1.1.2. Инсулин, регуляция его синтеза и секреции.

Инсулин представляет собой сложный полипептид, состоящий из двух полипептидных цепей (А и В). У разных видов млекопитающих молекула инсулина хотя и отличается от инсулина человека несколькими аминокислотными остатками, но при этом физиологическая активность гормона приблизительно одинакова [10, 28, 260, 309]. Самым близким человеку по составу аминокислотных остатков является свиной инсулин [309, 321], который вместо треонина в положении В₃₀ В-цепи содержит аланин, что на сегодняшний день позволяет его широкое использование в медицинской практике [36, 111].

Первый этап синтеза инсулина происходит в ядре β-клеток после транскрипции гена, который находится в коротком плече 11 пары хромосомы и кодирует синтез первого предшественника гормона – препроинсулина, включающего в себя последовательно расположенные L-, В- ,С-, и А- пептиды. На рибосомах шероховатой эндоплазматической сети в течение нескольких минут происходит отщепление L-пептида. Это необходимо для прохождения синтезируемой молекулы через гидрофобную мембрану во внутреннее пространство эндоплазматической сети, где препроинсулин расщепляется микросомными протеазами до проинсулина, в которой А- и В-цепи составляют единую последовательность за счёт соединяющего их С-пептида. Затем проинсулин транспортируется в комплекс Гольджи, где под действием прогормональных конвертаз или эндопептидаз происходит разрыв полипептидной цепи проинсулина и превращение в инсулин и С-пептид-биологически инертный остаток [28, 62, 111].

Аминокислотные последовательности А- и В-цепи у разных видов имеют небольшие различия, тогда как строение С-пептидов более разнится. Так, инсулин свиньи отличается от инсулина человека одной аминокислотой, а С-пептид человека, состоящий из 23 аминокислотных остатков отличается от С-пептида свиньи 10 аминокислотными остатками и содержит на 2 аминокислоты меньше. Столь высокая «мутабельность» согласуется с отсутствием у С-пептида специфической гормональной функции [111].

В секреторных гранулах β-клеток инсулин соединяется с ионами Zn²⁺, образуя кристаллические гексамерные агрегаты. Известно, что в цитоплазме β-клеток находятся β-гранулы, в которых происходит накопление в центральной области инсулина с ионами Zn²⁺, а С-пептида на периферии гранул [111, 144]. Основным стимулятором секреции инсулина является глюкоза [10, 31, 131, 138]. Согласно принятой гипотезе, глюкоза стимулирует гликорецепторы, которые находятся на поверхности мембраны β-клеток, способствуя свободному транспорту глюкозы в β-клетки специальным белками - переносчиками ГЛЮТ-2 и ГЛЮТ-4. В β-клетках глюкоза начинает стимулировать биосинтез инсулина, при этом усиливается гликолиз, повышается уровень восстановленных пиримидиновых нуклеотидов (НАДФ·Н и НАД·Н) и окисляется в дыхательной цепи, после чего сигнал передается на внутреннюю поверхность клеточной мембраны и активирует аденилатциклазу, которая запускает цепь реакций, при этом АТФ переходит в 3,5-цАМФ, а затем превращаясь под действием фосфоэстеразы в 5-цАМФ - стимулятор биосинтеза инсулина. В свою очередь, 3,5-цАМФ осуществляет функции внутриклеточного гормонального посредника, регулирующий закрытие ионных каналов, вызывая деполяризацию мембраны и открытие потенциал - зависимых кальциевых каналов. Это приводит к прохождению Са²⁺ в клетку и активированию фосфолипазы, расщепляющей один из мембранных фосфолипидов - фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат - на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерат. Инозитолтрифосфат связывается с рецепторным белком на эндоплазматической сети, способствуя освобождению связанного внутриклеточного Са²⁺, при этом изменение физических свойств среды приводит к изменению структуры микротрубочек и к их сокращению, и перемещению β-гранул к мембране клетки, после чего происходит экзоцитоз везикул, отщепление ионов Zn²⁺ и секреция инсулина, С-пептида [28, 79, 111].

Характерной особенностью реакции инсулина на глюкозу является её двухфазность. Начальный быстрый «всплеск» секреции начинается в пределах одной минуты после введения глюкозы и достигает максимума в пределах двух минут, и снижается в последующие 3-5 минут. Вторая фаза характеризуется постепенным приростом уровня инсулина, начинается спустя 5-10 минут после начала инфузии глюкозы и продолжается в течение последующего часа. В β-клетках содержатся два пула инсулина. Остро освобождающийся пул содержит ранее синтезированный инсулин, быстро опустошается в первую фазу секреции. Второй хронически высвобождающийся пул, содержит de novo синтезированный инсулин и небольшое количество проинсулина, пополняющего запасы преформированного инсулина и опустошающегося во вторую фазу [10, 28, 62, 79, 111, 220]. Кроме глюкозы, в регуляции синтеза инсулина участвуют аминокислоты, в особенности лейцин и аргинин, кетоновые тела, жирные кислоты, но их действие обнаруживается при определенном уровне глюкозы.

Секрецию инсулина регулируют также холецистокинин, вазоактивный интестинальный полипептид, желудочный ингибиторный полипептид; контринсулярные гормоны, такие как глюкагон, глюкокортикоиды, адренокортикотропный гормон (АКТГ), соматотропный гормон (СТГ), соматостатин, адреналин, эстрогены; ионы Zn²⁺, K⁺, Ca²⁺; вегетативная нервная система [62, 111]. Cинтез инсулина существенно снижается во время голодания, низкого содержания углеводов и высокого содержания жиров в рационе, а повышается вследствие потребления пищи богатой углеводами, при ожирении и беременности [10].

Инактивация половины инсулина происходит под действием инсулиназы в печени, куда гормон поступает с кровью воротной вены, а также в почках, в мышцах, в плаценте, но часть инсулина, связанная с белками, остается в свободной форме. Соотношение между связанной и свободной фракцией инсулина также определяется уровнем глюкозы в крови. Установлено, что гипергликемия способствует увеличению уровня свободного инсулина, который оказывает генеративное действие на инсулиночувствительные ткани, такие как: печень, скелетная мускулатура, костная, хрящевая, жировая ткани, корковое вещество почек, лимфоциты [30, 62, 111, 143].

Гипотетическое положение о том, что действие инсулина на клетки организма осуществляется путём взаимодействия гормона с плазматической мембраной, высказывалось давно [35]. На сегодняшний день известно, что инсулин оказывает свое многогранное действие на обменные процессы практически во всех тканях посредством взаимодействия со специфическим рецептором. Действие инсулина осуществляется через инсулиновый рецептор (Igf1), который представляет собой сложный интегральный белок клеточной мембраны, состоящий из двух α- и β-субъединиц. Необходимо отметить, что каждая субъединица инсулинового рецептора, образована двумя полипептидными цепями, и соединена дисульфидными мостиками попарно, а каждая пара через α-субъединицу соединена между собой, вследствие чего инсулиновый рецептор представляет собой гетеротетрамер. Вся последовательность биохимических взаимодействий инсулина с его рецептором до конца не выяснена. Известно, что ведущую роль в сопряжении активации рецепторов инсулина с внутриклеточными путями передачи сигналов выполняют адапторные белки - инсулинорецепторные субстраты (IRS), семейство которых насчитывает шесть сходных по организации белковых молекул (IRS1-IRS6), имеющих, разную функциональную роль в проведении сигналов [261, 306, 328]. При решении задач, поставленных в нашей работе, весьма важным является понимание физиологической роли инсулина в организме.