МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ЛЮБЕРЕЦКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Д О К Л А Д

НА ТЕМУ:

«БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ПАТОГЕНЕЗА

САХАРНОГО ДИАБЕТА»

Преподаватель:

Основой правильного диагноза и соответственно правильного лечения болезни служит понимание происходящих в организме больного патофизиологических процессов и их количественная оценка.

Зная общие аспекты действия гормонов, а также физиологическое и биохимическое действие отдельных гормонов, можно выявить синдромы эндокринного заболевания, обусловленного дисбалансом гормонов, и назначить эффективное лечение.

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Сильнейшее влияние на процессы обмена веществ и функционирование органов и тканей оказывают гормоны. Гормоны – это носители химической информации, вырабатываемые секреторными клетками и выделяемые в кровь, которая доставляет их к органу-мишени.

Гормоны интегрируют обмен веществ, т. е. регулируют соподчиненность и взаимосвязь разнообразных биохимических реакций в различных органах и тканях и в организме в целом. В свою очередь деятельность желез внутрен-

ней секреции, продуцирующих гормоны, находится под контролем ЦНС.

Важнейшая роль в общем метаболизме человека и животных принадлежит углеводному обмену. На всех стадиях синтеза и распада углеводов регуляция углеводного обмена осуществляется с участием ЦНС и гормонов, среди которых особая роль отводится инсулину.

Общая схема углеводного обмена

Аминокислоты Глицерол,

жирные кислоты

глюконеогенез Гликоген

(печень)

инсулин

инсулин

Углевод → Глюкоза ↔ Глюкозо-6-Ф ↔ Глюкозо-1-Ф

(кровь) (печень+ткани)

Гликоген

(мышцы)

Пировиноградная кислота

аэробный путь анаэробный путь

С02 + Н2О + АТФ молочная кислота + АТФ

ИНСУЛИН

Инсулин, вырабатываемый β-клетками поджелудочной железы, является пептидным гормоном. Он первым из гормонов этой группы был получен в очищенном виде, кристаллизован и синтезирован химическим путем и методами генной инженерии.

Инсулин имеет важное значение как медикаментозное средство, поскольку 5% процентов населения развитых стран страдают сахарным диабетом и примерно столько же людей предрасположены к этой болезни. В основе сахарного диабета лежит недостаточность инсулина, связанная либо с его отсутствием, либо с устойчивостью к его эффектам. Глюкагон, вырабатываемый α-клетками поджелудочной железы, усиливает проявление болезни, так как его действию в этой ситуации ничто не препятствует.

Химическое строение и свойства

Молекула инсулина – полипептид, состоящий из двух цепей, А и В, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, соединяющими остаток А7-аминокислоты с остатком В7 и остаток А20-аминокислоты с остатком В19. Третий дисульфидный мостик связывает между собой аминокислотные остатки 6 и 11 А-цепи. Локализация всех трех дисульфидных мостиков постоянна, а А - и В-цепи у представителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислот соответственно.

Первичная структура инсулина человека

А-цепь

S S

Гли-иле-вал-глу-глн-цис-цис-тре-сер-иле-цис-сер-лей-тир-глн-лей-глу-асн-тир-цис-асн

91521

S S

S S

В-цепь

Фен-вал-асн-глн-гис-лей-цис-гли-сер-гис-лей-вал-глу-ала-лей-тир-лей-вал-цис-гли-глу-

91521

тре - лиз-про-тре-тир-фен-фен-гли-арг-

3024 23 22

Некоторые участки и области молекулы инсулина обладают высокой консервативностью. К ним относятся:

1)  положения трех дисульфидных мостиков;

2)  гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи;

3)  С - и N-концевые участки А-цепи.

Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислот шести этих участков помогли идентифицировать сложный активный центр, отвечающий за биологическую активность инсулина.

Схема молекулы инсулина

(построена по результатам рентгеноструктурной кристаллографии)

А-цепь

–

+

В-цепь

25

24

+

–

Заштрихованная область соответствует той части инсулина, которой отводят главную роль в реализации биологической активности гормона. Остатки фенилаланина в положениях В24 и В25 – это те сайты, мутации в которых влияют на биологическую активность инсулина.

N-концы А - и В-цепей инсулина показаны знаком «+», а С-концы – знаком «-».

Инсулин образует очень интересные сложные структуры. Цинк (Zn2+), концентрация которого в β-клетках достигает высоких значений, формирует комплексы с инсулином и проинсулином. Инсулины всех позвоночных образуют изологичные димеры с помощью водородных связей между пептидными группами остатков В24 и В26 двух мономеров, которые при высоких концентрациях в свою очередь реорганизуются в гексамеры, содержащие по два атома цинка каждый.

Биосинтез

Инсулин синтезируется в виде препрогормона (мол. масса 11500). Последовательность и субклеточную локализацию соответствующих биохимических превращений можно выразить в виде схемы:

11 хромосомная ДНК (ядро)

ген проинсулина

мРНК + рибосомы (шероховатая ЭПС)

тРНК

аминокислоты

синтез молекул проинсулина и пре-фрагмента

«сложный» проинсулин (цистерны эндоплазматического

ретикулума)

С

А

В

Аппарат Гольджи

Секреторная гранула

CCС-

С-пептид

Инсулин

Лидерная последовательность из 23 аминокислот (пре-фрагмент) закодирована в сегменте мРНК, расположенном рядом с тем сегментом, который детерминирует В-цепь.

Субклеточная локализация синтеза инсулина и формирование гранул.

Препроинсулин человека, образующийся в результате рибосомального синтеза на шероховатом ретикулуме β-островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет собой одну полипептидную цепь, состоящую из 109 аминокислотных остатков.

Синтез инсулина и его упаковка в гранулы происходит в определенном порядке (см. рис.). Проинсулин синтезируется на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума.

Гидрофобная лидерная последовательность (пре-фрагмент) направляет молекулу-предшественник в цистерну эндоплазматического ретикулума и там отделяется. В результате образуется молекула проинсулина (мол. масса 9000), принимающая конформацию, необходимую для образования нужных дисульфидных мостиков.

После этого молекула проинсулина переносится в аппарат Гольджи, где она расщепляется в нескольких специфических участках с образованием

С-пептида и эквимолярных количеств зрелого инсулина, который начинает упаковываться в секреторные гранулы.

Созревание гранул продолжается по мере продвижения по цитоплазме в направлении плазматической мембраны. Как проинсулин, так и инсулин соединяются с цинком (Zn2+), образуя гексамеры, но поскольку около 95% проинсулина превращается в инсулин, то именно кристаллы последнего придают гранулам их морфологические особенности. Следует отметить, что ионы цинка (Zn2+) c высоким сродством присоединяются к инсулину, изменяют его пространственную структуру и препятствуют растворению. Наряду с инсулином в гранулах содержатся также эквимолярные количества С-пептида, однако эти молекулы не образуют кристаллических структур.

При соответствующей стимуляции зрелые гранулы сливаются с плазматической мембраной, выбрасывая свое содержимое во внеклеточную жидкость. Этот процесс происходит при участии микрофиламентов, которые сокращаются под влиянием ионов кальция (Са2+).

В физиологической регуляции синтеза инсулина доминирующую роль играет концентрация глюкозы в крови, кроме того оказывают влияние ионы кальция (Са2+), аминокислоты, глюкагон.

Синтез молекулы проинсулина происходит за 1 – 2 мин. Транспорт проинсулина от эндоплазматического ретикулума до аппарата Гольджи занимает 10 – 20 мин. «Созревание» секреторных гранул, несущих инсулин от аппарата Гольджи до плазматической мембраны, протекает в течение

1 – 2 часов.

Структурные компоненты β-клетки поджелудочной железы

Секреторные гранулы

(конденсация и запасание

инсулина)

Микрофиламенты

(сокращение в ответ на Са2+)

Са2+

глюкоза Аппарат Гольджи

(превращение проинсулина в

инсулин и его упаковка)

Небольшие транспортные

пузырьки (перенос проинсули -

на к аппарату Гольджи)

Ядро (образование мРНК

препроинсулина)

Митохондрия

Шероховатый эндоплазма -

тический ретикулум

(синтез препроинсулина)

Механизм действия инсулина

Действие инсулина начинается с его связывания со специфическим гликопротеиновым рецептором на поверхности клетки-мишени. Инсулиновый рецептор представляет собой гетеродимер, состоящий из двух субъединиц (α и β) в конфигурации α2 – β2 , связанных между собой дисульфидными мостиками (см. рис.). Обе субъединицы обладают особой структурой и определенной функцией. α–Субъединица (мол. масса целиком расположена вне клетки, и связывание инсулина осуществляется с помощью богатого цистином домена. β-Субъединица (мол. масса– трансмембранный белок, выполняющий вторую важную функцию рецептора – преобразование сигнала. Она обладает тирозинкиназной активностью.

Схема связи между рецептором инсулина и его действием

Инсулин

Na+ глюкоза S - S

α α

S S

Перенос-

чик

глюкозы, β β

Na+ глюкоза ↓ ↓

Трансмембранный

сигнал

Синтез белка

К+ К+ глюкозо-6-Ф

Активация и

ингибирование

ферментов

Синтез

Гликолиз мРНК

Гликогенез

Синтез

Рост и репликация ДНК

клетки

Рецептор инсулина постоянно синтезируется и распадается; его период полужизни составляет 7-12 ч. У человека ген инсулинового рецептора локализован в хромосоме 19.

Рецепторы инсулина обнаружены на поверхности большинства клеток млекопитающих. Их концентрация достигаетна клетку.

При связывании инсулина с рецептором происходят следующие события:

1)  изменяется конформация рецептора;

2)  рецепторы связываются друг с другом, образуя микроагрегаты;

3)  рецептор подвергается интернализации;

4)  возникает трансмембранный сигнал.

Интернализация служит средством регуляции количества и кругооборота рецепторов. В условиях высокого содержания инсулина в плазме, например при ожирении или акромегалии, число инсулиновых рецепторов снижается и чувствительность тканей-мишеней к инсулину уменьшается. «Снижающая» регуляция объясняет отчасти инсулинорезистентность при ожирении и сахарном диабете II типа.

В центре внимания современных исследователей лежит тот факт, что инсулиновый рецептор сам является ферментом, чувствительным к инсулину, поскольку при связывании инсулина он подвергается аутофосфорилированию. Эта функция осуществляется β-субъединицей, а инсулин повышает скорость этой ферментативной реакции.

Транспорт глюкозы в клетку – это первый этап утилизации энергии. Исключением из общего правила является печень, в которой такой специфический процесс обнаружен не был. В клетки печени глюкоза поступает путем простой диффузии по концентрационному градиенту, который всегда чрезвычайно велик из-за быстрого превращения внутри клетки глюкозы в глюкозо-6-фосфат.

В другие клетки (жировые и в еще большей степени мышечные) глюкоза поступает с помощью специфической транспортной системы, регуляция которой осуществляется инсулином. Глюкоза и Na+ связываются с разными участками переносчика глюкозы. При этом Na+ поступает в клетку под действием электрохимического градиента и «тащит» глюкозу за собой. Таким образом, чем круче градиент Na+ , тем больше поступает глюкозы, и, если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Чтобы поддерживать необходимый для работы переносчика Na+ /глюкозы градиент Na+, используется Na+- K+- насос, поддерживающий низкую внутриклеточную концентрацию Na+.

Скорость транспорта глюкозы через плазматическую мембрану мышечных и жировых клеток определяет интенсивность фосфорилирования глюкозы и ее дальнейший метаболизм.

Регуляция уровня глюкозы в крови

Одним из наиболее важных метаболитов, присутствующих в крови, является глюкоза. Уровень глюкозы в крови должен находиться под строгим контролем, поскольку она служит главным субстратом тканевого дыхания и должна непрерывно поступать в клетки. Особенно чувствительны к нехватке глюкозы клетки головного мозга, которые не могут использовать никакие другие метаболиты в качестве источника энергии. Нормальный уровень глюкозы в крови составляет около 90 мг на 100 мл (90 мг%), но может колебаться от 70 мг% натощак до 150 мг% после приема пищи. Регуляция уровня глюкозы в крови является примером сложного гомеостатического механизма, находящегося под контролем эндокринной системы и включающего координированную секрецию по меньшей мере шести различных гормонов и две цепи отрицательной обратной связи (см. схему).

Патофизиология

При недостаточности инсулина или устойчивости к его действию развивается сахарный диабет. Примерно у 90% больных диабетом наблюдается инсулино-независимый сахарный диабет II типа. Для таких больных характерны ожирение, повышенное содержание в плазме инсулина и снижение количества инсулиновых рецепторов. У остальных 10% больных наблюдается диабет I типа, т. е. инсулин-зависимый сахарный диабет I типа.

Ряд редких состояний иллюстрирует важные особенности действия инсулина. У некоторых людей образуются антитела к рецепторам инсулина. Эти антитела предотвращают связывание инсулина с рецептором, и в результате у таких лиц развивается синдром тяжелой инсулинорезис-тентности. При опухолях из β-клеток возникает гиперинсулинемия и синдром, характеризующийся тяжелой гипогликемией.

О важной роли инсулина для органогенеза свидетельствуют редкие случаи карликовости. У таких больных либо совсем отсутствовали рецепторы инсулина, либо они были дефектными.

Патофизиология инсулиновой недостаточности

Недостаточность инсулина

(и избыток глюкагона)

Сниженное Повышенный Повышенный

поглощение глюкозы катаболизм белков липолиз

Гипергликемия, Повышенное содержание Повышенное содержание

глюкозурия, осмоти - в плазме аминокислот, в плазме свободных

ческий диурез, умень - потеря азота с мочей жирных кислот, кетогенез,

шение количества кетонурия, кетонемия

электролитов

Обезвоживание, ацидоз

Общая схема двойной регуляции уровня глюкозы в крови

МЫШЦЫ

Поглощение глюкозы

клетками

ПЕЧЕНЬ

Глюкоза→СО2+Н2О

Глюкоза→Гликоген

Глюкоза→Жир

Инсулин

Островки

Лангерганса

Повышение уровня глюкозы Снижение уровня глюкозы

отрицательная

Пища (вход) обратная связь

Нормальный Нормальный

уровень глюкозы уровень глюкозы

в крови в крови

отрицательная Ткани (выход)

обратная свзь

Снижение уровня глюкозы в крови Повышение уровня глюкозы в крови

Островки Лангерганса,

кора и мозговое вещество

надпочечников,

гипоталамус

ПЕЧЕНЬ

Гликоген→Глюкоза

Белок →Глюкоза

Секреция глюкагона,

глюкокортикоидов,

адреналина, гормона

роста и тироксина

ЛИТЕРАТУРА

1.  Д. Греннер и др. Биохимия человека. 2 т. М. Мир, 1993.

2.  Биофизическая химия. Под ред. М., Высшая школа, 2002.

3.  Биохимия. 3 т. М., Мир, 1980.

4.  Справочник биохимика. М., Мир, 1991.

5.  Физиология человека. Под ред. и 2 т. М., Мир,1996.

6.  Брин человека в схемах и таблицах. Ростов-на-Дону, 1999.

7.  Ткачук в молекулярную эндокринологию. Изд. Московского Университета, 1993.

8.  Филипповия биохимии, М., Высшая школа,2000.

9.  , Коровкин химия. М., Медицина, 1993.

10.  Биология. 3т. М., Мир, 1996.