Что представляет собой инсулин, его воздействие на организм и новейшие разработки. Инсулины Каким включением является инсулин

между собой двумя дисульфидными мостиками (рис. 11-23). Инсулин может существовать в нескольких формах: мономера, димера и гек-самера. Гексамерная структура инсулина стабилизируется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц.

Молекула инсулина содержит также внутримолекулярный дисульфидный мостик, соединяющий шестой и одиннадцатый остатки в А-цепи. Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека.

Бычий инсулин отличается от инсулина человека по трём аминокислотным остаткам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту, которая представлена алани-ном вместо треонина на карбоксильном конце В-цепи.

Рис. 11-23. Структура инсулина человека. А. Первичная структура инсулина. Б. Модель третичной структуры инсулина (мономер): 1 - А-цепь; 2 - В-цепь; 3 - участок связывания с рецептором.

В обеих цепях во многих положениях встречаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона. Наиболее часто эти замены обнаруживаются в положениях 8, 9 и 10 цепи А.

В то же время в положениях дисульфидных связей, остатков гидрофобных аминокислот в С-концевых участках В-цепи и С- и N-кон-цевых остатков А-цепи замены встречаются очень редко, что свидетельствует о важности этих участков для проявления биологической активности инсулина. Использование химических модификаций и замен аминокислот в этих участках позволили установить структуру активного центра инсулина, в формировании которого принимают участие остатки фенила-ланина В-цепи в положениях 24 и 25 и N- и С-концевые остатки цепи А.

Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последовательного протеолиза превращаются в активный гормон. Биосинтез препроинсулина начинается с образования сигнального пептида на полирибосомах, связанных с ЭР. Сигналыный пептид проникает в просвет ЭР и направляет поступление в просвет ЭР растущей полипептидной цепи. После окончания синтеза препроинсулина сигнальный пептид, включающий 24 аминокислотных остатка, отщепляется (рис. 11-24).

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.

Рис. 11-24. Схема биосинтеза инсулина в β-клетках островков Лангерханса. ЭР - эндоплазматический ретикулум. 1 - образование сигнального пептида; 2 - синтез препроинсулина; 3 - отщепление сигнального пептида; 4 - транспорт проинсулина в аппарат Гольджи; 5 - превращение проинсулина в инсулин и С-пептид и включение инсулина и С-пептида в секреторные гранулы; 6 - секреция инсулина и С-пептида.

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. T 1/2 инсулина в плазме крови составляет 3-10 мин, С-пептида - около 30 мин.

Разрушение инсулина происходит под действием фермента инсулиназы в основном в печени и в меньшей степени в почках.

Регуляция синтеза и секреции инсулина. Глюкоза - главный регулятор секреции инсулина, а β-клетки - наиболее важные глюкозо-чувстви-тельные клетки в организме. Глюкоза регулирует экспрессию гена инсулина, а также генов других белков, участвующих в обмене основных энергоносителей. Действие глюкозы на скорость экспрессии генов может быть прямым, когда глюкоза непосредственно взаимодействует с транскрипционными факторами, или вторичным, через влияние на секрецию инсулина и глюкагона. При стимуляции глюкозой инсулин быстро освобождается из секреторных гранул, что сопровождается активацией транскрипции мРНК инсулина.

Синтез и секреция инсулина не являются строго сопряжёнными процессами. Синтез гормона стимулируется глюкозой, а секреция его является Са 2+ -зависимым процессом и при дефиците Са 2+ снижается даже в условиях высокой концентрации глюкозы, которая стимулирует синтез инсулина.

Потребление глюкозы β-клетками происходит в основном при участии ГЛЮТ-1 и ГЛЮТ-2, и концентрация глюкозы в клетках быстро уравнивается с концентрацией глюкозы в крови. В β-клетках глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат глюкокиназой, имеющей высокую К т, вследствие чего скорость её фосфорилирования почти линейно зависит от концентрации глюкозы в крови. Фермент глюкокиназа - один из важнейших компонентов глюкозо-чувстви-тельного аппарата β-клеток, в который, помимо глюкозы, вероятно, входят промежуточные продукты метаболизма глюкозы, цитратного цикла и, возможно, АТФ. Мутации глюкокиназы приводят к развитию одной из форм сахарного диабета.

На секрецию инсулина влияют другие гормоны. Адреналин через α 2 -рецепторы тормозит секрецию инсулина даже на фоне стимуляции глюкозой, β-адренергические агонисты её стимулируют, вероятно, в результате повышения концентрации цАМФ. Этот механизм, полагают, лежит в основе действия гормонов ЖКТ, таких как секретин, холецистокинин и желудочный ингибирующий пептид (GIP), которые повышают секрецию инсулина. Высокие концентрации гормона роста, кортизола, эстрогенов также стимулируют секрецию инсулина.

Очень легко наблюдать, как инсулин снижает уровень глюкозы в крови. Сам же этот уровень достигается в результате сложного переплетения множества биохимических реакций. Каким образом инсулин так действует на эти реакции, что происходит снижение концентрации сахара в крови? Действует ли он только на одну реакцию, на несколько или на все сразу?

В поисках ответа на этот вопрос биохимики в первую очередь заподозрили одну реакцию, катализируемую ферментом, называемым гексокиназой. Это подозрение явилось результатом работ, выполненных супругами-американцами чешского происхождения, Карлом Фердинандом Кори и Герти Терезой Кори, которым удалось выяснить некоторые детали различных реакций, вовлеченных в расщепление глюкозы. За эти работы супруги Кори получили в 1947 году Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Супруги Кори выяснили, что в обычных условиях гексокиназная реакция подавлена, и это подавление снимается под действием инсулина. Они смогли показать, каким образом одна эта реакция отвечает за снижение концентрации глюкозы в крови.

Представляется, однако, что это было бы слишком простым объяснением. Метаболические расстройства при диабете носят весьма разнообразный характер. Хотя возможно, конечно, объяснить все это многообразие нарушением протекания одной единственной реакции (тоже включенной в сеть метаболических превращений), выведя все связанные с диабетом расстройства здоровья из одной гексокиназной реакции, но это требует таких сложных рассуждений видно, что доверие к ним уменьшается по мере возрастания их сложности. Последние исследования позволяют предположить, что инсулин оказывает свое действие непосредственно на клеточные мембраны. Скорость, с какой клетка поглощает глюкозу, отчасти зависит и от разницы концентраций глюкозы внутри и вне клетки, а также от природы клеточных мембран, через которые должна пройти глюкоза.

Давайте для наглядности прибегнем к аналогии. Представьте себе дом. С улицы в него входят люди. Отчасти количество вошедших в дом людей будет зависеть от числа людей, стремящихся в него попасть. Кроме того, этот поток зависит от ширины входной двери или от количества открытых дверей. Когда толпа людей, жаждущих попасть внутрь, достигнет определенного критического уровня, количество тех, кто попадает в дом за одну секунду, станет постоянным, вне зависимости от размеров толпы. Однако если привратник быстро откроет еще две двери, то поток увеличится в три раза.

Инсулин по отношению к мембранам мышечных клеток ведет себя как привратник, повышая проницаемость мембран для глюкозы. (То есть он как бы открывает для нее дополнительные двери.) Мы остановились на том, что во время еды в кровь поступает большое количество глюкозы, что приводит к повышению секреции инсулина в поджелудочной железе. Как следствие, открываются «мембранные двери», и концентрация глюкозы в крови стремительно падает, так как она быстро уходит в клетки, где либо утилизируется, либо запасается. При диабете глюкоза изо всех сил стучится в двери мембран, но они оказываются по большей части запертыми. Глюкоза не может войти в клетки и, следовательно, накапливается в крови. Очевидно, что любой фактор, который позволит глюкозе войти в клетки, сможет отчасти заменить собой недостающий инсулин. Один из таких факторов - физическая нагрузка, поэтому врачи, как правило, рекомендуют диабетикам регулярно заниматься физическими упражнениями.

Но в этом случае неизбежно возникает вопрос: что особенного делает инсулин в клетке, отчего повышается проницаемость ее мембраны для глюкозы? Биохимики потратили много усилий для расшифровки строения молекулы инсулина именно в надежде (отчасти, правда, из элементарного любопытства) понять механизм его действия.

Молекула инсулина представляет собой полипептид, подобный молекулам желудочно-кишечных гормонов, но более сложный. Например, молекула секретина состоит из 36 аминокислотных остатков, а молекула инсулина - из 50. Поскольку, однако, структура секретина до сих пор точно не установлена, резонно предположить, что точное строение молекулы инсулина тоже пока не известно. Но надо учесть, что стремление разрешить проблему в случае инсулина, недостаток которого лежит в основе самой серьезной метаболической болезни, намного превышает стремление установить структуру гастроинтестинальных гормонов, которые не имеют такого клинического значения. Кроме того, инсулин доступен для биохимических исследований в гораздо больших количествах.

В конце 40-х годов было установлено, что молекулярный вес инсулина немногим меньше 6000. (Молекулы инсулина имеют склонность объединяться в группы, поэтому в некоторых ранних сообщениях указывалось, что его молекулярный вес равен 12 и даже 36 тысячам дальтон.) Далее, было установлено, что молекулы инсулина состоят из двух аминокислотных цепей, соединенных между собой цистшювыми мостиками. Когда цепи были разделены, выяснилось, что одна из них (цепь А) состоит из 21, а другая (цепь В) из 30 аминокислотных остатков.

Полипептидные цепи были легко расщеплены на индивидуальные аминокислоты, и биохимики установили, из каких именно аминокислот состоит каждая из цепей. (Определение аминокислотного состава было выполнено методом, который называется бумажной хроматографией. Метод был изобретен в 1944 году и произвел подлинную революцию в биохимии. Если вас интересуют подробности этого метода, то вы можете найти их в главе «Победа на бумаге» моей книги «Всего триллион», вышедшей в 1957 году.) Но, как я уже заметил в предыдущей главе, знание аминокислотного состава - это лишь первый шаг. Надо также знать последовательность, в какой расположены в цепи белка аминокислотные остатки. Двадцать одну аминокислоту в цепи А инсулина можно расположить 2 800 000 000 000 000 способами. Для 30 аминокислотных остатков цепи. В это число еще больше и равно приблизительно 510 000 000 000 000 000 000 000 000.

Проблему определения точной последовательности аминокислот в бычьем инсулине взялась решать группа биохимиков под руководством британского ученого Фредерика Сенджера. Для этого использовали метод расщепления цепей на мелкие фрагменты под действием кислот или специфических ферментов. Полученные фрагменты не были аминокислотами, а представляли собой короткие цепи из двух, трех или четырех аминокислотных остатков.. Эти фрагменты были выделены, и ученые определили в них точную последовательность аминокислот.

(Две аминокислоты могут быть расположены двумя способами - А-В или В-А. Три аминокислоты могут быть расположены шестью способами - А-В-С, А-С-В, В-С-А, В-А-С, С-А-В и С-В-А. Даже четыре аминокислоты можно расположить всего лишь двадцатью четырьмя способами. Можно проанализировать все возможные последовательности в малых фрагментах и выбрать правильный, не столкнувшись с непреодолимыми трудностями. По крайней мере, гораздо легче иметь дело с двумя возможностями из пары десятков, чем с двумя из пары квинтильонов возможных вариантов.)

Когда, таким образом, были обработаны все малые фрагменты, наступило время собрать их воедино. Предположим, что цепь А имеет в своем составе некую аминокислоту, которую мы обозначим q, в единственном числе. Предположим далее, что нам удалось выделить две короткие цепочки по три аминокислоты в каждом - r-s-q и q-p-o. Поскольку в цепи аминокислота q присутствует только в одном экземпляре, то в исходной молекуле должна присутствовать последовательность из пяти аминокислотных остатков r-s-q-p-o. Тогда, в зависимости от места расщепления исходной цепи, действительно получится два возможных фрагмента - r-s-q и q-p-o.

Для решения этой головоломки Сэнджеру и его коллегам потребовалось восемь лет. К 1955 году им удалось подогнать друг к другу полученные фрагменты и получить структуру нативной белковой молекулы. В истории науки это был первый случай, когда ученым удалось полностью определить структуру естественной белковой молекулы. В 1958 году Сэнджер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Формула молекулы инсулина в записи символами Бранда выглядит следующим образом:

Бычий инсулин

К сожалению, знание структуры молекулы ни на йоту не приблизило биохимиков к пониманию механизма действия инсулина на клеточные мембраны.

Представлялось возможным подойти к проблеме с другого конца и попытаться сравнить структуру инсулинов разных видов животных. Свиной инсулин так же эффективен у диабетиков, как и бычий. Если два инсулина отличаются своим строением, то, видимо, следует обратить пристальное внимание лишь па тот участок молекулы, который обеспечивает общие свойства, сузив тем самым поле поиска. Когда был проанализирован свиной инсулин, выяснилось, что он отличается от бычьего тремя аминокислотными остатками, выделенными в приведенной формуле курсивом. Эти три аминокислоты, если можно так выразиться, зажаты в углу между двумя цистиновыми мостиками.

В бычьем инсулине в этом месте находятся ала-нин-серин-валин, а в свином - треонин-серин-изо-лейцин. Состав этого и только этого участка варьирует у других видов животных. У овец в данном участке находятся аланин-глицин-валин, у лошадей - треонин-глицин-изолейнин, а у китов - треонин-серин-изолейцин. У этих трех видов аминокислота слева может быть аланином или треонином, в середине - серином или глицином, и справа - валином или изолейцином.

Хотя аминокислотный состав инсулина множества других видов животных пока не определен, представляется маловероятным, что отличия окажутся разительными. Более того, любые изменения химической структуры, кроме самых незначительных, приводит к утрате биологической активности молекулы инсулина. Каким бы ни было действие, оказываемое инсулином на клеточную мембрану, для его осуществления требуется участие целой интактной молекулы. Это почти все, что можно на сегодняшний день об этом сказать, по крайней мере пока.

Инсулином называется гормон, производимый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Название инсулина происходит от латинского insula – остров. Эффекты инсулина

Несмотря на то, что инсулин вызывает множество эффектов в различных тканях человеческого тела, его основным эффектом является стимулирование перехода глюкозы из крови внутрь клеток, что приводит к снижению концентрации глюкозы в крови.

Другими эффектами инсулина являются стимулирование синтеза в печены и мышцах гликогена из глюкозы, увеличение создания жиров и белков, подавление активности ферментов, разрушающих жиры и белки. Таким образом, инсулин обладает анаболическим действием, поскольку усиливает образование жиров и белков, одновременно замедляя их распад.

Основной эффект инсулина заключается в усилении переноса глюкозы через клеточную мембрану внутрь клетки. Других гормонов, снижающих уровень глюкозы крови, в организме человека не существует. Основные эффекты инсулина проявляются в мышцах и жировой ткани, поэтому эти ткани называют инсулинозависимыми. Уровень глюкозы крови снижается при воздействии инсулина и повышается при воздействии т.н. гипергликемических гормонов (глюкагона, соматотропного гормона, глюкокортикоидов).

Дополнительными эффектами инсулина являются увеличение интенсивности образования гликогена, уменьшение образования глюкозы в печени, усиление поглощения клетками аминокислот, необходимых для синтеза белка. Одновременно инсулин уменьшает разрушение белков и жиров. Таким образом, общий эффект инсулина является анаболическим – направленным на формирование жировой и мышечной ткани.

Инсулин является полипептидным гормоном, состоящим из двух аминокислотных цепей: А- и В-цепи. Полипептидные цепи соединяются дисульфидными мостиками. Человеческий инсулин по структуре близок к свиному и бычьему, хотя и отличается от них одним и тремя аминокислотными остатками соответственно.

Островки поджелудочной железы были открыты в 1869 году Паулем Лангергансом при микроскопическом исследовании структуры поджелудочной железы. В 1889 году Оскар Малиновски в Германии при удалении поджелудочной железы у собаки вызвал у нее симптомы сахарного диабета. В 1921 году Ф. Бантинг и Ч. Бест выделили из клеток островков поджелудочной железы инсулин, а Д. Коллип разработал методику его очистки.

В 1922 году инсулин впервые был введен пациенту, страдающему сахарным диабетом. Его лечебное действие показало, что такой вид терапии является наиболее эффективным. В последующие годы основные усилия ученых были направлены на организацию производства в больших количествах. В 1923 году была вручена Нобелевская премия за открытие и выделение инсулина. В последующем аминокислотная структура инсулина была полностью расшифрована Ф. Сенгером.

В островковых клетках поджелудочной железы инсулин синтезируется в несколько этапов. На первом этапе происходит синтез молекулы предшественника инсулина – препроинсулина. На втором этапе от молекулы препроинсулина отделяется сигнальный пептид, после чего образуется проинсулин. После созревания происходит образование окончательной молекулы инсулина. На этапе созревания от молекулы проинсулина отделяется С-пептид, который не оказывает биологического действия. После отделения С-пептида формируется активная форма инсулина.

Выделение инсулина в кровь происходит при повышении уровня глюкозы в крови. Дополнительно регуляция выработки инсулина производится автономной нервной системы. Разрушение инсулина происходит в печени и почках при воздействии фермента инсулиназы.

В настоящее время фармацевтическая промышленность производит значительное число препаратов инсулина, имеющих различные биологические эффекты. Выделяют человеческий, свиной инсулины, инсулин крупного рогатого скота. По степени очистки различают традиционные, монопиковые, монокомпонентные инсулины. По времени действия выделяют инсулины короткого и пролонгированного действия. Последние делятся на инсулины среднего, длительного и сверхдлительного срока действия. Есть также инсулины ультракороткого и депо-инсулины, выделяющиеся медленно из подкожной клетчатки.

Подбор схемы инсулинотерапии – сложное и очень ответственное мероприятие. От правильности выбора формы инсулина и схемы его дозирования зависит успешность достижения компенсации сахарного диабета и, как следствие, качество жизни пациента.

• Типы сахарного диабета

  В настоящее время выделяется два основных типа сахарного диабета, различающиеся по причине и механизму появления, а также по принципам лечения

• Сахарный диабет 1 типа

  Сахарный диабет 1 типа - заболевание эндокринной системы, для которого характерным признаком является повышенная концентрация глюкозы в крови, которое развивается из-за деструктивных процессов в специфических клетках поджелудочной железы, секретирующих гормон - инсулин, вследствие чего наблюдается абсолютный недостаток инсулина в организме

• Сахарный диабет 2 типа

  Сахарный диабет 2 типа - одна из разновидностей сахарного диабета - заболевания обмена веществ, возникающего в результате пониженной чувствительности клеток к инсулину, а также относительной недостачи инсулина в организме

• Гестационный сахарный диабет при беременности

  Гестационный сахарный диабет может развиваться при беременности (примерно в 4% случаев). В его основе лежит снижение способности по усвоению глюкозы

• Гипогликемия

  Гипогликемией называют патологическое состояние, характеризующееся снижением концентрации глюкозы в плазме крови ниже уровня 2,8 ммоль/л, протекающее с определенной клинической симптоматикой, либо менее 2,2 ммоль/л независимо от наличия или отсутствия клинических признаков

• Кома при сахарном диабете

  Информация о наиболее опасном осложнении сахарного диабета, требующем экстренной медицинской помощи,- коме. Описываются виды ком при сахарном диабете, их специфические признаки, тактика лечения

• Синдром диабетической стопы

  Синдром диабетической стопы - одно из осложнений сахарного диабета, наряду с диабетической офтальмопатией, нефропатией и др., представляющее собой патологическое состояние, возникшее вследствие поражения периферической нервной системы, артериального и микроциркуляторного русла, проявляющееся гнойно-некротическими, язвенными процессами и повреждением костей и суставов стопы

• О диабете

  Сахарный диабет - термин, объединяющий эндокринные заболеваний, характерной чертой которых является недостаточность действия гормона инсулина. Главным симптомом сахарного диабета является развитие гипергликемии – увеличения концентрации глюкозы в крови, имеющее стойкий характер

Инсулин – (от лат. insula – остров) – гормон пептидной природы, он образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, которые включают 51 аминокислотный остаток: A-цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, B-цепь образована 30 аминокислотными остатками. Полипептидные цепи соединяются двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина, третья дисульфидная связь находится в A-цепи.

Первичная структура инсулина у разных биологических видов имеет некоторые различия, точно так же, как отличается его роль в регуляции обмена углеводов. Больше всего схож с человеческим инсулин свиньи, они отличаются одним аминокислотным остатком: в 30 положении B-цепи свиного инсулина находится аланин, а в инсулине человека – треонин; бычий инсулин отличается на три аминокислотных остатка.

Цепи соединяются друг с другом посредством двух дисульфидных мостиков (получается, что каждый образован двумя атомами серы), а третий дисульфидный мостик выступает связующим звеном отдаленных друг от друга аминокислот А-цепи. Соединенные цепи немного изгибаются и сворачиваются в глобулярную структуру, именно такая конфигурация молекулы гормона важна для проявления его биологической активности.

Существенно влияет на обмен почти во всех тканях. По своей химической структуре данное соединение находится где-то между полипептидами и белками. Инсулин образуется в поджелудочной железе животных и человека. В бета-клетках поджелудочной железы инсулин образуется из предшественника - проинсулина, полипептида из 84 аминокислотных остатков, у которых не наблюдается грмональная активность. Инсулин – это специфическое средство, которому свойственно понижать сахар, также он регулирует углеводный обмен; влияет на усиление усвоения тканями глюкозы и помогает ей превратиться в гликоген, также облегчает проникновение глюкозы в клетки тканей. У инсулина наблюдается не только гипогликемическое влияние, он оказывает ряд других эффектов: влияет на повышение запасов гликогена в мышцах, оказывает стимулирующий эффект на синтез пептидов, снижает расход белка. В некоторых видах спорта данный препарат ценят благодаря тому, что у него наблюдается выраженный анаболический эффект.

Историческая справка

Главная функция инсулина состоит в обеспечении клеток организма важным энергетическим материалом – глюкозой.

В том случае, если наблюдается нехватка инсулина, клетки не имеют возможности усваивать глюкозу, идет процесс накопления в крови, а ткани и органы подвержены энергетическому голоданию. При нехватке инсулина может начать развиваться очень серьезное заболевание (сахарный диабет).

До начала XX в. больные сахарным диабетом умирали в детском или молодом возрасте, в связи с развитием осложнений, вызванных болезнью, почти никто не жил больше 5–7 лет после начала болезни.

О том, какую роль играет поджелудочная железа в развитии сахарного диабета, узнали только в конце XIX в. В 1869 г. в Берлине 22-летний Поль Лангерганс, будучи на то время студентом-медиком, проводил исследования с помощью микроскопа строения поджелудочной железы. Он заметил неизвестные клетки, которые создавали группы, равномерно распределенные по всей железе. Несмотря на это, функция этих клеток, которые потом назвали в честь студента островками Лангерганса, продолжала быть не изученной.

Некоторое время спустя Эрнст Лако выдвинул гипотезу о том, что поджелудочная железа участвует в процессах пищеварения. В 1889 г. немецкий физиолог Оскар Минковски попытался доказать, что данное утверждение не имеет ничего общего с реальностью. С этой целью он поставил эксперимент, в ходе которого удалил железу у здоровой собаки. Спустя пару дней после начала эксперимента помощник Минковски, который следил за состоянием лабораторных животных, заметил то, что на мочу подопытной собаки слеталось очень много мух.

Провели исследование мочи, в ходе которого было обнаружено, что собака, у которой отсутствует поджелудочная железа, вместе с мочой выделяет сахар. Это было первое наблюдение, свидетельствующее о том, что существует некая связь между работой поджелудочной железы и развитием сахарного диабета. В 1901 г. Евген Опи доказал, что сахарный диабет развивается вследствие нарушений в структуре поджелудочной железы (полным или частичным разрушением островков Лангерганса).

Первым человеком, выделившим инсулин и успешно применяющим его для лечения больных, стал канадский физиолог Фредерик Бантинг. Он пытался создать лекарство от диабета в связи с тем, что двое его друзей умерли от данной болезни. Еще до этого многие исследователи, которые поняли роль поджелудочной железы в развитии сахарного диабета, делали попытки выделить вещество, влияющее именно на уровень сахара крови. К сожалению, все попытки заканчивались неудачно.

Это было связано частично с тем, что ферменты поджелудочной железы (в основном трипсин) успевали хотя бы частично разложить белковые молекулы инсулина до того, как их удавалось выделить из экстракта тканей железы. В 1906 г. Георг Людвиг Зэльцер смог достичь определенного успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак прибегая к помощи панкреатического экстракта, но ему не удалось продолжить свою работу. Скотт в 1911 г. в Чикагском университете работал с водным экстрактом поджелудочной железы, он заметил небольшое уменьшение гликозурии у подопытных животных. В связи с тем, что руководителя проекта не удалось убедить в важности проводимых исследований, их остановили.

Такого же эффекта достиг Израэль Кляйнер в 1919 г., он не смог закончить свою работу, так как началась Первая мировая война.

Схожую работу в 1921 г. опубликовал профессор физиологии Румынской школы медицины Никола Паулеско. Многие исследователи не только в Румынии полагают, что первооткрывателем инсулина был именно этот ученый. Несмотря на это, заслуга выделения инсулина, а также его успешного использования принадлежит именно Фредерику Бантингу.

Бантинг работал младшим преподавателем на кафедре анатомии и физиологии в канадском университете, его руководителем был профессор Джон Маклеод, которого в то время принимали за большого специалиста в вопросах, касающихся диабета. Бантинг пытался добиться атрофии поджелудочной железы прибегая к перевязке ее выводных протоков (каналов) на 6–8 недель, сохранив при этом островки Лангерганса неизмененными от воздействия ферментов поджелудочной железы, и получить чистый экстракт клеток этих островков.

Для проведения этого эксперимента необходима была лаборатория, помощники и подопытные собаки, этого всего у Бантинга не было.

За помощью он обратился к профессору Джону Маклеоду, который хорошо знал о всех прежних неудачах с получением гормонов поджелудочной железы. В связи с этим, он сначала отказал Бантингу. Несмотря на это, Бантинг продолжал упорствовать и весной 1921 г. снова попросил Маклеода дать разрешение поработать в лаборатории хотя бы два месяца. В связи с тем, что именно тогда Маклеод планировал поехать в Европу, соответственно, лаборатория была свободной, он дал свое согласие. В качестве помощника Бантингу дали студента 5-го курса Чарльза Беста, который хорошо разбирался в методах определения сахара в крови и моче.

Для того, чтобы провести эксперимент, требующий больших расходов, Бантинг продал почти все, что у него было.

Нескольким собакам перевязали протоки поджелудочной железы и стали дожидаться ее атрофии. 27 июля 1921 г. собаке, у которой отсутствовала поджелудочная железа, и которая находилась в прекоме, ввели экстракт атрофированной поджелудочной железы. Спустя несколько часов у собаки отмечалось снижение уровня сахара в крови и моче, исчез ацетон.

Затем экстракт поджелудочной железы ввели во второй раз, и она прожила еще 7 дней. Вполне вероятно, что удалось бы продлить жизнь собаки еще на какой-то время, но у исследователей закончился запас экстракта. Это было связано с тем, что получение инсулина из поджелудочных желез собак – очень трудоемкая и длительная работа.

Далее Бантинг и Бест начали добывать экстракт из поджелудочной железы еще не рожденных телят, у которых еще не начали вырабатываться пищеварительные ферменты, но уже производилось достаточное количество инсулина. Количества инсулина теперь было достаточно для того,чтобы поддерживать жизнь подопытной собаки уже до 70 дней. К тому времени Маклеод вернулся из Европы и понемногу стал интересоваться работой Бантинга и Беста, он принял решение подключить к ней весь персонал лаборатории. Бантинг с самого начала назвал полученный экстракт поджелудочной железы ислетином, но потом прислушался к предложению Маклеода и переименовал его в инсулин (от лат. insula – «остров»).

Исследования по получению инсулина успешно продолжались. 14 ноября 1921 г. Бантинг и Бест сделали сообщение о результатах своих исследований на заседании клуба «Физиологического журнала» университета Торонто. Спустя месяц они рассказали о своих успехах в Американском физиологическом обществе в Нью-Хейвене.

Количество экстракта, который получали из поджелудочных желез крупного рогатого скота, забитого на бойне, стало быстро увеличиваться, необходим был специалист для обеспечения тонкой очистки инсулина. Для этого в конце 1921 г. Маклеод пригласил к работе известного биохимика Джеймса Коллипа, он очень быстро добился хороших результатов по очистке инсулина. К январю 1922 г. Бантинг и Бест решили начать первые клинические испытания инсулина на человеке.

Сначала ученые ввели по 10 условных единиц инсулина друг другу, а уже потом – добровольцу. Им стал 14-летний мальчик Леонард Томпсон, который болел сахарным диабетом. Первую инъекцию ему сделали 11 января 1922 г., но она была не совсем удачной. Причиной этому было то, что экстракт недостаточно очистили, начала развиваться аллергия. Следующие 11 дней Коллип упорно работал в лаборатории с целью улучшения экстракта, уже 23 января мальчику сделали вторую инъекцию инсулина.

После ввода инсулина мальчик стал быстро идти на поправку – он был первым человеком, который выжил благодаря инсулину. Некоторое время спустя Бантинг спас от неминуемой смерти своего друга – врача Джо Джилькриста.

Весть о том, что инсулин впервые успешно применили 23 января 1922 г. очень быстро стала международной сенсацией. Бантинг и его коллеги практически воскрешали сотни больных диабетом, особенно с тяжелыми формами. Люди присылали очень много писем с просьбами об излечении, некоторые приезжали непосредственно в лабораторию. Несмотря на все это, на тот момент существовало очень много недостатков – препарат инсулина еще не стандартизировали, средств самоконтроля не было, и вводимые дозы отмеряли грубо, на глаз. В связи с этим, часто происходили гипогликемические реакции организма, когда уровень глюкозы падал ниже нормы.

Несмотря на все это, продолжались усовершенствование внедрение инсулина в повседневную врачебную практику.

Университет Торонто начал продажу фармацевтическим компаниям лицензии на производство инсулина, уже к 1923 г. он стал доступен всем больным сахарным диабетом.

Разрешение на производство лекарства получили компании «Лили» (США) и «Ново Нордиск» (Дания), они и сейчас являются лидерами в этой области. Бантингу в 1923 г. университет Торонто присвоил степень доктора наук, его избрали профессором. Помимо этого было принято решение открыть отделения медицинских специальных исследований для Бантинга и Беста, им назначили высокие персональные оклады.

В 1923 г. Бантингу и Маклеоду присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которую они на добровольных началах разделили с Бестом и Коллипом.

В 1926 г. ученый-медик Абель синтезировал синтезировать инсулин в кристаллическом виде. Спустя 10 лет датский исследователь Хагедорн добыл инсулин пролонгированного (продленного) действия, а еще спустя 10 лет создал нейтральный протамин Хагердона, он до сих пор является одним из наиболее популярных видов инсулина.

Химический состав инсулина установил британский молекулярный биолог Фредерик Сенгер, которому присвоили в 1958 г. за это Нобелевскую премию. Инсулин стал первым белком, последовательность аминокислот которого полностью расшифровали.

Пространственное строение молекулы инсулина установили с помощью метода рентгеновской дифракции в 1990-х гг. Дороти Кроуфт Ходжкин, ее также наградили Нобелевской премией.

После того, как Бантинг добыл бычий инсулин, исследовали инсулин, полученный из поджелудочных желез свиней и коров, а также других животных (например, китов и рыб).

Молекула человеческого инсулина состоит из 51 аминокислоты. Свиной инсулин отличается только одной аминокислотой, коровий – тремя, но это не мешает им нормализовать уровень сахара вполне хорошо. Несмотря на это, у инсулина животного происхождения существует большой недостаток – у большей части больных он становится причиной аллергической реакции. В связи с этим требовались дальнейшие работы по усовершенствованию инсулина. В 1955 г. расшифровали структуру человеческого инсулина, и приступили к работам по его выделению.
Впервые это сделали в 1981 г. американские ученые Жильбер и Ломедико. Некоторое время спустя появился инсулин, который получили из пекарских дрожжей методом генной инженерии. Инсулин стал первым из человеческих белков, который синтезировали в 1978 г. генетически модифицированной бактерией Е. coli. С этого момента в биотехнологии началась новая эпоха. Начиная с 1982 г. американская компания «Генентех» выпускает человеческий инсулин, который синтезировали в биореакторе. Он не приводит к появлению аллергических реакций.

Фармакологическое действие (по данным производителя)

Инсулин является средством, которое понижает сахар и обладает способностью регулировать углеводный обмен; усиливает усвоение тканями глюкозы и способствует ее превращению в гликоген, кроме этого облегчает проникновение глюкозы в клетки тканей.

Помимо оказания гипогликемического действия (понижения уровня сахара в крови), инсулин имеет несколько других эффектов: повышает запасы гликогена в мышцах, стимулирует синтез пептидов, снижает расход белка и др.

Влияние инсулина сопровождается стимуляцией или ингибированием (подавлением) некоторых ферментов; стимулируются гликогенсинтетаза, пируватдегидрогеназа, гексокиназа; ингибируются липаза, которая активирует жирные кислоты жировой ткани, липопротеиновая липаза, снижающая "помутнение" сыворотки крови после приема пищи, насыщенной жирами.

Степень биосинтеза и секреции (выделения) инсулина находится в зависимости от содержания глюкозы в крови. При повышении ее концентрации усиливается секреция инсулина поджелудочной железой; снижение концентрации глюкозы в крови замедляет секрецию инсулина.

Действие инсулина напрямую связано с его взаимодействием со специфическим рецептором, который находится на плазматической мембране клетки, и образование инсулинрецепторного комплекса. Инсулиновый рецептор вместе с инсулином проникает в клетку, там влияет на процессы фосфолирования клеточных белков; механизм действия дальнейших внутриклеточных реакций до конца не известен.

Активность инсулина определяют биологическим путем (по способности понижать концентрацию глюкозы в крови у здоровых кроликов) и одним из физикохимических методов (методом электрофореза на бумаге или методом хроматографии на бумаге). За одну единицу действия (ЕД), или интернациональную единицу (ИЕ), принимают активность 0,04082 мг кристаллического инсулина.

Метаболические эффекты инсулина

1. Улучшает поглощение клетками глюкозы и других веществ;
2. Активирует основные ферменты гликолиза;
3. Увеличивает интенсивность синтеза гликогена – инсулин форсирует запасание глюкозы клетками печени и мышц с помощью полимеризации её в гликоген;
4. Снижает интенсивность глюконеогенеза – уменьшается создание в печени глюкозы из различных веществ неуглеводной природы (белков и жиров).

Анаболическое действие инсулина

• Влияет на усиление поглощения клетками аминокислот (особенно лейцина и валина);
• Улучшает передвижение в клетку ионов калия, а также магния и фосфата;
• Влияет на усиление репликации ДНК и биосинтеза белка;
• Усиливает синтез жирных кислот и дальнейшую их этерификацию – в жировой ткани и в печени
• Стимулирует превращение глюкозы в триглицериды; при нехватке инсулина происходит обратное – мобилизация жиров.

Антикатаболическое действие инсулина

1. Угнетает гидролиз белков – снижает деградацию белков;
2. Уменьшает липолиз – снижает поступление жирных кислот в кровь.

Виды используемого инсулина в бб

Инсулин короткого действия

Короткий инсулин начинает действовать в случае подкожного ввода через 30 минут (в связи с этим вводят за 30-40 минут до еды), максимум действия приходится через 2 часа, исчезает из организма через 5-6 часов.

Лучший выбор

• Хумулин Регуляр
• Актрапид HМ

Инсулин ультракороткого действия

Ультракороткий инсулин начинает действовать через 15 минут, максимум через 2 часа, исчезают из организма через 3-4 часа. Он физиологичнее, его можно вводить прямо перед приёмом пищи (за 5-10 минут) или сразу после еды.

Лучший выбор

• Инсулин лизпро (Хумалог) – полусинтетический аналог человеческого инсулина.
• Инсулин аспарт (НовоРапид Пенфилл, НовоРапид ФлексПен).
• Инсулин глулизин (Хумалог)

Преимущества и недостатки инсулина

Преимущества

• Маленькая стоимость курса
• Широкая доступность - препарат можно без проблем купить в аптеке
• Высокое качество – подделки почти на встречаются, в отличии от стероидов
• Отсутствует токсичность, малая вероятность возникновения побочных эффектов, почти полное отсутствие последствий курса
• Малый феномен отката
• Обладает выраженным анаболическим действием
• Можно комбинировать с анаболическими стероидами и другими средствами
• Отсутствует андрогенное воздействие

Недостатки

• Сложная схема приема
• Происходит значительная прибавка жира
• Гипогликемия

Приём инсулина

1. Данный курс идеален для набора 5-10 кг мышечной массы на протяжении 1-2 месяцев, далее необходимо сделать перерыв не меньше двух месяцев, чтобы восстановить собственную секрецию.
2. Изучите механизм действия инсулина, в том числе меры борьбы с гипогликемией.
3. Начинать курс следует с дозы 10 ЕД подкожно, со временем (1 раз в день или через день) увеличивайте дозировку на 2 ЕД.
4. С особой внимательностью отслеживайте реакцию организма на увеличение дозы!
5. Далее можно увеличить дозу до 15-20 ЕД, большие дозы не рекомендуются (стоит отметить, что это зависит от чувствительности тканей к инсулину, некоторые спортсмены отлично переносят 50-60 ЕД инсулина и только при приеме таких доз растут, но это можно выяснять только постепенно увеличивая дозы).
6. Следует отметить, что инсулиновые шприцы имеют различные шкалы. Шприцы U-40 используют для инъекций инсулина, содержащего 40 единиц в 1 мл. Шприцы U-100 внешне очень напоминают U-40, но их применяют для препаратов с содержанием 100 единиц инсулина в 1 мл.
7. Частоту инъекций можно изменять, но наиболее щадящим считают прием через день. Лучше выполнять инъекции сразу после тренировки (но только тогда, когда тренировка заканчивается не поздно вечером в случае потребления инсулина короткого действия, если необходимо принять инсулин после тренировки вечером, это должен быть инсулин ультракороткого действия, в связи с тем, что он работает всего 3 часа и успеет перестать работать до сна), так как сразу после нее должен следовать обильный прием пищи, для обеспечения поставки углеводов в кровь. Помимо этого, инсулин имеет свойство угнетать катаболические процессы, вызванные физическим стрессом во время тренинга. Продолжительность курса при таком режиме составляет 2-2,5 месяца.
8. Можно выполнять инъекции каждый день и даже 2 раза в день, но тогда продолжительность курса следует сократить до 1,5-2 месяцев.
9. Если применяете инсулин ультракороткого действия, то делать инъекцию надо непосредственно после обильного приема пищи, богатого углеводами.
10. Если применяете инсулин короткого действия, делать инъекцию надо за 30 минут до обильного приема пищи, богатого углеводами.
11. На 1 ЕД инсулина, следует принимать 6 г углеводов.
12. Делайте инъекции в разные места, чтобы избежать липодистрофии (неровности в подкожно-жировой клетчатке).
13. Для успешного прохождения курса следует соблюдать высококалорийную диету, проводить силовые тренировки, а также употреблять спортивное питание для набора массы.

Меры предосторожности

1. Начинать курс следует с небольшой дозы - 5-10 ЕД, для проверки реакции организма.
2. Выполняйте только подкожные инъекции
3. Не делайте инъекции перед тренировкой
4. Не делайте инъекции сразу перед сном
5. После инъекции следует обеспечить организм углеводами (у здорового человека сахар в крови натощак колеблется от 3 до 5,5 ммоль/л. Каждая единица инсулина снижает сахар крови на 2,2 ммоль/л. Если уколоть 20 единиц инсулина ультракороткого действия, может развиться гипогликемия.
6. В эндокринологии (куда относится инсулин) есть такое понятие, как "хлебная единица". Вне зависимости от вида и количества продукта, не важно, что это, одна хлебная единица содержит 12-15 граммов усвояемых углеводов. Она повышает уровень сахара в крови на одну и ту же величину - 2,8 ммоль/л – ей надо для усвоения организмом примерно 1,5-2 единицы инсулина. Более широко об этой мере исчисления можно узнать в интернете.
7. Теперь посчитаем. На 20 единиц инсулина следует принять 10-15 хлебных единиц, это равно 120-150 г чистых углеводов. К примеру, пусть будет 300-450 грамм белого хлеба.

Побочные действия инсулина

• Гипогликемия или уменьшение содержания глюкозы в крови, это приводит ко всем остальным проявлениям. Гипогликемию можно без проблем предотвратить
• Зуд в области укола
• Аллергия наблюдается очень редко
• Уменьшение эндогенной секреции инсулина бывает только на длительных курсах, когда используют высокие дозы инсулина
• Инсулин НЕ ОКАЗЫВАЕТ токсического влияния на печень или почки, он НЕ ВЫЗЫВАЕТ нарушений половой функции (потенции).

Показания к лекарственному применению инсулина

Сахарный диабет.

В небольших дозах (5–10 ЕД) инсулин применяют при заболеваниях печени (гепатиты, начальные стадии цирроза), при ацидозе, истощении, упадке питания, фурункулёзе, при тиреотоксикозе.

В психоневрологической практике инсулин используют при алкоголизме, при истощении нервной системы (в дозах, которые влекут гипогликемическое состояние).

В психиатрии – для инсулинокоматозной терапии (при лечении некоторых форм шизофрении вводят раствор инсулина в больших количествах, которые при постепенном увеличении доз вызывают гипогликемический шок).

В дерматологии инсулин применяется при диабетической токсидермии, как неспецифическое средство – при экземе, угревой сыпи, крапивнице, псориазе, хронических пиодермиях и дрожжевых поражениях.

Противопоказания к медицинскому применению

Острый гепатит, панкреатит, нефрит, почечнокаменная болезнь, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, декомпенсированный порок сердца.

Гормоны поджелудочной железы

Механизм действия и метаболические эффекты инсулина.

ЛЕКЦИЯ № 10

Клеточный (метаболический) уровень регуляции углеводного обмена

Метаболический уровень регуляции углеводного обмена осуществляется с участием метаболитов и поддерживает гомеостаз углеводов внутри клетки. Избыток субстратов стимулирует их использование, а продукты ингибируют свое образование. Например, избыток глюкозы стимулирует гликогенез, липогенез и синтез аминокислот, дефицит глюкозы - глюконеогенез. Дефицит АТФ стимулирует катаболизм глюкозы, а избыток – наоборот ингибирует.

IV. Педфак . Возрастные особенности ПФШ и ГНГ, значение.

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

кафедра биохимии

Утверждаю

Зав. каф. проф., д.м.н.

Мещанинов В.Н.

_____‘’_____________2006 г

Тема: Структура и обмен инсулина, его рецепторов, транспорт глюкозы.

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический. 2 курс.

Поджелудочная железа выполняет в орга­низме две важнейшие функции: экзокринную и эндокринную. Экзокринную функцию выполняет ацинарная часть поджелудочной железы, она синтезирует и секретирует панкреатический сок. Эндокринную функцию выполняют клетки островкового аппарата поджелудочной железы, которые секретируют пептидные гормоны, уча­ствующие в регуляции многих процессов в организме. 1-2 млн. островков Лангерганса составляют 1-2% массы поджелудочной железы.

В островковой части поджелудочной железы выделяют 4 типа клеток, секретирующих разные гормоны: А- (или α-) клетки (25%) секретируют глюкагон, В- (или β-) клетки (70%) - инсулин, D- (или δ-) клетки (<5%) - соматостатин, F-клетки (следовые количества) секретируют панкреатический полипептид. Глюкагон и инсулин в основном влияют на углеводный обмен, соматостатин локально регулирует секрецию инсулина и глюкагона, панкреатический полипептид влияет на секрецию пищеварительных соков. Гормоны поджелудочной железы выделяются в панкреатическую вену, которая впадает в воротную. Это имеет большое значение т.к. печень является главной мишенью глюкагона и инсулина.

Инсулин - полипептид, состоящий из двух цепей. Цепь А содержит 21 ами­нокислотный остаток, цепь В - 30 аминокислотных остатков. В инсулине 3 дисульфидных мостика, 2 соединяют цепь А и В, 1 соединяет 6 и 11 остатки в А цепи.

Инсулин может существовать в форме: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизиру­ется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц.

Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство по первичной структуре с инсулином человека. Бычий инсулин отличается от инсулина че­ловека на 3 аминокислоты, а инсулин свиньи отличается только на 1 ами­нокислоту (ала вместо тре на С конце В-цепи).

Во многих положениях А и В цепи встре­чаются замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона. В положениях дисульфидных связей, остатков гидрофобных аминокислот в С-концевых участках В-цепи и С- и N-концевых остатков А-цепи замены встречаются очень редко, т.к. эти участки обеспечивают формирование активного центра инсулина.

Биосинтез инсулина включает образование двух неактивных предшественников, препроинсулина и проинсулина, которые в результате последова­тельного протеолиза превращаются в активный гормон.

1. На рибосомах ЭПР синтезируется препроинсулин (L-В-С-А, 110 аминокислот), биосинтез его начинается с образования гидрофобного сигнального пептида L (24 аминокислот), который направляет растущую цепь в просвет ЭПР.

2. В просвет ЭПР препроинсулин превращается в проинсулин при отщеплении эндопептидазой I сиг­нального пептида. Цистеины в проинсулине окисляются с образованием 3 дисульфидных мостиков, проинсулин становиться «сложным», имеет 5% активности от инсулина.

3. «Сложный» проинсулин (В-С-А, 86 аминокислот) поступает в аппарат Гольджи, где под действи­ем эндопептидазы II расщепляется с образованием инсулина (В-А, 51 аминокислот) и С-пептида (31 аминокислота).

4. Инсулин и С-пептид включаются в секреторные гранулы, где инсулин соединяется с цинком, обра­зуя димеры и гексамеры. В секреторной грануле содержание инсулина и С-пептида составляет 94%, проинсулина, интермедиатов и цинка - 6%.

5. Зрелые гранулы сли­ваются с плазматической мембраной, а инсу­лин и С-пептид попадают во внеклеточную жидкость и далее в кровь. В крови олигомеры инсулина распадают­ся. За сутки в кровь секретируется 40-50 ед. инсулина, это составляет 20% от его общего запаса в поджелудочной железе. Секреция инсулина энергозависимый процесс, происходит с участием микротубулярно-ворсинчатой системы.

Схема биосинтеза инсулина в β-клетках островков Лангерганса

ЭПР - эндоплазматический ретикулум. 1 - образование сигнального пептида; 2 - синтез препроинсулина; 3 - отщепление сигнального пептида; 4 - транспорт проинсу­лина в аппарат Гольджи; 5 - превращение проинсулина в инсулин и С-пептид и включение инсулина и С-пептида в секреторные гранулы; 6 - секреция инсулина и С-пептида.

Ген инсулина находиться в 11 хромосоме. Выявлены 3 мутации этого гена, у носителей низкая активность инсулина, отмечается гиперинсулинемия, нет инсулинорезистентности.