Инсулин (от лат. insula—«островок»)—это гормон белково-пептидной природы, который вырабатывается β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Инсулин в той или иной мере оказывает влияние на все виды обмена веществ. Но важнейшей его функцией является поддержание оптимальной концентрации сахара (глюкозы) в крови. Важнейшим свойством инсулина является его гипогликемизирующее действие. Это единственный гормон организма, обладающий подобным свойством.

 

Строение

Молекула инсулина представлена двумя полипептидными цепями, одна из которых включает 21 аминокислотный остаток (А-цепь), вторая – 30 (В-цепь). А– и В-цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина. Третий дисульфидный мостик сформирован внутри А-цепи, где он связывает отдаленные друг от друга аминокислотные остатки. Соединенные цепи частично изгибаются и сворачиваются в глобулярную структуру. Именно такая конфигурация молекулы необходима для проявления биологической активности гормона. Общая молекулярная масса молекулы инсулина – 5808 Да.

Большинство видов имеет один ген инсулина (локус: Хр.11р15.5), кодирующий один белок. Исключение – мыши и крысы, они имеют по два гена инсулина.

Инсулин найден не только у млекопитающих, но и у рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц. Первичная структура инсулина у разных биологических видов (в том числе и у различных видов млекопитающих) различается. На данный момент изучена аминокислотная последовательность в молекуле инсулина у многих видов животных. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи (они отличаются всего лишь одним аминокислотным остатком: в 30-м положении В-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в человеческом инсулине – треонин). Именно свиной инсулин наиболее часто используется для лечения сахарного диабета. Бычий инсулин отличается от человеческого тремя аминокислотными остатками.

 

Историческая справка

В 1869 г. в Берлине 22-летний студент Поль Лангерганс, изучая под микроскопом строение поджелудочной железы, обратил внимание на небольшие скопления ранее неизвестных клеток, равномерно рассеянных по всей железе. Функцию этих клеток Лангерганс выяснить не смог. Позже Эрнст Лако выдвинул гипотезу, что секрет этих клеток участвует в регуляции пищеварения. В 1889 г. немецкий исследователь Оскар Минковски поставил следующий эксперимент: он произвел удаление поджелудочной железы у здоровой собаки. Через несколько дней ученый заметил, что на мочу подопытной собаки слетается большое количество мух. При исследовании мочи он установил в ней повышенную концентрацию глюкозы. Результаты этого эксперимента позволили сделать вывод о том, что развитие сахарного диабета связано с патологией поджелудочной железы.

В 1901 г. Евген Опи доказал связь сахарного диабета с нарушением функции именно островкового аппарата поджелудочной железы. В связи с этим в последующие два десятилетия многие исследователи предпринимали попытки выделить островковый секрет как потенциальное лекарство.

Однако практическое выделение инсулина принадлежит ученым Фредерику Г. Бантингу и Чарльзу Г. Бесту, которые работали в лаборатории Джона Дж. Маклауда в Университете Торонто. В 1921 г. они выделили из поджелудочной железы экстракт, который снижал уровень сахара в крови у собак с экспериментальным сахарным диабетом. Их метод заключался в следующем: вокруг выводного протока поджелудочной железы затягивалась лигатура, что препятствовало выделению из нее панкреатического сока. Спустя несколько недель внешнесекреторные клетки погибли, а тысячи островков продолжали функционировать. Из них удалось выделить гормон, достоверно снижающий уровень глюкозы в крови у собак с удаленной поджелудочной железой. Вначале ему дали название «айлетин».

11 января 1922 г. была сделана первая в истории инъекция инсулина. Экстракт поджелудочной железы ввели 14-летнему Леонарду Томпсону, который страдал сахарным диабетом. Но первый опыт оказался неудачным. Дело в том, что инсулин, вводимый мальчику, оказался недостаточно очищенным, что привело к развитию аллергической реакции. В последующем биохимик Джеймс Коллип напряженно работал в лаборатории над улучшением экстракта, выделяемого из поджелудочной железы. В итоге он сумел разработать методику очистки инсулина, и 23 января 1922 г. Леонарду Томпсону была сделана вторая инъекция инсулина. Побочных явлений практически не было, но главное – у больного перестал прогрессировать диабет. Мальчику была спасена жизнь.

За это революционное открытие в 1923 г. Бантинг и Маклауд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинга сильно возмущал тот факт, что его помощник Бест не был вместе с ним представлен к награде, и свою часть денег торжественно разделил с ним, как и Маклауд, поделивший свою премию с Коллипом.

Вскоре началось производство инсулина в промышленных масштабах.

В 1926 г. Дж. Абель и В. Дю-Виньо выделили инсулин в кристаллическом виде. В 1939 г. инсулин впервые был одобрен FDA (Food and Drug Administration). В 1949 – 1954 гг. британский молекулярный биолог Фредерик Сэнгер полностью расшифровал аминокислотную последовательность инсулина (так называемую первичную структуру). Инсулин – это вообще первый белок, у которого была полностью расшифрована аминокислотная последовательность. В 1958 г. за проделанную работу по расшифровке структуры белков, особенно инсулина, Сэнгеру была присуждена Нобелевская премия по химии. А спустя практически 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин определила пространственное строение молекулы инсулина с помощью метода рентгеновской дифракции, за что также была удостоена Нобелевской премии по химии в 1964 г.

В 1963 г. был впервые синтезирован искусственный инсулин.

В 1976 г. из инсулина свиньи был синтезирован человеческий инсулин.

В 1979 г. был осуществлен синтез человеческого инсулина методом генной инженерии.

В 1980-х гг. активно велись поиски наиболее оптимального пути введения инсулина. Его вводили в виде суппозиториев и капель для носа, подъязычных капсул и аэрозолей. Но все эти способы обладали одним общим недостатком – они не позволяли точно дозировать вводимый инсулин. Для достижения необходимого гипогликемизирующего эффекта требовались в десятки раз большие дозы препарата. Введение инсулина в виде инъекций (подкожно) является оптимальным способом. В настоящее время созданы специальные шприц-ручки для инъекций инсулина, которые имеют иглы двойной заточки и диаметр около 0,4 мм. Введение инсулина с помощью таких шприц-ручек является безболезненным и позволяет избежать разнообразных постинъекционных осложнений. В последнее время создаются имплантируемые и носимые дозаторы инсулина для внутрибрюшного его введения.

Сейчас для введения этого гормона широко применяют специальные медицинские приборы – инсулиновые помпы, что позволяет больным, страдающим сахарным диабетом, отказаться от ежедневных многократных инъекций. Инсулиновая помпа включает несколько частей: емкость, которая содержит лекарственный препарат, катетер, по которому инсулин доставляется в организм человека, а также пульт дистанционного управления. С помощью такого устройства инсулин поступает в организм регулярно в заранее запрограммированных дозах. Это позволяет человеку вести более свободный образ жизни. Лекарства в емкости помпы хватает обычно на 3 – 7 дней, у каждого пациента это время индивидуально. Помповая инсулинотерапия уже облегчила жизнь тысячам людей во всем мире.

 

Синтез и секреция

Синтез и секреция инсулина – сложный многоэтапный процесс.

Ген, контролирующий процесс синтеза инсулина, локализуется в коротком плече 11-й хромосомы. Доказано, что в процессе биосинтеза инсулина вначале образуется неактивный предшественник гормона – так называемый проинсулин, который в ходе дальнейших химических превращений переходит в активную форму.

Синтез проинсулина происходит на рибосомах шероховатой эндоплазматической сети. Вначале образуется препроинсулин – это полипептидная цепь, построенная из 110 аминокислотных остатков и включающая в себя расположенные в определенной последовательности L-пептид, Б-пептид, C-пептид и Л-пептид. Очень быстро от молекулы препроинсулина отщепляется сигнальный L-пептид (включает 24 аминокислотных остатка). Таким способом образуется проинсулин (включает 86 аминокислотных остатков), который транспортируется в комплекс Гольджи, где происходит его конверсия (созревание инсулина). Это энергозависимая реакция. Процесс созревания инсулина – наиболее длительный этап его образования, для осуществления которого требуется 30 – 60 мин.

Конверсия проинсулина в инсулин происходит при участии двух видов протеолитических ферментов: трипсиноподобного фермента и карбоксипептидазы В, необходимой для отщепления C-терминального пептида (включает 31 аминокислотный остаток), соединяющего В-цепь и A-цепь. В результате образуется промежуточная форма проинсулина – интермедиат-I, в котором С-пептид отделен от терминальной группы A-цепи. Другая форма проинсулина – интермедиат-II, в котором С-пептид отделен от С-конца В-цепи. Синтез интермедиата-I осуществляется в ходе отщепления аминокислот аргинина и лизина от A-цепи, а интермедиата-II – в ходе отщепления двух аминокислот аргинина от В-цепи. У человека процесс превращения проинсулина в инсулин происходит преимущественно через образование интермедиата-I. Аргининлизин и аргинин-аргинин – это участки молекулы проинсулина, которые характеризуются повышенной чувствительностью к действию ферментов протеаз, в результате чего и происходит переход проинсулина в инсулин. Таким образом, в секреторных гранулах комплекса Гольджи молекула проинсулина разделяется на инсулин и C-пептид, которые находятся в эквимолярных отношениях. До недавнего времени считалось, что C-пептид – это биологически инертный пептидный остаток. Однако было установлено, что в физиологических концентрациях он стимулирует потребление глюкозы клетками мышц здорового человека и больных сахарным диабетом практически в такой же мере, как и инсулин. Применение С-пептида вместе с инсулином для лечения больных сахарным диабетом способствует стабилизации сосудистых осложнений и предотвращает прогрессирование ангиопатии.

В секреторных гранулах инсулин взаимодействует с ионами цинка, в результате чего образуются кристаллические гексамерные агрегаты. Они локализуются в центре гранул. Это обеспечивает повышенную электронную плотность при морфологических исследованиях поджелудочной железы. C-фрагмент локализуется по периферии гранулы.

Таким образом, в зрелых секреторных гранулах содержатся инсулин и C-пептид, составляющие 94% от всего содержимого гранул, а также ионы цинка и небольшие количества проинсулина и промежуточных форм (интермедиата-I и интермедиата-II).

Секреция инсулина происходит путем экзоцитоза. Зрелые секреторные гранулы мигрируют к плазматической мембране β-клеток островков Лангерганса и сливаются с ней. Затем происходит растворение мембраны в месте контакта, и содержимое гранул выдавливается наружу. Процесс транспорта секреторных гранул к клеточной мембране осуществляется микротубулярно-ворсинчатой системой. Микроворсинки (микрофиламенты) располагаются по периферии клеток, тесно прилегая к цитоплазматической мембране. Они как бы захватывают приближающиеся секреторные гранулы и подводят их к клеточной мембране, способствуя процессу слияния мембран в точке соприкосновения и опорожнения содержимого гранул наружу.

Вследствие изменения физических свойств среды происходят отщепление цинка и распад кристаллических агрегатов (нерастворимого, неактивного инсулина) на отдельные молекулы (растворимые), обладающие биологической активностью.

При нарушении процесса созревания инсулина (например, при недостаточности соответствующих протеолитических ферментов) в кровь будет поступать большое количество проинсулина. Это будет сопровождаться нарушениями углеводного обмена различной степени выраженности, вплоть до явного сахарного диабета, так как проинсулин обладает приблизительно в 10 раз меньшей биологической активностью по сравнению с инсулином.

Главным стимулом к образованию и выделению инсулина является повышение концентрации глюкозы в крови.

β-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы очень чувствительны к изменению уровня сахара в крови. Потребление глюкозы β-клетками осуществляется посредством специального белка-переносчика (GLUT1 или GLUT2). Попав в клетку, глюкоза вступает в реакции гликолиза, далее происходит ее окисление в дыхательном цикле, следствием чего является образование АТФ (аденозинтри-фосфорной кислоты), которая регулирует состояние ионных калиевых каналов, вызывая деполяризацию мембраны. Это приводит к открытию потенциалзависимых кальциевых каналов и току кальция в клетку. Кальций активирует фосфолипазу С, которая в свою очередь расщепляет мембранный фосфолипид фосфотидилинозитол-4, 5-бифосфат на диацилглицерат и инозитол-1, 4, 5-трифосфат. Инозитолтрифосфат взаимодействует с рецепторами эндоплазматического ретикулума, что приводит к высвобождению внутриклеточного кальция. Резкое повышение концентрации ионов кальция в клетке приводит к высвобождению из секреторных гранул инсулина. Ионы кальция обеспечивают секрецию инсулина из секреторных гранул за счет нескольких механизмов. Во-первых, положительно заряженные ионы кальция уменьшают силы электростатического отталкивания между отрицательно заряженными поверхностями мембран секреторных гранул и клеточной мембраной, облегчая тем самым процесс эзоцитоза инсулина. Во-вторых, ионы кальция способствуют передвижению секреторных гранул внутри клетки, так как активируют сократительные белки (актин и тубулин), входящие в состав микротрубочек и микрофиламентов. В-третьих, кальций, связываясь с кальмодулином, активирует фермент аденилатциклазу, которая обеспечивает превращение АТФ в цАМФ (циклический аденозинмонофосфат). Аденилатциклаза активируется также непосредственно гормонами желудочно-кишечного тракта. цАМФ является вторичным посредником. Он увеличивает чувствительность β-клеток островков к действию кальция, что стимулирует секрецию инсулина за счет активации ферментов протеинкиназ, влияющих на микротрубочки и микрофиламенты. Чувствительность β-клеток к кальцию усиливают и другие вторичные посредники (диацилглицерол, инозитолтрифосфат) таким же механизмом.

 

Регуляция синтеза и секреции инсулина

Поджелудочная железа в сутки выделяет 40 – 50 ЕД инсулина, что составляет приблизительно 15 – 20% общего его количества в железе.

Главным стимулятором секреции инсулина является гипергликемия. Пороговая для секреции инсулина концентрация глюкозы натощак составляет 80 – 100 мг%. Максимальная секреция отмечается при концентрации 300 – 500 мг%. Синтез и секреция инсулина в ответ на стимуляцию глюкозой – это двухфазная реакция, состоящая из первой фазы секреции (продолжительность 1 – 3 мин)—быстрого, раннего освобождения инсулина (немедленный ответ); и второй фазы (продолжительность 25 – 30 мин), которая обрывается сразу после прекращения действия глюкозного стимула. Согласно современным данным, наличие двух фаз секреции инсулина в ответ на повышение уровня сахара в крови доказывает существование двух различных внутриклеточных пулов, или компартментов (это обособленные области в клетке, которые, как правило, окружены билипидным слоем мембраны) инсулина. β-клетки реагируют не только на повышение уровня сахара в крови, но и на скорость изменения концентрации глюкозы.

Пероральным введением глюкозы достигается гораздо большая стимуляция выработки гормона, нежели внутривенным ее введением. Это доказывает тот факт, что на секрецию инсулина влияет не только глюкоза, но и различные гормоны желудочно-кишечного тракта.

Высвобождение инсулина стимулируют также аминокислоты, особенно аргинин и лизин, некоторые гормоны гастроэнтеропан-креатической системы (холецистокинин, ГИП (глюкозозависимый инсулинотропный пептид), а также глюкагон, адренокортикотропный, соматотропний гормоны, кортизол, эстрогены и прогестины, плацентарный лактоген (это объясняет усиление секреции инсулина на поздних сроках беременности), препараты сульфонилмочевины. Высвобождение инсулина усиливается в ответ на повышение концентрации в плазме крови кальция или калия, свободных жирных кислот.

Снижается секреция инсулина под влиянием соматостатина.

Образование инсулина регулируется и вегетативной нервной системой: парасимпатический отдел (холинергические окончания блуждающего нерва) стимулирует секрецию инсулина, а симпатический отдел (активация α-2-адренорецепторов)—угнетает. Адреналин и α-адренэргические гормоны угнетают секрецию инсулина даже в условиях стимуляции глюкозой.

 

Механизм действия

Как и другие гормоны, инсулин реализует свое действие через специфический белок-рецептор. У млекопитающих инсулиновые рецепторы локализуются практически на всех клетках, их концентрация составляет 20 000 на клетку. Инсулиновый рецептор хорошо изучен с помощью биохимических методов и технологии рекомбинантных ДНК. Он представляет собой крупный интегральный гликопротеин, состоящий из двух β-субъединиц (молекулярная масса – 135 кДа) и двух α-субъединиц (молекулярная масса – 95 кДа), причем каждая из них образована двумя полипептидными цепями. Субъединицы соединяются между собой дисульфидными мостиками и образуют гетеротетрамерную структуру. β-субъединицы целиком расположены вне клетки и содержат участки, связывающие инсулин. Это распознающая часть рецептора, которая изменяет свою конформацию при соединении с гормоном. β-субъединица – это трансмембранный белок, который обладает тирокиназной активностью и выполняет вторую важную функцию рецептора – преобразование сигнала, что запускает каскад реакций по активации ферментов. При связывании инсулина с α-субъединицами рецептора повышается тирокиназная активность β-субъединиц за счет аутофосфорилирования их тирозиновых остатков. В результате рецепторы связываются друг с другом, образуя микроагрегаты, и происходит быстрая интернализация гормон-рецепторных комплексов. Механизм действия инсулина сложен и до конца не вполне ясен. Известно, что активированный рецептор запускает цепь биохимических превращений. На промежуточном этапе образуются вторичные посредники – инозитолтрифосфат и диацилглицерол, которые в свою очередь активируют протеинкиназу С. Этот фермент обеспечивает процессы фосфорилирования других белков внутри клетки, с чем и связаны изменения во внутриклеточном обмене веществ. Первыми фосфорилированию подвергаются четыре белка: IRS-1, IRS-2, IRS-3 и IRS-4. Их называют субстратами рецептора инсулина (insulin receptor substrate). После образования комплекс «инсулин – рецептор» погружается в цитоплазму клетки и разрушается в лизосомах, причем распаду подвергается только остаток инсулина, а освобожденный рецептор вновь транспортируется к мембране и встраивается в нее.

Рецептор инсулина постоянно синтезируется и распадается. Время его полужизни составляет приблизительно 7 – 12 ч.

Большая часть инсулина инактивируется в печени. Около 40% (по некоторым данным – 15 – 20%) метаболизируется в почках.

 

Физиологические эффекты инсулина

Инсулин оказывает сложное и многогранное влияние на обмен веществ и энергии. Главные его мишени – печень, мышцы и жировая ткань.