Механизм действия инсулина

А. Рецептор инсулина. Действие инсулина начи­нается с его связывания со специфическим гликопро- теиновым рецептором на поверхности клетки- мишени. Различные эффекты этого гормона (рис. 51.15) могут проявляться либо через несколько се­кунд или минут (транспорт, фосфорилирование бел­ков, активация и ингибирование ферментов, синтез РНК), либо через несколько часов (синтез белка и ДНК и клеточный рост).

Инсулиновый рецептор подробно исследован с помощью биохимических методов и технологии рекомбинантных ДНК. Он представляет собой гете- родимер, состоящий из двух субъединиц (а и р) в конфигурации а₂-(3₂, связанных между собой дисуль- фидными мостиками (рис. 51.15). Обе субъедини­цы содержат много гликозильных остатков. Удале­ние сиаловой кислоты и галактозы снижает как спо­собность связывать инсулин, так и активность этого гормона. Каждая из гликопротеиновых субъединиц обладает особой структурой и определенной функ­цией. а-Субъединица (мол. масса 135000) целиком расположена вне клетки, и связывание инсулина, ве­роятно, осуществляется с помощью богатого цисти- ном домена. Р-Субъединица (мол. масса 95000)— трансмембранный белок, выполняющий вторую ва­жную функцию рецептора (гл. 44), т. е. преобразова-ние сигнала. Цитоплазматическая часть |3- субъединицы обладает тирозинкиназной активно­стью и содержит участок аугофосфорилирования. Считается, что и то и другое важно для преобразова­ния сигнала и действия инсулина (см. ниже). Порази­тельное сходство между тремя рецепторами, выпол­няющими различные функции, проиллюстрировано на рис. 51.16. Действительно, последовательности некоторых участков Р-субъединицы гомологичны таковым в рецепторе ФРЭ.

Рецептор инсулина постоянно синтезируется и распадается; его период полужизни составляет 7— 12 ч. Рецептор синтезируется в виде одноцепочечно- го пептида в шероховатом эндоплазматическом ре- тикулуме и быстро гликозилируется в аппарате Гольджи. Предшественник человеческого рецептора инсулина состоит из 1382 аминокислот, его мол. мас­са составляет 190000, при расщеплении он образует зрелые а- и Р-субъединицы. У человека ген инсулино- вого рецептора локализован в хромосоме 19.

Рецепторы инсулина обнаружены на поверхности большинства клеток млекопитающих. Их концен­трация достигает 20 000 на клетку, причем часто они выявляются и на таких клетках, которые не относят к типичным мишеням инсулина. Спектр метаболиче­ских эффектов инсулина хорошо известен. Однако инсулин участвует и в таких процессах, как рост и ре­пликация клеток (см. выше), органогенез и диффе- ренцировка у плода, а также в процессах заживления и регенерации тканей. Строение инсулинового рецеп­

тора, способность различных инсулинов связыва­ться с рецепторами и вызывать биологические реак­ции практически идентичны в клетках всех типов и у всех видов. Так, свиной инсулин почти всегда в 10—20 раз эффективнее свиною проинсулина, ко­торый в свою очередь в 10—20 раз эффективнее ин­сулина морской свинки даже у самой морской свин­ки. Инсулиновый рецептор имеет, по-видимому, вы­соко консервативную структуру, еще более консерва­тивную, чем структура самого инсулина.

При связывании инсулина с рецептором происхо­дят следующие события: 1) изменяется конформация рецептора, 2) рецепторы связываются друг с другом, образуя микроагрегаты, пятна (patches) или нашлеп­ки, 3) рецептор подвергается интернализации и 4) во­зникает какой-то сигнал. Значение конформацион- ных изменений рецептора не известно, но интернали- зация, вероятно, служит средством регуляции коли­чества и кругооборота рецепторов. В условиях высо­кого содержания инсулина в плазме, например при ожирении или акромегалии, число инсулиновых ре­цепторов снижается и чувствительность тканей- мишеней к инсулину уменьшается. Такая «снижаю­щая» регуляция обусловлена потерей рецепторов в результате их интернализации, т.е. процесса про­никновения инсулин-рецепторных комплексов в клетку путем эндоцитоза с помощью покрытых клатрином пузырьков (см. гл. 41). «Снижающая» ре­гуляция объясняет отчасти инсулинорезистентность при ожирении и сахарном диабете II типа.

Б. Внутриклеточные медиаторы.

В. Фосфорилнрование-дефосфорилированне белка.

Г. Влияние на трансляцию мРНК. Известно, что инсулин влияет на количество и активность по край­ней мере 50 белков в различных тканях, причем мно­гие из этих эффектов сводятся к ковалентной моди­фикации. Представление о роли инсулина в трансля­ции мРНК основывается главным образом на дан­ных о рибосомном 86-белке—компоненте рибосом- ной субъединицы 40S. Такой механизм мог бы обе­спечивать общее влияние инсулина на синтез белков в печени, скелетных и сердечных мышцах.

Д. Влияние на экспрессию генов. Все описанные эффекты инсулина реализуются на уровне плазмати­ческой мембраны или в цитоплазме. Однако инсулин способен влиять (по-видимому, через свой внутри­клеточный медиатор) и на некоторые специфические ядерные процессы. Фермент фосфоенолпируват- карбоксикиназа (ФЕПКК) катализирует скорость- лимитирующую реакцию глюконеогенеза. Синтез ФЕПКК под действием инсулина снижается, а следо­вательно, уменьшается и интенсивность глюконеоге­неза. Сравнительно недавно было показано, что при добавлении инсулина к культуре клеток гепатомы уже через несколько минут избирательно уменьшае­тся скорость транскрипции гена

Действие инсулина распространяется на фермен­ты, остающиеся в клетках, на секретируемые фер­менты и белки, на белки, принимающие участие в процессах размножения, и на структурные белки (табл. 51.4). Эти эффекты регистрируются во многих органах и тканях и у многих видов. Регуляция транс­крипции специфических мРНК под действием инсу­лина в настоящее время не вызывает сомнений. Этот путь модуляции ферментативной активности по ва­жности не уступает механизму фосфорилирования- дефосфорилирования. Именно влиянием инсулина на транскрипцию генов, вероятно, объясняется его роль в эмбриогенезе, дифференцировке, а также ро­сте и делении клеток.

При недостаточности инсулина или устойчивости к его действию развивается сахарный диабет. При­мерно у 90% больных диабетом наблюдается инсу­лин-независимый сахарный диабет II типа (ИНЗСД). Для таких больных характерны ожирение, повышен­ное содержание в плазме инсулина и снижение коли­чества инсулиновых рецепторов. У остальных 10% больных наблюдается диабет типа I, т.е. инсулин- зависимый сахарный диабет I типа (ИЗСД). Рассмо­тренные выше метаболические нарушения более ти­пичны именно для диабета типа I.

Ряд редких состояний иллюстрирует важные осо­бенности действия инсулина. У некоторых людей образуются антитела к рецепторам инсулина. Эти антитела предотвращают связывание инсулина с ре­цептором, и в результате у таких лиц развивается синдром тяжелой инсулинорезистентности (см. табл. 43.2). При опухолях из В-клеток возникает гиперин- сулинемия и синдром, характеризующийся тяжелой гипогликемией. О важной роли инсулина (или, воз­можно, ИФР-1 или ИФР-2) для органогенеза свиде­тельствуют редкие случаи карликовости. Этот синд­ром характеризуется низким весом при рождении, малой мышечной массой, малым количеством под­кожного жира, очень мелкими чертами лица, инсу- линорезистентностью со значительным повышением содержания биологически активного инсулина в плазме и ранней смертью. У некоторых таких больных либо совсем отсутствовали рецепторы ин­сулина, либо они были дефектными.