На главную ДЛЯ НОВИЧКОВДЛЯ НОВИЧКОВ СОБЫТИЯ КАРТА САЙТА ПРЕСС-СЛУЖБА
ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ДАТЫ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ О ПРОЕКТЕ
ДЛЯ ИНВЕСТОРОВДЛЯ ИНВЕСТОРОВ КОМПАНИИ ГОСТЕВАЯ НАГРАДЫ
SWITCH TO ENGLISH СТАТЬИСТАТЬИ БАЗА ДАННЫХ ФОРУМ КОНТАКТЫ
поиск по сайту  
подписка  


Биотерроризм

Биокомпьютеры

С-пептид. Часть III.

С-пептид. Часть II

С-пептид. Часть I.

Инсулин. Часть II.

Инсулин. Часть I.

Атипичная пневмония. Часть II.

Атипичная пневмония. Часть I.

Геносистематика - что это такое Часть 2.

ДНК или РНК: кто более матери-Природе ценен?

Будущее коммерческого внедрения генетически модифицированных организмов в странах европейского союза

Простая модель реакции организма на внешние воздействия

Некоторые современные подходы к терапии болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера. Молекулярно-биологический аспект. Часть II

Болезнь Альцгеймера. Молекулярно-биологический аспект. Часть I

Болезнь Альцгеймера. От описания симптомов - к молекулярным механизмам.

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 5

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 3

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 2

Главный комплекс тканевой совместимости человека (HLA). Часть 1

«Страшная» еда

Эглин

Почему философия не удовлетворяет биолога?

Инвестиционная привлекательность Российского рынка биоинформатики и биотехнологий

Геносистематика - что это такое.

Эндотоксины Bacillus thuringiensis

Диабет. (часть II)

Вешенка и человек

Диабет. (часть I)

Почему ограничены размеры бактериальной колонии?

Функциональная роль остеопонтина в развитии и реконструкции костной ткани.

Структура и некоторые свойства белка остеопонтина.

Проблемы инвестирования в биотехнологические разработки для сельского хозяйства.

Роль метилирования ДНК в канцерогенезе.

Жизнь и смерть овечки Долли

Дню борьбы с проказой посвящается...

Бактерии, приносящие миллиард.

Дню борьбы со СПИДом - достойные проводы!

Современная лаборатория молекулярной биологии.

Интервью с вампирчиком.


Наши статьи



Инсулин
Часть I.
Строение и функции инсулина.


В предыдущих статьях серии "Диабет" мы рассмотрели причины возникновения этого заболевания и сопровождающие его изменения метаболизма. В большинстве случаев сахарный диабет развивается при недостаточности инсулина или при устойчивости к его действию. Примерно у 10% больных наблюдается сахарный диабет типа I, то есть инсулин зависимый сахарный диабет I типа (ИЗСД) - аутоиммунное заболевание, обусловленное деструкцией (дисфункцией) b-клеток островков Лангерганса поджелудочной железы [1], ответственных за биосинтез инсулина в организме человека.

1. Биологические функции инсулина

Инсулин является полипептидным гормоном, играющим ключевую роль в интеграции процессов использования топливных веществ. Общая характеристика функции инсулина состоит в том, что в мышцах, печени и жировой ткани он усиливает анаболитические и ингибирует катаболитические процессы. В частности, инсулин повышает скорость синтеза гликогена, жирных кислот, белков, а также стимулирует гликолиз. Важное значение имеет стимуляция проникновения глюкозы, ряда других сахаров, а также аминокислот в клетки мышц и жировой ткани. Способствуя входу глюкозы в указанные клетки, гормон снижает ее содержание в крови (так называемый гипогликемический эффект). Инсулин ингибирует такие катаболические процессы, как распад гликогена и нейтрального жира [1]. Он тормозит также гликонеогенез путем снижения уровня ферментативной активности пируват-карбоксилазы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы. Показано, что инсулин увеличивает также активность пируват-дегидрогеназы, ацетил-СоА-карбоксилазы и глицеролфосфат-ацетилтрансферазы [2]. Действие инсулина во многом противоположно действию адреналина и глюкагона [1]. Наиболее мощным нейромедиатором, стимулирующим секрецию инсулина b-клетками, служит ацетилхолин, высвобождаемый окончаниями блуждающего нерва. Секрецию инициирует связывание на поверхности клеток ацетилхолина или карбамилхолина с мускариновыми холинергическими рецепторами, которые сопрягаются посредством G-белков с фосфолипазой С, генерирующей из фосфатидилиннозит-4,5-бис-фосфата иннозит-1,4,5-трифосфат, мобилизующий Са2+ из внутриклеточных пулов, и диацилглицерин; последний служит активатором протеинкиназы С. Авторы [3] обнаружили также, что пищевые раздражители после метаболического превращения опосредованно передают на b-клетки сигнал, резко повышающий чувствительность к Са2+ секреторного аппарата и, по-видимому, связанный с активацией протеинкиназ.

2. Гормоны поджелудочной железы.

Выше уже отмечалось, что в организме человека инсулин синтезируется в b-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Поджелудочная железа, по сути дела, представляет собой два разных органа, объединенных в единую морфологическую структуру. Основная масса клеток поджелудочной железы выполняет экзокринную функцию, секретируя в просвет двенадцатиперстной кишки ферменты и ионы, необходимые для процессов пищеварения. Эндокринная часть железы состоит из 1 - 2 миллионов островков Лангерганса, на долю которых приходится 1 - 2 % всей массы поджелудочной железы. Островковый аппарат поджелудочной железы секретирует, по крайней мере четыре гормона: инсулин, глюкагон, соматостатин и панкреатический полипептид. Причем, каждый тип клеток ответственен за синтез только одного типа гормона (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Эти гормоны высвобождаются в панкреатическую вену, впадающую в воротную вену, что имеет очень важное значение, поскольку для инсулина и глюкагона печень служит главной мишенью. Основная роль этих двух гормонов сводится к регуляции углеводного обмена, однако они оказывают влияние и на многие другие процессы. Соматостатин впервые был идентифицирован в гипоталамусе как гормон, подавляющий секрецию гормона роста. Однако в поджелудочной железе его концентрация выше, чем в гипоталамусе. Этот гормон участвует также в локальной регуляции секреции инсулина и глюкагона. Панкреатический полипептид влияет на желудочно-кишечную секрецию.

3. История открытия

В 1889 году Меринг (Mering) и Миньковский (Minkowski) путем удаления поджелудочной железы получили экспериментальный диабет у собаки с развитием гликозурии, ацетонурии, гипергликемии, нарастающей слабости и резкого истощения, приводившего к гибели животного. В 1892 году Миньковский, пересаживая собаке ее собственную поджелудочную железу под кожу, задерживал у нее развитие диабета, симптомы которого быстро появлялись после удаления трансплантата. Л.В.Шабад (1889) получил легкую форму диабета у собаки после частичного удаления поджелудочной железы с последующей нагрузкой животного сахаром. Также предположение о наличие тесной связи между островками Лангерганса и сахарным диабетом высказывали де Мейер в 1909 году и Шарпей-Шаффер в 1917 году, но только в 1921 году в Торонто Бантинг (Banting) и Бест (Best) доказали это. Экстрагировав подкисленным этанолом ткань поджелудочной железы новорожденного теленка, они выделили некий фактор и, введя полученный препарат депанкреатизированной (с удаленной поджелудочной железой) собаке с клиническими проявлениями сахарного диабета, добились нормализации у нее сахара крови. Этот фактор, обладающий мощным гипогликемизирующим действием, был назван инсулином. Вскоре было установлено, что инсулин, содержащийся в островках поджелудочной железы крупного рогатого скота и свиней, активен и у человека. В январе 1922 года инсулин впервые был применен для лечения больных сахарным диабетом. Бычий и свиной инсулин можно легко получать в больших количествах, что является важнейшим условием для успешного биохимического исследования. Именно инсулин оказался первым белком с доказанной гормональной активностью, первым белком, полученном в кристаллическом виде (Abel, 1926), первым белком, у которого была установлена аминокислотная последовательность (Sanger et al, 1955), первым белком, синтезированным химическими методами (Du et al.; Zahn; Katsoyanis, 1964). Именно для инсулина впервые было показано, что молекула может синтезироваться в виде более крупного предшественника (Steiner et al, 1967). Кроме того, инсулин оказался первым белком, полученным для коммерческих целей с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Но, несмотря на все эти впечатляющие "первенства", механизм действия инсулина на молекулярном уровне изучен хуже, чем для большинства гормонов.

4. Биосинтез инсулина

Проинсулин синтезируется в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме b-клеток островков Лангерганса поджелудочной железы в виде предшественника - препроинсулина (молекулярная масса 11500 Da). Лидерная последовательность, состоящая из 23 аминокислотных остатков, направляет молекулу предшественник в аппарат Гольджи и там отщепляется. В результате образуется молекула проинсулина (молекулярная масса 9000 Da), принимающая конформацию, необходимую для правильного образования дисульфидных мостиков. Затем проинсулин расщепляется на инсулин, С-пептид и два дипептида (катионные пары, узнающиеся трипсиноподобным ферментом) и депонируется в секреторных гранулах. Далее содержимое этих гранул секретируется в печеночную вену. Нормальные b-клетки секретируют, помимо инсулина, эквимолярное количество С-пептида и, по данным, опубликованным [2, 3] от 2 до 3 процентов проинсулина и его производных (продуктов неполного протеолиза проинсулина). До попадания в периферическую кровеносную систему, инсулин и С-пептид попадают в печень, где деградирует 50 % инсулина, в то время как С-пептид не подвергается никаким воздействиям.

5. Строение и некоторые физико-химические свойства инсулина.

Молекула инсулина - полипептид, состоящий из двух цепей (рис. 1): А и В; цепи инсулина ковалентно связаны между собой двумя дисульфидными связями А7-В7 и А20-В19. Также в молекуле инсулина имеется еще одна дисульфидная связь у А-цепи: А6-А11 [4]. Локализация всех трех дисульфидных мостиков постоянна, а А- и В-цепи у представителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислотных остатков соответственно. В обеих цепях во многих положениях встречаются аминокислотные замены, не оказывающие влияния на биологическую активность гормона, однако наиболее распространенными являются замены по 8, 9 и 10 положению А-цепи (см. таблицу 2). Из этого следует, что данный участок скорее всего не имеет критического значения для биологической активности инсулина.

Рис. 1. Схема расположения дисульфидных связей в молекуле инсулина.

Таблица 2.

С другой стороны, некоторые участки и области молекулы обладают высокой консервативностью. К ним относятся:

1. положения трех дисульфидных мостиков;

2. гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи;

3. С- и N-концевые участки А-цепи. Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислотных остатков в этих участках помогли идентифицировать структуру активного центра инсулина. Расположенный на С-конце В-цепи гидрофобный участок участвует также в димеризации инсулина.

Цинк, концентрация которого в b-клетках островков Лангерганса достигает высоких значений, формирует комплексы с инсулином и проинсулином. Инсулины всех позвоночных образуют димеры с помощью водородных связей между пептидными группами остатков В24 и В26 двух мономеров, которые при высоких концентрациях, в свою очередь, реорганизуются в гексамеры, содержащие по два атома цинка в каждом. Наличие такой высокоупорядоченной структуры существенно облегчило изучение кристаллической структуры инсулина. При физиологических концентрациях инсулин находится в мономерной форме.

При восстановлении дисульфидных связей и последующем их окислении, третичная структура практически не восстанавливается (очень низкий выход) [1]. Это объясняется наличием прогормона - проинсулина, полипептидная цепь которого включает последовательность из 30-35 аминокислот, отсутствующая в инсулине. Это связывающий пептид (С-пептид от английского connecting - связывающий); который расположен между карбоксильным концом В-цепи и N-концом А-цепи будущего инсулина. Как и предполагалось, проинсулин обладает способностью к формированию правильно расположенных дисульфидных связей после обработки восстанавливающими агентами и последующего повторного окисления. После замыкания дисульфидных мостиков, стабилизирующих молекулу проинсулина в целом, специальная тhипсиноподобная протеиназа "вырезает" С-пептид [5]. Точки воздействия этой протеиназы предопределены двумя факторами - пространственной структурой проинсулина и присутствием в его полипептидной цепи двух сигналов - двух пар катионных аминокислот, расположенных в последовательности следующим образом: В-цепь - Arg Arg - С-пептид - Lys Arg - А-цепь

Трипсиноподобная протеиназа, процессирующая такой предшественник, узнает пары аминокислот с катионными боковыми группами типа Arg-Arg и Lys-Arg и расщепляет пептидную связь на С-конце таких пар. В результате будет образуется С-пептид вместе с последовательностью Lys-Arg на С-конце и, связанные дисульфидными мостиками цепи А и В. Причем на С-конце цепи В окажутся два остатка аргинина, отщепление которых является завершающей стадией получения активной формы гормона. Данный процесс осуществляет специализированная металлозависимая карбоксипептидаза (например, карбоксипептидаза В) [5].

6. Биомедицинское значение инсулина.

Инсулин во многих отношениях может служить моделью пептидных гормонов. Он первым из гормонов этой группы был получен в очищенном виде, кристаллизован и синтезирован химическим путем и методами генной инженерии. Исследование путей его биосинтеза привело к созданию концепции пропептидов. Это тем более важно, что инсулин имеет огромное значение как медикаментозное средство, поскольку более пяти процентов населения развитых стран страдает инсулин зависимым сахарным диабетом (диабетом I типа) и примерно столько же людей имеют предрасположенность к данному заболеванию.

Как уже отмечалось, в основе инсулин зависимого сахарного диабета лежит недостаточность инсулина, связанная либо с его отсутствием (нарушения при синтезе предшественника или посттрансляционных модификациях), либо с устойчивостью к его эффектам (например, инсулинорезистентность типа А, проявляющаяся в генетически обусловленных изменениях структуры инсулинового рецептора, приводящих к нарушению связывания гормона клетками). С каждым годом возрастает число пациентов, которым необходимы регулярные инъекции экзогенного инсулина. В связи с этим возникает потребность в производстве этого гормона в достаточных количествах. Следующая статья данной серии будет посвящена методам биотехнологического получения инсулина человека.

Автор статьи: Воюшин К. Е.


Список цитируемой литературы:

  1. Биохимия./ Страйер Л.// Москва, Мир, 1985.
  2. Биохимия человека./ Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В.// Москва, Мир, 1993.
  3. Signal transduction events in the regulation of insulin. / Biden T. J. // Proc. Austral. Physiol. and Pharmacol. Soc., 1997 - 28, № 1 стр. 84.
  4. Молекулярная биология клетки./ Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рефф М., Робертс К., Уотсон Дж.// Москва, Мир, 1994.
  5. Молекулярная биология. Структура и функции белков./ Степанов В. М.// Москва, Высшая школа, 1996.


Rusbiotech™
Copyright © 2000-2003 Rusbiotech
designed by Интерруссофт © 2003



  Rambler's Top100 Rambler's Top100    Яндекс цитирования    ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - www.logoSlovo.RU
TopList