Структура и функции инсулина как белкового гормона

Содержание

1. 1. Инсулин: история открытия и роль в обмене веществ3
2. 2. Молекулярная структура инсулина и её особенности5
3. 3. Биосинтез и секреция инсулина β-клетками7
4. 4. Механизм действия инсулина и его физиологические эффекты9
5. Список литературы11

1. Инсулин: история открытия и роль в обмене веществ

До начала XX века сахарный диабет оставался смертельным заболеванием. Пациенты с диабетом первого типа были обречены: единственным методом лечения считалось голодание, которое лишь отсрочивало летальный исход на несколько месяцев. Перелом наступил в 1921 году, когда канадский хирург Фредерик Бантинг и его ассистент Чарльз Бест выделили из поджелудочной железы собаки вещество, способное снижать уровень сахара в крови. Введя этот экстракт животному с удалённой поджелудочной железой, они наблюдали нормализацию состояния. Уже в январе 1922 года инсулин был впервые применён на человеке: четырнадцатилетний Леонард Томпсон, находившийся в коме, пошёл на поправку в течение суток. За это открытие Бантинг и его научный руководитель Джон Маклеод получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1923 году.

По своей химической природе инсулин относится к пептидным гормонам. Это означает, что его молекула построена из аминокислот, соединённых в определённой последовательности. В отличие от стероидных гормонов, которые легко проникают через клеточные мембраны, инсулин действует снаружи, связываясь со специфическими рецепторами на поверхности клеток. Он считается главным анаболическим гормоном организма, отвечающим за накопление энергетических ресурсов после приёма пищи.

Синтез инсулина происходит в β-клетках поджелудочной железы, которые расположены в так называемых островках Лангерганса. Процесс этот многоступенчатый. Сначала образуется более длинная молекула-предшественник, препроинсулин, которая после удаления сигнального пептида превращается в проинсулин. Проинсулин представляет собой единую полипептидную цепь, которая затем сворачивается и подвергается ферментативному расщеплению. В результате этого процессинга из середины молекулы вырезается С-пептид, а оставшиеся фрагменты

соединяются между собой, образуя зрелый инсулин. Именно в такой форме гормон хранится в секреторных гранулах и выбрасывается в кровь в ответ на стимуляцию.

Основная физиологическая функция инсулина, поддержание энергетического гомеостаза, то есть постоянства внутренней среды организма. Его главная задача, снижение концентрации глюкозы в крови. После еды уровень сахара повышается, и β-клетки поджелудочной железы реагируют на это выбросом инсулина. Гормон даёт сигнал клеткам печени, мышц и жировой ткани активно поглощать глюкозу из кровотока. В печени и мышцах она запасается в виде гликогена, а в жировой ткани превращается в триглицериды. Без этого механизма глюкоза накапливалась бы в крови, создавая угрозу осмотического дисбаланса и повреждения тканей.

Место инсулина среди других гормонов уникально: он единственный действует в направлении снижения глюкозы. Его физиологическими антагонистами выступают глюкагон, кортизол, адреналин и гормон роста, которые, наоборот, повышают уровень сахара. Такое противопоставление обеспечивает тонкую регуляцию: в периоды голодания катаболические гормоны мобилизуют запасы, а после еды инсулин переключает метаболизм в режим накопления. Нарушение секреции или действия инсулина ведёт к сахарному диабету, при котором нарушается утилизация глюкозы клетками, что проявляется хронической гипергликемией и тяжёлыми осложнениями со стороны сосудов, почек и нервной системы.

История изучения инсулина насчитывает более ста лет, и она далека от завершения. Сегодня, помимо животного инсулина, используются рекомбинантные препараты человеческого гормона, полученные методами генной инженерии. Тем не менее фундаментальные принципы, установленные Бантингом и Бестом, остаются неизменными: инсулин, незаменимый регулятор углеводного обмена, открытие которого подарило жизнь миллионам людей с диабетом.

2. Молекулярная структура инсулина и её особенности

Инсулин, это небольшой белок, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Молекула устроена как две отдельные полипептидные цепи, которые обозначают буквами A и B. Цепь A короче, в ней 21 аминокислота; цепь B длиннее и содержит 30 аминокислот. Такое деление отражает биохимическую историю: инсулин образуется из одноцепочечного предшественника, проинсулина, в ходе протеолитического расщепления.

Две цепи удерживаются вместе ковалентными дисульфидными мостиками. Эти связи формируются между остатками цистеина, которые при сворачивании белка оказываются рядом в пространстве. Между цепями A и B возникают два таких мостика, и они жёстко фиксируют взаимное расположение цепей. Кроме того, внутри цепи A есть третий дисульфидный мостик, замыкающий кольцо из шести аминокислотных остатков. Такая архитектура делает молекулу очень устойчивой к денатурации, что важно для белка, циркулирующего в кровотоке.

Однако укладка инсулина не сводится к одним дисульфидным связям. Третичную структуру стабилизируют и более слабые, но многочисленные взаимодействия. Гидрофобные остатки стремятся уйти от воды и собираются в плотное ядро. Водородные связи упорядочивают вторичные структуры, например альфа-спирали в цепи B и участки бета-поворотов. В итоге молекула принимает компактную глобулярную форму, от которой зависит узнавание рецептора на поверхности клеток-мишеней.

Изменение аминокислотной последовательности может сильно повлиять на работу гормона. Точечные мутации в гене инсулина (он находится на коротком плече 11-й хромосомы) способны нарушить сворачивание или стабильность третичной структуры. Если аминокислота заменяется в районе дисульфидного мостика, правильная связь между цепями может не образоваться. Иногда мутантный инсулин синтезируется в

нормальном количестве, но не связывается с рецептором либо делает это со значительно меньшей аффинностью. Такие нарушения лежат в основе редких форм сахарного диабета, которые наследуются по аутосомно-доминантному типу: достаточно одной копии дефектного гена, чтобы патология проявилась.

Сравнение инсулинов разных видов животных показывает, что эволюция сохранила структуру молекулы очень точно. Участки, отвечающие за дисульфидные связи и гидрофобное ядро, практически не менялись, что указывает на их решающее значение для биологической активности.

3. Биосинтез и секреция инсулина β-клетками

Переход от структуры зрелой молекулы к её возникновению в клетке логичен: инсулин не собирается сразу из двух цепей, а проходит длинный путь созревания. Этот путь начинается в ядре β-клетки островка Лангерганса. Там ген INS (у человека он расположен на 11-й хромосоме) транскрибируется в матричную РНК. Синтезированная мРНК поступает в цитоплазму, где на рибосомах, прикреплённых к мембране шероховатого эндоплазматического ретикулума, транслируется в белок-предшественник, препроинсулин.

Эта первичная молекула содержит 110 аминокислотных остатков и несёт на N-конце сигнальный пептид длиной 24 аминокислоты. Сигнальный пептид работает как «адресная метка»: он направляет растущую полипептидную цепь в просвет эндоплазматического ретикулума. Почти сразу после прохождения через мембрану этот пептид отщепляется специфической сигнальной пептидазой. Так образуется проинсулин, состоящий уже из 86 аминокислот.

В просвете эндоплазматического ретикулума проинсулин начинает сворачиваться. Формируются три дисульфидных мостика, которые впоследствии определят пространственную укладку зрелого гормона. Правильное сворачивание критически важно, и клетка контролирует его с помощью шаперонов. Затем корректно уложенный проинсулин транспортируется в аппарат Гольджи, где происходит его упаковка в секреторные гранулы вместе с необходимыми ферментами.

Дальнейшее созревание продолжается уже внутри этих гранул. Под действием протеолитических ферментов, в первую очередь прогормонконвертаз PC1 и PC2, а также карбоксипептидазы H, из молекулы проинсулина вырезается центральный фрагмент. Этот фрагмент из 35 аминокислот известен как С-пептид (соединительный пептид). В результате расщепления образуются две молекулы: собственно инсулин, состоящий из цепей A и B, и С-пептид в эквимолярном количестве. Оба продукта остаются в грануле и впоследствии секретируются

вместе.

В зрелых гранулах инсулин кристаллизуется в комплексе с ионами цинка, что обеспечивает его плотную упаковку и стабильность. Такая форма хранения позволяет β-клетке быстро выбрасывать большое количество гормона в ответ на стимул. Основным физиологическим стимулом служит повышение концентрации глюкозы в крови. Транспорт глюкозы внутрь клетки через транспортер GLUT2, её фосфорилирование глюкокиназой и последующее окисление приводят к росту соотношения АТФ/АДФ. Это закрывает АТФ-чувствительные калиевые каналы, вызывая деполяризацию мембраны и открытие потенциал-зависимых кальциевых каналов. Вход кальция в клетку запускает слияние секреторных гранул с плазматической мембраной, и инсулин выходит во внеклеточное пространство.

Помимо глюкозы, секрецию усиливают некоторые аминокислоты, например аргинин и лейцин, а также гормоны инкретинового ряда, такие как GLP-1, которые потенцируют эффект глюкозы. При этом глюкоза остаётся главным и незаменимым триггером; остальные стимулы лишь модулируют её действие.

4. Механизм действия инсулина и его физиологические эффекты

Связывание инсулина с клеткой начинается на поверхности плазматической мембраны. Его рецептор, крупный трансмембранный белок из семейства тирозинкиназных рецепторов, состоит из двух внеклеточных альфа-субъединиц и двух пронизывающих мембрану бета-субъединиц. Когда гормон садится на альфа-субъединицы, это вызывает конформационный сдвиг, который активирует каталитический центр бета-субъединиц. Следующий шаг, каскад автофосфорилирования: остатки тирозина в бета-цепях получают фосфатные группы. Этот процесс критичен, ведь только фосфорилированный рецептор способен взаимодействовать с внутриклеточными белками-субстратами, такими как IRS-1 (insulin receptor substrate 1). Без этой модификации сигнал просто обрывается.

Дальше сигнал распространяется по двум главным магистралям. Классический путь запускается через фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K), которая фосфорилирует мембранный липид PIP2, превращая его в PIP3. К этому липиду притягивается протеинкиназа B, известная как Akt, и сама фосфорилируется. Именно Akt отвечает за главный эффект инсулина в мышечной и жировой ткани: она стимулирует перемещение везикул с транспортером глюкозы GLUT4 из цитоплазмы к мембране. Там белок встраивается в липидный бислой и начинает пропускать глюкозу внутрь клетки по градиенту концентрации. Примечательно, что в печени, где GLUT4 почти нет, инсулин действует иначе: там он тормозит ферменты глюконеогенеза, например фосфоенолпируваткарбоксикиназу, останавливая синтез новой глюкозы из лактата и аминокислот.

Итог этих событий виден на уровне всего организма. Через несколько минут после еды уровень глюкозы в плазме падает, потому что мышцы и жировая ткань начинают активно её поглощать, а печень перестаёт выбрасывать собственные запасы. Но этим действие гормона не

ограничивается. Akt дополнительно активирует гликогенсинтазу, ускоряя запасание глюкозы в виде гликогена, и одновременно подавляет гликогенфосфорилазу, которая этот гликоген расщепляет. В жировой ткани инсулин включает липогенез: ацетил-КоА направляется на синтез жирных кислот, а липолиз, наоборот, блокируется. Для белкового обмена тоже есть стимул: гормон ускоряет транспорт аминокислот в клетки и усиливает трансляцию мРНК на рибосомах.

Совокупный физиологический ответ, это переключение организма из катаболического состояния голодания в анаболическое состояние сытости. Вместо расхода запасов запускается их накопление. Снижение гликемии здесь лишь первый, самый заметный маркер, за которым скрывается согласованная работа рецептора, каскада PI3K/Akt и десятков ферментов. Любой сбой на этом пути, от мутации в рецепторе до дефекта GLUT4, приводит к инсулинорезистентности и диабету второго типа, что подчёркивает точность этой молекулярной машины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инсулин — Википедия — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%81%D1%83%D0%BB%D0%B8%D0%BD

2. Инсулин - Биологическая химия - Биохимия — https://biokhimija.ru/gormony/insulin.html

3. Леонид Васильевич Соболев (1876-1919): у истоков открытия инсулина — https://www.dia-endojournals.ru/jour/article/view/3604

4. Клеточно-молекулярные механизмы синтеза, секреции ... — https://rep.bsmu.by/bitstream/handle/BSMU/13759/9.pdf?sequence=1&isAllowed=y

5. История открытия инсулина — https://endocrinology-journal.ru/ru/jarticles_endo/352.html?SSr=3001343f0802ffffffff27c__07e40c18021e35-3667

6. поджелудочная железа — https://kpfu.ru/staff_files/F_618164662/podzheludochnaya_zheleza.pdf

7. Синтез и секреция инсулина — https://studfile.net/preview/1219687/

8. ИНСУЛИН — https://bioenc.ru/slovar-po-biologii/id.insulin/i.html