Биохимия гормонов пептидной и белковой природы
.pdfЗанятие. Гормоны белки, пептиды
План «Биохимия гормонов пептидной и белковой природы»
1.Инсулин: химическая природа, структура, этапы биосинтеза, катаболизм.
2.Механизм действия инсулина, клетки-мишени, характеристика рецепторов,
субстраты инсулинового рецептора.
3.Регуляция синтеза и секреции инсулина.
4.Влияние инсулина на обмен веществ в организме.
5.Глюкагон: биосинтез, клетки-мишени, механизм действия, влияние на метаболизм.
6.Гормоны гипоталамуса: классификация, химическая природа, клетки-мишени,
механизм действия, биологическая роль.
7.Гормоны гипофиза: классификация, химическая природа, клетки-мишени,
механизм действия, биологическая роль.
8.Соматотропный гормон (гормон роста): химическая природа, клетки-мишени,
регуляция секреции, механизм действия, биологическая роль, нарушение синтеза и секреции.
1.Инсулин: химическая природа, структура, этапы биосинтеза, катаболизм.
ИНСУЛИН
Строение Представляет собой полипептид, состоящий из двух цепей А и В,
связанных между собой дисульфидными мостиками, в инсулине человека 51
аминокислота и ММ 5,7 Д. Синтез Синтезируется в клетках поджелудочной железы в виде проинсулина, в этом виде он упаковывается в секреторные гранулы и уже здесь образуется инсулин и С-пептид.
1
Локализация биосинтеза: инсулин синтезируется вβ-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы и выделяется в кровь в ответ на повышение уровня глюкозы в крови.
Химическая природа: белок четвертичной структуры. Инсулин может существовать в нескольких формах: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизируется ионами цинка. Субъединица инсулина состоит из двух полипептидных цепей.
Структура проинсулина |
Структура инсулина |
|
Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В - 30 аминокислотных остатков. Обе цепи соединены между собой двумя дисульфидными мостиками.
Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последовательного протеолиза превращаются в активный гормон.
2
Биосинтез препроинсули-
на начинается с образова-
ния сигнального пептида на полирибосомах, связанных с ЭР. Сигнальный пептид проникает в просвет ЭР и направляет туда поступление
полипептидной цепи.
Схема биосинтеза инсулина
После окончания синтеза препроинсулина сигнальный пептид, включающий 24
аминокислотных остатка, отщепляется. Проинсулин (86 аминокислотных остатков)
поступает в аппарат Гольджи, где под действием специфических протеаз расщепляется в нескольких участках с образованием инсулина (51 аминокислотный остаток) и С-пептида, состоящего из 31 аминокислотного остатка. Инсулин и С-
пептид в эквимолярных количествах включаются в секреторные гранулы. В гранулах инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, и инсулин и С-пептид секретируются во внеклеточную жидкость в результате экзоцитоза. После секреции в кровь олигомеры инсулина распадаются. Период полураспада (T1/2) инсулина в плазме крови составляет 3-10 мин, С-пептида - около 30 мин.
2.Механизм действия инсулина, клетки-мишени, характеристика рецепторов,
субстраты инсулинового рецептора.
Механизм действия. Рецептор инсулина представляет собой гликопротеин,
построенный из двух димеров, каждый из которых состоит из α- и β-субъединиц.
После связывания инсулина с рецептором активируется ферментативный домен рецептора. Так как он обладает тирозинкиназной активностью, то фосфорилирует внутриклеточные белки, которые называются субстраты инсулинового рецептора.
3
Активация рецептора инсулина –
тирозиновой протеинкиназы
Рецептор инсулина - тирозиновая протеинкиназа, фосфорилирующая белки по ОН-группам тирозина.
Рецептор состоит из двух α- и двух β-
субъединиц, связанных дисульфид-
ными связями и нековалентными взаимодействиями. α- и β-Субъединицы
- гликопротеины с углеводной частью на наружной стороне мембраны. Вне мембраны на её поверхности находятся
α-субъединицы. Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами α-субъединиц.
β-Субъединицы пронизывают мембранный бислой и не участвуют в связывании инсулина. Присоединение инсулина к центру связывания на α-
субъединицах активирует фермент,
причём субстратом служит сама тирозиновая протеинкиназа (β-
субъединицы), т.е. происходит аутофосфорилирование фермента. Это,
в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности тирозиновой протеинкиназы; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточные белки.
Далее сигнал передается на специальные белки – субстраты инсулинового рецептора. К ним
4
относятся IRS–1 (играет главную роль в ответной реакции клетки на инсулиновый сигнал), IRS–2, белки семейства STAT.
Субстраты инсулинового рецептора соединяются с другими цитозольными белками. Это приводит к активации нескольких сигнальных путей. В результате чего изменяется активность и индуцируется синтез ключевых ферментов обмена веществ.
Дальнейшие события развиваются по двум направлениям:
1. Активация фосфоинозитол-3-киназы с дальнейшей каскадной активацией метаболических ферментов – в основном контролируют реакции обмена белков,
углеводов и липидов. Результатом являются быстрые и очень быстрые эффекты инсулина – активация ГлюТ-4 и поступление глюкозы в клетку, изменение активности "метаболических" ферментов – гормон-чувствительной липазы,
гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы и киназы гликогенфосфорилазы, ацетил-
SКоА-карбоксилазы и других.
2. Активация каскада реакций, приводящих к действию MAP-киназы (mitogenactivated protein kinase). Этот каскад запускает медленные эффекты – рост,
пролиферация и дифференцировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза. Тем не менее, такое подразделение условно, так как в клетке присутствуют ферменты,
чувствительные к активации и того и другого каскадного пути.
5
3.Регуляция синтеза и секреции инсулина.
Активируют синтез и секрецию инсулина:
o глюкоза крови – главный регулятор, пороговая концентрация для секреции инсулина – 5,5 ммоль/л,
o жирные кислоты и аминокислоты,
o влияние n.vagus – находится под контролем гипоталамуса, активность которого определяется концентрацией глюкозы крови,
o гормоны ЖКТ: холецистокинин, секретин, гастрин, энтероглюкагон, желудочный ингибирующий полипептид,
o хроническое воздействие гормона роста, глюкокортикоидов, эстрогенов,
прогестинов.
Регуляция синтеза и секреции инсулина. Основным регулятором синтеза инсулина является глюкоза. Она стимулирует экспрессию гена инсулина,
непосредственно взаимодействуя с определенными факторами транскрипции. Также глюкоза активирует секрецию инсулина, вызывая быстрое освобождение инсулина из секреторных гранул.
6
Процесс секреции инсулина кальций – зависимый и при дефиците ионов кальция секреция инсулина снижается даже в условиях высокой концентрации глюкозы.
Регуляция секреции инсулина
Повышение концентрации глюкозы приводит к увеличению соотношения АТФ/АДФ в β-клетках поджелудочной железы, закрытию АТФ-зависимых калиевых каналов, деполяризации, раскрытию потенциалзависимых кальциевых каналов.
Повышение концентрации ионов калия и кальция в β-клетке инициирует слияние секреторных пузырьков (инсулинсодержащих гранул) с мембраной и выделение содержимого пузырьков (инсулина) из клетки
4. Влияние инсулина на обмен веществ в организме.
7
1.Влияние на обмен углеводов:
увеличивает транспорт глюкозы в клетках (прежде всего в клетки мышечной и жировой тканей). Транспорт глюкозы в клетки происходит при участии специальных белков – переносчиков глюкозы (ГЛЮТ-4). В отсутствие инсулина белки – переносчики глюкозы находятся в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит перемещение везикул в мембрану клетки;
стимулирует синтез гликогена за счет активации гликогенсинтазы и уменьшает распад гликогена за счет ингибирования гликогенфосфорилазы. В печени и мышцах под влиянием инсулина снижается концентрация цАМФ в результате активации фосфодиэстеразы. Кроме того, инсулин активирует фосфатазы, дефосфорилирующие гликогенсинтазу, в результате чего происходит активация синтеза гликогена и тормозится его распад.
усиливает гликолиз за счет повышения активности и количества ключевых ферментов гликолиза: глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы
угнетает глюконеогенез, так как снижает активность и количество ферментов обходных реакций глюконеогенеза и гликолиза: пируваткарбоксилазы, ФЕП-
карбоксикиназы, глюкозо-6фосфатазы.
повышает пентозофосфатный путь за счет |
активации глюкозо-6-фосфатде- |
гидрогеназы. |
|
стимулирует превращение глюкозы в жиры.
активирует пирукатдегидрогеназный и α-кетодегидрогеназный комплекс
Общий результат стимуляции этих процессов – снижение концентрации глюкозы в крови. Около 50% глюкозы используется в процессе гликолиза, 30-40%
превращается в липиды и около 10 % накапливается в форме гликогена.
2.Влияние на обмен липидов:
повышает синтез ВЖК, так как активирует фермент ацетил-КоА-карбоксилазу.
Накапливается малонилКоА, который является отрицательным аллостерическим модулятором регуляторного фермента β окисления карнитинацилтрансферазы I. В
результате снижается β-окисление ВЖК.
8
стимулирует синтез жиров, обеспечивая получение для этого процесса необходимых субстратов (ацетил-КоА, α-глицерофосфат и NADPH) из глюкозы.
тормозит липолиз, так как активирует фосфатазу, которая дефосфорилирует и тем самым инактивирует гормончувствительную ТАГ-липазу. Под влиянием инсулина снижается концентрация жирных кислот, циркулирующих в крови
активирует синтез липопротеинлипазы,
ингибирует синтез кетоновых тел в печени, так как ацетил-КоА сгорает в ЦТК.
3.Влияние на обмен белков:
ускоряет транспорт аминокислот в клетки;
активирует синтез белка;
стимулирует пролиферацию клеток, усиливая способность факторов роста активировать размножение клеток.
Мишени и эффекты Быстрые эффекты
Печень
o активация гликолиза (гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы) и
гликогеногенеза (гликогенсинтазы), o подавление глюконеогенеза,
o усиление синтеза жирных кислот (активация ацетил-SКоА-карбоксилазы,
пальмитатсинтазы) и ЛПОНП,
o повышение синтеза холестерина (активация ГМГ-SКоА-редуктазы),
o ускорение пентозофосфатного пути (активация глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), o торможение эффектов глюкагона (активация фосфодиэстеразы).
Мышцы
o стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация ГлюТ-4), o стимуляция гликогеногенеза (активация гликогенсинтазы),
9
o усиливает транспорт нейтральных аминокислот в мышцы, o стимулирует трансляцию (рибосомальный синтез белков).
Жировая ткань
o стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация Глют-4),
o стимулирует переход жирных кислот в клетки (активация липопротеинлипазы),
o усиление синтеза жирных кислот (активация ацетил-SКоА-карбоксилазы, индукция пальмитатсинтазы),
o повышение синтеза ТАГ (снижение активности гормон-чувствительной липазы).
Медленные эффекты заключаются в изменении транскрипции генов и скорости трансляции ферментов, отвечающих за обмен веществ, за рост и деление клеток.
Благодаря этому повышается синтез ферментов обмена углеводов (глюкокиназы и пируваткиназы, глюкозо6-фосфатдегидрогеназы), метаболизма липидов (АТФ-
цитрат-лиазы, ацетил-SКоАкарбоксилазы, синтазы жирных кислот, цитозольной малатдегидрогеназы)
Очень медленные эффекты растягиваются на сутки и реализуют митогенез и размножение клеток. Именно группой очень медленных эффектов объясняется
"парадокс" наличия инсулинорезистентности адипоцитов при сахарном диабете 2
типа и одновременное увеличение массы жировой ткани, запасание в ней липидов под влиянием гипергликемии и инсулина.
Патология
Гипофункция Инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет.
10