Влияние инсулина на углеводный обмен биохимия

Действие инсулина на организм

Как показывает мировая статистика, от сахарного диабета страдает более 20% населения нашей планеты. Причем у большинства из этих людей был диагностирован инсулинозависимый диабет, вылечить который не представляется возможным. Но это не говорит о том, что больной не может вести привычный образ жизни.

Все, что для этого нужно, обеспечить свой организм инсулином. С этой целью применяются специальные инъекции, постановка которых осуществляется строго по схеме, выписанной врачом. Но каков механизм действия инсулина? И как он помогает диабетикам?

Роль инсулина в человеческом организме

Инсулин представляет собой особый гормон, который принимает участие в углеводном обмене. Именно он занимается расщеплением глюкозы и обеспечивает насыщение клеток организма необходимой энергией. Продуцированием этого гормона занимается поджелудочная железа. При нарушении целостности или функционирования клеток этого органа инсулин вырабатывается в маленьком количестве, в результате чего организм начинает испытывать в нем дефицит, что проявляется повышением уровня сахара в крови.

При этом нарушается работа почек и печени, в организме начинают скапливаться токсичные вещества, негативно влияющие на все внутренние органы и системы. И в первую очередь от этого страдает сосудистая система. Под воздействием сахара и токсичных веществ снижается тонус стенок сосудов, они становятся хрупкими и ломкими, на фоне чего риски развития инсульта и инфаркта миокарда увеличиваются в несколько раз.

Повышенное содержание сахара в крови оказывает влияние и на регенерационные процессы в организме. Это особенно заметно по состоянию кожных покровов. Любые порезы и раны заживают очень долго, часто подвергаются инфицированию и перерастают в язвы. А это тоже является опасным, так как при нагноении язв вероятность развития гангрены также возрастает.

Механизм действия

Говоря о том, как действует инсулин в организме, следует отметить, что работает он непосредственно через белок-рецептор. Представляет он собой сложный интегральный белок клеточной мембраны, который состоит из 2 субъединиц. В медицине их отмечают как a и b. Каждая из этих субъединиц имеет свою полипептидную цепочку.

Действие инсулина происходит следующим образом: сначала он вступает в связь с а-субъединицей, таким образом изменяя ее конформацию. После этого в процесс вовлекается b-субъединица, которая запускает разветвленную цепь реакций по активации ферментов, необходимых для расщепления глюкозы и ее усвоения в клетках.

Следует отметить, что несмотря на то, что действие инсулина в организме изучается учеными уже на протяжении многих столетий, его биохимические свойства еще до конца не изучены. Однако уже стало известно, что во всем этом процессе принимают участие вторичные «посредники», в роли которых выступают диацилглицеролы и инозитолтрифосваты. Именно они обеспечивают активизацию протеинкиназы С с фосфорилирующим действием и имеют связь с внутриклеточным обменом веществ.

Данные посредники обеспечивают усиленное поступление глюкозы в клетки организма, тем самым насыщая их энергией. Сначала комплекс инсулин-рецептора погружается в цитозоль, а далее разрушается в лизосомах, после чего возникают деградационные процессы – часть инсулина разрушается, а другая его часть направляется к мембранам клеток и снова встраивается в них.

Инсулин – это гормон, который оказывает прямое воздействие на обменные процессы во всем организме. Многие его эффекты наблюдаются, благодаря его активному действию на ряд ферментов. Он единственный в своем роде, который способствует снижению уровня сахара в крови. Происходит это за счет:

  • усиления поглощения клеточными мембранами глюкозы;
  • активизации ферментов гликолиза;
  • повышения активности продуцирования гликогена;
  • снижения синтеза глюконеогенеза, отвечающего за образование в клетках печени глюкозы.

Инсулин является единственным гормоном, который усиливает усвоение клетками аминокислот, необходимых для нормального их функционирования, а также поставку в них ионов калия, магния и фосфата. Кроме этого, инсулин способствует усилению продуцирования жирных кислот за счет преобразования глюкозы в триглицериды. Если же в организме наблюдается дефицит инсулина, то это приводит к мобилизации жиров и их отложению в тканях внутренних органов.

Антикатаболическое действие инсулина на организм обуславливается уменьшением процесса гидролиза белков, за счет чего снижается их деградация (из-за того, что при диабете у больных наблюдается дефицит инсулина, деградация белков увеличивается, в результате чего наблюдается снижение мышечного тонуса и возникает слабость).

Помимо этого, инсулин обеспечивает уменьшение липолиза, за счет чего снижается концентрация жирных кислот в крови и риски возникновения холестериновой болезни, тромбофлебита и т.д. становятся намного меньше.

Действие на углеводный обмен

Как уже стало понятно, инсулин – это гормон, который принимает участие практически во всех процессах, происходящих в организме. Но так как речь идет непосредственно о сахарном диабете, необходимо более детально рассмотреть действие инсулина на углеводный обмен.

В том случае, если в организме наблюдается дефицит этого гормона, то это влечет за собой нарушение процесса проникновения глюкозы сквозь клетки мышечных тканей, в результате чего наблюдается снижение энергетических запасов. Когда уровень инсулина повышается до нормальных значений, этот процесс восстанавливается, причем естественным путем.

Однако при повышенной физической активности мембраны клеток повышают свою проницаемость и поглощают намного больше глюкозы, чем обычно. И происходит это даже в том случае, если уровень сахара в крови является очень низким. Но риски развития гипогликемической комы в данном случае возрастают в несколько раз.

Инсулиновый рецептор играет немаловажную роль в процессе гомеостаза глюкозы. Если он нарушается, это приводит к дегенеративным изменениям в клетках, что провоцирует развитие многих заболеваний, среди которых находится не только сахарный диабет, но и рак.

Рассматривая действие инсулина, нельзя не сказать о его воздействии на печень. Именно в этом органе организм откладывает излишки глюкозы как бы прозапас, высвобождая ее только тогда, когда уровень сахара в крови снижается до критических отметок.

И еще один важный момент: инсулин, как уже говорилось выше, участвует в процессе гликолиза, активируя синтез определенных ферментов, без которых расщепление и усвоение клетками глюкозы является невозможным.

Действие на белковый обмен

Инсулин играет немаловажную роль не только в углеводном обмене, но и в белковом. Именно он обеспечивает расщепление белков, поступающих вместе с пищей, на аминокислоты, которые активизируют в организме синтез собственных белков. При дефиците инсулина этот процесс нарушается, что приводит к различным осложнениям. Помимо этого, инсулин обеспечивает ускорение транскрипции ДНК, стимулируя образование РНК.

Действие на жировой обмен

Инсулин принимает также активное участие в липогенезе – синтезе жирных кислот. Их формирование происходит в процессе распада углеводов. А жирные кислоты являются также очень важными для организма, так как без них происходит нарушение жирового обмена, что сопровождается развитием ожирения и отложением жировых клеток во внутренних органах.

Инъекции инсулина

При развитии сахарного диабета действовать нужно незамедлительно. Как правило, сначала у людей диагностируется СД2, и только при несоблюдении диет и правил приема лекарственных препаратов развивается СД1, при котором без инсулиновых инъекций просто не обойтись.

На сегодняшний день выделяются следующие типы инсулиносодержащих препаратов:

  • Быстрого действия . Действовать начинают уже спустя 5 минут после подкожного введения и достигают своего максимального пика через 1 час. Но,такие препараты обладают одним недостатком – действуют они недолго, и их введение необходимо осуществлять перед каждым приемом пищи либо при наступлении гипогликемической комы.
  • Короткого действия . Эффективность наблюдается спустя 30 минут после введения. Применяются такие инъекции также перед едой. Однако его действие длится намного дольше, чем у инсулина быстрого действия.
  • Среднего действия . Такие препараты применяются в комплексе с инсулинами быстрого или короткого действия. Эффективность после их приема наблюдается в течение нескольких часов.
  • Длительного действия . Препараты гипогликемического действия, эффективность которых наблюдается на протяжении суток. Однако применять такие препараты также нужно с инсулинами короткого и быстрого действия. Применяются они несколько раз в день до употребления пищи через равные промежутки времени.

Какой именно препарат будет прописан больному, зависит от его индивидуальных особенностей и тяжести протекания болезни. Чтобы правильно подобрать средство, врачам необходимо более детально изучить молекулярные свойства крови. Для этого обязательно делается биохимия венозной крови и крови из пальца.

По результатам обследования врач сможет подобрать не только препарат, но и его дозировку, которая будет наиболее эффективной и безопасной для пациента. Так как неправильно подобранная дозировка инсулина может привести к гипогликемии и возникновению серьезных осложнений. Поэтому заниматься самолечением ни в коем случае нельзя. Применение инъекций инсулина должно происходить под строгим контролем врача.

Источник статьи: http://sosudy.info/deystvie-insulina-organizm

Инсулин — самый молодой гормон

Строение

Инсулин представляет собой белок, состоящий из двух пептидных цепей А (21 аминокислота) и В (30 аминокислот), связанных между собой дисульфидными мостиками. Всего в зрелом инсулине человека присутствует 51 аминокислота и его молекулярная масса равна 5,7 кДа.

Синтез

Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы в виде препроинсулина, на N-конце которого находится концевая сигнальная последовательность из 23 аминокислот, служащая проводником всей молекулы в полость эндоплазматической сети. Здесь концевая последовательность сразу отщепляется и проинсулин транспортируется в аппарат Гольджи.

На данном этапе в молекуле проинсулина присутствуют А-цепь, В-цепь и С-пептид (англ. connecting – связующий). В аппарате Гольджи проинсулин упаковывается в секреторные гранулы вместе с ферментами, необходимыми для «созревания» гормона . По мере перемещения гранул к плазматической мембране образуются дисульфидные мостики, вырезается связующий С-пептид (31 аминокислота) и формируется готовая молекула инсулина. В готовых гранулах инсулин находится в кристаллическом состоянии в виде гексамера, образуемого с участием двух ионов Zn 2+ .

Схема синтеза инсулина

Регуляция синтеза и секреции

Секреция инсулина происходит постоянно, и около 50% инсулина, высвобождаемого из β-клеток, никак не связано с приемом пищи или иными влияниями. В течение суток поджелудочная железа выделяет примерно 1/5 от запасов имеющегося в ней инсулина.

Главным стимулятором секреции инсулина является повышение концентрации глюкозы в крови выше 5,5 ммоль/л, максимума секреция достигает при 17-28 ммоль/л. Особенностью этой стимуляции является двухфазное усиление секреции инсулина:

  • первая фаза длится 5-10 минут и концентрация гормона может 10-кратно возрастать, после чего его количество понижается,
  • вторая фаза начинается примерно через 15 минут от начала гипергликемии и продолжается на протяжении всего ее периода, приводя к увеличению уровня гормона в 15-25 раз.

Чем дольше в крови сохраняется высокая концентрация глюкозы, тем большее число β-клеток подключается к секреции инсулина.

Индукция синтеза инсулина происходит от момента проникновения глюкозы в клетку до трансляции инсулиновой мРНК. Она регулируется повышением транскрипции гена инсулина, повышением стабильности инсулиновой мРНК и увеличением трансляции инсулиновой мРНК.

Активация секреции инсулина

1. После проникновения глюкозы в β-клетки (через ГлюТ-1 и ГлюТ-2) она фосфорилируется гексокиназой IV (глюкокиназа, обладает низким сродством к глюкозе),
2. Далее глюкоза аэробно окисляется, при этом скорость окисления глюкозы линейно зависит от ее количества,
3. В результате нарабатывается АТФ, количество которого также прямо зависит от концентрации глюкозы в крови,
4. Накопление АТФ стимулирует закрытие ионных K + -каналов, что приводит к деполяризации мембраны,
5. Деполяризация мембраны приводит к открытию потенциал-зависимых Ca 2+ -каналов и притоку ионов Ca 2+ в клетку,
6. Поступающие ионы Ca 2+ активируют фосфолипазу C и запускают кальций-фосфолипидный механизм проведения сигнала с образованием ДАГ и инозитол-трифосфата (ИФ3),
7. Появление ИФ3 в цитозоле открывает Ca 2+ -каналы в эндоплазматической сети, что ускоряет накопление ионов Ca 2+ в цитозоле,
8. Резкое увеличение концентрации в клетке ионов Ca 2+ приводит к перемещению секреторных гранул к плазматической мембране, их слиянию с ней и экзоцитозу кристаллов зрелого инсулина наружу,
9. Далее происходит распад кристаллов, отделение ионов Zn 2+ и выход молекул активного инсулина в кровоток.

Схема внутриклеточной регуляции секреции инсулина при участии глюкозы

Описанный ведущий механизм может корректироваться в ту или иную сторону под действием ряда других факторов, таких как аминокислоты, жирные кислоты, гормоны ЖКТ и другие гормоны, нервная регуляция .

Из аминокислот на секрецию гормона наиболее значительно влияют лизин и аргинин. Но сами по себе они почти не стимулируют секрецию, их эффект зависит от наличия гипергликемии, т.е. аминокислоты только потенциируют действие глюкозы.

Свободные жирные кислоты также являются факторами, стимулирующими секрецию инсулина, но тоже только в присутствии глюкозы.

Логичной является положительная чувствительность секреции инсулина к действию гормонов желудочно-кишечного тракта – инкретинов (энтероглюкагона и глюкозозависимого инсулинотропного полипептида), холецистокинина, секретина, гастрина, желудочного ингибирующего полипептида.

Клинически важным и в какой-то мере опасным является усиление секреции инсулина при длительном воздействии соматотропного гормона, АКТГ и глюкокортикоидов, эстрогенов, прогестинов. При этом возрастает риск истощения β-клеток, уменьшение синтеза инсулина и возникновение инсулинзависимого сахарного диабета. Такое может наблюдаться при использовании указанных гормонов в терапии или при патологиях, связанных с их гиперфункцией.

Нервная регуляция β-клеток поджелудочной железы включает адренергическую и холинергическую регуляцию. Любые стрессы (эмоциональные и/или физические нагрузки, гипоксия, переохлаждение, травмы, ожоги) повышают активность симпатической нервной системы и подавляют секрецию инсулина за счет активации α2-адренорецепторов. С другой стороны, стимуляция β2-адренорецепторов приводит к усилению секреции.

Также выделение инсулина повышается n.vagus, в свою очередь находящегося под контролем гипоталамуса, чувствительного к концентрации глюкозы крови.

Мишени

Рецепторы инсулина находятся практически на всех клетках организма, кроме нервных, но в разном количестве. Нервные клетки не имеют рецепторов к инсулину, т.к. последний просто не проникает через гематоэнцефалический барьер.

Механизм действия

После связывания инсулина с рецептором активируется ферментативный домен рецептора. Так как он обладает тирозинкиназной активностью, то фосфорилирует внутриклеточные белки — субстраты инсулинового рецептора. Дальнейшее развитие событий обусловлено двумя направлениями: MAP-киназный путь и ФИ-3-киназный механизмы действия (подробно).

При активации фосфатидилинозитол-3-киназного механизма результатом являются быстрые эффекты – активация ГлюТ-4 и поступление глюкозы в клетку, изменение активности «метаболических» ферментов – ТАГ-липазы, гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы, киназы гликогенфосфорилазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы и других.

При реализации MAP-киназного механизма (англ. MAPmitogen-activated protein) регулируются медленные эффекты – пролиферация и дифференцировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза.

Два механизма действия инсулина

Скорость эффектов действия инсулина

Биологические эффекты инсулина подразделяются по скорости развития:

Очень быстрые эффекты (секунды)

Эти эффекты связаны с изменением трансмембранных транспортов :

1. Активации Na + /K + -АТФазы , что вызывает выход ионов Na + и вход в клетку ионов K + , что ведет к гиперполяризации мембран чувствительных к инсулину клеток (кроме гепатоцитов).

2. Активация Na + /H + -обменника на цитоплазматической мембране многих клеток и выход из клетки ионов H + в обмен на ионы Na + . Такое влияние имеет значение в патогенезе артериальной гипертензии при сахарном диабете 2 типа.

3. Угнетение мембранной Ca 2+ -АТФазы приводит к задержке ионов Ca 2+ в цитозоле клетки.

4. Выход на мембрану миоцитов и адипоцитов переносчиков глюкозы ГлюТ-4 и увеличение в 20-50 раз объема транспорта глюкозы в клетку.

Быстрые эффекты (минуты)

Быстрые эффекты заключаются в изменении скоростей фосфорилирования и дефосфорилирования метаболических ферментов и регуляторных белков.

Печень
  • торможение эффектов адреналина и глюкагона (фосфодиэстераза),
  • ускорение гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
  • активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
  • превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
  • усиление синтеза жирных кислот (ацетил-SКоА-карбоксилаза),
  • формирование ЛПОНП,
  • повышение синтеза холестерина (ГМГ-SКоА-редуктаза),
Мышцы
  • торможение эффектов адреналина (фосфодиэстераза),
  • стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация ГлюТ-4),
  • стимуляция гликогеногенеза (гликогенсинтаза),
  • активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
  • превращение пирувата в ацетил-SКоА (ПВК-дегидрогеназа),
  • усиливает транспорт нейтральных аминокислот в мышцы,
  • стимулирует трансляцию (рибосомальный синтез белков).
Жировая ткань
  • стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация Глют-4),
  • активирует запасание жирных кислот в тканях (липопротеинлипаза),
  • активация гликолиза (фосфофруктокиназа, пируваткиназа),
  • усиление синтеза жирных кислот (активация ацетил-SКоА-карбоксилазы),
  • создание возможности для запасания ТАГ (инактивация гормон-чувствительной-липазы).

Медленные эффекты (минуты-часы)

Медленные эффекты заключаются в изменении скорости транскрипции генов белков, отвечающих за обмен веществ, за рост и деление клеток, например:

1. Индукция синтеза ферментов в печени

  • глюкокиназы и пируваткиназы ( гликолиз ),
  • АТФ-цитрат-лиазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы, синтазы жирных кислот, цитозольной малатдегидрогеназы ( синтез жирных кислот ),
  • глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы ( пентозофосфатный путь ),

2. Индукция в адипоцитах синтеза глицеральдегидфосфат-дегидрогеназы и синтазы жирных кислот.

3. Репрессия синтеза мРНК, например, для ФЕП-карбоксикиназы ( глюконеогенез ).

4. Обеспечивает процессы трансляции, повышая фосфорилирование по серину рибосомального белка S6.

Очень медленные эффекты (часы-сутки)

Очень медленные эффекты реализуют митогенез и размножение клеток. Например, к этим эффектам относится

1. Повышение в печени синтеза соматомедина, зависимого от гормона роста.

2. Увеличение роста и пролиферации клеток в синергизме с соматомединами.

3. Переход клетки из G1-фазы в S-фазу клеточного цикла.

Инактивация инсулина

Удаление инсулина из циркуляции происходит после его связывания с рецептором и последующей интернализации (эндоцитоза) гормон-рецепторного комплекса, в основном в печени и мышцах. После поглощения комплекс разрушается и белковые молекулы лизируются до свободных аминокислот. В печени захватывается и разрушается до 50% инсулина при первом прохождении крови, оттекающей от поджелудочной железы. В почках инсулин фильтруется в первичную мочу и, после реабсорбции в проксимальных канальцах, разрушается.

Патология

Гипофункция

Инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет. Для диагностики этих патологий в клинике активно используют нагрузочные пробы и определение концентрации инсулина и С-пептида.

Источник статьи: http://biokhimija.ru/gormony/insulin.html

bezinsulina