Декупаж 

К инсулин содержащим культурам относятся. Что такое инсулин и какова его роль в организме? Гормоны поджелудочной железы

Инсулин (от лат. insula - остров) - гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Оказывает многогранное влияние на обмен практически во всех тканях. Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови.

Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ключевые ферменты гликолиза, стимулирует образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляет активность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. То есть, помимо анаболического действия, инсулин обладает также и антикатаболическим эффектом. Нарушение секреции инсулина вследствие деструкции бета-клеток - абсолютная недостаточность инсулина - является ключевым звеном патогенеза сахарного диабета 1-го типа. Нарушение действия инсулина на ткани - относительная инсулиновая недостаточность - имеет важное место в развитии сахарного диабета 2-го типа.

Строение инсулина

Молекула инсулина образована двумя полипептидными цепями, содержащими 51 аминокислотный остаток: A-цепь состоит из 21 аминокислотного остатка, B-цепь образована 30 аминокислотными остатками. Полипептидные цепи соединяются двумя дисульфидными мостиками через остатки цистеина, третья дисульфидная связь расположена в A-цепи. Первичная структура инсулина у разных биологических видов несколько различается, как различается и его важность в регуляции обмена углеводов. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи, который различается с ним всего одним аминокислотным остатком: в 30 положении B-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в инсулине человека - треонин; бычий инсулин отличается тремя аминокислотными остатками.

Открытие и изучение инсулина

В 1869 году в Берлине 22-летний студент-медик Поль Лангерганс изучая с помощью нового микроскопа строение поджелудочной железы, обратил внимание на ранее не известные клетки, образующие группы, которые были равномерно распределены по всей железе. Назначение этих «маленьких кучек клеток», впоследствии известных как «островки Лангерганса», было не понятно, но позднее Эдуад Лагус показал, что в них образуется секрет, который играет роль в регуляции пищеварения.

В 1889 году немецкий физиолог Оскар Минковски (Oscar Minkowski) чтобы показать, что значение поджелудочной железы в пищеварении надумано, поставил эксперимент, в котором произвёл удаление железы у здоровой собаки. Через несколько дней после начала эксперимента, помощник Минковски, который следил за лабораторными животными, обратил внимание на большое количество мух, которые слетались на мочу подопытной собаки. Исследовав мочу, он обнаружил, что собака с мочой выделяет сахар. Это было первое наблюдение, позволившее связать работу поджелудочной железы и сахарный диабет.

В 1901 году был сделан следующий важный шаг, Евген Опи (Eugene Opie) чётко показал, что «Сахарный диабет… обусловлен разрушением островков поджелудочной железы, и возникает только когда эти тельца частично или полностью разрушены.» Связь между сахарным диабетом и поджелудочной железой была известна и раньше, но до этого не было ясно, что диабет связан именно с островками. В следующие два десятилетия были предприняты несколько попыток выделить островковый секрет как потенциальное лекарство.

В 1906 Georg Ludwig Zuelzer достиг некоторого успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак панкреатическим экстрактом, но не мог продолжить свою работу. E.L. Scott между 1911 и 1912 в Чикагском университете использовал водный экстракт поджелудочной железы и отмечал «некоторое уменьшение гликозурии», но он не смог убедить своего руководителя в важности своих исследований, и вскоре эти эксперименты были прекращены. Такой же эффект демонстрировал и Израэль Кляйнер в Рокфеллеровском университете в 1919, но его работа была прервана началом первой мировой войны, и он не смог её завершить. Похожую работу после опытов во Франции в 1921 году опубликовал и профессор физиологии Румынской школы медицины Никола Паулеско, и многие, в том числе и в Румынии, считают именно его первооткрывателем инсулина. Однако практическое выделение инсулина принадлежит группе учёных Торонтского университета.

В октябре 1920 года Фредерик Бантинг прочитал в работах Минковского о том, что если у собак препятствовать выделению пищеварительного сока из поджелудочной железы, то железистые клетки вскоре погибают, а островки остаются живыми, и сахарный диабет у животных не развивается. Этот интересный факт заставил его задуматься над возможностью выделения из железы неизвестного фактора, способствующего снижению уровня сахара в крови. Из его записок: «перевязать собаке панкреатический проток. Оставить собаку, пока не разрушатся ацинусы и останутся только островки. Попытаться выделить внутренний секрет и подействовать на гликозурию…» В Торонто Бантинг, встретился с Дж. Маклаудом (J. Macleod) и изложил ему свои соображения в надежде заручиться его поддержкой и получить необходимое для работы оборудование. Идея Бантинга сперва показалась профессору абсурдной и даже смешной. Но молодому учёному всё-таки удалось убедить Маклауда поддержать проект.

И летом 1921 года он предоставил Бантингу университетскую лабораторию и ассистента, 22-летнего Чарльза Беста, а также выделил ему 10 собак. Их метод заключался в том, что вокруг выводного протока поджелудочной железы затягивалась лигатура, препятствуя выделению из железы панкреатического сока, и спустя несколько недель, когда внешнесекреторные клетки погибли, в живых оставались тысячи островков, из которых им удалось выделить белок, который достоверно снижал уровень сахара в крови у собак с удалённой поджелудочной железой. Сперва его назвали «айлетин». Вернувшись из Европы, Маклауд оценил значение всей проделанной его подчинённым работы, однако для того, чтобы быть полностью уверенным в эффективности метода, профессор потребовал ещё раз переделать эксперимент при себе. И спустя несколько недель, было ясно, что вторая попытка также успешна. Однако выделение и очистка «айлетина» из поджелудочных желез собак было чрезвычайно трудоёмкой и длительной работой. Бантинг решил попытаться использовать в качестве источника поджелудочные железы плодов телят, в которых ещё не вырабатываются пищеварительные ферменты, но уже синтезируется достаточное количество инсулина. Это существенно облегчило работу.

После решения проблемы с источником инсулина следующей важной задачей стала очистка белка. Для её решения в декабре 1921 Маклауд привлёк блестящего биохимика, Джеймса Коллипа, который в итоге сумел разработать эффективный метод очистки инсулина. И 11 января 1922 года, после множества успешных испытаний с собаками, страдающему диабетом 14-летнему Леонарду Томпсону была сделана первая в истории инъекция инсулина. Однако первый опыт применения инсулина оказался неудачным. Экстракт оказался недостаточно очищенным, и это привело к развитию аллергии, поэтому инъекции инсулина были приостановлены. Следующие 12 дней Коллип напряжённо работал в лаборатории над улучшением экстракта. А 23 января Леонарду была введена вторая доза инсулина. На сей раз, успех был полным, не только не было явных побочных действий, но и у больного перестал прогрессировать диабет. Однако впоследствии Бантинг и Бест не сработались с Коллипом и вскоре с ним расстались. Потребовались большие количества чистого инсулина. И прежде чем был найден эффективный способ быстрого промышленного получения инсулина, была проведена очень большая работа. Важную роль в этом сыграло знакомство Бантинга с Эли Лилли, будущим основателем крупнейшей фармакологической компании. За это революционное открытие Маклауд и Бантинг в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинг сперва был сильно возмущён, что его помощник Бест не был представлен к награде вместе с ним, и поначалу даже демонстративно отказался от денег, но потом всё же согласился принять премию, и свою часть торжественно разделил с Бестом. Также поступил и Маклауд, поделив свою премию с Коллипом. А патент на инсулин был продан Торонтскому университету за один доллар, и вскоре началось производство инсулина в промышленных масштабах.

Заслуга по определению точной последовательности аминокислот, образующих молекулу инсулина (так называемая первичная структура) принадлежит британскому молекулярному биологу Фредерику Сенгеру. Инсулин стал первым белком, для которого была полностью определена первичная структура. За проделанную работу в 1958 году он был удостоен Нобелевской премии по химии. А спустя почти 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин с помощью метода рентгеновской дифракции определила пространственное строение молекулы инсулина. Её работы также отмечены Нобелевской премией.

Образование и секреция инсулина Главным стимулом к синтезу и выделению инсулина служит повышение концентрации глюкозы в крови.

Синтез инсулина в клетке Синтез и выделение инсулина представляют собой сложный процесс, включающий несколько этапов. Первоначально образуется неактивный предшественник гормона, который после ряда химических превращений в процессе созревания превращается в активную форму. Ген, кодирующий первичную структуру предшественника инсулина, локализуется в коротком плече 11 хромосомы. На рибосомах шероховатой эндоплазматической сети синтезируется пептид-предшественник - т.н. препроинсулин. Он представляет собой полипептидную цепь, построенную из 110 аминокислотных остатков и включает в себя расположенные последовательно: L-пептид, B-пептид, C-пептид и A-пептид. Почти сразу после синтеза в ЭПР от этой молекулы отщепляется сигнальный (L) пептид - последовательность из 24 аминокислот, которые необходимы для прохождения синтезируемой молекулы через гидрофобную липидную мембрану ЭПР. Образуется проинсулин, который транспортируется в комплекс Гольджи, далее в цистернах которого происходит так называемое созревание инсулина. Созревание является наиболее длительным этапом образования инсулина. В процессе созревания из молекулы проинсулина с помощью специфических эндопептидаз вырезается C-пептид - фрагмент из 31 аминокислоты, соединяющий B-цепь и A-цепь. То есть молекула проинсулина разделяется на инсулин и биологически инертный пептидный остаток. В секреторных гранулах инсулин, соединяясь с ионами цинка, образует кристаллические гексамерные агрегаты.

Секреция инсулина Бета-клетки островков Лангерганса чувствительны к изменению уровня глюкозы в крови; выделение ими инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы реализуется по следующему механизму:

  • Глюкоза свободно транспортируется в бета-клетки специальным белком-переносчиком GluT 2
  • В клетке глюкоза подвергается гликолизу и далее окисляется в дыхательном цикле с образованием АТФ; интенсивность синтеза АТФ зависит от уровня глюкозы в крови.
  • АТФ регулирует закрытие ионных калиевых каналов, приводя к деполяризации мембраны.
  • Деполяризация вызывает открытие потенциал-зависимых кальциевых каналов, это приводит к току кальция в клетку.
  • Повышение уровня кальция в клетке активирует фосфолипазу C, которая расщепляет один из мембранных фосфолипидов - фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат - на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерат.
  • Инозитолтрифосфат связывается с рецепторными белками ЭПР. Это приводит к высвобождению связанного внутриклеточного кальция и резкому повышению его концентрации.
  • Значительное увеличение концентрации в клетке ионов кальция приводит к высвобождению заранее синтезированного инсулина, хранящегося в секреторных гранулах. В зрелых секреторных гранулах кроме инсулина и C-пептида находятся ионы цинка и небольшие количества проинсулина и промежуточных форм. Выделение инсулина из клетки происходит путём экзоцитоза - зрелая секреторная гранула приближается к плазматической мембране и сливается с ней, и содержимое гранулы выдавливается из клетки. Изменение физических свойств среды приводит к отщеплению цинка и распаду кристаллического неактивного инсулина на отдельные молекулы, которые и обладают биологической активностью.

Регуляция образования и секреции инсулина

Главным стимулятором освобождения инсулина является повышение уровня глюкозы в крови. Дополнительно образование инсулина и его выделение стимулируется во время приёма пищи, причём не только глюкозы или углеводов. Секрецию инсулина усиливают аминокислоты, особенно лейцин и аргинин, некоторые гормоны гастроэнтеропанкреатической системы: холецистокинин, ГИП, ГПП-1, а также такие гормоны, как глюкагон, АКТГ, СТГ, эстрогены и др., препараты сульфонилмочевины. Также секрецию инсулина усиливает повышение уровня калия или кальция, свободных жирных кислот в плазме крови. Понижается секреция инсулина под влиянием соматостатина. Бета-клетки также находятся под влиянием автономной нервной системы.

  • Парасимпатическая часть (холинергические окончания блуждающего нерва) стимулирует выделение инсулина
  • Симпатическая часть (активация α2-адренорецепторов) подавляет выделение инсулина. Причём синтез инсулина заново стимулируется глюкозой и холинергическими нервными сигналами.

Действие инсулина

Так или иначе, инсулин затрагивает все виды обмена веществ во всём организме. Однако в первую очередь действие инсулина касается именно обмена углеводов. Основное влияние инсулина на углеводный обмен связано с усилением транспорта глюкозы через клеточные мембраны. Активация инсулинового рецептора запускает внутриклеточный механизм, который напрямую влияет на поступление глюкозы в клетку путём регуляции количества и работы мембранных белков, переносящих глюкозу в клетку. В наибольшей степени от инсулина зависит транспорт глюкозы в двух типах тканей: мышечная ткань (миоциты) и жировая ткань (адипоциты) - это т.н. инсулинозависимые ткани. Составляя вместе почти 2/3 всей клеточной массы человеческого тела, они выполняют в организме такие важные функции как движение, дыхание, кровообращение и т. п., осуществляют запасание выделенной из пищи энергии.

Механизм действия инсулина

Подобно другим гормонам своё действие инсулин осуществляет через белок-рецептор. Инсулиновый рецептор представляет собой сложный интегральный белок клеточной мембраны, построенный из 2 субъединиц (a и b), причём каждая из них образована двумя полипептидными цепочками. Инсулин с высокой специфичностью связывается и распознаётся а-субъединицей рецептора, которая при присоединении гормона изменяет свою конформацию. Это приводит к появлению тирозинкиназной активности у субъединицы b, что запускает разветвлённую цепь реакций по активации ферментов, которая начинается с самофосфорилирования рецептора.

Весь комплекс биохимических последствий взаимодействия инсулина и рецептора ещё до конца не вполне ясен, однако известно, что на промежуточном этапе происходит образование вторичных посредников: диацилглицеролов и инозитолтрифосфата, одним из эффектов которых является активация фермента - протеинкиназы С, с фосфорилирующим (и активирующим) действием которой на ферменты и связаны изменения во внутриклеточном обмене веществ. Усиление поступления глюкозы в клетку связано с активирующим действием посредников инсулина на включение в клеточную мембрану цитоплазматических везикул, содержащих белок-переносчик глюкозы GluT 4. Комплекс инсулин-рецептор после образования погружается в цитозоль и в дальнейшем разрушается в лизосомах. Причём деградации подвергается лишь остаток инсулина, а освобождённый рецептор транспортируется обратно к мембране и снова встраивается в неё.

Физиологические эффекты инсулина Инсулин оказывает на обмен веществ и энергии сложное и многогранное действие. Многие из эффектов инсулина реализуются через его способность действовать на активность ряда ферментов. Инсулин - единственный гормон, снижающий содержание глюкозы в крови, это реализуется через:

  • усиление поглощения клетками глюкозы и других веществ;
  • активацию ключевых ферментов гликолиза;
  • увеличение интенсивности синтеза гликогена - инсулин форсирует запасание глюкозы клетками печени и мышц путём полимеризации её в гликоген;
  • уменьшение интенсивности глюконеогенеза - снижается образование в печени глюкозы из различных веществ

Анаболические эффекты инсулина

  • усиливает поглощение клетками аминокислот (особенно лейцина и валина);
  • усиливает транспорт в клетку ионов калия, а также магния и фосфата;
  • усиливает репликацию ДНК и биосинтез белка;
  • усиливает синтез жирных кислот и последующую их этерификацию - в жировой ткани и в печени инсулин способствует превращению глюкозы в триглицериды; при недостатке инсулина происходит обратное - мобилизация жиров.

Антикатаболические эффекты инсулина

  • подавляет гидролиз белков - уменьшает деградацию белков;
  • уменьшает липолиз - снижает поступление жирных кислот в кровь.

Регуляция уровня глюкозы в крови

Поддержание оптимальной концентрации глюкозы в крови - результат действия множества факторов, сочетание слаженной работы почти всех систем организма. Однако главная роль в поддержании динамического равновесия между процессами образования и утилизации глюкозы принадлежит гормональной регуляции. В среднем уровень глюкозы в крови здорового человека колеблется от 2,7 до 8,3 ммоль/л, однако сразу после приёма пищи концентрация резко возрастает на короткое время. Две группы гормонов противоположно влияют на концентрацию глюкозы в крови:

  • единственный гипогликемический гормон - инсулин
  • и гипергликемические гормоны (такие как глюкагон, гормон роста и адреналин), которые повышают содержание глюкозы в крови

Когда уровень глюкозы опускается ниже нормального физиологического значения, высвобождение инсулина из B-клеток замедляется (но в норме никогда не останавливается). Если же уровень глюкозы падает до опасного уровня, высвобождаются так называемые контринсулярные (гипергликемические) гормоны (наиболее известный - глюкагон α-клеток панкреатических островков), которые вызывают высвобождение глюкозы из клеточных запасов в кровь.

Адреналин и другие гормоны стресса сильно подавляют выделение инсулина в кровь. Точность и эффективность работы этого сложного механизма является непременным условием нормальной работы всего организма, здоровья. Длительное повышенное содержание глюкозы в крови (гипергликемия) является главным симптомом и повреждающим фактором сахарного диабета. Гипогликемия - понижение содержания глюкозы в крови - часто имеет ещё более серьёзные последствия. Так, экстремальное падение уровня глюкозы может быть чревато развитием гипогликемической комы и смертью.

Гипергликемия

Гипергликемия - увеличение уровня сахара в крови. В состоянии гипергликемии увеличивается поступление глюкозы как в печень, так и в периферические ткани. Как только уровень глюкозы зашкаливает, поджелудочная железа начинает вырабатывать инсулин.

Гипогликемия

Гипогликемия - патологическое состояние, характеризующееся снижением уровня глюкозы периферической крови ниже нормы (обычно, 3,3 ммоль/л). Развивается вследствие передозировки сахароснижающих препаратов, избыточной секреции инсулина в организме. Гипогликемия может привести к развитию гипогликемической комы и привести к гибели человека.

Инсулинотерапия

Существует 3 основных режима инсулинотерапии. У каждого из них имеются свои преимущества и недостатки. У здорового человека секреция инсулина происходит постоянно и составляет около 1 ЕД инсулина в 1 ч, это так называемая базальная или фоновая секреция. Во время еды происходит быстрое (болюсное) повышение концентрации инсулина во много раз. Стимулированная секреция инсулина составляет приблизительно 1-2 ЕД на каждые 10 г углеводов. При этом поддерживается постоянный баланс между концентрацией инсулина и потребностью в нем по принципу обратной связи. Больной сахарным диабетом 1-го типа нуждается в заместительной инсулинотерапии, которая бы имитировала секрецию инсулина в физиологических условиях. Необходимо использовать различные виды препаратов инсулина в разное время. Добиться удовлетворительных результатов однократным введением инсулина у больных сахарным диабетом 1-го типа невозможно. Количество инъекций может быть от 2 до 5-6 раз в сут. Чем больше инъекций, тем режим инсулинотерапии больше приближен к физиологическому. У больных сахарным диабетом 2-го типа с сохраненной функцией бета-клеток достаточно одно-, двукратного введения инсулина для поддержания состояния компенсации.

О сахарном диабете слышали все. К счастью, многие люди не имеют такого заболевания. Хотя часто бывает и так, что болезнь развивается очень тихо, незаметно, лишь при плановом обследовании или же в экстренной ситуации показывая свое лицо. Зависит диабет от уровня определенного гормона, вырабатываемого и усваиваемого организмом человека. О том, что такое инсулин, как он работает, и какие проблемы может вызвать его избыток или недостаток, будет рассказано ниже.

Гормоны и здоровье

Эндокринная система - один из компонентов организма человека. Многие органы продуцируют сложные по своему составу вещества - гормоны. Они важны для качественного обеспечения всех процессов, от которых зависит жизнедеятельность человека. Одно из таких веществ - гормон инсулин. Его избыток сказывается на только на работе многих органов, но и на самой жизни, ведь резкое падение или повышение уровня этого вещества может стать причиной комы или даже смерти человека. Поэтому определенная группа людей, страдающих от нарушения уровня этого гормона, постоянно носят с собой шприц с инсулином, чтобы иметь возможность сделать себе жизненно важную инъекцию.

Гормон инсулин

Что такое инсулин? Этот вопрос интересен тем, кто знаком с его избытком или недостатком не понаслышке, и тем, кого проблема инсулинового дисбаланса не коснулась. Гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и получивший свое название от латинского слова "insula", что в переводе означает "остров". Свое название этот вещество получило за счет области образования - островков Лангерганса, расположенных в тканях поджелудочной железы. В настоящее время учеными именно этот гормон изучен наиболее полно, ведь он оказывает влияние на все процессы, протекающие во всех тканях и органах, хотя основная его задача состоит в понижении уровня сахара крови.

Инсулин как структура

Строение инсулина уже не секрет для ученых. Изучение этого важного для всех органов и систем гормона началось еще в конце XIX века. Примечательно, что клетки поджелудочной железы, продуцирующие инсулин, - островки Лангерганса, получили свое название по имени студента-медика, первого обратившего внимание на скопления клеток в ткани изучаемого под микроскопом органа пищеварительной системы. Прошло почти столетие с 1869 года, прежде чем фармацевтическая промышленность наладила массовое производство препаратов с инсулином, чтобы люди, страдающие диабетом, смогли значительно улучшить качество своей жизни.

Структура инсулина - это сочетание двух полипептидных цепочек, состоящих из аминокислотных остатков, соединенных так называемыми дисульфидными мостиками. Молекула инсулина содержит 51 остаток аминокислот, условно разделенных на две группы - 20 под индексом "А" и 30 под индексом "В". Отличия инсулина человека и свиньи, например, присутствует лишь в одном остатке под индексом "В", человеческий инсулин и гормон поджелудочной быка отличается тремя остатками индекса "В". Поэтому природный инсулин из поджелудочной железы этих животных - один из самых распространенных компонентов для лекарств при диабете.

Научные исследования

Взаимозависимость некачественной работы поджелудочной и развитие диабета - заболевания, сопровождающегося повышением уровня глюкозы крови и моче, было подмечено врачами достаточно давно. Но лишь в 1869 году студентом-медиком из Берлина 22-х летним Паулем Лангергансом были открыты группы клеток поджелудочной железы, ранее не известные ученым. И именно по имени молодого исследователя они получили свое название - островки Лангерганса. Спустя некоторое время при проведении опытов учеными было доказано, что секрет этих клеток влияет на пищеварение, а его отсутствие резко повышает уровень сахара крови и моче, что оказывает негативное влияние на состояние пациента.

Начало ХХ века ознаменовалось открытием российским ученым Иваном Петровичем Соболевым зависимости углеводного обмена от активности продуцирования секрета островков Лангерганса. Еще достаточно длительное время биологи расшифровывали формулу этого гормона, чтобы получить возможность синтезировать его искусственным путем, ведь больных сахарным диабетом очень и очень много, и количество людей с таким заболеванием постоянно растет.

Лишь в 1958 году была определена последовательность аминокислот, из которых образуется молекула инсулина. За это открытие молекулярный биолог из Великобритании Фредерик Сенгер был удостоен Нобелевской премии. А вот пространственную модель молекулы этого гормона в 1964 году при помощи метода рентгеновской дифракции определила Дороти Кроуфут-Ходжкин, за что также получила высшую научную награду. Инсулин в крови является одним основных показателей здоровья человека, а его колебание за пределы определенных нормативных показателей служит поводом тщательного обследования и постановки определенного диагноза.

Где продуцируется инсулин?

Для того чтобы понять, что такое инсулин, необходимо уяснить - для чего человеку необходима поджелудочная железа, ведь именно она является тем органом, относящимся к эндокринной и пищеварительной системам, который вырабатывает этот гормон.

Структура каждого органа сложна, ведь помимо отделов органа, в нем работают и различные ткани, состоящие из разных клеток. Особенностью поджелудочной железы являются островки Лангерганса. Это особые скопления гормонпродуцирующих клеток, расположенных по всему телу органа, хотя основное их расположение - хвост поджелудочной железы. У взрослого человека, по подсчетам биологов, насчитывается порядка одного миллиона таких клеток, а их общая масса составляет всего около 2 % от массы самого органа.

Как вырабатывается "сладкий" гормон?

Инсулин в крови, содержащийся в определенном количестве, является одним из показателей здоровья. Чтобы прийти к такому явному для современного человека понятию, ученым понадобился не один десяток лет кропотливых исследований.

Поначалу были выделены два типа клеток, из которых состоят островки Лангерганса, - клетки А типа и клетки В типа. Их разница состоит в продуцировании разного по своей функциональной направленности секрета. Клетки типа А производят глюкагон - гормон пептидного характера, который способствует распаду гликогена в печени и поддержанию постоянного уровня глюкозы крови. Бета-клетки секретируют инсулин - пептидный гормон поджелудочной железы, который понижает уровень глюкозы, тем самым влияя на все ткани и, соответственно, органы организма человека или животного. Здесь прослеживается четкая взаимосвязь - А-клетки поджелудочной железы потенцируют появление глюкозы, которая в свою очередь заставляет работать Б-клетки, секретируя инсулин, снижающий уровень сахара. Из островков Лангерганса "сладкий" гормон продуцируется и попадает в кровь в несколько этапов. Препроинсулин, который является пептидом-предшественником инсулина, синтезируется на рибосомах короткого плеча 11 хромосомы. Этот начальный элемент состоит из 4 видов аминокислотных остатков - A-пептид, B-пептид, C-пептид и L-пептид. Он попадает в эндоплазматическую сеть эукариотической сетки, где от него отщепляется L-пептид.

Таким образом препроинсулин превращается в проинсулин, проникающий в так называемый аппарат Гольджи. Именно там происходит созревание инсулина: проинсулин теряет С-пептид, разделяясь на инсулин и биологически неактивный пептидный остаток. Из островков Лангерганса инсулин секретируется под воздействием глюкозы в крови, которая попадает в В-клетки. Там в следствии цикла химических реакций из секреторных гранул выделяется ранее секретированный инсулин.

В чем роль инсулина?

Действие инсулина изучалось учеными-физиологами, патофизиологами длительное время. В настоящий момент это наиболее изученный гормон человеческого организма. Инсулин важен практически для всех органов и тканей, участвуя в абсолютном большинстве обменных процессов. Особая роль отведена взаимодействию гормона поджелудочной железы и углеводов.

Глюкоза является производным веществом при метаболизме углеводов и жиров. Она попадет в В-клетки островков Лангерганса и заставляет их активно секретировать инсулин. Максимальную работу этот гормон осуществляет при транспортировке глюкозы в жировую и мышечную ткани. Что такое инсулин для обмена веществ и энергии в организме человека? Он потенцирует или блокирует многие процессы, тем самым влияя на работу практически всех органов и систем.

Путь гормона в организме

Один из важнейших гормонов, оказывающих влияние на все системы организма -инсулин. Его уровень в тканях и жидкостях организма служит показателем состояния здоровья. Путь, который проходит этот гормон от продуцирования до элиминации, очень сложен. В основном выводится он почками и печенью. Но ученые-медики проводят исследование клиренса инсулина в печени, почках и тканях. Так в печени, проходя через воротную вену, так называемую портальную систему, распадается около 60 % инсулина, выработанного поджелудочной железой. Остальное количество, а это оставшиеся 35-40 %, выводится почками. Если инсулин вводится парентерально, то он не проходит воротную вену, а значит, основная элиминация осуществляется почками, что сказывается на их работоспособности и, если можно так сказать, износе.

Главное - баланс!

Инсулин можно назвать динамическим регулятором процессов образования и утилизации глюкозы. Повышают уровень сахара крови несколько гормонов, например, глюкагон, соматотропин (гормон роста), адреналин. А вот снижает уровень глюкозы только лишь инсулин и в этом он уникален и чрезвычайно важен. Именно поэтому его еще называют гипогликемическим гормоном. Характерный показатель определенных проблем со здоровьем - сахар крови, который напрямую зависит от продуцирования секрета островков Лангерганса, ведь уменьшает глюкозу в крови именно инсулин.

Норма сахара в крови, определяемая натощак у здорового взрослого человека, составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/литр. В зависимости от того, как давно человек употреблял пищу, этот показатель варьируется в пределах 2,7 - 8,3 ммоль/литр. Учеными выяснено, что прием пищи провоцирует скачок уровня глюкозы в несколько раз. Длительное устойчивое повышение количества сахара в крови (гипергликемия) свидетельствует о развитии сахарного диабета.

Гипогликемия - понижение этого показателя, может стать причиной не только комы, но и летального исхода. Если уровень сахара (глюкозы) падает ниже физиологически допустимого значения, в работу включаются гипергликемические (контринсулиновые) гормоны, высвобождающие глюкозу. А вот адреналин и другие гормоны стресса сильно подавляют выделение инсулина даже на фоне повышенного уровня сахара.

Гипогликемия может развиться при понижении количества глюкозы в крови из-за избытка инсулинсодержащих препаратов или из-за избыточной выработки инсулина. Гипергликемия, наоборот, запускает продуцирование инсулина.

Инсулинзависимые болезни

Повышенный инсулин провоцирует понижение уровня сахара крови, что при отсутствии экстренных мер может привести к гипогликемической коме и летальному исходу. Такое состояние возможно при не выявленном доброкачественном новообразовании из бета-клеток островков Лангерганса в поджелудочной железе - инсулиноме. Однократная избыточная доза инсулина, введенная преднамеренно, использовалась некоторое время в терапии шизофрении для потенцирования инсулинового шока. А вот длительное введение больших доз препаратов инсулина вызывает симптомокомплекс под названием синдром Сомоджи.

Устойчивое повышение уровня глюкозы крови носит название сахарного диабета. Специалистами это заболевание делится на несколько типов:

  • диабет 1 типа основан на недостаточности продуцирования инсулина клетками поджелудочной железы, инсулин при диабете 1 типа является жизненно необходимым препаратом;
  • диабет 2 типа характеризуется понижением порога чувствительности инсулинзависимых тканей к этому гормону;
  • MODY-диабет - это целый комплекс генетических дефектов, в совокупности дающих снижение количества секрета В-клеток островков Лангерганса;
  • гестационный сахарный диабет развивается только у беременных, после родов он или исчезает, или в значительной степени снижается.

Характерным признаком любого типа этого заболевания является не только повышение уровня глюкозы крови, но и нарушение всех обменных процессов, что приводит к тяжелым последствиям.

С диабетом нужно жить!

Еще не так давно сахарный диабет в инсулинзависмой форме считался чем-то, серьезно ухудшающим качество жизни пациента. Но сегодня для таких людей разработано немало приборов, значительно упрощающих ежедневные рутинные обязанности для поддержания здоровья. Так, например, шприц-ручка для инсулина стала незаменимым и удобным атрибутом для регулярного приема необходимой дозы инсулина, а глюкометр позволяет не выходя из дома, самостоятельно контролировать уровень сахара в крови.

Виды современных препаратов инсулина

Люди, которые вынуждены принимать лекарственные препараты с инсулином, знают, что фармацевтическая промышленность выпускает их в трех разных позициях, характеризующихся длительностью и типом работы. Это так называемые типы инсулина.

  1. Ультракороткие инсулины - новинка фармакологии. Они действуют в течение всего 10-15 минут, но за это время успевают сыграть роль естественного инсулина и запустить все обменные реакции, которые нужны организму.
  2. Короткие или быстродействующие инсулины принимаются непосредственно перед приемом пищи. такой препарат начинает работать спустя 10 минут после введения внутрь, а продолжительность его действия составляет максимум 8 часов с момента введения. Для этого типа характерна прямая зависимость от количества активного вещества и длительности его работы - чем больше доза, тем дольше она работает. Инъекции короткого инсулина вводятся или подкожно, или внутривенно.
  3. Средние инсулины представляют самую большую группу гормонов. Они начинают работать спустя 2-3 часа после введения в организм и действуют в течение 10-24 часов. У разных препаратов среднего инсулина могут быть разные пики активности. Зачастую врачи назначают комплексные препараты, включающие в себя короткий и средний инсулины.
  4. Инсулины длительного действия считаются базовыми препаратами, которые принимаются 1 раз за сутки, а потому называют базовыми. Работать инсулин пролонгированного действия начинает спустя лишь 4 часа, поэтому при тяжелых формах заболевания пропускать его прием не рекомендуется.

Решить вопрос о том, какой инсулин выбрать для конкретного случая сахарного диабета, может лечащий врач с учетом многих обстоятельств и течения заболевания.

Что такое инсулин? Жизненно важный, наиболее подробно изученный гормон поджелудочной железы, отвечающий за снижение уровня сахара в крови и участвующий практически во всех обменных процессах, протекающих в абсолютном большинстве тканей организма.

Инсулин – это основное лекарство для лечения больных сахарным диабетом 1 типа. Иногда он также используется для стабилизации состояния пациента и улучшения его самочувствия при втором типе заболевания. Это вещество по своей природе является гормоном, который способен в малых дозах влиять на обмен углеводов.

В норме поджелудочная железа вырабатывает достаточное количество инсулина, который помогает поддерживать физиологический уровень сахара в крови. Но при серьезных эндокринных нарушениях единственным шансом помочь больному часто становятся именно инъекции инсулина. Принимать его перорально (в виде таблеток), к сожалению, нельзя, поскольку он полностью разрушается в пищеварительном тракте и утрачивает биологическую ценность.

Многие диабетики наверняка хоть раз задавались вопросом, из чего делают инсулин, который применяется в медицинских целях? В настоящее время чаще всего это лекарство получают с помощью методов генной инженерии и биотехнологии, но иногда его извлекают из сырья животного происхождения.

Препараты, получаемые из сырья животного происхождения

Получение этого гормона из поджелудочной железы свиней и крупного рогатого скота – старая технология, которая сегодня используется довольно редко. Это связано с невысоким качеством получаемого лекарства, его склонностью вызывать аллергические реакции и недостаточной степенью очистки. Дело в том, что, поскольку гормон – это белковое вещество, оно состоит из определенного набора аминокислот.

Инсулин, вырабатываемый в организме свиньи, отличается по аминокислотному составу от инсулина человека на 1 аминокислоту, а инсулин быка – на 3.

В начале и середине 20 столетия, когда аналогичных препаратов не существовало, даже такой инсулин стал прорывом в медицине и позволил вывести лечение диабетиков на новый уровень. Гормоны, полученные таким методом, снижали сахар крови, правда, при этом они часто вызывали побочные эффекты и аллергию. Отличия в составе аминокислот и примеси в лекарстве сказывались на состоянии пациентов, особенно это проявлялось у более уязвимых категорий больных (детей и пожилых людей). Еще одна причина плохой переносимости такого инсулина – наличие его неактивного предшественника в лекарстве (проинсулина), избавиться от которого в данной вариации лекарства было невозможно.

В наше время существуют усовершенствованные свиные инсулины, которые лишены этих недостатков. Их получают из поджелудочной железы свиньи, но после этого поддают дополнительной обработке и очистке. Они являются многокомпонентными и содержат в своем составе вспомогательные вещества.


Модифицированный свиной инсулин практически ничем не отличается от человеческого гормона, поэтому его до сих пор используют на практике

Такие лекарства переносятся пациентами гораздо лучше и практически не вызывают побочных реакций, они не угнетают иммунитет и эффективно снижают сахар в крови. Бычий инсулин на сегодняшний день в медицине не используется, так как из-за своей чужеродной структуры он отрицательно влияет на иммунную и другие системы организма человека.

Генноинженерный инсулин

Человеческий инсулин, который применяется для диабетиков, в промышленном масштабе получают двумя способами:

  • с помощью ферментативной обработки свиного инсулина;
  • с использованием генномодифицированных штаммов кишечной палочки или дрожжей.

При физико-химическом изменении молекулы свиного инсулина под действием специальных ферментов становятся идентичными инсулину человека. Аминокислотный состав полученного препарата ничем не отличается от состава натурального гормона, который вырабатывается в организме людей. В процессе производства лекарство проходит высокую очистку, поэтому не вызывает аллергических реакций и других нежелательных проявлений.

Но чаще всего инсулин получают с помощью модифицированных (генетически измененных) микроорганизмов. Бактерии или дрожжи с помощью биотехнологических методов изменены таким образом, что могут сами производить инсулин.

Помимо самого получения инсулина, важную роль играет его очистка. Чтобы препарат не вызывал никаких аллергических и воспалительных реакций, на каждой стадии необходимо следить за чистотой штаммов микроорганизмов и всех растворов, а также используемых ингредиентов.

Существует 2 методики подобного получения инсулина. Первая из них основана на использовании двух разных штаммов (видов) какого-то одного микроорганизма. Каждый из них синтезирует только одну цепь молекулы ДНК гормона (всего их две, и они спирально закручены между собой). Затем эти цепи соединяются, и в полученном растворе уже можно отделить активные формы инсулина от тех, которые не несут никакого биологического значения.

Второй способ получения лекарства с помощью кишечной палочки или дрожжей основан на том, что микроб сначала производит неактивный инсулин (то есть его предшественник – проинсулин). Потом с помощью ферментативной обработки эту форму активируют и используют в медицине.


Персонал, который имеет доступ в определенные производственные помещения, всегда должен быть одет в стерильный защитный костюм, благодаря чему контакт препарата с биологическими жидкостями человека исключается

Все эти процессы обычно автоматизированы, воздух и все соприкасающиеся поверхности с ампулами и флаконами стерильны, а линии с оборудованием герметично закрыты.

Методы биотехнологии дают возможность ученым думать об альтернативных решениях проблемы сахарного диабета. Например, на сегодняшний день проводятся доклинические исследования производства искусственных бета-клеток поджелудочной железы, которые могут быть получены с помощью методов генной инженерии. Возможно, в будущем их будут использовать для улучшения функционирования этого органа у больного человека.


Производство современных – сложный технологический процесс, который предусматривает автоматизацию и минимальное вмешательство человека

Дополнительные компоненты

Производство инсулина без вспомогательных веществ в современном мире практически невозможно представить, ведь они позволяют улучшить его химические свойства, продлить время действия и достичь высокой степени чистоты.

По своим свойствам все дополнительные ингредиенты можно разделить на такие классы:

  • пролонгаторы (вещества, которые используются для обеспечения более длительного действия лекарства);
  • дезинфицирующие компоненты;
  • стабилизаторы, благодаря которым в растворе лекарства поддерживается оптимальная кислотность.

Пролонгирующие добавки

Существуют инсулины продленного действия, биологическая активность которых продолжается в течение 8 – 42 часов (в зависимости от группы препарата). Такой эффект достигается, благодаря добавлению в инъекционный раствор специальных веществ – пролонгаторов. Чаще всего с этой целью применяется одно из таких соединений:

  • белки;
  • хлористые соли цинка.

Белки, которые продлевают действие лекарства, проходят детальную очистку и являются низкоаллергенными (например, протамин). Соли цинка также не оказывают отрицательного влияния ни на активность инсулина, ни на самочувствие человека.

Антимикробные составляющие

Дезинфекторы в составе инсулина необходимы для того, чтобы при хранении и использовании в нем не размножалась микробная флора. Эти вещества являются консервантами и обеспечивают сохранность биологической активности лекарства. К тому же, если пациент вводит гормон из одного флакона только самому себе, то лекарства ему может хватить на несколько дней. За счет качественных антибактериальных компонентов у него не будет потребности выбрасывать неиспользованный препарат из-за теоретической возможности размножения в растворе микробов.

В качестве дезинфицирующих составляющих при производстве инсулина могут использоваться такие вещества:

  • метакрезол;
  • фенол;
  • парабены.


Если в растворе содержатся ионы цинка, они также выступают дополнительным консервантом из-за своих антимикробных свойств

Для производства каждого вида инсулина подходят определенные дезинфицирующие компоненты. Их взаимодействие с гормоном обязательно исследуют на этапе доклинических испытаний, поскольку консервант не должен нарушать биологическую активность инсулина или как-то по-другому отрицательно влиять на его свойства.

Использование консервантов в большинстве случаев позволяет вводить гормон под кожу без ее предварительной обработки спиртом или другими антисептиками (производитель обычно упоминает об этом в инструкции). Это упрощает введение лекарства и сокращает количество подготовительных манипуляций перед самой инъекцией. Но данная рекомендация работает только в случае введения раствора с помощью индивидуального инсулинового шприца с тонкой иглой.

Стабилизаторы

Стабилизаторы необходимы для того, чтобы pH раствора поддерживался на заданном уровне. От уровня кислотности зависит сохранность лекарства, его активность и стабильность химических свойств. При производстве инъекционного гормона для больных диабетом с этой целью обычно используют фосфаты.

Для инсулинов с цинком стабилизаторы растворов нужны не всегда, поскольку ионы металла помогают поддерживать необходимый баланс. Если же они все-таки применяются, то вместо фосфатов используют другие химические соединения, так как комбинация этих веществ приводит к выпадению осадка и непригодности лекарства. Важное свойство, предъявляемое ко всем стабилизаторам – безопасность и отсутствие возможности вступать в любые реакции с инсулином.

Подбором инъекционных лекарств при диабете для каждого конкретного пациента должен заниматься компетентный эндокринолог. Задача инсулина – не только удерживать нормальный уровень сахара в крови, но и не вредить другим органам и системам. Препарат должен быть нейтральным в химическом плане, низкоаллергенным и желательно доступным по цене. Довольно удобно также, если подобранный инсулин можно будет смешивать с другими его версиями по длительности действия.

Последнее обновление: Июнь 1, 2019

Очень легко наблюдать, как инсулин снижает уровень глюкозы в крови. Сам же этот уровень достигается в результате сложного переплетения множества биохимических реакций. Каким образом инсулин так действует на эти реакции, что происходит снижение концентрации сахара в крови? Действует ли он только на одну реакцию, на несколько или на все сразу?

В поисках ответа на этот вопрос биохимики в первую очередь заподозрили одну реакцию, катализируемую ферментом, называемым гексокиназой. Это подозрение явилось результатом работ, выполненных супругами-американцами чешского происхождения, Карлом Фердинандом Кори и Герти Терезой Кори, которым удалось выяснить некоторые детали различных реакций, вовлеченных в расщепление глюкозы. За эти работы супруги Кори получили в 1947 году Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Супруги Кори выяснили, что в обычных условиях гексокиназная реакция подавлена, и это подавление снимается под действием инсулина. Они смогли показать, каким образом одна эта реакция отвечает за снижение концентрации глюкозы в крови.

Представляется, однако, что это было бы слишком простым объяснением. Метаболические расстройства при диабете носят весьма разнообразный характер. Хотя возможно, конечно, объяснить все это многообразие нарушением протекания одной единственной реакции (тоже включенной в сеть метаболических превращений), выведя все связанные с диабетом расстройства здоровья из одной гексокиназной реакции, но это требует таких сложных рассуждений видно, что доверие к ним уменьшается по мере возрастания их сложности. Последние исследования позволяют предположить, что инсулин оказывает свое действие непосредственно на клеточные мембраны. Скорость, с какой клетка поглощает глюкозу, отчасти зависит и от разницы концентраций глюкозы внутри и вне клетки, а также от природы клеточных мембран, через которые должна пройти глюкоза.

Давайте для наглядности прибегнем к аналогии. Представьте себе дом. С улицы в него входят люди. Отчасти количество вошедших в дом людей будет зависеть от числа людей, стремящихся в него попасть. Кроме того, этот поток зависит от ширины входной двери или от количества открытых дверей. Когда толпа людей, жаждущих попасть внутрь, достигнет определенного критического уровня, количество тех, кто попадает в дом за одну секунду, станет постоянным, вне зависимости от размеров толпы. Однако если привратник быстро откроет еще две двери, то поток увеличится в три раза.

Инсулин по отношению к мембранам мышечных клеток ведет себя как привратник, повышая проницаемость мембран для глюкозы. (То есть он как бы открывает для нее дополнительные двери.) Мы остановились на том, что во время еды в кровь поступает большое количество глюкозы, что приводит к повышению секреции инсулина в поджелудочной железе. Как следствие, открываются «мембранные двери», и концентрация глюкозы в крови стремительно падает, так как она быстро уходит в клетки, где либо утилизируется, либо запасается. При диабете глюкоза изо всех сил стучится в двери мембран, но они оказываются по большей части запертыми. Глюкоза не может войти в клетки и, следовательно, накапливается в крови. Очевидно, что любой фактор, который позволит глюкозе войти в клетки, сможет отчасти заменить собой недостающий инсулин. Один из таких факторов - физическая нагрузка, поэтому врачи, как правило, рекомендуют диабетикам регулярно заниматься физическими упражнениями.

Но в этом случае неизбежно возникает вопрос: что особенного делает инсулин в клетке, отчего повышается проницаемость ее мембраны для глюкозы? Биохимики потратили много усилий для расшифровки строения молекулы инсулина именно в надежде (отчасти, правда, из элементарного любопытства) понять механизм его действия.

Молекула инсулина представляет собой полипептид, подобный молекулам желудочно-кишечных гормонов, но более сложный. Например, молекула секретина состоит из 36 аминокислотных остатков, а молекула инсулина - из 50. Поскольку, однако, структура секретина до сих пор точно не установлена, резонно предположить, что точное строение молекулы инсулина тоже пока не известно. Но надо учесть, что стремление разрешить проблему в случае инсулина, недостаток которого лежит в основе самой серьезной метаболической болезни, намного превышает стремление установить структуру гастроинтестинальных гормонов, которые не имеют такого клинического значения. Кроме того, инсулин доступен для биохимических исследований в гораздо больших количествах.

В конце 40-х годов было установлено, что молекулярный вес инсулина немногим меньше 6000. (Молекулы инсулина имеют склонность объединяться в группы, поэтому в некоторых ранних сообщениях указывалось, что его молекулярный вес равен 12 и даже 36 тысячам дальтон.) Далее, было установлено, что молекулы инсулина состоят из двух аминокислотных цепей, соединенных между собой цистшювыми мостиками. Когда цепи были разделены, выяснилось, что одна из них (цепь А) состоит из 21, а другая (цепь В) из 30 аминокислотных остатков.

Полипептидные цепи были легко расщеплены на индивидуальные аминокислоты, и биохимики установили, из каких именно аминокислот состоит каждая из цепей. (Определение аминокислотного состава было выполнено методом, который называется бумажной хроматографией. Метод был изобретен в 1944 году и произвел подлинную революцию в биохимии. Если вас интересуют подробности этого метода, то вы можете найти их в главе «Победа на бумаге» моей книги «Всего триллион», вышедшей в 1957 году.) Но, как я уже заметил в предыдущей главе, знание аминокислотного состава - это лишь первый шаг. Надо также знать последовательность, в какой расположены в цепи белка аминокислотные остатки. Двадцать одну аминокислоту в цепи А инсулина можно расположить 2 800 000 000 000 000 способами. Для 30 аминокислотных остатков цепи. В это число еще больше и равно приблизительно 510 000 000 000 000 000 000 000 000.

Проблему определения точной последовательности аминокислот в бычьем инсулине взялась решать группа биохимиков под руководством британского ученого Фредерика Сенджера. Для этого использовали метод расщепления цепей на мелкие фрагменты под действием кислот или специфических ферментов. Полученные фрагменты не были аминокислотами, а представляли собой короткие цепи из двух, трех или четырех аминокислотных остатков.. Эти фрагменты были выделены, и ученые определили в них точную последовательность аминокислот.

(Две аминокислоты могут быть расположены двумя способами - А-В или В-А. Три аминокислоты могут быть расположены шестью способами - А-В-С, А-С-В, В-С-А, В-А-С, С-А-В и С-В-А. Даже четыре аминокислоты можно расположить всего лишь двадцатью четырьмя способами. Можно проанализировать все возможные последовательности в малых фрагментах и выбрать правильный, не столкнувшись с непреодолимыми трудностями. По крайней мере, гораздо легче иметь дело с двумя возможностями из пары десятков, чем с двумя из пары квинтильонов возможных вариантов.)

Когда, таким образом, были обработаны все малые фрагменты, наступило время собрать их воедино. Предположим, что цепь А имеет в своем составе некую аминокислоту, которую мы обозначим q, в единственном числе. Предположим далее, что нам удалось выделить две короткие цепочки по три аминокислоты в каждом - r-s-q и q-p-o. Поскольку в цепи аминокислота q присутствует только в одном экземпляре, то в исходной молекуле должна присутствовать последовательность из пяти аминокислотных остатков r-s-q-p-o. Тогда, в зависимости от места расщепления исходной цепи, действительно получится два возможных фрагмента - r-s-q и q-p-o.

Для решения этой головоломки Сэнджеру и его коллегам потребовалось восемь лет. К 1955 году им удалось подогнать друг к другу полученные фрагменты и получить структуру нативной белковой молекулы. В истории науки это был первый случай, когда ученым удалось полностью определить структуру естественной белковой молекулы. В 1958 году Сэнджер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Формула молекулы инсулина в записи символами Бранда выглядит следующим образом:

Бычий инсулин

К сожалению, знание структуры молекулы ни на йоту не приблизило биохимиков к пониманию механизма действия инсулина на клеточные мембраны.

Представлялось возможным подойти к проблеме с другого конца и попытаться сравнить структуру инсулинов разных видов животных. Свиной инсулин так же эффективен у диабетиков, как и бычий. Если два инсулина отличаются своим строением, то, видимо, следует обратить пристальное внимание лишь па тот участок молекулы, который обеспечивает общие свойства, сузив тем самым поле поиска. Когда был проанализирован свиной инсулин, выяснилось, что он отличается от бычьего тремя аминокислотными остатками, выделенными в приведенной формуле курсивом. Эти три аминокислоты, если можно так выразиться, зажаты в углу между двумя цистиновыми мостиками.

В бычьем инсулине в этом месте находятся ала-нин-серин-валин, а в свином - треонин-серин-изо-лейцин. Состав этого и только этого участка варьирует у других видов животных. У овец в данном участке находятся аланин-глицин-валин, у лошадей - треонин-глицин-изолейнин, а у китов - треонин-серин-изолейцин. У этих трех видов аминокислота слева может быть аланином или треонином, в середине - серином или глицином, и справа - валином или изолейцином.

Хотя аминокислотный состав инсулина множества других видов животных пока не определен, представляется маловероятным, что отличия окажутся разительными. Более того, любые изменения химической структуры, кроме самых незначительных, приводит к утрате биологической активности молекулы инсулина. Каким бы ни было действие, оказываемое инсулином на клеточную мембрану, для его осуществления требуется участие целой интактной молекулы. Это почти все, что можно на сегодняшний день об этом сказать, по крайней мере пока.

Естественный синтез инсулина и биохимия его выработки в организме происходит при каждом приеме пищи. Полипептидный гормон инсулина вырабатывается в поджелудочной железе и активно участвует в процессе усвоения питательных веществ и в синтезе белков, жирных кислот. Углеводы, содержащиеся в пище, трансформируются в глюкозу – основной источник энергии.

Инсулин способствует всасыванию глюкозы и других сахаров из плазмы крови в мышечные ткани. Излишки трансформируются в жировую ткань. Инсулин в печени способствует преобразованию жирных кислот из крови в жировые отложения и активно питает существующие жировые ткани.

Биохимия инсулина хорошо изучена, в ней почти не осталось белых пятен. За исследования в области строения и структуры инсулина, биохимии, получено уже несколько Нобелевских премий. Это первый гормон, который удалось синтезировать искусственно и получить в кристаллической форме.

В промышленных масштабах выполняется производство искусственного инсулина, разрабатываются удобные системы контроля сахара в крови и устройства, обеспечивающие максимально безболезненное введение гормона в организм.

Биохимия инсулина заключается в усилении и ускорении проникновения глюкозы через клеточные мембраны. Дополнительная стимуляция инсулина ускоряет транспорт глюкозы в десятки раз.

Механизм действия инсулина и биохимия процесса следующая:

  1. После введения инсулина происходит увеличение количества особых транспортных белков в клеточных мембранах. Это позволяет максимально быстро и с минимальными энергетическими потерями вывести глюкозу из крови и переработать избыток в жировые клетки. При дефиците собственной выработки инсулина, для поддержки необходимого количества транспортных белков, требуется дальнейшая стимуляция инсулином.
  2. Инсулин повышает активность ферментов, участвующих в синтезе гликогена посредством сложной цепочки взаимодействий и ингибирует процессы его распада.

Биохимия инсулина включает в себя не только участие в метаболизме глюкозы. Инсулин активно включен в метаболизмы жиров, аминокислот, синтез белков. Также инсулин позитивно воздействует на процессы генной транскрипции и репликации. В сердце человека, скелетных мышцах, инсулин служит для транскрипции более 100 генов

В печени и в непосредственно жировых тканях, инсулин притормаживает механизм распада жиров, в результате концентрация жирных кислот непосредственно в крови, снижается. Соответственно, снижается риск холестериновых отложений в сосудах и восстанавливается пропускная способность стенок сосудов.

Синтез жиров в печени под воздействием инсулина стимулируется ацетилСоА-карбоксилазными и липопротеинлипазными ферментами. Таким образом очищается кровь, жиры выводятся из общего потока крови.

Участие в липидном обмене заключается в следующих ключевых моментах:

  • Усиливается синтез жирных кислот при активации ацетил-КоА-карбоксилазы;
  • Снижается активность тканевой липазы, тормозится процесс липолиза;
  • Выполняется торможение формирования кетоновых тел, поскольку вся энергия перенаправляется на синтез липидов.

Гормон в форме препроинсулина синтезируется в особых бета-клетках островков Лангерганца, расположенных в поджелудочной железе. Общий объем островков составляет около 2% от общей массы железы. При снижении активности островков возникает дефицит синтезируемых гормонов, гипергликемия, развитие эндокринных заболеваний.

После отщепления от препроинсулина особых сигнальных цепочек, формируется проинсулин, который состоит из А и В цепочек с соединяющим С-петидом. По мере созревания гормона, протеиназы захватывают пептидную цепочку, которая замещается двумя дисульфидными мостами. Вызревание происходит в аппарате Гольджи и в секреторной грануле бета клеток.

Зрелый гормон содержит 21 аминокислоту в А цепочке и 30 аминокислот во второй цепи. Синтез занимает в среднем около часа, как и для большинства гормонов немедленного действия. Молекула отличается стабильностью, замещающие аминокислоты встречаются на малозначимых участках полипептидной цепочки.

Рецепторами, отвечающими за инсулиновый обмен, являются гликопротеиды, расположенные непосредственно на клеточной мембране. После захвата и выполнения обменных процессов, структура инсулина разрушается, рецептор возвращается на поверхность клетки.

Стимулом, провоцирующим выброс инсулина является повышение уровня глюкозы. При отсутствии специального белка — транспортера в плазме крови, период полужизни составляет до 5 минут. Необходимости в дополнительном белке для транспорта нет, поскольку гормоны попадают непосредственно в панкреатическую вену и оттуда в воротную. Печень – основная мишень для гормона. При попадании в печень, свой ресурс вырабатывает до 50% гормона.

Несмотря на то, что принципы действия с доказательной базой — собакой, с искусственно вызванным диабетом при удалении поджелудочной железы, были предъявлены в конце 19 века, на молекулярном уровне механизм взаимодействия продолжает вызывать бурные споры и не до конца изучен. Это относится ко всем реакциям с генами и гормональным обменом. Для лечения диабета свиной и телячий инсулин начал применяться в 20-х годах 20 века.

Чем опасна нехватка инсулина в организме

При недостатке естественной выработки инсулина или при избытке углеводов, поступающих с пищей, возникают предпосылки развития сахарного диабета – системного заболевания обмена веществ.

Характерными признаками начальной стадии нарушений обменных процессов становятся следующие симптомы:


Понимание механизма действия инсулина и общей биохимии процессов в организме помогает построить правильные схемы питания и не подвергать организм опасности, употребляя повышенные дозы глюкозы в чистом виде, например, в качестве легкого стимулятора, или повышенные дозы быстрых углеводов.

Чем опасна повышенная концентрация инсулина

При усиленном питании, повышенном содержании углеводов в пище, экстремальных физических нагрузках, естественная выработка инсулина увеличивается. Инсулиновые препараты используются в спорте для увеличения роста мышечной ткани, увеличивают выносливость и обеспечивают улучшенную переносимость физических нагрузок.

При прекращении нагрузок или ослаблении тренировочного режима, мышцы быстро становятся дряблыми, происходит процесс отложения жиров. Нарушается гормональный баланс, что также приводит к сахарному диабету.

При диабете 2 типа выработка инсулина в организме остается на нормальном уровне, но клетки приобретают устойчивость к его воздействию. Для достижения нормального эффекта требуется существенное увеличение количества гормона. В результате резистентности тканей, наблюдается общая клиническая картина, сходная с недостатком гормона, но при его избыточной выработке.

Почему с точки зрения биохимических процессов, необходимо удерживать уровень глюкозы в крови на уровне нормы

Казалось бы, синтезированный инсулин способен полностью решить проблему осложнений сахарного диабета, быстро выводит глюкозу, нормализует метаболизм. Соответственно, нет смысла контролировать уровень сахара. Но это не так.

Гипергликемия поражает ткани, в которые глюкоза свободно проникает без участия инсулина. Страдает нервная система, кровеносная система, почки, органы зрения. Повышение уровня глюкозы влияет на основные функции белков тканей, ухудшается кислородное снабжение клеток из-за изменений гемоглобина.

Гликозилирование нарушает функции коллагена – увеличивается хрупкость и уязвимость сосудов, что ведет к развитию атеросклероза. К характерным осложнениям гипергликемии относится набухание кристаллика глаза, повреждения сетчатки, развитие катаракты. Также поражаются ткани и капилляры почек. Ввиду опасности осложнений, при лечении сахарного диабета, желательно удерживать уровень сахара на уровне нормы.