Лекция. Биохимия гормонов пептидной и белковой природы. (5)

Лекция: «Биохимия гормонов пептидной и
белковой природы. (На примере инсулина и глюкагона)»
К пептидным гормонам относят: либерины, статины, окситоцин,
вазопрессин.
К полипептидным – глюкогон, кальцийтонин.
К белковым – тропные гормоны, паратгормон, инсулин.
Инсулин
Инсулин - белок четвертичной структуры, может существовать в
формах: мономера, димера, гексамера. Гексамер инсулина стабилизируется
ионами цинка.Инсулин - гормон сытости (анаболический гормон),
синтезируется в β-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. (в
α-клетках глюкогон – гормон голода, в Д-клетках соматостатин, и
панкреатический полипептид).
Синтез инсулина, или индукция и репрессия гена инсулина
регулируется глюкозой.
Секреция инсулинаиндуцируется ионами Ca2+.
При дефиците Са2+ секреция инсулина снижается даже в условиях
высокой концентрации глюкозы.
Строение инсулина - полипептид, состоящий из двух полипептидных
цепей. Цепь А - 21 АК остаток, цепь В - 30 АК остатков, соединены двумя
дисульфидными мостиками.
Инсулины некоторых животных имеют значительное сходство, но есть
и различия. Бычий инсулин отличается от инсулина человека по 3 АК, а
инсулин свиньи по одной - аланин вместо треонина на карбоксильном конце.
Это может вызвать появление АТ к инсулину при лечении.
В обеих цепях, во многих положениях встречаются замены, не
оказывающие влияния на биологическую активность - в положении 8, 9, 10 цепь А, но способные сыграть роль в формировании АТ при избытке
гормона.
Инсулин - главный анаболический гормон - гормон сытости.
Какие метаболические процессы регулирует инсулин?
1. Повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы,
аминокислот и Са2+.
2. Активирует гексокиназу, ключевые ферменты гликолиза;
дегидрогеназы цикла трикарбоновых кислот и пентозного пути,
редуктазы синтеза жирных кислот.
3. Тормозит фосфоролиз гликогена (гликоген фосфорилазы),
тормозит липолиз и глюконеогенез.
4. Влияет на процессы репликации и транскрипции, участвуя в
регуляции клеточной дифференцировки, пролиферации и
трансформации.
Биосинтез инсулина
Включает
образование
двух
неактивных
предшественников
препроинсулина
и
проинсулина,
которые
в
результате
последовательногопротеолиза превращаются в активный гормон.
1. Биосинтез
препроинсулина
начинается
с
образования
сигнального пептида на полирибосомах, связанных с
эндоплазматическим ретикулумом (ЭР).
2. Сигнальный пептид проникает в просвет ЭР и направляет туда
проникновение полипептидной цепи.
3. Образуется препроинсулин, который содержит сигнальный
пептид из 24 АК остатков.
4. Сигнальный пептид (24 АК ост.) отщепляется, образуется
проинсулин (86 АК ост.).
5. Проинсулин поступает ваппарат Гольджи, где под действием
специфических протеаз расщепляется в нескольких участках.
6. Образуется инсулин (51 АК) + С-пептид (31 АК).
7. Инсулин + С-пептид в эквимолярных количествах включаются в
секреторные гранулы.
8. В гранулах инсулин соединяется с Zn2+ образуя димеры и
гексамеры.
9. Зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, а
инсулин и С-пептид секретируются во внеклеточную жидкость в
результате экзоцитоза.
10.После секреции в кровь олигомеры инсулина распадаются.
Период полураспада в плазме крови - 3-10 мин., С-пептида - 30
минут.
Регуляция синтеза и секреции инсулина.
Глюкоза регулирует экспрессию гена инсулина, β-клетки наиболее
чувствительные к глюкозе. При стимуляции глюкозой, инсулин быстро
высвобождается из секреторных гранул, что сопровождается
транскрипцией м-РНК инсулина.
Секреция инсулина является Са2+-зависимым процессом, при дефиците
Са секреция снижается даже в условиях высокой концентрации
глюкозы.
Потребление β-клетками глюкозы происходит при участии ГЛЮТ-1- и
ГЛЮТ-2-белков, концентрация глюкозы, в клетках, быстро
уравнивается с концентрацией глюкозы в крови. В β-клетках глюкоза
превращается в глюкозо-6-фосфат глюкокиназой (ловушка для
глюкозы). Мутации в гене глюкокиназы, так же приводит к развитию
сахарного диабета.
Транспорт глюкозы в другие инсулинзависимые клетки происходит с
помощью белка-переносчика ГЛЮТ-4, который содержится только в
мышцах и в жировой ткани (инсулинзависимой ткани), эритроциты
инсулиннезависимы. При снижении инсулина, глюкотранспортёры
возвращаются в цитозоль и транспорт глюкозы приостанавливается.
Секрецию инсулина тормозит адреналин, даже на фоне стимуляции
глюкозой, он действует через α-2 рецепторы, это антагонист инсулина.
Повышают секрецию инсулина - эстрогены, кортизол, секретин,
холецистокинин.
Механизм действия инсулина - мембранно-внутриклеточный, путём
аутофосфорилирования специфичного для него рецептора клеткимишени по остаткам тирозина.
Как устроен рецептор инсулина на клетке-мишени?
Ответ:
1. Он состоит из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц.
2. Две α-субъединицы располагаются на внешней стороне
клеточной мембраны, которые узнают и связывают инсулин.
3. Две β-субъединицы являются трансмембранными белками, на
которых располагаются фосфорилированный тирозин - по два на
каждой субъединице.
Как функционирует рецептор инсулина.
1. N-концевые домены α-субъединиц связывают инсулин, что
приводит к изменению их конформации.
2. Это индуцирует появление тирозинкиназной активности у βсубъединиц.
3. Они фосфорилируют себя по остаткам тирозина тирозинкиназой
4. Запускается каскад фосфорилированных внутриклеточных
белков, которые приобретают протеинкиназную активность и
фосфорилируют ключевые ферменты метаболизирующих
процессов.
5. Через RAS-путь активируется инозитол-фосфатная система,
активирующая
ионы
Са2+
и
ГЛЮТ-4,
запускается
ацетинилатциклазная система, понижен цАМФ.
6. Ras-путь активируется через систему аутофосфорилирования и
дальнейшее фосфорилирование внутриклеточных белковсубстратов для инсулинового рецептора - IRS-1 и IRS-2
(инсулин-рецептор-субстрат) и некоторых белков семейства
STAT.
7. Стимуляция инсулином приводит к образованию ГТФ-связанной
формы RAS. В неактивном состоянии RASприкреплён к
внутренней поверхности плазматической мембраны исвязан с
ГДФ. Многие компоненты этого пути являются продуктами
протоонкогенов, мутации в которых, приводят к злокачественной
трансформации.
8. Инозитол-фосфатная система. Белки RAS-пути приводят к
активации фосфоинозитол-3-киназы (ФИ-3-киназы), которая
катализирует фосфорилирование фосфоинозитола, ФИ-4,5бифосфата в положении 3, образуя полифосфоинозитиды, -ФИ3,4-бифосфат, которые в разных клетках стимулируют
мобилизацию Са2+. Активация ФИ-3-киназы стимулирует
транслокацию ГЛЮТ-4 в плазматической мембране, что ускоряет
трансмембранный перенос глюкозы в клетки жировой и
мышечной ткани. В жировой ткани активация ФИ-3-киназы
приводит к торможению липолиза, в результате активности
фосфодиэстеразы и уменьшения цАМФ.
Общие закономерности регуляция активности рецепторов для гормонов (на
примере инсулина).
1. Любой гормон способен модулировать число своих рецепторов.
2. Формирование количества рецепторов зависит от концентрации
гормона.
Различают:
Негативную регуляцию
1. Это средство защиты клеток-мишеней
от высокого уровня гормона.
2. Чем больше гормона, тем меньше
рецепторов.
3. В случае гиперинсулинемии число
рецепторов снижается до 25% от нормы,
это приводит к инсулинрезистентности
и к нарушению толерантности к
глюкозе, диабету.
4. Инсулинрезистентностьхарактерна для
тучных людей.
Позитивную регуляцию
1. Чем меньше гормона, тем больше
рецепторов.
2. При снижении уровня инсулина в плазме
крови, во время голодания, увеличивается
способность рецепторов связывать инсулин.
Причиной устойчивости к инсулину может быть наличие
специфических антител против инсулиновых рецепторов или инсулина.
Злоупотребление инъекциями инсулина и повышенное
количество эндогенного инсулина, может приводить к образованию
аутоантител.
Регуляция активности рецептора инсулина.
При высокой концентрации инсулина в плазме крови, например,
при ожирении число инсулиновых рецепторов может уменьшиться и
клетки-мишени становятся менее чувствительными к инсулину, в
результате развивается инсулинрезистентность, основная причина
развития гипергликемии, ведущей к диабету.
Снижение чувствительности клеток к
называется десенсибилизацией, опосредуется
причинами:
любому гормону,
тремя основными
1. Утрата рецепторов путем интернализации, т.е. комплекс
инсулин-рецептор
захватывается
внутрь
клетки
эндоцитозом. В результате, часть рецепторов разрушается в
лизосомах, а часть возвращается в плазматическую
мембрану.
2. Ковалентная модификация рецептора в результате
фосфорилирования. Так, фосфорилирование инсулинового
рецептора по остаткам серина и треонина снижает его
сродство к инсулину.
Метаболические эффекты инсулина
Влияние на обмен углеводов:
 Увеличивает транспорт глюкозы в клетках (прежде всего и клетки
мышечной и жировой тканей). Транспорт глюкозы в клетки происходит
при участии специальных белков переносчиков глюкозы (ГЛЮТ-4). В
отсутствие инсулина белки - переносчики глюкозы находятся в
цитозольных везикулах. Под влитием инсулина происходит перемещение
везикул в мембрану клетки.
 Стимулирует синтез гликогена за счет активации гликогенсинтазы и
уменьшает
распад
гликогена
за
счет
ингибирования
гликогенфосфорилазы. В печени и мышцах под влиянием инсулина
снижается
концентрация
цАМФ
в
результате
активации
фосфодиэстеразы. Кроме того инсулин активирует фосфотазы
дефосфорилирующие гликогенсинтазу, в результате чего происходит
активация синтеза гликогена и тормозится его распад.
 Усиливает гликолиз за счет повышения активности и количества
ключевых ферментов гликолиза: глюкокинозы, фосфофруктокиназы,
пируваткиназы, угнетает глюконеогенез, так как снижает активность и
количество ферментов обходных реакций глюконеогенеза и гликолиза:
пируваткарбоксилазы, Фосфоенолпируват-карбоксикиназы, глюкозо-6фосфотазы.
 Повышает пентофосфатный путь за счет активации глюкозо-6фосфатдегидрогеназы.
 Стимулирует превращение глюкозы в жиры.
 Активирует пирукатдегидрогеназный и α-кетодегидрогеназный комплекс
Общий результат стимуляции этих процессов - снижение концентрации
глюкозы в крови. Около 50% глюкозы используется в процессе гликолиза,
30-40% превращается в липиды и около 10 % накапливается в форме
гликогена.
Влияние на липидный обмен:
 Повышает синтез ВЖК, так как активирует фермент ацетил-КоАкарбоксилазу.
Накапливается
малонилКоА,
который
является
отрицательным аллостерическим модулятором регуляторного фермента β
окисления карнитинацилтрансферазы-1, в результате снижается βокисление ВЖК.
 Стимулирует синтез жиров, обеспечивая получение для этого процесса
необходимых субстратов (ацетил-КоА, α-глицерофосфат и NADPH) из
глюкозы.
 Тормозит
липолиз,
так
как
активирует
фосфатазу,
которая
дсфосфорилируст и тем самым инактивирует гормончувствительную ТАГлипазу. Под влиянием инсулина снижается концентрации жирных кислот,
циркулирующих в крови.
 Активирует синтез липопротеинлипазы.
 Ингибирует синтез кетоновых тел в печени, так как ацетил-КоА сгорает в
ЦТК.
Влияние па обмен белков:
 Ускоряет транспорт аминокислот в клетки.
 Активирует синтез белка.
 Стимулирует пролиферацию клеток, усиливал способность факторов
роста активировать размножение клеток.
Таким образом, эффекты инсулина многообразны, имеют временную
зависимость:
1. быстрые (секунды) — ускорение транспорта глюкозы,
аминокислот и калия в инсулинзависимые ткани;
2. медленные (минуты) — стимуляция синтеза белков и торможение
их
распада,
активирование
ферментов
гликолиза
и
гликогенсинтазы, угнетение ферментов глиоконеогенеза и
фосфорилазы;
3. очень медленные (часы) — увеличение синтеза иРНК, ферментов
липогенеза и др.
Инсулин – это анаболический гормон, результирующий эффект влияния
инсулина — накопление углеводов, белков и жиров.
Комплекс нарушений, вызванных недостаточностью функций инсулина,
называется сахарным диабетом.
Диабет характеризуется полиурией, полидипсией, потерей веса (при
увеличенном аппетите), гипергликемией, глюкозурией, кетозом, ацидозом,
которые нередко заканчиваются комой. Избыток внеклеточной глюкозы
сопровождается внутриклеточным дефицитом — «голодание среди
изобилия», уменьшением поступления аминокислот в мышцы и увеличением
скорости липолиза. Характерный признак диабета гипергликемия, которая
заметно проявляется после еды, поэтому после глюкозной нагрузки
концентрация глюкозы в плазме у больного диабетом значительно нише, чем
у здорового, а возвращение с начальному уровню проходит медленнее.
Гипергликемия >10 ммоль/л превышает реабсорбционные возможности
почек и становится причиной глюкозурии. Выделение осмотически активных
молекул глюкозы влечёт за собой потерю больших количеств воды
(осмотический
диурез).
Длительная
гипергликемия
способствует
неферментативному гликозилированию белков. Определение уровня
гликозилированной формы гемоглобина Hbλ Cl используется для оценки
эффективности лечения инсулином.
ГЛЮКАГОН
АНТАГОНИСТ ИНСУЛИНА
Глюкагон – представляет собой пептид, состоящий из 29 аминокислот.
Биосинтез глюкагона происходит в α–клетках островков Лангерганса
поджелудочной железы, а также в нейроэндокринных клетках кишечника.
Аминокислотная
последовательность
глюкагона
большинства
видов
млекопитающих одинакова. Подобно инсулину, глюкагон образуется в αклетках поджелудочной железы путем протеолиза из прогормона, который, в
свою очередь, входит в состав еще более крупного препрогормона.
Вскоре
после
синтеза
препрогормона
в
шероховатом
эндоплазматическом ретикулуме пре-последовательность отщепляется с
образованием прогормона .
Далее прогормон
вновь подвергается
ограниченному протеолизу и образуется активный глюкагон.
Глюкагон накапливается
и пакуется в секреторных гранулах, где
хранится в виде плотно упакованных кристаллов. Кристаллы имеют форму
равностороннего треугольника, на каждой стороне которого находится
линейная последовательность 1 – 29. В клетках кишечника проглюкагон в
результате
частичного
протеолиза
превращается
в
несколько
глюкагоноподобных пептидов – GLP-1, GLP – 2, глицентин и другие.
Биосинтез и секреция глюкагона регулируются главным образом
концентрацией глюкозы в крови по принципу обратной связи. Повышение
концентрации аминокислот в крови (особенно аланина и аргинина)
стимулирует секрецию глюкагона в кровь. Поступление глюкагона в кровь
возрастает при значительной физической нагрузке (вследствие наступающей
аминоацидемии) и нейрогенной стимуляции его секреции. При голодании
содержание глюкагона резко увеличивается, в основном за счет замедления
его клиренса.
Снижают процесс секреции глюкагона, главным образом,
высокая концентрация глюкозы в крови, а также действие GLP-1,
выделяющегося клетками кишечника. Стимулятором секреции GLP-1 служит
другой гормон – желудочный ингибирующий полипептид (GIP), который
синтезируется
в клетках слизистой оболочки верхних отделов тонкого
кишечника. Секреция GIP стимулируется при приеме пищи, а наиболее
сильным стимулятором является глюкоза.
Механизм
действия
глюкагона
–
мембранно-внутриклеточный;
вторичные посредники - цАМФ.
Основными клетками–мишенями глюкагона являются клетки печени
и жировой клетчатки.
Действуя на клетки печени, глюкагон усиливает, главным образом,
распад гликогена, что приводит к повышению уровня глюкозы в крови.
Гипергликемический эффект глюкагона обусловлен не только распадом
гликогена. Глюкагон, действуя на клетки печени, усиливает в них
глюконеогенез. Происходит активация глюконеогенеза вследствие того, что
после повышения содержания цАМФ в гепатоцитах активируются гены,
ответственные
за
биосинтез
фосфоенолпируваткарбоксикиназы,
ферментов:
глюкозо-6-фосфатазы,
фруктозо-1,6-бисфосфатазы.
Кроме
того, при высокой концентрации цАМФ в клетках печени снижается
количество аллостерического модулятора, тормозящего глюконеогенез –
фруктозо-2,6-дифосфата
(синтезируется
в
гепатоцитах
при
участии
бифункционального регуляторного фермента).
В клетках жировой ткани глюкагон через аденилатциклазный каскад
активирует гормончувствительную ТАГ–липазу и стимулирует липолиз.
Таким образом, в противоположность инсулину глюкагон стимулирует
мобилизацию основных энергоносителей - углеводов и жиров. В отличие от
адреналина, глюкагон не повышает кровяное давление и не увеличивает
частоту сердечных сокращений.
Вопросы к лекции «Биохимия гормонов пептидной и белковой природы. (На
примере инсулина)»
1.
Структура инсулина, основные продукты синтеза и
секреции.
2.
Этапы синтеза и секреции, основные метаболические
процессы, регулируемые инсулином.
3.
Регуляция потребления клетками глюкозы. Транспорт
инсулина с помощью белка ГЛЮТ. Инсулинзависимые и
инсулиннезависимые клетки.
4.
Структура и механизм действия тирозинкиназного
рецептора для инсулина. RAS путь, субстраты для IRS-1, IRS-2,
инозитолфосфатная система (основные позиции).
5.
Свойства рецепторов для гормонов (инсулина). Негативная
и позитивная регуляция. Понятие десенситизаци рецепторов к
инсулину. Причины утраты рецепторов к инсулину.
6.
Охарактеризуйте метаболические эффекты инсулина.
Влияние на обмен углеводов, жиров, белков.