Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

>>> Перейти на полный размер сайта >>>

       

Ж. Гормоны поджелудочной железы и желудочно-кишечного тракта

Поджелудочная железа выполняет в организме две важнейшие функции: экзокринную и эндокринную. Экзокринная функция обеспечивает синтез и секрецию ферментов и ионов, необходимых для процессов пищеварения. Эндокринную функцию выполняют клетки островкового аппарата поджелудочной железы, которые секретируют гормоны, участвующие в регуляции многих процессов в организме.

В островковой части поджелудочной железы (островки Лангерханса) выделяют 4 типа клеток, секретирующих разные гормоны: А- (или α-) клетки секретируют глюкагон, В- (или β-) — инсулин, D- (или δ-) — соматостатин, F-клетки секретируют панкреатический полипептид.

1. Инсулин. Строение, синтез и секреция

Инсулин — полипептид, состоящий из двух полипептидных цепей. Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В — 30 аминокислотных остатков. Обе цепи соединены между собой двумя дисульфидными мостиками (рис. 11-23). Инсулин может существовать в нескольких формах: мономера, димера и гексамера. Гексамерная структура инсулина стабилизируется ионами цинка, который связывается остатками Гис в положении 10 В-цепи всех 6 субъединиц.

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

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 аланином вместо треонина на карбоксильном конце В-цепи.

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-концевых остатков A-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 фенилаланина 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. Сигнальный 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).

Рис. 11-24. Схема биосинтеза инсулина в β-клетках островков Лангерханса. ЭР — эндоплазматический ретикулум. 1 — образование сигнального лептида; 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

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.

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. Т1/2 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-чувствительные 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 Са2+-зависимым процессом и при дефиците Са2+ 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 Кm, вследствие чего скорость её фосфорилирования почти линейно зависит от концентрации глюкозы в крови. Фермент глюкокиназа — один из важнейших компонентов глюкозо-чувствитель-ного 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 α2-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.

2. Биологические функции инсулина

Инсулин — главный анаболический гормон. Он участвует в регуляции метаболизма, транспорта глюкозы, аминокислот, ионов, в синтезе белков. Инсулин влияет также на процессы репликации и транскрипции, участвуя таким образом в регуляции клеточной дифференцировки, пролиферации и трансформации клеток. Участие инсулина в регуляции метаболизма рассмотрено в соответствующих разделах (см. разделы 7, 8, 9). Влияние инсулина на ключевые ферменты метаболизма представлено в табл. 11-7.

Таблица 11-7.
Влияние инсулина на ключевые ферменты метаболизма

Транспорт глюкозы в клетки происходит при участии специальных белков-переносчиков (см. раздел 7). Переносчик, регулируемый инсулином (ГЛЮТ-4), содержится только в мышцах и жировой ткани (инсулинзависимые ткани). В отсутствие инсулина ГЛЮТ-4 находятся в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит транслокация везикул в плазматическую мембрану; при снижении концентрации гормона глюкотранспортёры возвращаются в цитозоль, и транспорт глюкозы прекращается.

В клетках печени инсулин индуцирует синтез глюкокиназы. В результате фосфорилирования концентрация свободной глюкозы в клетках поддерживается на низком уровне, что способствует её транспорту из крови по градиенту концентрации.

Влияние инсулина на метаболизм глюкозы. Инсулин стимулирует утилизацию глюкозы в клетках разными путями. Около 50% глюкозы используется в процессе гликолиза, 30-40% превращается в жиры и около 10% накапливается в форме гликогена. Общий результат стимуляции этих процессов — снижение концентрации глюкозы в крови.

Влияние инсулина на метаболизм глюкозы осуществляется путём повышения активности и количества ключевых ферментов гликолиза: глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируват -киназы (см. раздел 7). В мышцах инсулин активирует гексокиназу II. В печени и мышцах под влиянием инсулина снижается концентрация цАМФ в результате активации фосфодиэс-теразы. Кроме того, инсулин активирует фос-фатазы, дефосфорилирующие гликогенсинтазу, в результате чего происходит активация синтеза гликогена и тормозится его распад.

Эффекты инсулина, обусловленные фосфорилированием и дефосфорилированием ферментов, проявляются очень быстро, в течение нескольких секунд и минут. Параллельно с активацией ферментов гликолиза инсулин тормозит глюконеогенез, репрессируя синтез ключевого фермента глюконеогенеза — фосфоенолпируваткарбок-сикиназы (ФЕП карбоксикиназы).

Влияние инсулина на метаболизм жиров. В печени и жировой ткани инсулин стимулирует синтез жиров, обеспечивая получение для этого процесса необходимых субстратов (ацетил-КоА, α-глицерофосфат и NADPH) из глюкозы. В адипоцитах инсулин активирует ацетил КоА-карбоксилазу и ЛП-липазу и индуцирует синтез синтазы жирных кислот, ацетил-КоА-карбоксилазы и ЛП-липазы (см. раздел 8 и табл. 11-7). Инсулин в жировой ткани тормозит мобилизацию жиров. Он активирует фосфатазу, которая дефосфори-лирует и тем самым инактивирует гормончувствительную ТАГ-липазу. Таким образом, под влиянием инсулина снижается концентрация жирных кислот, циркулирующих в крови (см. раздел 8). Инсулин стимулирует потребление нейтральных аминокислот в мышцах и синтез белков в печени, мышцах и сердце.

Инсулин стимулирует пролиферацию большого количества клеток в культуре тканей, а также, вероятно, может участвовать в регуляции роста in vivo. Для изучения регуляции роста чаще всего используют культуры фиброб-ластов. В таких клетках инсулин усиливает способность фактора роста фибробластов (FGF), тромбоцитарного фактора роста (PDGF), фактора роста эпидермиса (EGF), простагландина (PGF2a), вазопрессина и аналогов цАМФ активировать размножение клеток, остановленных в фазе G.

3. Механизм действия инсулина

Действие инсулина начинается с его связывания со специфическим гликопротеиновым рецептором на поверхности клетки-мишени (см. раздел 5). Рецепторы инсулина обнаружены почти во всех типах клеток, но больше всего их в гепатоцитах и клетках жировой ткани. Так как концентрация инсулина в крови составляет ~10-10 М, количество рецепторов, связанных с инсулином, зависит от их количества на мембране клетки. Клетки с разным содержанием рецепторов реагируют по разному на одну и ту же концентрацию гормона.

Инсулиновый рецептор (IR) постоянно синтезируется и разрушается. Т1/2 рецептора составляет 7—12 ч. При высокой концентрации инсулина в плазме крови, например, при ожирении, число инсулиновых рецепторов может уменьшаться, и клетки-мишени становятся менее чувствительными к инсулину, что может быть одной из причин сахарного диабета II типа (см. ниже подраздел V).

Снижение чувствительности клеток к гормону (десенситизация) опосредуется 2 механизмами. Первый включает утрату рецепторов путём их интернализации. Комплекс инсулин-рецеп-тор захватывается внутрь клетки эндоцитозом. В результате интернализации часть рецепторов подвергается разрушению в лизосомах, а часть возвращается в плазматическую мембрану. Второй механизм десенситизации — ковалентная модификация рецептора в результате фосфорилирования. Так, фосфорилирование IR по остаткам серина и треонина снижает его сродство к инсулину.

Второй механизм десенситизации — ковалентная модификация рецептора в результате фосфорилирования. Так, фосфорилирование IR по остаткам серина и треонина снижает его сродство к инсулину.

Рецептор инсулина относят к типу рецепторов, обладающих тирозинкиназной активностью (см. раздел 5). Стимулированное инсулином аутофосфорилирование β-субъединицы IR по остаткам тирозина приводит к фосфорили-рованию других внутриклеточных белков — субстратов инсулинового рецептора (IRS). Известно несколько таких субстратов: IRS-1, IRS-2, а также некоторые белки семейства STAT.

Главную роль в формировании ответной реакции клетки на инсулиновый сигнал играет IRS-1. IRS-1 — фосфопротеин, состоящий из более чем 1200 аминокислотных остатков. Часть остатков серина, тирозина и треонина фосфорилирована. При стимуляции инсулином степень фосфорилирования IRS-1 увеличивается и придаёт ему способность соединяться с другими цитозольными белками. Это приводит к активации нескольких сигнальных путей, представляющих каскад реакций активации специфических протеинкиназ. В результате активации протеинкиназ происходит фосфорилирование ферментов и факторов транскрипции, что составляет основу многочисленных эффектов инсулина.

Активация инсулином сигнального пути Ras

Белок, известный как Ras-белок, относят к семейству малых ГТФ-связывающих белков. В неактивном состоянии Ras-белок прикреплён к внутренней поверхности плазматической мембраны и связан с ГДФ. Стимуляция инсулином приводит к образованию активной ГТФ-связан-ной формы Ras (рис. 11-25).

Рис. 11-25. Активация Ras-пути инсулином. 1 — GRB-2/mSOS — цитозольный белок нековалентно присоединяется к фосфо-рилированному рецептору инсулина при участии одного из субстратов инсулинововго рецептора — She; 2 — образовавшийся комплекс взаимодействует с белком Ras; в этот комплекс включаются также белки, которые обеспечивают отделение от Ras ГДФ и присоединение ГТФ; 3 — активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1, вследствие чего происходит активация Raf-1-киназы; 4, 5 — активированная Raf-1-киназа стимулирует каскад реакций фосфорилирования и активации других протеинкиназ, в частности, МАПКК и МАПК. МАПК фосфорилируют многие цитоплазматические белки и факторы транскрипции. МАПК — митогенактивируемые протеинкиназы

Превращение Ras-белка в активную форму происходит при участии семейства белков, являющихся активаторами протеинкиназ и про-теинкиназами и, так же, как Ras-белок, получившие свои названия от онкогенов (см. раздел 16). Один из субстратов инсулинового рецептора She участвует в образовании комплекса с небольшим цитозольным белком Grb. Образовавшийся комплекс взаимодействует с Ras-белком. В этот комплекс включаются другие белки: GAP (от англ. GTP-ase activating factor — фактор, активирующий ГТФ:азу), GEF (от англ. GTP exchange factor — фактор обмена ГТФ) и SOS (от англ. son of seven less, названный по мутации гена у мушки дрозофилы).

Два последних белка способствуют отделению ГДФ от Ras-белка и присоединению ГТФ. Активированный Ras соединяется с протеинкиназой Raf-1. Raf-1 в неактивном состоянии находится в цитозоле в соединении с шаперонами. Активация Raf-1 происходит в результате многоэтапного процесса, включающего присоединение белка к плазматической мембране, фосфорилирование и взаимодействие с рецептором инсулина. Активированная Raf-киназа стимулирует каскад реакций фосфорилирования и активации других протеинкиназ, в частности, митогенакти-вируемых протеинкиназ (МАПК). При участии Raf-1 сначала фосфорилируется и активируется киназа МАПК, которая, в свою очередь, фос-форилирует МАПК.

МАПК фосфорилирует многие цитоплазматические белки: протеинкиназу pp90S6, белки рибосом, фосфолипазу А2, активаторы транскрипции (ПСАТ). Путь Ras активируется не только инсулином, но и многими другими гормонами и факторами роста. Многие компоненты этого пути являются продуктами протоонкогенов, мутации которых приводят к злокачественной трансформации клеток (см. раздел 16).

Эффекты инсулина могут проявляться в течение секунд и минут (транспорт веществ, фосфорилирование и дефосфорилирование белков, активация и ингибирование ферментов, синтез РНК) или через несколько часов (синтез ДНК, белков, рост клеток).

Активация фосфоинозитол - 3-киназы (ФИ-З-киназы). Этот фермент катализирует фосфорилирование ФИ, ФИ-4-фосфата и ФИ-4,5-бисфосфата в положении 3, образуя полифосфоинозитиды: ФИ-З-фосфат, ФИ-3,4-бисфосфат, ФИ-3,4,5-трифосфат, которые в разных клетках стимулируют мобилизацию Са2+ и активацию специфических протеинкиназ (см. раздел 5). Активация ФИ-3-киназы стимулирует транслокацию ГЛЮТ-4 в плазматическую мембрану и таким образом ускоряет трансмембранный перенос глюкозы в клетки жировой и мышечной ткани. В жировой ткани активация ФИ-З-киназы приводит к торможению липолиза. Снижение скорости липолиза происходит в результате активации фосфодиэстеразы и уменьшения внутриклеточной концентрации цАМФ (рис. 11-26).

Рис. 11-26. Активация фосфодиэстеразы адипоцитов инсулином. 1 — фосфорилированный рецептор инсулина фосфорили-рует субстраты инсулинового рецептора; 2 — образование комплекса фосфоинозитол-3-киназы (ФИ-З-киназы) с активированными субстратами инсулинового рецептора; 3 — активация протеинкиназы В (ПК-В); 4 — протеинкиназа В активирует фосфо-диэстеразу (ФДЭ) путём фосфорилирования; 5 — ФДЭ катализирует реакцию превращения цАМФ в АМФ

Активация гликогенсинтазы инсулином

Одной из протеинкиназ, активируемых через путь Ras, является протеинкиназа pp90S6. Этот фермент фосфорилирует протеинфосфатазу, связанную с гранулами гликогена. При фосфорилировании протеинфосфатаза активируется и дефосфорилирует киназу гликогенфосфорилазы, гликогенфосфорилазу и гликогенсинтазу. Дефосфорилированные формы киназыфосфорилазы и гликогенфосфорилазы неактивны, вследствие чего мобилизация гликогена замедляется. Гликогенсинтаза, напротив, активируется, и синтез гликогена ускоряется (рис. 11-27).

Рис. 11-27. Активация гликогенсинтазы инсулином. 1 — активация пути RAS; 2 — протеинкиназа pp90S6, активируемая инсулином через путь RAS (рис. 11-25), фосфорилирует протеинфосфатазу гранул гликогена, которая включает каскад реакций дефосфорилирования; 3 — инактивация киназыфосфорилазы и гликогенфосфорилазы; 4 — торможение мобилизации гликогена; 5 — активация гликогенсинтазы; 6 — стимуляция синтеза гликогена

Инсулин влияет на скорость транскрипции более, чем 100 специфических мРНК в печени, жировой ткани, скелетных мышцах и сердце. Впервые влияние инсулина на транскрипцию генов было показано на примере фосфоенол-пируваткарбоксикиназы — ключевого фермента глюконеогенеза, скорость синтеза которого в культуре клеток гепатомы снижалась в течение нескольких минут.

4. Глюкагон

Глюкагон — одноцепочечный полипептид, состоящий из 29 аминокислотных остатков. Биосинтез глюкагона происходит в а-клетках островков Лангерханса, в нейроэндокринных клетках кишечника и в некоторых отделах ЦНС. Неактивный предшественник проглюкагон в результате частичного протеолиза превращается в несколько пептидов. В клетках поджелудочной железы главный пептид — глюкагон; в клетках кишечника образуются глюкагонопо-добные пептиды (от англ. GLP — glucagon like peptide): GLP-1, GLP-2, глицентин и другие.

GLP-1 ингибирует секрецию глюкагона и стимулирует синтез и секрецию инсулина. Стимулятором секреции GLP-1 служит другой гормон — желудочный ингибирующий полипептид (от англ. GIP — gastrial inhibitor peptide), который синтезируется в клетках слизистой оболочки верхних отделов тонкого кишечника. Секреция GIP стимулируется при приёме пищи; наиболее сильным стимулятором служит глюкоза. На секрецию глюкагона влияют и многие другие соединения, включая аминокислоты, жирные кислоты, кетоновые тела и нейромедиаторы. При приёме пищи, богатой углеводами, секреция глюкагона снижается. Белковая пища стимулирует секрецию инсулина и глюкагона; однако некоторые аминокислоты в большей степени влияют на секрецию одного из них. Например, аланин стимулирует секрецию глюкагона, но не инсулина.

В плазме крови глюкагон не связан с каким-либо транспортным белком. Т1/2 гормона составляет ~5 мин. В печени глюкагон быстро разрушается под действием специфических протеаз.

Эффекты глюкагона в основном противоположны эффектам инсулина. Основные клетки-мишени глюкагона — печень и жировая ткань. Связываясь с рецепторами на плазматической мембране клеток-мишеней, глюкагон повышает содержание цАМФ (см. раздел 5). В гепатоцитах это приводит к активации фосфорилазы гликогена и к снижению активности гликогенсинтазы. В результате ускоряется мобилизация гликогена. Фосфорилирование пируваткиназы и БИФ вызывает торможение гликолиза и ускорение глюконеогенеза. Кроме того, глюкагон стимулирует глюконеогенез, индуцируя синтез ферментов: глюкозо-6-фосфатазы, фосфоенол-пируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы (см. раздел 7). В клетках жировой ткани глюкагон через аденилатциклазный каскад активирует гормончувствительную ТАГ-липазу и стимулирует липолиз (см. раздел 8). Таким образом, в противоположность инсулину глюкагон стимулирует мобилизацию основных энергоносителей — углеводов и жиров.

5. Другие гормоны желудочно-кишечного тракта

Из тканей ЖКТ выделено более 10 биологически активных пептидов. Многие из них по механизму действия могут быть причислены к истинным гормонам, проявляющим эндокринный эффект. К ним относят гастрин, секретин, GIP, холецистокинин, мотилин, панкреатический полипептид и энтероглюкагон. Другие желудочно-кишечные пептиды обладают пара-кринным или нейроэндокринным действием: вазоактивный интестинальный пептид (VIP), соматостатин.

К особенностям эндокринной системы ЖКТ относят то, что её клетки рассеяны по разным отделам, а не собраны в отдельном органе. Многие желудочно-кишечные пептиды найдены в нервах ЖКТ, а также в клетках ЦНС. Кроме того, для пептидов ЖКТ характерно наличие множественных форм, имеющих структурное и функциональное сходство, что ограничивает возможности изучения их структуры и функции. Из главных желудочно-кишечных гормонов только секретин существует в единственной форме. Многие гормоны ЖКТ по сходству первичной структуры и функции могут быть отнесены к одному из 2 семейств.

    Семейство гастрина объединяет гастрин и холецистокинин.

    Семейство секретина объединяет секретин, глюкагон, GIP, VIP и глицентин.

Сравнительно мало известно о механизмах действия гормонов ЖКТ. На ацинарных клетках поджелудочной железы идентифицировано шесть разных классов рецепторов. Один из них для семейства гастрина функционирует при участии инозитолфосфатной системы; рецепторы секретина и VIР — компоненты аденилатцик-лазной системы. Биологическая роль основных гормонов ЖКТ рассматривается в курсе физиологии и в разделе 9.

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru