилаланина-В25 на лейцин. В третьем случае изменился процессинг проинсулина в активный гормон: мутация нарушила от­щепление З'-конца С-пептида на границе с А-цепью. В основе этого дефекта лежит замена дипептида Lуs-Агg в этом месте полипептидной цепи на Lуs-Х, в результате которой трипсиноподобное расщепление оказалось невозможным. Выявлению описанных му­таций способствовала их локализация в активном центре молекулы инсулина, в результате чего у соот­ветствующих носителей 1) имеет место гиперинсулинемия, 2) отсутствуют признаки инсулинорезистентности, 3) снижена биологическая активность цирку­лирующего в крови инсулина и 4) отмечается норма­льная реакция на экзогенный инсулин. По крайней мере еще четыре нуклеотидные замены были иденти­фицированы у «здоровых» людей. Эти мутации ло­кализованы во вставочных (т. е. некодирующих) по­следовательностях, и на функциональную актив­ность молекулы инсулина они не повлияли.