Биологическая химия - часть 66

зация ее в белковых фракциях сыворотки крови, в частности в области

трансферринов и α-глобулинов. Молекулярная масса связанного инсулина

от 60000 до 100000. Различают, кроме того, так называемую форму

А инсулина, отличающуюся от двух предыдущих рядом физико-химических

и биологических свойств, занимающую промежуточное положение и появ-

ляющуюся в ответ на быструю, срочную потребность организма в инсу-

лине.

В физиологической регуляции синтеза инсулина доминирующую роль

играет концентрация глюкозы в крови. Так, повышение содержания глюко-

зы в крови вызывает увеличение секреции инсулина в панкреатических

островках, а снижение ее содержания, наоборот,– замедление секреции

инсулина. Этот феномен контроля по типу обратной связи рассматривается

как один из важнейших механизмов регуляции содержания глюкозы в кро-

ви. На секрецию инсулина оказывают влияние, кроме того, электролиты

(особенно ионы кальция), аминокислоты, глюкагон и секретин. Приводятся

доказательства роли циклазной системы в секреции инсулина. Предполага-

ют, что глюкоза действует в качестве сигнала для активирования аденилат-

циклазы, а образовавшийся в этой системе цАМФ – в качестве сигнала для

секреции инсулина.

При недостаточной секреции (точнее, недостаточном синтезе) инсулина

развивается специфическое заболевание – сахарный диабет (см. главу 10).

Помимо клинически выявляемых симптомов (полиурия, полидипсия и по-

лифагия), сахарный диабет характеризуется рядом специфических наруше-

ний процессов обмена. Так, у больных развиваются гипергликемия (увели-

чение уровня глюкозы в крови) и гликозурия (выделение глюкозы с мочой,

в которой в норме она отсутствует). К расстройствам обмена относят также

усиленный распад гликогена в печени и мышцах, замедление биосинтеза

белков и жиров, снижение скорости окисления глюкозы в тканях, развитие

отрицательного азотистого баланса, увеличение содержания холестерина

и других липидов в крови. При диабете усиливаются мобилизация жиров из

депо, синтез углеводов из аминокислот (глюконеогенез) и избыточный

синтез кетоновых тел (кетонурия). После введения больным инсулина все

перечисленные нарушения, как правило, исчезают, однако действие гормона

ограничено во времени, поэтому необходимо вводить его постоянно.

Клинические симптомы и метаболические нарушения при сахарном диабете

могут быть объяснены не только отсутствием синтеза инсулина. Получены

доказательства, что при второй форме сахарного диабета, так называемой

инсулинрезистентной, имеют место и молекулярные дефекты: в частности,

нарушение структуры инсулина или нарушение ферментативного превраще-

ния проинсулина в инсулин. В основе развития этой формы диабета часто

лежит потеря рецепторами клеток-мишеней способности соединяться с мо-

лекулой инсулина, синтез которого нарушен, или синтез мутантного рецеп-

тора (см. далее).

У экспериментальных животных введение инсулина вызывает гипоглике-

мию (снижение уровня глюкозы в крови), увеличение запасов гликогена

в мышцах, усиление анаболических процессов, повышение скорости утили-

зации глюкозы в тканях. Кроме того, инсулин оказывает опосредованное

влияние на водный и минеральный обмен.

Механизм действия инсулина окончательно не расшифрован, несмотря

на огромное количество фактических данных, свидетельствующих о сущест-

вовании тесной и прямой зависимости между инсулином и процессами

обмена веществ в организме. В соответствии с «унитарной» теорией все

эффекты инсулина вызваны его влиянием на обмен глюкозы через фермент

269

Рис. 8.1. Инсулиновый рецептор (схема).
Две α-цепи на наружной поверхности мембраны клетки и две трансмембранные β-цепи.

Связывание инсулина с α-цепями запускает аутофосфорилирование остатков тирозина в β-

цепях; активный тирозинкиназный домен затем участвует в фосфорилировании неактивных

белков-мишеней в цитозоле.

гексокиназу. Новые экспериментальные данные свидетельствуют, что уси-

ление и стимуляция инсулином таких процессов, как транспорт ионов

и аминокислот, трансляция и синтез белка, экспрессия генов и др., являются

независимыми. Это послужило основанием для предположения о множест-

венных механизмах действия инсулина.

Наиболее вероятной в настоящее время представляется мембранная

локализация первичного действия почти всех белковых гормонов, включая

инсулин. Получены доказательства существования специфического рецепто-

ра инсулина на внешней плазматической мембране почти всех клеток

организма, а также образования инсулинрецепторного комплекса. Рецептор

синтезируется в виде предшественника – полипептида (1382 аминокислот-

ных остатка, мол. масса 190000), который далее расщепляется на α-

и β-субъединицы, т.е. на гетеродимер (в формуле α

2

–β

2

), связанные

дисульфидными связями. Оказалось, что если α-субъединицы (мол. масса

135000) почти целиком располагаются на внешней стороне биомембраны,

выполняя функцию связывания инсулина клетки, то β-субъединицы (мол.

масса 95000) представляют собой трансмембранный белок, выполняющий

функцию преобразования сигнала (рис. 8.1). Концентрация рецепторов

инсулина на поверхности достигает 20000 на клетку, и период их полужизни

составляет 7–12 ч.

Самым интересным свойством рецептора инсулина, отличным от всех

других рецепторов гормонов белковой и пептидной природы, является его

способность аутофосфорилирования, т.е. когда рецептор наделен сам

протеинкиназной (тирозинкиназной) активностью. При связывании инсу-

лина с α-цепями рецептора происходит активирование тирозинкиназной

активности β-цепей путем фосфорилирования их тирозиновых остатков.

В свою очередь активная тирозинкиназа β-цепей запускает каскад фосфо-

рилирования–дефосфорилирования протеинкиназ, в частности мембран-

ных или цитозольных серин- или треонинкиназ, т.е. протеинкиназ и белков-

мишеней, фосфорилирование в которых осуществляется за счет ОН-групп

серина и треонина. Соответственно имеют место изменения клеточной

270

Инсулин

Белок-мишень

АТФ

АДФ

активности, в частности активация и ингибирование ферментов, транспорт

глюкозы, синтез полимерных молекул нуклеиновых кислот и белков и т.д *.

Следует подчеркнуть, однако, что тонкие молекулярные механизмы

путей передачи сигнала от инсулинрецепторного комплекса на множество

внутриклеточных процессов пока не раскрыты. Вполне возможно участие

в подобных процессах ряда внутриклеточных вторичных мессенджеров,

в частности циклических нуклеотидов, производных фосфатидилинозитолов

и др. Нельзя исключить, кроме того, возможности существования внутри-

клеточного посредника или медиатора действия инсулина (особого внутри-

клеточного рецептора), контролирующего транскрипцию генов и соответст-

венно синтез мРНК. Предполагают, что действием инсулина и участием

в регуляции экспрессии генов или в транскрипции специфических мРНК

может быть объяснена его роль в таких фундаментальных процессах

жизнедеятельности, как эмбриогенез и дифференцировка клеток высших

организмов.

Глюкагон

Глюкагон впервые был обнаружен в коммерческих препаратах инсулина

еще в 1923 г., однако только в 1953 г. венгерский биохимик Ф. Штрауб

получил этот гормон в гомогенном состоянии. Глюкагон синтезируется

в основном в α-клетках панкреатических островков поджелудочной железы,

а также в ряде клеток кишечника (см. далее). Он представлен одной линейно

расположенной полипептидной цепью, в состав которой входит 29 амино-

кислотных остатков в следующей последовательности:

Н–Гис–Сер–Глн–Гли–Тре–Фен–Тре–Сер–Асп–Тир–Сер–Лиз–Тир–Лей–

–

Асп–Сер–Aрг–Aрг–Ала–Глн–Асп–Фен–Вал–Глн–Трп–Лей–Мет–Асн–

–

Тре–ОН

Первичная структура глюкагонов человека и животных оказалась иден-

тичной; исключение составляет только глюкагон индюка, у которого

вместо аспарагина в положении 28 содержится серин. Особенностью струк-

туры глюкагона является отсутствие дисульфидных связей и цистеина.

Глюкагон образуется из своего предшественника  п р о г л ю к а г о н а , содер-

жащего на С-конце полипептида дополнительный октапептид (8 остатков),

отщепляемый в процессе постсинтетического протеолиза. Имеются данные,

что у проглюкагона, так же как и у проинсулина, существует предшествен-

ник – препроглюкагон (мол. масса 9000), структура которого пока не рас-

шифрована.

По биологическому действию глюкагон, как и адреналин, относятся

к гипергликемическим факторам, вызывает увеличение концентрации глю-

козы в крови главным образом за счет распада гликогена в печени.

Органами-мишенями для глюкагона являются печень, миокард, жировая

* Следует указать, что у инсулинрезистентных больных сахарным диабетом синтез

инсулина не нарушен, однако организм больных не реагирует ни на свой, ни на инъецирован-

ный инсулин. Оказалось, что у части этих больных имеет место мутация в тирозинкиназном

домене рецептора и, хотя инсулин связывается нормально с этим мутантным рецептором,

дальнейшей передачи сигнала не происходит, так как тирозинкиназа инактивирована. Поэтому

лечение больных этой формой диабета инсулином оказывается неэффективным.

271

ткань, но не скелетные мышцы. Биосинтез и секреция глюкагона контро-

лируются главным образом концентрацией глюкозы по принципу обратной

связи. Таким же свойством обладают аминокислоты и свободные жирные

кислоты. На секрецию глюкагона оказывают влияние также инсулин

и инсулиноподобные факторы роста.

В механизме действия глюкагона первичным является связывание со

специфическими рецепторами мембраны клеток *, образовавшийся глю-

кагонрецепторный комплекс активирует аденилатциклазу и соответственно

образование цАМФ. Последний, являясь универсальным эффектором внут-

риклеточных ферментов, активирует протеинкиназу, которая в свою оче-

редь фосфорилирует киназу фосфорилазы и гликогенсинтазу. Фосфорили-

рование первого фермента способствует формированию активной гликоген-

фосфорилазы и соответственно распаду гликогена с образованием глюкозо-

-1-фосфата (см. главу 10), в то время как фосфорилирование гликогенсинта-

зы сопровождается переходом ее в неактивную форму и соответственно

блокированием синтеза гликогена. Общим итогом действия глюкагона

являются ускорение распада гликогена и торможение его синтеза в печени,

что приводит к увеличению концентрации глюкозы в крови.

Гипергликемический эффект глюкагона обусловлен, однако, не только

распадом гликогена. Имеются бесспорные доказательства существования

глюконеогенетического механизма гипергликемии, вызванной глюкагоном.

Установлено, что глюкагон способствует образованию глюкозы из проме-

жуточных продуктов обмена белков и жиров. Глюкагон стимулирует

образование глюкозы из аминокислот путем индукции синтеза ферментов

глюконеогенеза при участии цАМФ, в частности фосфоенолпируваткарбок-

сикиназы – ключевого фермента этого процесса.  Г л ю к а г о н в  о т л и ч и е

от  а д р е н а л и н а  т о р м о з и т  г л и к о л и т и ч е с к и й  р а с п а д  г л ю к о з ы до

м о л о ч н о й  к и с л о т ы ,  с п о с о б с т в у я тем самым  г и п е р г л и к е м и и . Он

активирует опосредованно через цАМФ липазу тканей, оказывая мощный

липолитический эффект. Существуют и различия в физиологическом дей-

ствии: в  о т л и ч и е от  а д р е н а л и н а  г л ю к а г о н не  п о в ы ш а е т кровя-

н о г о  д а в л е н и я и не увеличивает частоту сердечных сокращений. Следует

отметить, что, помимо панкреатического глюкагона, в последнее время

доказано существование кишечного глюкагона, синтезирующегося по всему

пищеварительному тракту и поступающего в кровь. Первичная структура

кишечного глюкагона пока точно не расшифрована, однако в его молекуле

открыты идентичные N-концевому и среднему участкам панкреатического

глюкагона аминокислотные последовательности, но разная С-концевая

последовательность аминокислот.

Таким образом, панкреатические островки, синтезирующие два проти-

воположного действия гормона – инсулин и глюкагон, выполняют ключе-

вую роль в регуляции обмена веществ на молекулярном уровне.

ГОРМОНЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ

Надпочечники состоят из двух индивидуальных в морфологическом и функ-

циональном отношениях частей – мозгового и коркового вещества. Мозго-

вое вещество относится к хромаффинной, или адреналовой, системе и выра-

* Это так называемые глюкагонсвязывающие белки, которые избирательно взаимодейст-

вуют только с глюкагоном.

272