Синтез і секреція інсуліну

II. Синтез і секреція інсуліну

Молекула інсуліну побудована з двох пептидних ланцюгів: ланцюг А містить 21 амінокислотний залишок, ланцюг Б - 30 залишків. Ланцюги з'єднані між собою двома дисульфідними містками. Інсуліни багатьох тварин дуже подібні за первинну структуру. З інсуліном людини найбільш схожий інсулін свині, відмінність є лише в одній позиції: в ланцюзі У, 30-я позиція (С-кінцевий залишок) - у людини Тре, у свині Ала:

Освіта інсуліну з проінсуліну. Стрілки вказують на гідролізуемих пептидні зв'язку.

Інсулін утворюється з препроінсуліну в результаті посттрансляційної модифікації. Ген препроінсуліну в геномі людини представлений єдиною копією. В даний час інтенсивно вивчаються будова промоторной області та механізми регуляції гена інсуліну.

Синтез препроінсуліну відбувається на полірібосомамі, пов'язаних з ендоплазматичним ретикулумом. Препроинсулин проникає в люмен ретикулума, де від нього відщеплюється лідируюча послідовність - N-кінцевий фрагмент, що містить 24 амінокислотних залишку. Утворився проінсулін (86 залишків) переміщається в люмен до апарату Гольджі, де упаковується в секреторні гранули. В апараті Гольджі і секреторних гранулах відбувається перетворення проінсуліну в інсулін. У цьому беруть участь дві ендопептідази: прогормон конвертази 2 і 3 (ПГ2 і ПГ3; останню називають також ПГ1). Ці ферменти розщеплюють зв'язку Арг32-Глу33 і Арг65-Глі66. Потім С-кінцеві залишки Арг і Ліз отщепляются карбоксипептидази Е (КП-Е; відома також як КП-Н) [Е і Н - лат.]. Цей фермент є у багатьох інших органах, де бере участь в процессинге ряду гормонів і нейромедіаторів.

Т.ч. в секреторних гранулах містяться (і секретуються з них) інсулін і С-пептид в еквімолярних кількостях. Довгий час С-пептид розглядали як фізіологічно неактивна речовина. Однак недавно було виявлено, що він в фізіологічних концентраціях стимулює споживання глюкози клітинами м'язів здорової людини і хворих ВИД приблизно в такій же мірі, як інсулін.

Таблиця 1. Гени, індуковані глюкозою та інсуліном

При стимуляції глюкозою інсулін швидко звільняється з секреторних гранул, а кількість інсулінової мРНК в клітині зростає в результаті активації транскрипції і стабілізації мРНК. Активація транскрипції вимагає освіти метаболітів глюкози на стадіях гліколізу. Синтез і секреція інсуліну не є міцно сполученими процесами. Наприклад, при відсутності Ca2 + в середовищі глюкоза не стимулює секрецію інсуліну, в той час як синтез активується. Глюкоза стимулює синтез інсулінової мРНК при тривалій інкубації (2 - 72 години). При інкубації протягом 1 години скільки-небудь істотного збільшення мРНК не відбувається, і в той же час включення мічених амінокислот в проінсулін зростає в 10 - 20 разів. При цьому актиноміцин D (інгібітор транскрипції) не пригнічує синтез проінсуліну. З цього випливає, що первісна стимуляція синтезу (протягом приблизно 20 хвилин після додавання глюкози) відбувається з використанням предсуществующей мРНК і регулюється на рівні трансляції.

Секреція інсуліну і С-пептиду відбувається шляхом екзоцитозу. Інсулін в розчині легко утворює олігомерні агрегати, переважно димери і гексамери; іони цинку сприяють такій агрегації. У такій формі інсулін перебуває в секреторних гранулах. Після секреції вмісту гранул в кров олігомери розпадаються.

Глюкоза, амінокислоти (особливо аргінін і лізин), кетонові тіла і жирні кислоти у фізіологічних концентраціях стимулюють секрецію інсуліну, причому стимуляція амінокислотами, кетоновими тілами і жирними кислотами проявляється при певній (субстімулірующей) концентрації глюкози. Лактат, піруват, гліцерин не впливають. Глюкоза є головним регулятором секреції інсуліну.

На малюнку показані зміни концентрації інсуліну в крові людини після прийому їжі. Одночасно зі стимуляцією b-клітин до секреції інсуліну відбувається інгібування секреції глюкагону з a-клітин острівців Лангерганса:

Зміна концентрацій в крові глюкози, інсуліну і глюкагону після прийому піщі.1 Од інсуліну містить 0,4081 мг білка інсуліну.

Час напіврозпаду інсуліну в крові - 3-10 хв, С-пептиду - близько 30 хв. Кров при одноразовому проходженні через печінку втрачає до 60% інсуліну. У нирках затримується до 40% інсуліну, що міститься в протікає через нирки крові, причому в клубочках інсулін фільтрується, а потім, поряд з іншими білками первинної сечі (альбумін, гемоглобін і ін.), Реабсорбируется і руйнується в клітинах проксимальних канальців.

Регуляція секреції інсуліну залежить від глюкозосенсорной системи b-клітин, що забезпечує пропорційність між концентрацією глюкози в крові і секрецією інсуліну. Споживання глюкози b-клітинами відбувається за участю ГЛЮТ1 (основний переносник глюкози в b -клітинах людини) і, можливо, ГЛЮТ2. Цей ступінь не є лімітуючої: концентрація глюкози в клітці швидко зрівнюється з концентрацією в крові. В b -клітинах глюкоза перетворюється в глюкозо-6-фосфат глюкокіназа (гексокиназой IV, як і в глюкозосінтезірующіх органах - печінці, нирках), що має високу км для глюкози - 12 мМ (Км гексокінази I, II і III - від 0,2 до 1,2 мМ). Внаслідок цього швидкість фосфорилювання глюкози практично лінійно залежить від її концентрації в крові. Крім того глюкокіназа в b -клітинах - лимитирующее ланка гліколізу. Тому глюкокіназа, ймовірно, основною (але не єдиний) елемент глюкозосенсорной системи b-клітин. Мутації глюкокинази призводять до розвитку однієї з форм цукрового діабету - діабет I типу у дорослих (MODY).

Специфічний інгібітор глюкокинази манногептулоза пригнічує стимуляцію глюкозою синтезу і секреції інсуліну. Це вказує на те, що безпосередні сигнали, що регулюють синтез і секрецію інсуліну, утворюються в результаті метаболізму глюкози. Природа цих молекул невідома. Згідно з наявними уявленнями, роль такої молекули може виконувати АТФ (точніше - відношення [АТФ] / [АДФ]). Гіпотеза обґрунтовується тим, що секреція інсуліну стимулюється тільки метаболізуються речовинами - джерелами енергії. Наприклад, глюкоза і глицеральдегид стимулюють секрецію пропорційно швидкості їх метаболізму. Гліцерин не метаболізується в b-клітинах (низька активність гліцеролкінази) і не стимулює секрецію інсуліну. Однак після обробки рекомбінантним аденовирусом, що містить бактеріальний ген гліцеролкінази, клітини набувають здатність відповідати на гліцерин секрецією інсуліну в такій же мірі, як і на глюкозу.

Ряд даних вказує на участь в регуляції секреції інсуліну не тільки гліколізу, але і мітохондріальних процесів. Зокрема, істотне значення можуть мати анаплеротіческіе (заповнюють, компенсуючі) реакції: піруват ® оксалоацетат, глутамат ® a -кетоглутарат. Ці реакції збільшують кількість компонентів цитратного циклу, а отже і його потужність. Стимульована глюкозою секреція інсуліну посилюється деякими амінокислотами, жирними кислотами, кетоновими тілами: т. О. в стимуляції секреції бере участь не тільки глюкоза, але всі основні енергоносії. Інакше кажучи, секреція інсуліну пропорційна калорійності споживаної їжі. Окислення основних енергоносіїв в циклі лимонної кислоти, посиленому анаплеротіческімі реакціями, може швидко привести до зміни відносин АТФ / АДФ і НАДН / НАД + в клітині. Зміна концентрації цих речовин в свою чергу призводить до появи друге вісників сигналу (можливо - Са2 +. ЦАМФ, диацилглицерол, інозитол-3-фосфат), які включають процес екзоцитозу інсулінових гранул.

Механізми активації екзоцитозу залишаються неясними. Ряд експериментальних даних вказує на участь Са2 + / кальмодулін-залежної протеїнкінази (КаМПК), а також поліфункціональної КаМПК II, яка знайдена в острівцях щури і активується глюкозою.

Глюкокіназа - основний елемент глюкозосенсорного механізму b-клітин - є також і в a -клітинах, а гліколіз прискорюється пропорційно позаклітинної концентрації глюкози і в тих, і в інших клітинах. Тим часом секреція гормону (інсуліну і глюкагону відповідно) стимулюється глюкозою в b -клітинах і пригнічується в a -клітинах. Можливо, це пов'язано з тим, що в b -клітинах, на відміну від a-клітин, дуже висока активність піруваткарбоксілази (анаплеротіческій фермент), порівнянна з активністю в клітинах, для яких характерний глюконеогенез (печінка, нирки). При цьому спостерігається пропорційність між збільшенням концентрації цитрату і малата в клітинах і секрецією інсуліну. Можна думати, що якісь метаболіти цих шляхів або пов'язана з ними активація піруват-малатного човникового механізму беруть участь в сполученні стимулу з секрецією інсуліну.

Популяція b-клітин в острівцях неоднорідна. Зокрема є клітини з різною чутливістю до глюкози. Це ще один елемент глюкозосенсорного механізму: при високій концентрації глюкози збільшується число клітин, які секретують інсулін.

Порушення секреції інсуліну - одна з причин розвитку инсулиннезависимого цукрового діабету.