2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

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

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

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 адреналина.

3. Механизм действия

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

Рецептор инсулина – это гликопротеин, состоящий их четырех субъединиц (2 и 2 ), которые удерживаются между собой дисульфидными связями. -субъединица пересекает мембрану, а -

субъединица выступает снаружи клетки и обеспечивает связывание гормона. Цитозольный домен каждой -субъединицы обладает тиро-

зинкиназной активностью, то есть катализирует фосфорилирование тирозиновых остатков белков.

Рецептор инсулина

в на с -субъединицами рецептора индуцирует конформационные изменения, которые передаются к -субъединицам,

вызывая быстрое аутофосфорилирование тирозинового остатка каждой -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 развитию метаболических эффектов инсулина.

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

402

IRS-2 активирует ряд протеинкиназ и липидкиназ, что приводит к развитию метаболических эффектов инсулина посредством влияния: а) на количество мембранных глюкозных транспортеров (GLUT-4)

и инсулиновых рецепторов; б) на активность ряда ключевых ферментов 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 МАР (mitogen- activated protein)-киназы и последующую активацию фактора транскрипции 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 МАР-

киназы, а она в свою очередь через фосфорилирование активирует МАР-киназу;

г) активная МАР-киназа продолжает каскадное фосфорилирова-

ние, вовлекая в него ядерные факторы транскрипции (белки, необходимые для роста и деления клетки).

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

Водном случае инсулин снижает концентрацию внутриклеточного 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, связанной с наличием в мембранах клеток особых белков-переносчиков,

называемых глюкозными транспортерами и обозначаемыми как GLUT 1– GLUT 5. Переносчик GLUT 4 обуславливает вход глюкозы в ске-

летные мышцы, миокард и жировую ткань. Транспорт глюкозы в эти

403

ткани резко повышается в присутствии инсулина. Данный эффект связан с перемещением GLUT-4 из внутриклеточных везикул на поверх-

ность клеток, а значит с увеличением числа функционирующих переносчиков глюкозы. Эти ткани относятся к абсолютно инсулинозависи-

мым.

В некоторые ткани и клетки, включая нервную ткань, эритроциты, эндотелий сосудов, хрусталик и сетчатку глаза, эпителий кишечника и почечные канальцы, транспорт глюкозы не зависит от концентрации инсулина. Это связано с тем, что на поверхности их клеток находятся 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 количество глюкокиназы – фермента, превращающего глюкозу в глюкозо-6-

фосфат. В результате фосфорилирования концентрация свободной глюкозы поддерживается на низком уровне, что способствует поступлению глюкозы в клетки путём простой диффузии по градиенту концентрации.

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 возвращается на поверхность клетки. Высокий уровень инсулина способствует деградации рецепторов, таким образом, уменьшая число рецепторов на поверхности клетки. [Замечание: предполагается, что некоторые эффекты инсулина опосредованы взаимодействием гормон-

рецепторного комплекса, проникшего внутрь клетки, с регуляторными элементами генома].

4. Метаболические эффекты инсулина

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

4.1. Влияние на обмен углеводов

Инсулин:

1) ингибирует глюконеогенез в печени, повышая уровень внут-

404

риклеточного регулятора фруктозо-2,6-бисфосфата. [Замечание: наи-

более важные эффекты данного внутриклеточного регулятора обмена углеводов – активация фосфофруктокиназы-1 и ингибирование фрук- тозо-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 лактата!), 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 инсулина 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 ингибирования гормон-чувствительной триглицеридлипазы.

2.Инсулин активирует синтез жирных кислот и триацилглицеролов (липогенез). Это обеспечивается: а) повышением транспорта глюкозы 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 утилизации глюкозы – одного из 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 образом, протеоанаболический эффект.

405

Инсулин стимулирует пролиферацию ряда клеток in vitro и участвует в регуляции роста in vivo.

Основные метаболические эффекты инсулина

4.4. Инактивация инсулина

Инсулин не имеет специфического белка-переносчика в плазме

крови, поэтому период его полужизни не превышает 5 минут. Инактивация инсулина происходит в основном в печени и почках. В инактивации инсулина участвуют две ферментные системы. Первая система – это глутатион-инсулин-трансгидрогеназа. Этот фермент восстанавли-

вает дисульфидные мостики, в результате чего гормон распадается на 2 полипептидные цепи (А и В). Вторая – это специфическая инсулин-

протеиназа (инсулиназа), разрушающая инсулин до аминокислот, обнаруживается во многих тканях, но в наибольшей концентрации в печени и почках.

5. Сахарный диабет

Сахарный диабет (diabetus mellitus)– одна из главных проблем здоровья населения. Сахарный диабет – это одна из главных причин ранней почечной недостаточности, атеросклероза, слепоты и нетравматических ампутаций конечностей.

Сахарный диабет – это заболевание, которое характеризуется повышенным уровнем глюкозы натощак, вызванным относительным или абсолютным дефицитом инсулина. Различают два типа сахарного

406

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

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 массивное аутоиммунное повреждение -клеток. Эта деструкция -клеток

происходит при участии стимулов окружающей среды (таких как вирусная инфекция) и генетических детерминант, которые позволяют принимать свои -клетки за чужие.

Симптомы сахарного диабета появляются, когда 80-90% -

клеток разрушены. Для метаболического контроля больным требуются инъекции инсулина.

Ведущими клиническими симптомами сахарного диабета первого типа являются: полиурия (из-за осмотического действия глюкозы),

полидипсия (как следствие потери жидкости) и полифагия (как следствие 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 6,1 ммоль/л.

Ведущими метаболическими изменениями при сахарном диабете первого типа являются гипергликемия, глюкозурия, кетоацидоз и кетонурия. 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 порог) 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 относительная плотность мочи может быть равна 1040-1050.

Кетоз (накопление кетоновых тел в крови) – это результат усиления мобилизации жирных кислот из жировой ткани. Кетоз развивается по следующей схеме: липолиза СЖК крови поступления СЖК в печень -окисления ацетил-КоА относительный дефицит ЩУК, необходимой для окисления ацетил-КоА в ЦТК

синтеза кетоновых тел кетоз. Чрезмерное накопление кетоновых тел (ацетоуксусная и 3-гидроксимасляная кислота) ведет к снижению

рН крови, то есть к кетоацидозу. Избыток кетоновых тел выводится с

407

мочой – кетонурия, что обнаруживается качественной реакцией с нитропруссидом натрия.

Свободные жирные кислоты активно захватываются печенью, где окисляются до ацетил-КоА. Для окисления больших количеств образующегося ацетил-КоА требуется много оксалацетата (ЩУК). До-

полнительные количества ЩУК в норме могут образовываться, так на-

зываемым анаплеротическим (пополняющим) путем (ПВК + СО2

ЩУК). При сахарном диабете количество пирувата ограничено вследствие 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 Ã наиболее частая форма забо-

левания (80%). У больных сахарным диабетом этого типа имеются функционирующие -клетки и, как правило, не требуются иньекции

инсулина. В развитие заболевания не вовлекаются вирусы и аутоантитела. Метаболические изменения выражены гораздо меньше по сравнению с диабетом типа I. Полагают, что в основе болезни лежит комбинация двух факторов: а) дисфункция -клеток, то есть -клетки не

могут секретировать 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 ожирением. Это существенно, так как инсулинорезистентность отчасти обусловлена ожирением.

408

Для лечения используются: 1) нормализация массы тела; 2) диета с ограничением углеводов; 3) гипогликемические препараты (производные сульфонилмочевины).

5.1. Биохимические причины развития осложнений сахарного диабета

Сахарный диабет – это одна из главных причин ранней почечной недостаточности, атеросклероза, слепоты и нетравматических ампутаций конечностей.

Наиболее грозным и быстро развивающимся осложнением са-

харного диабета 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.

Упрощенная схема развития диабетической комы

Дегидратация (потеря Н2О и Na,K,Cl)

Гиповолемия

Нарушение микроциркуляции

Гипоксия тканей (гипоэнергетич.состояние)

Кома

Наиболее частые осложнения сахарного диабета – это поражения почек (диабетическая нефропатия), сетчатки (диабетическая ретинопатия), хрусталика глаза (диабетическая катаракта), нервов (диабетическая нейропатия), сосудов (диабетические макро- и микроангиопатии).

409

Эти осложнения развиваются медленно, обычно в течение 5-10 лет. Их

причиной является хроническая гипергликемия.

Известны несколько механизмов повреждающего действия хронической 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 вследствие хронической гипергликемии скорость гликирования увеличивается. Например, у здоровых людей фракция гликированного гемоглобина - HbA1c - составляет 5-6%, а у больных диабетом – в 2-3 раза

больше.

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

В реакцию гликирования вступают многие белки крови (альбумин, 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 гемоглобина ухудшает отдачу кислорода тканям.

Другой механизм повреждающего действия высоких концентраций глюкозы связан с ферментативным гликированием. При высокой концентрации глюкозы в клетках увеличивается скорость синтеза гликопротеинов и протеогликанов, в том числе входящих в состав базальных 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 шестиатомный спирт сорбитол. Сорбитол при участии сорбитолдегидроге-

назы дегидрируется по второму углеродному атому и превращается во фруктозу. Сорбитолдегидрогеназа является скорость-лимитирующим

ферментом данного пути утилизации глюкозы.

Сорбитоловый путь утилизации глюкозы

альдозо- сорбитол-

редуктаза дегидрогеназа

В норме по сорбитоловому пути обменивается до 1% внутрикле-

410

точной глюкозы, а в условиях сахарного диабета - до 10%. Сорбитоло-

вый путь функционирует в клетках артериальных стенок, клетках Шванна периферических нервов, в эритроцитах, в хрусталике и сетчатке глаза, в семенниках, яичниках и печени. Однако в клетках артериальных стенок, клетках Шванна, в эритроцитах, в хрусталике и сетчатке глаза активность фермента сорбитолдегидрогеназы крайне низкая. Это обуславливает накопление сорбитола при хронической гипергликемии именно в этих клетках. Сорбитол плохо проникает через клеточные мембраны, его накопление приводит к осмотическому набуханию клеток и нарушению их функций (вследствие нарушения работы ионных каналов).

Для поражения почек при диабете характерно утолщение базальной мембраны и окклюзия (закупорка) капилляров в клубочках. В результате нарушается процесс фильтрации в почечных клубочках и развивается почечная недостаточность.

В сетчатке глаза отмечается утолщение базальной мембраны и повышение проницаемости капилляров; обусловленные ими отек сетчатки и кровоизлияния являются причиной слепоты у больных диабетом.

Хрусталик построен из белков кристаллинов, которые обмениваются крайне медленно. Поэтому при диабете с годами все большая часть кристаллинов оказывается гликированной. Такие кристаллины образуют многомолекулярные агрегаты, рассеивающие свет, и, следовательно, изменяющие прозрачность хрусталика – возникает его помутнение или катаракта. Кроме того, набухание хрусталика, вызванное накоплением сорбитола, разрушает упорядоченную укладку кристаллинов, что тоже приводит к его помутнению.

Поражение нервов проявляется нарушениями проводимости аксона вследствие уменьшения толщины миелиновой оболочки. При этом возникают ощущения онемения в разных частях тела и нарушение осязания. В развитии этих симптомов основная роль принадлежит повышению концентрации сорбитола в шванновских клетках, а также изменениям капилляров, подобным тем, которые происходят в сетчатке глаза и почечных клубочках.

Возникновению всех осложнений способствует нарушение снабжения тканей кислородом, вызванное тем, что гликирование гемоглобина повышает его сродство к кислороду. Тем самым замедляется отдача кислорода тканям. Кроме того, увеличивается вязкость и свертываемость крови, что служит причиной частого развития тромбозов у больных сахарным диабетом. Одной из причин этого осложнения является гликирование антитромбина III (основного компонента

противосвертывающей системы крови), что снижает его активность на

50%.

411