Inzulin

Inzulín
Prekurzor	preproinzulín, proinzulín
Žláza	endokrinný pankreas
Struktura	heterodimer zložený z dvoch reťazcov (α a β, spojené disulfidovými mostíkmi)
Cílový orgán/tkáň	kostrová svalovina, myokard, tukové tkanivo, pečeň
Receptor	inzulínový receptor
Účinky	zvyšuje vstup glukózy do buniek a proteosyntézu, inhibuje uvoľňovanie glukagónu a tvorbu MK; v pečeni: glykogenéza, tvorba TAG, glykolýza, znížená tvorba glukózy a ketolátok; vo svaloch: glykogenéza, glykolýza
OMIM	176730

Inzulín patrí medzi pankreatické hormóny. Je produkovaný v špecializovaných bunkách pankreatických ostrovčekov – tzv. B-bunky. Je to peptidový hormón, reguluje energetický metabolizmus. Inzulín je nazývaný aj hormónom sýtosti, nadbytku. Choroby nejako spojené s inzulínom (problém v syntéze, problém s bunkami ostrovčekov, poruchy receptorov a ich signalizácie) sú v našej populácii pomerne rozšírené – aj laik pozná „cukrovku“, teda diabetes mellitus (DM).

Stavba pankreatického ostrovčeka

B-bunky (60 % z buniek ostrovčeku) sa nachádzajú prevažne v centre, A-bunky (25 %, produkujú glukagón), naopak, skôr na periférii. Arteriola prichádza do centra, tam sa vetví a kapiláry smerujú k okrajom myslenej deformovanej gule. Takto je možné, aby uvoľnený inzulín pôsobil na A-bunky, zatiaľ čo glukagón sa väčšinou nestihne dostať k B-bunkám (polčas rozpadu 1–3 min, okrem toho je zvyčajne väčšina glukagónu vychytaná pečeňou). Toto je dobré si uvedomiť, keď budeme hovoriť o regulácii sekrécie hormónov.

História

Inzulín izolovali už v roku 1921 páni Banting a Best (ako tzv. „ostrovčekový faktor“) z pankreatického tkaniva. Patria mu (medzi proteínmi) mnohé prvenstvá – bol to prvý proteín, kde bol podaný dôkaz hormonálnej účinnosti, prvý proteín, ktorý bol kryštalizovaný a sekvenovaný, prvý umelo syntetizovaný v laboratóriu. Na druhej strane – o jeho intracelulárnom pôsobení a rôznych molekulárnych mechanizmoch vieme vcelku málo.

Primárna štruktúra inzulínu

Inzulín − molekula

Štruktúra

Molekula inzulínu je heterodimér zložený z dvoch reťazcov (α a β, spojené disulfidovými mostíkmi). V celej molekule sú tri miesta, v ktorých zámena aminokyseliny vyvolá neúčinnosť – umiestnenie disulfidových väzieb, hydrofóbne zbytky C-konca β-reťazca a hydrofóbne zbytky oboch koncov α-reťazca. (Substitúcie aminokyselín sú ináč dosť časté, ale ak nastávajú mimo spomínaných troch miest, prakticky nemenia biologickú účinnosť.)

Syntéza

Syntéza inzulínu – tak ako každého proteínu – začína v jadre transkripciou a pokračuje na ribozómoch RER transláciou – vzniká preproinzulín. Od inzulínu sa líši pre- sekvenciou (hydrofóbne AMK, slúži ako usmerňovač, t.j. aby molekula cestovala do cisterien RER) a spájajúcim C-peptidom (sekvencia AMK, ktorá spája N-koniec α-reťazca a C-koniec β-reťazca). Pre- sekvencia je odstránená v RER, vzniká proinzulín. Ten má vhodnú konformáciu na to, aby sa zoxidovali -SH skupiny cysteínov a vznikli tak disulfidové mostíky medzi α- a β-reťazcom. Následne je proinzulín transportovaný do GA, kde začína proteolýza (odstránenie C-peptidu). Inzulín, malé množstvo proinzulínu (pomer inzulín/proinzulín je 5:1), C-peptid a minoritné množstvá ďalších látok sú potom balené do sekrečných granúl a po príslušnom signále fúzujú s cytoplazmatickou membránou a uvoľňujú svoj obsah do ECT.

Sekrécia inzulínu

Sekrécia prebieha nasledovným mechanizmom:

• v prípade nárastu hladiny glukózy v plazme (stav po jedle) – a teda úmerne aj v B-bunkách pankreasu – dôjde k zmene membránového potenciálu (depolarizácii).
• Depolarizácia je spôsobená nahromadením ATP v B-bunkách, ktoré vedie k uzatvoreniu ATP-dependentných-K⁺ kanálov, takže draslík sa v bunke hromadí. ATP vzniká v dýchacom reťazci, Acetyl-CoA pre citrátový cyklus pochádza z pyruvátdehydrogenázovej reakcie. Pyruvát vzniká aeróbnou glykolýzou.
• Keďže metabolizmus glukózy začína v B-bunkách glukokinázou (K_m = 10 mmol/l, ten istý enzým sa nachádza ešte v hepatocytoch), je potrebné, aby hladina glukózy stúpla v plazme na hodnotu cca 8–10 mmol/l. Týmto mechanizmom je zabezpečené, aby veľké množstvá ATP vznikali len pri vysokých hladinách glukózy (transportér pre Glc SLC2A2 je aktívny pri vyšších hladinách, normálna hladina Glc je 3,6–5,5 mmol/l).
• V dôsledku depolarizácie sa otvárajú Ca²⁺ kanály, stúpne hladina vápnika v cytoplazme B-buniek a dôjde k fosforylácii cytoskeletu – sekrečné granule splývajú s membránou (Ca²⁺ je potrebný ako kofaktor pre kinázy).
• Postprandiálna sekrécia prebieha v dvoch „fázach“ (resp. dva píky na krivke hladiny inzulínu v plazme v závislosti od času) – ranná a neskorá fáza.
• Na myšiach bolo pozorované, že sekréciu inzulínu zvyšuje aj osteokalcín (glykoproteín produkovaný osteoblastmi v kosti), rovnako ako proliferáciu B-buniek. V ľudskom tele zatiaľ nie je jasné, čo spôsobuje komunikáciu medzi kosťami a reguláciou energetického metabolizmu. V súčasnosti je zrejmé, že inaktivácia tzv. PTPRV génu (kóduje tyrozínfosfatázu prítomnú v kmeňových bunkách, Sertoliho bunkách a osteoblastoch) pozitívne vplýva na proliferáciu B-buniek a sekréciu inzulínu.
• Na druhej strane je sekrécia inzulínu inhibovaná somatostatinom.
• V klinike je dôležité stanovenie množstva C-peptidu ako márkera endogénnej produkcie inzulínu. Využíva sa na rozlíšenie cukrovky prvého a druhého typu, najmä u pacientov liečených exogénne podávaným inzulínom.

Mechanizmus účinku

Inzulínový receptor

Na membráne cieľových buniek je receptor – heterotetramér. Podjednotka α je uložená extracelulárne, viaže hormón. Podjednotku β tvorí transmembránový proteín a jeho intracelulárna časť vykazuje tyrozínkinázovú aktivitu. Podjednotky sú kovalentne spojené disulfidovými väzbami v pomere α₂-β₂.

Prevod signálu

V prípade naviazania inzulínu dôjde k oligomerizácii, zhluknú sa dva (alebo viaceré) receptory k sebe, následne sa zmení konformácia molekúl – dôsledkom je autofosforylácia intracelulárnych častí susedných polovíc receptorov. Syntéza receptoru a následná degradácia prebieha s polčasom rozpadu do 12 hodín. K prevodu signálu slúžia adaptorové proteíny – v prípade inzulínu IRS-1 (inzulin receptor substrate). O druhom poslovi inzulínu sa vedú spory. Celá kaskáda končí fosforyláciou/defosforyláciou cieľových proteínov, popr. spôsobuje vystavenie transportných proteínov alebo pôsobí na DNA (viď ďalší odstavec). Dochádza taktiež k internalizácii („pohlteniu“) komplexu hormón-receptor.

Degradácia

Inzulín je degradovaný (najmä v pečeni, sčasti v obličkách a placente) enzýmom inzulinázou, popr. glutathion-inzulín-transhydrogenázou (pečeň), receptor je znovu vystavený na membráne.

Down-regulation

V prípade, že je koncentrácia inzulínu vysoká, klesá citlivosť tkanív na inzulín (tzv. „down-regulation“ – zníženie počtu receptorov na membránach). To sa podieľa na vzniku inzulínovej rezistencie pri DM II.

Pôsobenie inzulínu

Inzulínom riadený vstup do bunky

Inzulín zvyšuje transport glukózy z krvi do buniek kostrového svalstva, myokardu a tukového tkaniva. Deje sa tak vďaka tomu, že hormón spôsobí vystavenie glukózových transportérov GLUT4 (tie boli zatiaľ v hotovosti pripravené v ICT) na membráne. Deje sa tak najmä v bunkách kostrového svalu, kardiomyocytoch a adipocytoch. Rôznymi metódami (subcelulárna frakcionácia, elektrónová a fluorescenčná mikroskopia) bolo dokázané, že v neprítomnosti inzulínu v týchto tkanivách je väčšina (cca 95 %) množstva GLUT4 umiestnená intracelulárne.

Keďže sa inzulín vyplavuje po jedle – za hladovania (alebo niekoľko hodín po jedle) klesá jeho hladina – je glukóza počas väčšiny dňa (človek je všeobecne pripravený skôr na prežívanie nedostatku ako nadbytku…) šetrená pre mozog práve vďaka tomu, že do svalov a do tuku sa nedostane, resp. dostane v malom množstve (chýba GLUT4 na membráne, pretože chýba inzulín).

Účinky na energetický metabolizmus

Sú odvodené od stavu, v ktorom sa človek nachádza po jedle. Telo dostalo dávku glukózy, ktorú treba spracovať. Preto bude aktívna glykolýza, glykogenéza, lipogenéza a ukladanie lipidov v adipocytoch. Samozrejme, ak treba, glukóza sa ihneď spotrebuje (napr. pracujúcim svalom, mozog žije takmer iba z glukózy…). Inzulín znižuje množstvo cAMP, resp. inhibuje premenu neaktívnej adenylátcyklázy na aktívnu. Vďaka tomu:

• nevznikne proteínkináza A (zostane v inaktívnom stave ako PKB), ktorá by premieňala aktívnu glykogénsyntázu na inaktívnu glykogénsyntázu.
• zostane inaktívna fosforyláza, ktorá je riadiacim enzýmom glykogenolýzy.
• na lipogenézu pôsobí aktiváciou acetyl-CoA-karboxylázy a zároveň nízkou hladinou cAMP inhibuje lipolýzu.

Pôsobením na DNA indukuje inzulín biosyntézu enzýmového komplexu syntázy mastných kyselín a znižuje syntézu fosfoenolpyruvátkarboxykinázy (regulačný enzým glukoneogenézy). V pečeni inhibuje ketogenézu, spôsobuje rast buniek.

Je dobré uvedomiť si, že na metabolizmus ako taký musíme pozerať ako na veľký celok. Ak ovplyvníme metabolickú dráhu v nejakej bunke, v iných bunkách to neostane bez odozvy. Preto na jednej strane vidíme priame pôsobenie inzulínu (jednoducho naviazaním sa na receptor v membráne), na druhej strane nenápadné nepriame zásahy do deja (napr. blok lipolýzy v adipocytoch spôsobí v pečeni nedostatok FFA, preto bude pečeň spracovávať najmä glukózu).

Okrem toho vplýva inzulín pozitívne na rast a replikáciu buniek, na hojenie rán (poznámka: v kultúrach fibroblastov spôsobuje inzulín schopnosť rastových faktorov (FGF, PDGF, EGF…) stimulovať bunkový cyklus).

Fetálne obdobie

Inzulín sa začína tvoriť v 10 týždni a pôsobí tiež na fetálnu organogenézu. (placenta je pre inzulín nepriepustná, preto sa tam materský inzulín nedostane).

Inzulín v terapii

• 

  inzulinové pero

• 

  náplň do inzulinového pera

• 

  inzulinka

• 

  lahvička humánního inzulin 100IU/ml

Odkazy

Související články

• Inzulinoterapie
• Hormony lidského těla: ADH • Estrogeny • Erytropoetin • Gestageny • Glukagón • Glukokortikoidy • Choriový gonadotropin • Inzulin • Katecholaminy • Kalcitonin • Noradrenalin • Parathormon • Prostaglandiny • Renin-angiotenzin-aldosteronový systém • Růstový hormon • Testosteron
• C-peptid
• Diabetes mellitus

Externí odkazy

• Inzulin (česká wikipedie)
• Insulin (anglická wikipedie)

Použitá literatura

• DUŠKA, František. Biochemie v souvislostech, 1.díl – základy energetického metabolizmu. 1. vydání. Praha : Karolinum, 2006. ISBN 80-246-1116-3.

• MURRAY, Robert K.. Harperova biochemie. 2. vydání. Jinočany : H&H, 1998. ISBN 80-7319-013-3.

• MOORE, Keith L. a PERSAUD. Zrození člověka: embryologie s klinickým zaměřením. 1. vydání. Praha : ISV, 2002. 564 s. ISBN 80-85866-94-3.

• GUYTON, Arthur C. a John E. HALL. Textbook of medical physiology. 11. vydání. Philadelphia : Elsevier Saunders, 2006. 1116 s. ISBN 0-8089-2317-X.

• LENEY, Sophie E. a Jeremy M. TAVARÉ. The molecular basis of insulin-stimulated glucose uptake: signalling, trafficking and potential drug targets. Journal of Endocrinology. 2009, vol. 72, no. 203, s. 1-2, ISSN 1479-6805.