Биохимия гормонов пептидной и белковой природы

Занятие. 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.

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

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.

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