Definicja pojęcia:

insulina

Insulina hormon polipeptydowy wytwarzany przez komórki β wysp trzustkowych (wysp Langerhansa), składający się z dwóch łańcuchów peptydowych (łańcucha A i B) połączonych dwoma mostkami dwusiarczkowymi. Insulina jest hormonem o działaniu plejotropowym (ogólnoustrojowym), regulującym przebieg ważnych procesów metabolicznych zachodzących w organizmie; obniża poziom glukozy we krwi poprzez pobudzanie komórek mięśniowych (miocytów), tłuszczowych (adipocytów) i wątrobowych (hepatocytów) do wychwytywania glukozy z naczyń krwionośnych, stymulację syntezy glikogenu (glikogenogenezy) i glikolizy oraz magazynowanie glikogenu w komórkach wątroby i mięśni, hamowanie glukoneogenezy w komórkach wątroby oraz stymulację syntezy kwasów tłuszczowych w wątrobie i tkance tłuszczowej. Insulina pobudza również syntezę białek w organizmie ułatwiając przechodzenie aminokwasów do komórek oraz hamując ich wewnątrzkomórkową degradację (proteolizę). Niedobór insuliny bądź postępująca utrata zdolności receptorów komórkowych do wiązania insuliny, skutkujące wzrostem stężenia glukozy we krwi, prowadzą do rozwoju choroby określanej mianem cukrzycy.
  1. Budowa insuliny
  2. Synteza i wydzielanie insuliny
  3. Działanie insuliny
  4. Cukrzyca

Budowa insuliny

Insulina, hormon wytwarzany przez komórki β wysepek trzustkowych większości kręgowców, jest hormonem polipeptydowym o masie cząsteczkowej ok. 6 kDa (np. masa cząsteczkowa insuliny ludzkiej – 5,808 kDa, insuliny wołowej – 5,734 kDa, insuliny wieprzowej – 5,778 kDa). Cząsteczka insuliny składa się z dwóch łańcuchów peptydowych utworzonych łącznie przez 51 aminokwasów – kwaśnego łańcucha A zbudowanego z 21 aminokwasów i zasadowego  łańcucha B zbudowanego z 30 aminokwasów. Łańcuchy peptydowe insuliny połączone są ze sobą za pośrednictwem dwóch mostków dwusiarczkowych (międzyłańcuchowych mostków dwusiarczkowych) powstających między atomami siarki dwóch reszt cysteiny w pozycjach A7-B7 oraz A20-B19; w łańcuchu A występuje ponadto dodatkowy mostek dwusiarczkowy (wewnątrzłańcuchowy mostek dwusiarczkowy) utworzony pomiędzy atomami siarki reszt cysteinowych w pozycji A6-A11. Sekwencja aminokwasów w cząsteczce insuliny wykazuje niewielką zmienność gatunkową. Wysoce konserwatywne (niezmienne) aminokwasy tworzą trzy mostki dwusiarczkowe, obydwa końce łańcucha A oraz koniec karboksylowy łańcucha B (koniec C); różnice w budowie łańcucha A dotyczą głównie aminokwasów w pozycjach A8, A9, A10, różnice w budowie łańcucha B – aminokwasu w pozycji B30.

Pojedyncze cząsteczki insuliny (monomery) wykazują tendencję do tworzenia dimerów dzięki wiązaniom wodorowym powstającym pomiędzy końcami karboksylowymi łańcuchów B; powstałe w ten sposób dimery insuliny w obecności jonów cynku (Zn²⁺) mogą łączyć się w większe agregaty – heksamery utworzone z trzech dimerów insuliny i osiągające masę ok. 36 kDa. Insulina, pierwszy odkryty hormon białkowy, została wyizolowana z wyciągu trzustkowego w 1922 roku przez kanadyjskich fizjologów Fredericka Granta Bantinga i Charlesa Herberta Besta. Struktura pierwszorzędowa insuliny, czyli sekwencja aminokwasów w cząsteczce tego hormonu, została ustalona w 1955 roku przez angielskiego biochemika Fredericka Sangera. Insulina syntetyczna została otrzymana po raz pierwszy w 1963 roku jednocześnie przez niemieckiego chemika Helmuta Zahna oraz amerykańskiego biochemika Panayotisa G. Katsoyannisa. Struktura przestrzenna insuliny została ustalona w 1969 roku przez angielską biochemiczkę Dorothy Hodgkin za pomocą krystalografii rentgenowskiej.
Budowa chemiczna insuliny ludzkiej. Źródło: shutterstock

Synteza i wydzielanie insuliny

Insulina jest hormonem trzustkowym wytwarzanym w odpowiedzi na podwyższone stężenie glukozy we krwi. Insulina ludzka syntetyzowana jest przez komórki β wysepek trzustkowych (wysepek Langerhansa) w postaci prekursorowego peptydu – preproinsuliny zbudowanego ze 110 aminokwasów. Preproinsulina posiada na swym końcu aminowym 24-aminokwasowy peptyd sygnałowy, który kieruje łańcuch polipeptydowy do światła szorstkiego retikulum endoplazmatycznego, gdzie pod wpływem działania proteazy odcinającej peptyd sygnałowy powstaje nieaktywna cząsteczka prekursorowa insuliny (prohormon) – proinsulina składająca się z 86 aminokwasów. Cząsteczka proinsuliny ulega następnie procesowi fałdowania białka, dzięki czemu uzyskuje właściwą konformację złożoną z dwóch łańcuchów peptydowych A i B połączonych dwoma mostkami dwusiarczkowymi i znajdującego się między tymi łańcuchami dodatkowego peptydu C zbudowanego z 35 aminokwasów. Dojrzewanie proinsuliny odbywa się na drodze obróbki enzymatycznej polegającej na wycięciu peptydu C z cząsteczki przez endopeptydazy. Powstała w ten sposób aktywna postać hormonu, insulina, wydzielana jest następnie przez komórki β do naczyń włosowatych wysepek trzustkowych i dostarczana jest za pośrednictwem naczyń krwionośnych do komórek docelowych.

Wydzielanie insuliny przez komórki β trzustki regulowane jest głównie przez wzrost stężenia glukozy we krwi tętniczej przepływającej przez naczynia włosowate wysepek trzustkowych  Proces ten stymuluje także obecność poposiłkowych aminokwasów (np. argininy, leucyny), kwasów tłuszczowych i produktów ich utleniania (ketokwasów), hormonów jelitowych (cholecystokininy, hormonów z grupy inkretyn) oraz pobudzenie przywspółczulnego układu nerwowego (wydzielanie acetylocholiny). Aktywność wydzielnicza komórek β hamowana jest przez spadek stężenia glukozy we krwi, somatostatynę (hormon podwzgórza i komórek δ wysp trzustkowych), leptynę (białko wydzielane przez komórki tłuszczowe) oraz pobudzenie współczulnego układu nerwowego (wydzielanie noradrenaliny). Proces wydzielania insuliny przez komórki β trzustki obejmuje wczesną fazę wydzielania insuliny (fazę poposiłkowego wydzielania insuliny) cechującą się szybkim wzrostem poziomu insuliny w odpowiedzi na wzrost stężenia glukozy) oraz fazę drugą (fazę wydzielania podstawowego) cechującą się ciągłym wydzielaniem niewielkich ilości insuliny w celu utrzymania prawidłowego poziomu glukozy we krwi pomiędzy posiłkami. Wzrost stężenia glukozy w fazie wczesnej wydzielania insuliny powoduje jej zwiększony napływ do komórek β przez transportery glukozy (GLUT-2). We wnętrzu komórki glukoza ulega fosforylacji do glukozo-6-fosforanu, który włączany jest następnie do szlaku glikolitycznego. Wynikiem procesów zachodzących podczas glikolizy jest wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia ATP, który blokuje ATP-wrażliwe kanały potasowe, co prowadzi do depolaryzacji błony komórkowej i otwarcia napięciowo-zależnych kanałów wapniowych. Napływ jonów wapnia do wnętrza komórki stymuluje pęcherzyki wydzielnicze komórek β wysepek trzustkowych do uwalniania insuliny.
Schemat powstawania i obróbki potranslacyjnej insuliny. Źródło: shutterstock

Działanie insuliny

Insulina jest hormonem polipeptydowym o działaniu plejotropowym (ogólnoustrojowym), który odpowiedzialny jest za regulację przebiegu wielu ważnych procesów metabolicznych zachodzących w organizmie. Insulina obniża stężenie glukozy we krwi poprzez pobudzanie komórek mięśniowych (miocytów) (głównie mięśni szkieletowych), komórek tłuszczowych (adipocytów) oraz komórek wątroby (hepatocytów) do wychwytywania glukozy z naczyń krwionośnych (gdzie wykorzystywana jest jako źródło energii bądź magazynowana w postaci glikogenu), stymulację syntezy glikogenu (glikogenogenezy) i szlaku glikolitycznego (glikolizy) w komórkach wątroby i mięśni, hamowanie glukoneogenezy (przemiany aminokwasów, glicerolu i mleczanów glukozę) w komórkach wątroby oraz stymulację syntezy kwasów tłuszczowych w wątrobie i tkance tłuszczowej (lipogenezę). Insulina wraz z antagonistycznie działającym glukagonem wydzielanym przez komórki α wysepek trzustkowych, odpowiadają za homeostazę glukozy. Insulina jest głównym hormonem anabolicznym odpowiedzialnym za przemianę małych cząsteczek krążących we krwi w duże cząsteczki we wnętrzu komórek docelowych. Pobudza syntezę białek przez stymulację wychwytu aminokwasów krążących we krwi przez komórki mięśniowe (miocyty) oraz hamowanie ich wewnątrzkomórkowej degradacji (proteolizy). Wpływa również na wzrost tkanki tłuszczowej poprzez ułatwienie transportu krążących we krwi kwasów tłuszczowych do wnętrza komórek tłuszczowych (adipocytów) i hamowanie procesu hydrolitycznego rozkładu tłuszczów (lipolizy).

Insulina wykazuje działanie biologiczne po związaniu się ze swoistymi receptorami obecnymi w błonie komórek docelowych (m.in. komórek wątrobowych, komórek mięśni szkieletowych, komórek tłuszczowych, komórek mózgu, komórek tucznych, komórek układu krwionośnego). Aktywność i jego zdolność oddziaływania insuliny z receptorem insulinowym warunkowane są przez aminokwasy w pozycjach A1, A5, A19, A29 łańcucha A oraz aminokwasy w pozycjach B12, B16, B23-25 w łańcuchu B. Receptor insulinowy (IR) jest błonową glikoproteiną złożoną z czterech podjednostek (2α i 2β) połączonych mostkami dwusiarczkowymi. Podjednostki β wykazują aktywność receptorowej kinazy tyrozynowej wyzwalaną po związaniu się receptora insulinowego z cząsteczką hormonu. Receptorowa kinaza tyrozynowa katalizuje następnie fosforylację białek komórkowych określanych mianem substratów receptora insuliny (IRS). Proces ten zapoczątkowuje kaskadę sygnałową, która prowadzi do aktywacji innych kinaz komórkowych i czynników transkrypcyjnych, pośredniczących w wewnątrzkomórkowym oddziaływaniu insuliny, m.in. fuzji endosomów z transporterem glukozy (GLUT-4) z błoną komórki docelowej umożliwiającej wychwyt glukozy krążącej we krwi, syntezie glikogenu (glikogenogezie) i cyklu glikolitycznym zachodzących w wątrobie i tkance mięśniowej bądź  przemianie glukozy w kwasy tłuszczowe (lipogenezie) w wątrobie i tkance tłuszczowej.
Regulacja stężenia glukozy we krwi. Źródło: shutterstock

Cukrzyca

Cukrzyca (łac. diabetes mellitus) jest chorobą spowodowaną przez zaburzenia przemiany węglowodanowej (cukrowej) wynikające z niedoboru lub całkowitego braku insuliny bądź utraty zdolności receptorów insulinowych komórek docelowych do wiązania insuliny, czego skutkiem jest zaburzenie homeostazy glukozy objawiające się wzrostem stężenia glukozy we krwi. Cukrzyca niesie ze sobą poważne konsekwencje zdrowotne dla organizmu, do których zaliczają się powikłania mikronaczyniowe (mikroangiopatie – zmiany w małych naczyniach krwionośnych i naczyniach włosowatych), m.in. cukrzycowa choroba oczu (retinopatia cukrzycowa), cukrzycowa choroba nerek (nefropatia cukrzycowa), uszkodzenie naczyń krwionośnych układu nerwowego (polineuropatia cukrzycowa, cukrzycowa neuropatia autonomicznego układu nerwowego); powikłania makronaczyniowe (makroangiopatie – zmiany w dużych naczyniach krwionośnych), m.in. choroby układu krążenia (zawał mięśnia sercowego, udar mózgu, choroba niedokrwienna serca, stopa cukrzycowa); zaburzenia metaboliczne, m.in. zwiększona mobilizacja tłuszczów prowadząca do kwasicy (ketozy), zwiększone zużycie białek prowadzące do spadku masy ciała i wyniszczenia organizmu; oraz spadek odporności skutkujący zwiększoną podatnością na infekcje.

Cukrzyca typu I (cukrzyca insulinozależna) jest chorobą autoimmunologiczną polegającą na nieprawidłowej odpowiedzi immunologicznej układu odpornościowego organizmu, w wyniku której powstają przeciwciała skierowane przeciwko antygenom komórek β wysepek trzustkowych, co prowadzi do stopniowego niszczenia tych komórek i w konsekwencji do spadku wydzielania insuliny (insuliny endogennej). Leczenie cukrzycy typu I polega na przyjmowaniu insuliny egzogennej w formie zastrzyków. Cukrzyca typu II (cukrzyca insulinoniezależna) spowodowana jest przez utratę zdolności receptorów insulinowych komórek docelowych do wiązania insuliny (insulinooporność), która może być wynikiem wady genetycznej receptora insulinowego bądź zaburzeń szlaków sygnałowych dla insuliny. Insulina jest wydzielana przez komórki β wysepek trzustkowych, komórki docelowe nie są jednak zdolne do pobrania glukozy z naczyń krwionośnych, w związku z czym stężenie cukru we krwi wzrasta. Cukrzyca typu II wynika bardzo często z niezdrowego trybu życia; jej leczenie polega więc na ograniczeniu stężenia glukozy we krwi przez regularną aktywność fizyczną, stosowanie odpowiedniej diety oraz przyjmowanie leków przeciwcukrzycowych (np. metforminy).
Typy cukrzycy. Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Aleksander Michajlik, Ramotowski Witold, PZWL ; “Anatomia i fizjologia człowieka ”; Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2013.;
  2. Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson ; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.;
  3. Eldra Pearl Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee; “Biologia”; Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1996.;
  4. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. IV, VII, VIII, X, XIII”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-2000.;
  5. Valerie C. Scanlon, Tina Sanders ; “Essentials of Anatomy and Physiology”; F.A. Davis Company 2006. ;
  6. Bernhard Kleine, Winfried G. Rossmanith; “Hormones and the Endocrine System: Textbook of Endocrinology ”; Springer-Verlag GmbH, 2016. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.8
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy