Інсулін (від — острів) — гормон пептидної природи, що утворюється у бета-клітинах острівців Лангерганса підшлункової залози. Впливає на багато аспектів обміну речовин практично у всіх тканинах. Основна дія інсуліну полягає в зниженні концентрації глюкози в крові.
Інсулін збільшує проникність плазматичних мембран для глюкози, активує ключові ферменти гліколізу, стимулює перетворення в печінці і м'язах глюкози на глікоген, підсилює синтез жирів і білків. Крім того, інсулін пригнічує активність ферментів, що розщеплюють глікоген і жири. Тобто, крім анаболічної дії, інсулін володіє також і антикатаболічним ефектом.
Порушення секреції інсуліну унаслідок деструкції бета-клітин — абсолютна недостатність інсуліну — є ключовою ланкою патогенезу цукрового діабету 1-го типу. Порушення дії інсуліну на тканини — відносна інсулінова недостатність — має важливе місце в розвитку цукрового діабету 2-го типу.
Будова молекули інсуліну Інсулін — це невеликий білок молекулярною масою 5,8 кДа. Він складається із двох поліпептидних ланцюгів: А (21 амінокислота) та B (30 амінокислот). Молекула інсуліну містить три дисульфідні зв'язки: два із них сполучають між собою A та B-ланцюги, а третій розташований всередині A-ланцюга. Бичачий інсулін має таку первинну структуру:
Структура інсуліну майже не змінилась в еволюції вищих хребетних, зокрема інваріабельними є положення дисульфідних зв'язків, аміно- та карбокситермінальні ділянки A-ланцюга, та гідрофобні амінокислоти близько C-кінця B-ланцюга. Людський інсулін відрізняється від бичачого двома амінокислотними замінами в A-ланцюгу: у 8-му положенні треонін замість аланіну, а у 10-му ізолейцин замість валіну. Свинячий гормон ще ближчий до людського, він відрізняється всього однією амінокислотою: аланіном у 30-му положенні B-ланцюга замість треоніну.
У розведеному розчині молекули інсуліну існують в мономерному стані, кожна така молекула складається із гідрофобної серцевини та переважно гідрофільної поверхні, за винятком двох неполярних ділянок. Ці ділянки беруть участь в утворенні димерів та гексамерів. У концентрованих розчинах, наприклад в препаратах для ін'єкції, та кристалах, як всередині секреторних везикул β-клітин, шість мономерів інсуліну разом із двома атомами Цинку утворюють гексамер. Таким чином після підшкірного введення інсуліну він всмоктується у кров повільно, через те, що для дисоціації гексамерів необхідний додатковий час.
Утворення і секреція
Синтез інсуліну в клітині Біосинтез інсуліну. Зліва: загальна схема біосинтезу. Справа зверху: схема обмеженого протеолізу проіснуліну з утворенням інсуліну та C-пептиду. Справа знизу: бета-клітина пацюка з великою кількістю гранул заповнених інсуліном (ТЕМ) Інсулін синтезується у β-клітинах острівців Лангерганса підшлункової залози. Ген попередника інсуліну — препроінсуліну — в людини локалізується в короткому плечі 11 хромосоми. Він містить 3 екзони та 2 інтрони. В інших тварин, наприклад мишей, пацюків та трьох видів риб, наявні два гени інсулінуInsulin у базі даних OMIM — Переглянуто 10 липня 2012 .
Препроінсулін людини складається із 110 амінокислот: 24 з них становлять гідрофобну N-кінцеву лідерну послідовність (сигнальний пептид), за нею розташований B-ланцюг, далі — послідовність Арг-Арг, з'єднувальний C-пептид (від — з'єднувальний пептид), послідовність Ліз-Арг, та А-ланцюг на C-кінці. Лідерна послідовність необхідна для котрансляційного транспорту препроінсуліну в порожнину шорсткого ендоплазматичного ретикулуму. Після проходження через мембрану лідерна послідовність відщеплюється спеціальною сигнальною пептидазою і швидко деградує. Утворений після цього проінсулін складається із 86 амінокислотних залишків і не має гормональної активності. У ендоплазматичному ретикулумі відбувається його згортання та формування всередині молекули трьох дисульфідних зв'язків.
Після утворення правильної просторової структури проінсулін у транспортних везикулах переноситься до цис-сторони комплексу Гольджі. В ході руху прогормону від цис- до транс-Гольджі відбувається його відсортовування в компартмент секреторних гранул. Тут, у незрілих гранулах, проінсулін підлягає подальшій модифікації, а саме обмеженому протеолізу, що починається із дії двох прогормонконвертаз (PC2 і PC3). Ці ферменти діють специфічно на карбоксикінцевій стороні послідовності з двох позитивно заряджених амінокислот. В молекулі проінсуліну є два таких сайти: Арг31-Арг32 (місце дії PC2) та між Ліз64-Арг65 (місце дії PC3), де і відбувається розрив пептидних зв'язків. Відразу ж після прогормонконвертаз ферментативну активність проявляє карбоксипептидаза-H, яка відщеплює основні амінокислоти від утворених кінців. Кінцевими продуктами протеолізу є молекула інсуліну та C-пептид довжиною 31 амінокислота. Порівняно із A- та B-ланцюгами інсуліну C-пептид є значно більш варіабельним у хребетних тварин, його довжина коливається від 28 (у корів) до 38 у представників родини Вудильникові.
Зрілі секреторні везикули β-клітин містять кристалічний інсулін у формі гексамерів з атомами цинку та еквімолярну кількість C-пептиду. Вони становлять пул гормону, готовий до екзоцитозу у відповідь на стимул. Час півжиття β-гранул становить кілька днів, і якщо вони не секретують свій вміст, то підлягають деградації шляхом злиття із лізосомами. При підвищеній потребі організму в інсуліні деградація відбувається повільніше.
Регуляція синтезу інсуліну відбувається на кількох рівнях, зокрема на рівні транскрипції, сплайсингу пре-мРНК, деградації мРНК, трансляції та посттрансляційної модифікації. Найсильнішим стимулятором цих процесів є глюкоза, проте біосинтез проінсуліну може активуватись також іншими цукрами, амінокислотами, зокрема лейцином, проміжними продуктами гліколізу, кетоновими тілами, гормоном росту, глюкагоном та деякими іншими факторами.
Секреція інсуліну
Бета-клітини підшлункової залози, як типові ендокринні клітини, секретують більшість (95%) свого основного продукту — інсуліну — регульованим шляхом. Найважливішим активатором цього шляху є глюкоза. У мембранах бета-клітин постійно наявні переносники глюкози GLUT2, через які вона може вільно дифундувати. Завдяки цьому збільшення концентрації глюкози в крові призводить до аналогічного підвищення її рівня і в бета-клітинах. Тут вона відразу ж стає субстратом гексокіназної реакції, продуктом якої є глюкозо-6-фосфат. В інсулін-синтезуючих клітинах підшлункової залози експресується один із ізоферментів гексокінази — гексокіназа IV або глюкокіназа, для неї характерна низька спорідненість до субстрату: константа Міхаеліса становить 10 мМ, що перевищує нормальний вміст глюкози в крові (4-5 мМ). Завдяки цьому глюкокіназа може працювати «глюкозним сенсором», активуючись тільки в умовах гіперглікемії.
Глюкозо-6-фосфат вступає в реакції гліколізу, продукти якого далі окиснюються у мітохондріях, внаслідок чого в клітині утворюється велика кількість АТФ. Підвищення концентрації АТФ призводить до закриття АТФ-керованих калієвих каналів () у плазмалемі. Внаслідок зменшення відтоку калію із клітини мембрана деполяризується, а це веде до відкриття потенціал-керованих кальцієвих каналів і притоку кальцію в клітину. Початкове збільшення концентрації іонів Ca2+ у цитозолі веде до подальшого їх вивільнення із ендоплазматичного ретикулуму. Кальцій викликає злиття клатрин-облямованих бета-гранул із плазмалемою і вивільнення їх вмісту в міжклітинний простір, звідки інсулін потрапляє в кров через фенестровані стінки капілярів.
На активність АТФ-керованих калієвих каналів окрім власне АТФ можуть впливати також інші речовини. Ці трансмембранні білки складаються із восьми субодиниць: чотирьох ідентичних Kir6.2 та чотирьох ідентичних SUR1. Перші формують гідрофільний тунель і відповідають за чутливість до АТФ, а другі є рецепторами до сульфанілсечовин () і можуть інактивувати канал після зв'язування зі своїм лігандом. Таким чином сульфанілсечовини активують синтез інсуліну, завдяки чому використовуються як пероральні цукрознижувальні препарати при цукровому діабеті.
Окрім регульованого існує так званий «конститутивний шлях» секреції інсуліну бета-клітинами, він працює за певних розладів, таких як інсулінома та цукровий діабет другого типу. В цьому випадку велика кількість незрілого гормону (проінсуліну або проміжних «розщеплених» форм) виділяється прямо із везикул, що утворюються в ендоплазматичному ретикулумі.
Регуляція секреції інсуліну Острівці Лангерганса густо іннервовані автономними та пептидергічними нервовими волокнами. Холінергічні закінчення блукаючного нерва, що є частиною парасимпатичної нервової системи стимулюють секрецію інслуіну, в той час як адренергічні закінчення симпатичної нервової системи пригнічують цей процес. Інші нерви виділяють вазоактивний інтестинальний пептид, що стимулює секрецію всіх гормонів підшлункової залози, та нейропептид Y, що блокує виділення інсуліну.
Власні гормони підшлункової залози також мають вплив на секрецію інсуліну: глюкагон стимулює її, а соматостатин — пригнічує. Окрім того інсулін діє автокринно активуючи транскрипцію власного гену і гену глюкокінази.
Під час прийому їжі секреція інсуліну збільшується не тільки під впливом глюкози або вуглеводів, а також амінокислот, особливо лейцину і аргініну, деяких гормонів травної системи: холецистокініну, глюкозозалежного інсулінотропного пептиду, а також таких гормонів, як глюкагон, адренокортикотропний гормон, естроген та інші. Також секрецію інсуліну підсилює підвищення рівня калію або кальцію, вільних жирних кислот в плазмі крові.
Інкертиновий ефект Інкретиновий ефект — це феномен, що полягає виділенні значно більшої кількістю інсуліну, у відповідь на пероральне вживання глюкози у порівнянні із її внутрішньовенним введенням. За це явище відповідають гормони травного тракту, що секретуються під час вживання їжі і посилюють глюкозо-стимульоване вивільнення інсуліну. До інкретинових гормонів належать зокрема глюкагоноподібний пептид-1 та шлунковий інгібуючий поліпептид, перший із них секретуються L-, а другий — K-клітинами верхньої частини порожньої кишки.
Фізіологічна дія інсуліну
+ Вплив інсуліну на рівень глюкози в крові Метаболічний ефект Молекула-мішень ↑ Захоплення глюкози (м'язи та жирова тканина) ↑ Транспортер глюкози GLUT4 ↑ Захоплення глюкози (печінка) ↑ Глюкокіназа (підвищена експресія) ↑ Синтез глікогену (печінка та м'язи) ↑ Глікогенсинтаза ↓ Розщеплення глікогену (печінка та м'язи) ↓ Глікогенфосфорилаза ↑ Гліколіз, продукування ацетил-КоА (печінка та м'язи) ↑ Фосфофруктокіназа-1 (через ↑ФФК-2) ↑ Піруватдегідрогеназний комплекс ↑ Синтез жирних кислот (печінка) ↑ Ацетил-коА-карбоксилаза ↑ Синтез триацилгілцеролів (жирова тканина) ↑ Ліпопротеїнліпаза Основна фізіологічна дія інсуліну полягає у зниженні вмісту глюкози в крові, проте вона не обмежується цим, гормон також впливає на метаболізм білків та ліпідів. Одним із визначальних ефектів інсуліну є те, що він стимулює посилення засвоєння глюкози м'язами та жировою тканиною, проте не впливає на цей процес у печінці, нирках та мозку, клітини яких можуть транспортувати глюкозу навіть за відсутності гормональної стимуляції. Також інсулін блокує ті метаболічні шляхи, кінцевим продуктом яких є глюкоза, зокрема глюконеогенез та розщеплення глікогену, і стимулює ті, в яких вона використовується. Перший пріоритет при цьому належить задоволенню енергетичних потреб, зокрема протіканню гліколізу, кінцевим продуктом якого є піруват, та подальшого окиснення пірувату до ацетил-КоА, який може бути використаний у циклі трикарбонових кислот. Залишок глюкози використовується на поповнення запасів глікогену у печінці та м'язах. У печінці інсулін також стимулює синтез жирних кислот із ацетил-коА, необхідний для цього НАДФH виробляється у пентозофосфатному шляху. Далі жирні кислоти у формі тригліцеридів транспортуються до жирової тканиниMarieb, 2006. Інсулін також впливає на метаболізм опосередковано через головний мозок. Він впливає на ядра гіпоталамуса таким чином, що пригнічує споживання їжі та посилює термогенез.