Биохимия пособие Коновалова 2012

Весь процесс биосинтеза занимает около 1 часа. Скорость синте за у взрослого человека составляет 40-50 Ед/сут. Общие запасы инсу лина оцениваются в 200-250 ЕД.

Подводя итог, отметим, что биосинтез инсулина включает два неактивных предшественника, препроинсулин и проинсулин, которые последовательно укорачиваются, чтобы образовать активный гор. мон.

Секреция инсулина стимулируется повышением уровня глюкозы выше порогового уровня 5,55 мМ/л.

Секреция инсулина ингибируется при голодании и/или стрессе. Этот эффект первично обусловлен ингибирующим действием адрена­ лина.

3. Механизм действия

Инсулин связывается со специфическим рецептором, обнару­ женным на поверхности большинства клеток млекопитающих.

Рецептор инсулина - это гликопротеин, состоящий их четырех субъединиц (2а и 20), которые удерживаются между собой дисульфидными связями. 0-субъединица пересекает мембрану,. а а- субъединица выступает снаружи клетки и обеспечивает связывание гормона. Цитозольный домен каждой 0-субъединицы обладает тирозинкиназной активностью, то есть катализирует фосфорилирование тирозиновых остатков белков.

Рецептор инсулина

и

S-S1...... *

Связывание инсулина с а-субъединицами рецептора индуцирует конформационные изменения, которые передаются к 0-субъединицам, вызывая быстрое аутофосфорилирование тирозинового остатка каж­ дой 0-субъединицы. Это повышает способность тирозинкиназной ак­ тивности рецептора фосфорилировать другие белки, обозначенные как IRS - субстраты инсулинового рецептора (Insulin Receptor Substrate). Фосфорилированные IRS способствуют изменению активности других киназ (развивается целый киназный каскад), которые в свою очередь фосфорилируют специфические белки (ферменты), что и ведет к раз­ витию метаболических эффектов инсулина.

Среди посредников действия инсулина в клетке лучше всего оха­ рактеризованы белки IRS-1 и IRS-2.

4 0 2

IRS-2 активирует ряд протеинкиназ и липидкиназ, что приводит к развитию метаболических эффектов инсулина посредством влия­ ния: а) на количество мембранных глюкозных транспортеров (GLUT-4) й инсулиновых рецепторов; б) на активность ряда ключевых фермен- ■ров обмена жиров, белков и углеводов через их фосфорилирование или дефосфорилирование; в) на транскрипцию некоторых генов ферментов обмена углеводов и жиров.

IRS-1 через многоступенчатую активацию MAP (mitogen- activated protein)-KHHa3bi и последующую активацию фактора транс­ крипции elk-1 стимулирует транскрипцию генов, необходимых для роста и деления клеток. Другими словами, активация IRS-1 приводит к развитию ростовых эффектов инсулина (синтез ДНК, РНК, рост и размножение клеток).

Каскадная активация МАР-киназы:

а) IRS-1 активирует гуаниннуклеотид-связывающий белок Ras; б) Ras-белок активирует фермент Raf-1 (серин-треониновая про-

теинкиназа);

в) Raf-1 активирует (через фосфорилирование) киназу МАРкиназы, а она в свою очередь через фосфорилирование активирует МАР-киназу;

г) активная MAP-киназа продолжает каскадное фосфорилирова­ ние, вовлекая в него ядерные факторы транскрипции (белки, необхо­ димые для роста и деления клетки).

Быстрые метаболические эффекты инсулина определяются цик­ лом “фосфорилирование-дефосфорилирование” белков и ферментов.

В одном случае инсулин снижает концентрацию внутриклеточ­ ного ц-АМФ, активируя фосфодиэстеразу (фермент, разрушающий ц- АМФ) или ингибируя (через внутриклеточный посредник) активность мембранной аденилатциклазы. Это ведет к уменьшению активности ц- АМФ-зависимой протеинкиназы, что, например, позволяет ферменту гликогенсинтазе оставаться в активной форме, в то же время фермент киназа фосфорилазы, отвечающий за распад гликогена, ингибируется.

Вдругом случае, действие инсулина не зависит от концентрации Ц-АМФ и связано с активированием фосфатаз. Это, например, повы­ шает активность гликогенсинтазы.

3.1.Мембранные эффекты инсулина

Вклетки глюкоза поступает путем облегченной диффузии, свя­ занной с наличием в мембранах клеток особых белков-переносчиков, называемых глюкозными транспортерами и обозначаемыми как GLUT GLUT 5. Переносчик GLUT 4 обуславливает вход глюкозы в скеЛетные мышцы, миокард и жировую ткань. Транспорт глюкозы в эти

4 0 3

ткани резко повышается в присутствии инсулина. Данный эффект СВя зан с перемещением GLUT-4 из внутриклеточных везикул на поверх ность клеток, а значит с увеличением числа функционирующих пере­ носчиков глюкозы. Эти ткани относятся к абсолютно инсулинозависи мым.

В некоторые ткани и клетки, включая нервную ткань, эритроци­ ты, эндотелий сосудов, хрусталик и сетчатку глаза, эпителий кишечни­ ка и почечные канальцы, транспорт Глюкозы не зависит от концентра­ ции инсулина. Это связано с тем, что на поверхности их клеток нахо­ дятся глюкозные транспортеры, активность которых не зависит от концентрации инсулина. Эти ткани относятся к инсулинонезависимым.

Следует подчеркнуть, что речь идет лишь о независимости транспорта глюкозы в эти клетки от концентрации инсулина.

Печень представляет собой важное исключение из этой схе­ мы. Инсулин не стимулирует облегченную диффузию глюкозы в гепатоциты, но усиливает её приток косвенным путем, повышая количест­ во глюкокиназы - фермента, превращающего глюкозу в глюкозо-6- фосфат. В результате фосфорилирования концентрация свободной глюкозы поддерживается на низком уровне, что способствует поступ­ лению глюкозы в клетки путём .простой диффузии по градиенту кон­ центрации.

3.2. Регуляция рецепторов инсулина

Связывание инсулина обуславливает проникновение комплекса инсулин-рецептор в клетку путем эндоцитоза. Внутри клетки инсулин распадается в лизосомах, а рецептор либо разрушается, либо возвра­ щается на поверхность клетки. Высокий уровень инсулина способству­ ет деградации рецепторов, таким образом, уменьшая число рецепторов на поверхности клетки. [Замечание: предполагается, что некоторые эффекты инсулина опосредованы взаимодействием гормонрецепторного комплекса, проникшего внутрь клетки, с регуляторными элементами генома].

4. Метаболические эффекты инсулина

Метаболические эффекты инсулина наиболее выражены в пече­ ни, скелетных мышцах и жировой ткани.

4.1. Влияние на обмен углеводов

Инсулин:

1) ингибирует глюконеогенез в печени, повышая уровень внут-

4 0 4

пиклеточного регулятора фруктозо-2,6-бисфосфата. [Замечание: наи­ более важные эффекты данного внутриклеточного регулятора обмена углеводов - активация фосфофруктокиназы-1 и ингибирование фрук- т03о-1,6-бисфосфатазы]. Кроме того, инсулин ингибирует глюкозо-6- фосфатазу и синтез фосфоенолпируваткарбоксикиназы (ключевые ферменты глюконеогенеза);

2)уменьшает распад гликогена (инактивируя киназу фосфорилазы) и повышает его синтез (активируя гликогенсинтазу);

3)интенсифицирует реакции гликолиза (без образования лакта­ та!), повышая активность и количество ключевых ферментов - глюко-

игексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы;

4)повышает активность ферментов пентозофосфатного пути - одного из основных генераторов молекул НАДФН, необходимых для синтеза жирных кислот;

5)в мышечной и жировой ткани инсулин усиливает поступление глюкозы в клетки (через увеличение числа GLUT-4).

Результирующее действие перечисленных выше эффектов инсу­ лина сводится к снижению содержания глюкозы в плазме крови.

«

4.2.Влияние инсулина на обмен липидов

1.Жировая ткань реагирует на введение инсулина заметным снижением высвобождения в кровь жирных кислот. Это достигается снижением распада триацилглицеролов (липолиза) посредством инги­ бирования гормон-чувствительной триглицеридлипазы.

2.Инсулин активирует синтез жирных кислот и триацилглицеро­ лов (липогенез). Это обеспечивается: а) повышением транспорта глю­ козы в адипоциты и ее метаболизма с образованием глицерол-3- фосфата, необходимого для синтеза триацилглицеролов; б) активацией ключевого, фермента синтеза жирных кислот — ацетил-КоА- карбоксилазы и стимуляцией синтеза пальмитатсинтазного комплекса; в) повышением активности ферментов пентозофосфатного пути утили­ зации глюкозы —одного го основных генераторов молекул НАДФН, необходимых для синтеза жирных кислот;

3.В печени инсулин ингибирует синтез кетоновых тел.

4.3.Влияние инсулина на обмен белков и размножение

клеток

Инсулин стимулирует поступление аминокислот во многие ткани и органы, включая мышцы, печень, кости и лимфоциты. Он также стимУлирует синтез белков и уменьшает их распад, оказывая, таким обра- 3°М, Протеоанаболический эффект.

4 0 5

L

диабета - инсулин-зависимый (тип I) и инсулин-независимый (тип II).

п

деление основано на потребности больных в экзогенном инсулине.

Сахарный диабет первого типа

Пациенты с инсулин-зависимым сахарным диабетом составляют 10-20% от всех больных сахарным диабетом. Заболевание характери­ зуется абсолютным дефицитом инсулина, причиной чего является мас­ сивное аутоиммунное повреждение (3-клеток. Эта деструкция (3-клеток происходит при участии стимулов окружающей среды (таких как ви­ русная инфекция) и генетических детерминант, которые позволяют принимать свои (3-клетки за чужие.

Симптомы сахарного диабета появляются, когда 80-90% 13клеток разрушены. Для метаболического контроля больным требуются инъекции инсулина.

Ведущими клиническими симптомами сахарного диабета перво­ го типа являются: полиурия (из-за осмотического действия глюкозы), полидипсия (как следствие потери жидкости) и полифагия (как след­ ствие потери калорий из-за неиспользования глюкозы тканями). Эти три симптома сочетаются с потерей массы тела (вследствие липолиза и катаболизма белков) и "слабостью (развитие гипоэнергетического со­ стояния). Диагноз подтверждается обнаружением уровня глюкозы в капиллярной крови натощак более 6,1ммоль/л.

Ведущими метаболическими изменениями при сахарном диабете первого типа являются гипергликемия, глюкозурия, кетоацидоз и ке­ тонурия. Это маркеры нелеченного сахарного диабета.

Гипергликемия вызвана увеличением печеночной продукции глюкозы в сочетании с уменьшением ее периферической утилизации.

При гликемии более 8,8 ммоль/л (так называемый почечный по­ рог) глюкоза не успевает реабсорбироваться почечными канальцами из первичной мочи и обнаруживается качественными реакциями в моче — глюкозурия. Больные диабетом могут терять до 100 граммов глюкозы ежесуточно. Присутствие в моче глюкозы оказывает большое влияние на относительную плотность мочи. При массивной глюкозурии отно­ сительная плотность мочи может быть равна 1040-1050.

Кетоз (накопление кетоновых тел в крови) - это результат уси­ ления мобилизации жирных кислот из жировой ткани. Кетоз развива­ йся по следующей схеме: t липолиза —> Т СЖК крови -> Т поступлеНИя СЖК в печень -> Т (3-окисления -* Т ацетил-КоА -» относитель- | Ь® Дефицит ЩУК, необходимой для окисления ацетил-КоА в ЦТК —>

синтеза кетоновых тел —> кетоз. Чрезмерное накопление кетоновых (ацетоуксусная и 3-гидроксимасляная кислота) ведет к снижению m крови, то есть к кетоацидозу. Избыток кетоновых тел выводится с

4 0 7

мочой —кетонурия, что обнаруживается качественной реакцией с н«т- ропруссидом натрия.

Свободные жирные кислоты активно захватываются печенью где окисляются до ацетил-КоА. Для окисления больших количеств об­ разующегося ацетил-КоА требуется много оксалацетата (ЩУК). Д0. полнительные количества ЩУК в норме могут образовываться, так на­ зываемым анаплеротическим (пополняющим) путем (ПВК + С02 ЩУК). При сахарном диабете количество пирувата ограничено вслед­ ствие недостатка глюкозы и замедления реакций окисления глюкозы. В результате избыток ацетил-КоА направляется на синтез кетоновых тел.

Развитие симптомов сахарного диабета

Сахарный диабет второго типа —наиболее частая форма забо­ левания (80%). У больных сахарным диабетом этого типа имеются функционирующие Р-клетки и, как правило, не требуются инъекции инсулина. В развитие заболевания не вовлекаются вирусы и аутоанти­ тела. Метаболические изменения выражены гораздо меньше по срав­ нению с диабетом типа I. Полагают, что в основе болезни лежит ком­ бинация двух факторов: а) дисфункция Р-клеток, то есть Р-клетки не могут секрегировать достаточное количество инсулина; б) инсулинорезистентность, то есть клетки тканей-мишеней не могут адекватно изменять свой метаболизм в присутствии инсулина.

Более 80% больных сахарным диабетом типа II страдают ожире­ нием. Это существенно, так как инсулинорезистентность отчасти обу­ словлена ожирением.

4 0 8

для лечения используются: 1) нормализация массы тела; 2) диета гпаничением углеводов; 3) гипогликемические препараты (произ-

с° ъ1с сульфонилмочевины).

5.1.Биохимические причины развития осложнений

сахарного диабета

Сахарный диабет - это одна из главных причин ранней почечной ^достаточности, атеросклероза, слепоты и нетравматических ампута­

ций конечностей.

Наиболее грозным и быстро развивающимся осложнением саг харногодиабета является диабетическая (сахарная) кома.

Кома (гр. koma-глубокий сон) - тяжелая- и финальная стадия многих заболеваний, травм, отравлений. Кома характеризуется утратой сознания, угнетением (вплоть до отсутствия) рефлексов на внешние раздражители и нарушением жизненно важных функций организма. В основе диабетической комы лежит развитие кетоацидоза, дегидратации и гипоэнергетического состояния.

Упрошенная схема развития диабетической комы

Недостаток инсулина

гиповолемия

^Рушение микроциркуляции

ГЙЦ|°ксия тканей (гипоэнергетич.состояние)

Кома «-------------------------------------------

,Наиболее частые осложнения сахарного диабета - это поражения (диабетическая нефропатия), сетчатки (диабетическая ретинопа-

L « Хрусталика глаза (диабетическая катаракта), нервов (диабетиче-

*Нейропатия), сосудов (диабетические макро- и микроангиопатии).

4 0 9

Эти осложнения развиваются медленно, обычно в течение 5-10 лет. Их причиной является хроническая гипергликемия.

Известны несколько механизмов повреждающего действия хро­ нической гипергликемии. Одним из механизмов является нефермен­ тативное гликозилирование (гликирование) белков. Остатки глюкозы присоединяются к свободным аминогруппам белков, чаще всего к аминогруппе лизина. При нормальной концентрации глюкозы скорость гликирования невелика, а поскольку белки постоянно обновляются, гликированные белки не накапливаются. При сахарном диабете вслед­ ствие хронической гипергликемии скорость гликирования увеличива­ ется. Например, у здоровых людей фракция гликированного гемогло­ бина - НЬА1с - составляет 5-6%, а у больных диабетом - в 2-3 раза больше.

Среднее время пребывания эритроцита в сосудистом русле со­ ставляет от 8 до 16 недель, поэтому определение в крови гликирован­ ного гемоглобина является интегральным показателем уровня глюкозы на протяжении этого времени и используется для диагностики сахар­ ного диабета и для контроля за его течением.

В реакцию гликирования вступают многие белки крови (альбу­ мин, иммуноглобулины, липопротеины), белки цитоплазматических мембран клеток (белки миелиновой оболочки), белки внеклеточного матрикса (коллаген). Гликирование изменяет физико-химические свойства белков и нарушает их функции, например, в случае гемогло­ бина ухудшает отдачу кислорода тканям. .

Другой механизм повреждающего действия высоких концентра­ ций глюкозы связан с ферментативным гликированием. При высокой концентрации глюкозы в клетках увеличивается скорость синтеза гли­ копротеинов и протеогликанов, в том числе входящих в состав базаль­ ных мембран эндотелиальных и эпителиальных клеток.

Еще один механизм неблагоприятного влияния гипергликемии на метаболизм связан с наличием в некоторых клетках сорбитолового (полиолового) пути превращения глюкозы, в котором образуется шес­ тиатомный спирт сорбитол. Сорбитол при участии сорбитолдегидрогеназы дегидрируется по второму углеродному атому и превращается во фруктозу. Сорбитолдегидрогеназа является скорость-лимитирующим ферментом данного пути утилизации глюкозы.

Сорбитоловый путь утилизации глюкозы

редуктаза дегидрогеназа

В норме по сорбитоловому пути обменивается до 1% внутрикле-

4 1 0