Инсулины. Что такое инсулин и какова его роль в организме? Структурная единица инсулина

О сахарном диабете слышали все. К счастью, многие люди не имеют такого заболевания. Хотя часто бывает и так, что болезнь развивается очень тихо, незаметно, лишь при плановом обследовании или же в экстренной ситуации показывая свое лицо. Зависит диабет от уровня определенного гормона, вырабатываемого и усваиваемого организмом человека. О том, что такое инсулин, как он работает, и какие проблемы может вызвать его избыток или недостаток, будет рассказано ниже.

Гормоны и здоровье

Эндокринная система - один из компонентов организма человека. Многие органы продуцируют сложные по своему составу вещества - гормоны. Они важны для качественного обеспечения всех процессов, от которых зависит жизнедеятельность человека. Одно из таких веществ - гормон инсулин. Его избыток сказывается на только на работе многих органов, но и на самой жизни, ведь резкое падение или повышение уровня этого вещества может стать причиной комы или даже смерти человека. Поэтому определенная группа людей, страдающих от нарушения уровня этого гормона, постоянно носят с собой шприц с инсулином, чтобы иметь возможность сделать себе жизненно важную инъекцию.

Гормон инсулин

Что такое инсулин? Этот вопрос интересен тем, кто знаком с его избытком или недостатком не понаслышке, и тем, кого проблема инсулинового дисбаланса не коснулась. Гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и получивший свое название от латинского слова "insula", что в переводе означает "остров". Свое название этот вещество получило за счет области образования - островков Лангерганса, расположенных в тканях поджелудочной железы. В настоящее время учеными именно этот гормон изучен наиболее полно, ведь он оказывает влияние на все процессы, протекающие во всех тканях и органах, хотя основная его задача состоит в понижении уровня сахара крови.

Инсулин как структура

Строение инсулина уже не секрет для ученых. Изучение этого важного для всех органов и систем гормона началось еще в конце XIX века. Примечательно, что клетки поджелудочной железы, продуцирующие инсулин, - островки Лангерганса, получили свое название по имени студента-медика, первого обратившего внимание на скопления клеток в ткани изучаемого под микроскопом органа пищеварительной системы. Прошло почти столетие с 1869 года, прежде чем фармацевтическая промышленность наладила массовое производство препаратов с инсулином, чтобы люди, страдающие диабетом, смогли значительно улучшить качество своей жизни.

Структура инсулина - это сочетание двух полипептидных цепочек, состоящих из аминокислотных остатков, соединенных так называемыми дисульфидными мостиками. Молекула инсулина содержит 51 остаток аминокислот, условно разделенных на две группы - 20 под индексом "А" и 30 под индексом "В". Отличия инсулина человека и свиньи, например, присутствует лишь в одном остатке под индексом "В", человеческий инсулин и гормон поджелудочной быка отличается тремя остатками индекса "В". Поэтому природный инсулин из поджелудочной железы этих животных - один из самых распространенных компонентов для лекарств при диабете.

Научные исследования

Взаимозависимость некачественной работы поджелудочной и развитие диабета - заболевания, сопровождающегося повышением уровня глюкозы крови и моче, было подмечено врачами достаточно давно. Но лишь в 1869 году студентом-медиком из Берлина 22-х летним Паулем Лангергансом были открыты группы клеток поджелудочной железы, ранее не известные ученым. И именно по имени молодого исследователя они получили свое название - островки Лангерганса. Спустя некоторое время при проведении опытов учеными было доказано, что секрет этих клеток влияет на пищеварение, а его отсутствие резко повышает уровень сахара крови и моче, что оказывает негативное влияние на состояние пациента.

Начало ХХ века ознаменовалось открытием российским ученым Иваном Петровичем Соболевым зависимости углеводного обмена от активности продуцирования секрета островков Лангерганса. Еще достаточно длительное время биологи расшифровывали формулу этого гормона, чтобы получить возможность синтезировать его искусственным путем, ведь больных сахарным диабетом очень и очень много, и количество людей с таким заболеванием постоянно растет.

Лишь в 1958 году была определена последовательность аминокислот, из которых образуется молекула инсулина. За это открытие молекулярный биолог из Великобритании Фредерик Сенгер был удостоен Нобелевской премии. А вот пространственную модель молекулы этого гормона в 1964 году при помощи метода рентгеновской дифракции определила Дороти Кроуфут-Ходжкин, за что также получила высшую научную награду. Инсулин в крови является одним основных показателей здоровья человека, а его колебание за пределы определенных нормативных показателей служит поводом тщательного обследования и постановки определенного диагноза.

Где продуцируется инсулин?

Для того чтобы понять, что такое инсулин, необходимо уяснить - для чего человеку необходима поджелудочная железа, ведь именно она является тем органом, относящимся к эндокринной и пищеварительной системам, который вырабатывает этот гормон.

Структура каждого органа сложна, ведь помимо отделов органа, в нем работают и различные ткани, состоящие из разных клеток. Особенностью поджелудочной железы являются островки Лангерганса. Это особые скопления гормонпродуцирующих клеток, расположенных по всему телу органа, хотя основное их расположение - хвост поджелудочной железы. У взрослого человека, по подсчетам биологов, насчитывается порядка одного миллиона таких клеток, а их общая масса составляет всего около 2 % от массы самого органа.

Как вырабатывается "сладкий" гормон?

Инсулин в крови, содержащийся в определенном количестве, является одним из показателей здоровья. Чтобы прийти к такому явному для современного человека понятию, ученым понадобился не один десяток лет кропотливых исследований.

Поначалу были выделены два типа клеток, из которых состоят островки Лангерганса, - клетки А типа и клетки В типа. Их разница состоит в продуцировании разного по своей функциональной направленности секрета. Клетки типа А производят глюкагон - гормон пептидного характера, который способствует распаду гликогена в печени и поддержанию постоянного уровня глюкозы крови. Бета-клетки секретируют инсулин - пептидный гормон поджелудочной железы, который понижает уровень глюкозы, тем самым влияя на все ткани и, соответственно, органы организма человека или животного. Здесь прослеживается четкая взаимосвязь - А-клетки поджелудочной железы потенцируют появление глюкозы, которая в свою очередь заставляет работать Б-клетки, секретируя инсулин, снижающий уровень сахара. Из островков Лангерганса "сладкий" гормон продуцируется и попадает в кровь в несколько этапов. Препроинсулин, который является пептидом-предшественником инсулина, синтезируется на рибосомах короткого плеча 11 хромосомы. Этот начальный элемент состоит из 4 видов аминокислотных остатков - A-пептид, B-пептид, C-пептид и L-пептид. Он попадает в эндоплазматическую сеть эукариотической сетки, где от него отщепляется L-пептид.

Таким образом препроинсулин превращается в проинсулин, проникающий в так называемый аппарат Гольджи. Именно там происходит созревание инсулина: проинсулин теряет С-пептид, разделяясь на инсулин и биологически неактивный пептидный остаток. Из островков Лангерганса инсулин секретируется под воздействием глюкозы в крови, которая попадает в В-клетки. Там в следствии цикла химических реакций из секреторных гранул выделяется ранее секретированный инсулин.

В чем роль инсулина?

Действие инсулина изучалось учеными-физиологами, патофизиологами длительное время. В настоящий момент это наиболее изученный гормон человеческого организма. Инсулин важен практически для всех органов и тканей, участвуя в абсолютном большинстве обменных процессов. Особая роль отведена взаимодействию гормона поджелудочной железы и углеводов.

Глюкоза является производным веществом при метаболизме углеводов и жиров. Она попадет в В-клетки островков Лангерганса и заставляет их активно секретировать инсулин. Максимальную работу этот гормон осуществляет при транспортировке глюкозы в жировую и мышечную ткани. Что такое инсулин для обмена веществ и энергии в организме человека? Он потенцирует или блокирует многие процессы, тем самым влияя на работу практически всех органов и систем.

Путь гормона в организме

Один из важнейших гормонов, оказывающих влияние на все системы организма -инсулин. Его уровень в тканях и жидкостях организма служит показателем состояния здоровья. Путь, который проходит этот гормон от продуцирования до элиминации, очень сложен. В основном выводится он почками и печенью. Но ученые-медики проводят исследование клиренса инсулина в печени, почках и тканях. Так в печени, проходя через воротную вену, так называемую портальную систему, распадается около 60 % инсулина, выработанного поджелудочной железой. Остальное количество, а это оставшиеся 35-40 %, выводится почками. Если инсулин вводится парентерально, то он не проходит воротную вену, а значит, основная элиминация осуществляется почками, что сказывается на их работоспособности и, если можно так сказать, износе.

Главное - баланс!

Инсулин можно назвать динамическим регулятором процессов образования и утилизации глюкозы. Повышают уровень сахара крови несколько гормонов, например, глюкагон, соматотропин (гормон роста), адреналин. А вот снижает уровень глюкозы только лишь инсулин и в этом он уникален и чрезвычайно важен. Именно поэтому его еще называют гипогликемическим гормоном. Характерный показатель определенных проблем со здоровьем - сахар крови, который напрямую зависит от продуцирования секрета островков Лангерганса, ведь уменьшает глюкозу в крови именно инсулин.

Норма сахара в крови, определяемая натощак у здорового взрослого человека, составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/литр. В зависимости от того, как давно человек употреблял пищу, этот показатель варьируется в пределах 2,7 - 8,3 ммоль/литр. Учеными выяснено, что прием пищи провоцирует скачок уровня глюкозы в несколько раз. Длительное устойчивое повышение количества сахара в крови (гипергликемия) свидетельствует о развитии сахарного диабета.

Гипогликемия - понижение этого показателя, может стать причиной не только комы, но и летального исхода. Если уровень сахара (глюкозы) падает ниже физиологически допустимого значения, в работу включаются гипергликемические (контринсулиновые) гормоны, высвобождающие глюкозу. А вот адреналин и другие гормоны стресса сильно подавляют выделение инсулина даже на фоне повышенного уровня сахара.

Гипогликемия может развиться при понижении количества глюкозы в крови из-за избытка инсулинсодержащих препаратов или из-за избыточной выработки инсулина. Гипергликемия, наоборот, запускает продуцирование инсулина.

Инсулинзависимые болезни

Повышенный инсулин провоцирует понижение уровня сахара крови, что при отсутствии экстренных мер может привести к гипогликемической коме и летальному исходу. Такое состояние возможно при не выявленном доброкачественном новообразовании из бета-клеток островков Лангерганса в поджелудочной железе - инсулиноме. Однократная избыточная доза инсулина, введенная преднамеренно, использовалась некоторое время в терапии шизофрении для потенцирования инсулинового шока. А вот длительное введение больших доз препаратов инсулина вызывает симптомокомплекс под названием синдром Сомоджи.

Устойчивое повышение уровня глюкозы крови носит название сахарного диабета. Специалистами это заболевание делится на несколько типов:

• диабет 1 типа основан на недостаточности продуцирования инсулина клетками поджелудочной железы, инсулин при диабете 1 типа является жизненно необходимым препаратом;
• диабет 2 типа характеризуется понижением порога чувствительности инсулинзависимых тканей к этому гормону;
• MODY-диабет - это целый комплекс генетических дефектов, в совокупности дающих снижение количества секрета В-клеток островков Лангерганса;
• гестационный сахарный диабет развивается только у беременных, после родов он или исчезает, или в значительной степени снижается.

Характерным признаком любого типа этого заболевания является не только повышение уровня глюкозы крови, но и нарушение всех обменных процессов, что приводит к тяжелым последствиям.

С диабетом нужно жить!

Еще не так давно сахарный диабет в инсулинзависмой форме считался чем-то, серьезно ухудшающим качество жизни пациента. Но сегодня для таких людей разработано немало приборов, значительно упрощающих ежедневные рутинные обязанности для поддержания здоровья. Так, например, шприц-ручка для инсулина стала незаменимым и удобным атрибутом для регулярного приема необходимой дозы инсулина, а глюкометр позволяет не выходя из дома, самостоятельно контролировать уровень сахара в крови.

Виды современных препаратов инсулина

Люди, которые вынуждены принимать лекарственные препараты с инсулином, знают, что фармацевтическая промышленность выпускает их в трех разных позициях, характеризующихся длительностью и типом работы. Это так называемые типы инсулина.

1. Ультракороткие инсулины - новинка фармакологии. Они действуют в течение всего 10-15 минут, но за это время успевают сыграть роль естественного инсулина и запустить все обменные реакции, которые нужны организму.
2. Короткие или быстродействующие инсулины принимаются непосредственно перед приемом пищи. такой препарат начинает работать спустя 10 минут после введения внутрь, а продолжительность его действия составляет максимум 8 часов с момента введения. Для этого типа характерна прямая зависимость от количества активного вещества и длительности его работы - чем больше доза, тем дольше она работает. Инъекции короткого инсулина вводятся или подкожно, или внутривенно.
3. Средние инсулины представляют самую большую группу гормонов. Они начинают работать спустя 2-3 часа после введения в организм и действуют в течение 10-24 часов. У разных препаратов среднего инсулина могут быть разные пики активности. Зачастую врачи назначают комплексные препараты, включающие в себя короткий и средний инсулины.
4. Инсулины длительного действия считаются базовыми препаратами, которые принимаются 1 раз за сутки, а потому называют базовыми. Работать инсулин пролонгированного действия начинает спустя лишь 4 часа, поэтому при тяжелых формах заболевания пропускать его прием не рекомендуется.

Решить вопрос о том, какой инсулин выбрать для конкретного случая сахарного диабета, может лечащий врач с учетом многих обстоятельств и течения заболевания.

Что такое инсулин? Жизненно важный, наиболее подробно изученный гормон поджелудочной железы, отвечающий за снижение уровня сахара в крови и участвующий практически во всех обменных процессах, протекающих в абсолютном большинстве тканей организма.

(от лат. Insula — остров) — гормон пептидной природы, образуется в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Влияет на многие аспекты обмена веществ практически во всех тканях. Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови.

Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ключевые ферменты гликолиза, стимулирует превращение в печени и мышцах глюкозы в гликоген, усиливает синтез жиров и белков. Кроме того, инсулин подавляет активность ферментов, расщепляющих гликоген и жиры. То есть, кроме анаболического действия, инсулин обладает также и антикатаболическим эффектом.

Нарушение секреции инсулина вследствие деструкции бета-клеток — абсолютная недостаточность инсулина — является ключевым звеном патогенеза сахарного диабета 1-го типа. Нарушение действия инсулина на ткани — относительная инсулиновая недостаточность — имеет важное место в развитии сахарного диабета 2-го типа.

Строение молекулы инсулина

Инсулин — это небольшой белок молекулярной массой 5,8 кДа. Он состоит из двух полипептидных цепей: А (21 аминокислота) и B (30 аминокислот). Молекула инсулина содержит три дисульфидные связи: два из них соединяют между собой A и B-цепи, а третий расположен внутри A-цепи. Бычий инсулин имеет такую ​​первичную структуру:

Структура инсулина почти не изменилась в эволюции высших позвоночных, в частности инвариабельнимы является положение дисульфидных связей, аминокислот и карбокситерминальни участка A-цепи, и гидрофобные аминокислоты около C-конца B-цепи. Человеческий инсулин отличается от бычьего двумя аминокислотными заменами в A-цепи: в 8-м положении треонин вместо аланина, а в 10-м изолейцин вместо валина. Свиной гормон еще ближе к человеческому, он отличается всего одной аминокислотой: аланином в 30-м положении B-цепи вместо треонина.

В разведенном растворе молекулы инсулина существуют в мономерной состоянии, каждая такая молекула состоит из гидрофобного сердцевины и преимущественно гидрофильной поверхности, за исключением двух неполярных участков. Эти участки участвуют в образовании димеров и гексамеров. В концентрированных растворах, например в препаратах для инъекции, и кристаллах, как внутри секреторных везикул β-клеток, шесть мономеров инсулина вместе с двумя атомами цинка образуют гексамеров. Таким образом после подкожного введения инсулина он всасывается в кровь медленно, потому, что для диссоциации гексамеров необходимо дополнительное время.

Образование и секреция

Синтез инсулина в клетке

Инсулин синтезируется в β-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Ген предшественника инсулина — препроинсулина — у человека локализуется в коротком плече 11 хромосомы. Он содержит 3 экзона и 2 интрона. В других животных, например мышей, крыс и трех видов рыб, имеются два гена инсулина.

Препроинсулина человека состоит из 110 аминокислот: 24 из них составляют гидрофобный N-конечную лидерных последовательность (сигнальный пептид), за ней расположен B-ланюцюг, далее — последовательность Арг-Арг, соединительный C-пептид (от англ. Connecting peptide — с «соединительный пептид), последовательность Лиз-Арг, и А-цепь на C-конце. Лидерных последовательность необходима для котрансляцийного транспорта препроинсулина в полость шероховатого эндоплазматического ретикулума. После прохождения через мембрану лидерных последовательность отщепляется специальной сигнальной пептидазы и быстро деградирует. Образующийся после этого проинсулин состоит из 86 аминокислотных остатков и не обладает гормональной активностью. В эндоплазматическом ретикулуме происходит его свертывания и формирования внутри молекулы трех дисульфидных связей.

После образования правильной пространственной структуры проинсулин в транспортных везикулах переносится в цис -стороны комплекса Гольджи. В ходе движения прогормоном от цис — до транс -Гольджи происходит его отсортировку в компартмент секреторных гранул. Здесь, в незрелых гранулах, проинсулин подлежит дальнейшей модификации, а именно ограниченном протеолиза, что начинается с действия двух прогормонконвертаз (PC2 и PC3). Эти ферменты действуют специфически на карбоксикинцевий стороне последовательности из двух положительно заряженных аминокислот. В молекуле проинсулина есть два таких сайты: Арг31-Арг32 (место действия PC2) и между Лиз64-Арг65 (место действия PC3), где и происходит разрыв пептидных связей. Сразу же после прогормонконвертаз ферментативную активность проявляет карбоксипептидазы-H, которая отщепляет основные аминокислоты от образованных концов. Конечными продуктами протеолиза является молекула инсулина и C-пептид длиной 31 аминокислота. По сравнению с A- и B-цепями инсулина C-пептид значительно более вариабельным у позвоночных животных, его длина колеблется от 28 (у коров) до 38 у представителей семьи удильщику.

Зрелые секреторные везикулы β-клеток содержат кристаллический инсулин в форме гексамеров с атомами цинка и эквимолярных количество C-пептида. Они составляют пул гормона, предназначенный для экзоцитоза в ответ на стимул. Время полжизни β-гранул составляет несколько дней, и если они не секретируют свое содержимое, то подлежат деградации путем слияния с лизосомами. При повышенной потребности организма в инсулине деградация происходит медленнее.

Регуляция синтеза инсулина происходит на нескольких уровнях, в частности на уровне транскрипции, сплайсинга пре-мРНК, деградации мРНК, трансляции и посттрансляционной модификации. Сильнейшим стимулятором этих процессов является глюкоза, однако биосинтез проинсулина может включаться также другими сахарами, аминокислотами, в частности лейцином, промежуточными продуктами гликолиза, кетоновыми телами, гормоном роста, глюкагоном и некоторыми другими факторами.

Секреция инсулина

Бета-клетки поджелудочной железы, как типичные эндокринные клетки, секретируют большинство (95%) своего основного продукта — инсулина — регулируемым путем. Важнейшим активатором этого пути является глюкоза. В мембранах бета-клеток постоянно присутствуют переносчики глюкозы GLUT2, через которые она может свободно диффундировать. Благодаря этому увеличение концентрации глюкозы в крови приводит к аналогичному повышение ее уровня и в бета-клетках. Здесь она сразу же становится субстратом гексокиназную реакции, продуктом которой является глюкозо-6-фосфат. В инсулин-синтезирующих клетках поджелудочной железы экспрессируется один из изоферментов гексокиназы — гексокиназа IV или глюкокиназа, для нее характерна низкая сродство к субстрату: константа Михаэлиса составляет 10 мм, что превышает нормальное содержание глюкозы в крови (4-5 мм). Благодаря этому глюкокиназа может работать «глюкозы-сенсором», активируясь только в условиях гипергликемии.

Глюкозо-6-фосфат вступает в реакции гликолиза, продукты которого дальше окисляются в митохондриях, в результате чего в клетке образуется большое количество АТФ. Повышение концентрации АТФ приводит к закрытию АТФ-управляемых калиевых каналов (англ. ATP-gated K + channels, KATP) в плазмалемме. Вследствие уменьшения оттока калия из клетки мембрана деполяризуется, а это ведет к открытию потенциал-управляемых кальциевых каналов и приток кальция в клетку. Первоначальное увеличение концентрации ионов Ca 2+ в цитозоле ведет к дальнейшему их высвобождение из эндоплазматического ретикулума. Кальций вызывает слияние клатрин-окаймленных бета-гранул из плазмалемме и высвобождение их содержания в межклеточное пространство, откуда инсулин попадает в кровь через фенестровани стенки капилляров.

На активность АТФ-управляемых калиевых каналов кроме собственно АТФ могут влиять и другие вещества. Эти трансмембранные белки состоят из восьми субъединиц: четырех идентичных Kir6.2 и четырех идентичных SUR1. Первые формируют гидрофильный тоннель и отвечают за чувствительность к АТФ, а вторые являются рецепторами к Сульфанилмочевины (англ. S ulphonyl u rea r eceptor) и могут инактивировать канал после связывания со своим лигандом. Таким образом сульфонилмочевины активируют синтез инсулина, благодаря чему используются пероральные сахароснижающие препараты при сахарном диабете.

Кроме регулируемого существует так называемый «конститутивный путь» секреции инсулина бета-клетками, он работает при определенных расстройств, таких как инсулинома и сахарный диабет второго типа. В этом случае большое количество незрелого гормона (проинсулина или промежуточных «расщепленных» форм) выделяется прямо с везикул, образующихся в эндоплазматическом ретикулуме.

Регуляция секреции инсулина

Островки Лангерганса рядом иннервированные автономными и пептидергичнимы нервными волокнами. Холинергические окончания блукаючного нерва, является частью парасимпатической нервной системы стимулируют секрецию инслуину, в то время как адренергические окончания симпатической нервной системы подавляют этот процесс. Другие нервы выделяют вазоактивный интестинальный пептид, стимулирующий секрецию всех гормонов поджелудочной железы, и нейропептид Y, блокирует выделение инсулина.

Собственные гормоны поджелудочной железы также влияют на секрецию инсулина глюкагон стимулирует ее, а соматостатин — удручает. Кроме того инсулин действует автокринно активируя транскрипцию собственного гена и гена глюкокиназы.

Во время приема пищи секреция инсулина увеличивается не только под влиянием глюкозы или углеводов, а также аминокислот, особенно лейцина и аргинина некоторых гормониив пищеварительной системы системы: холецистокинина, глюкозозависимый инсулинотропный пептида, а также таких гормонов, как глюкагон, АКТГ, эстроген и другие. Также секрецию инсулина усиливает повышение уровня калия или кальция, свободных жирных кислот в плазме крови.

Инкертиновий эффект

Инкретиновий эффект — это феномен, заключающийся выделении значительно большей количеством инсулина в ответ на пероральное употребление глюкозы по сравнению с ее введением. За это явление отвечают гормоны пищеварительного тракта, секретируемых во время еды и усиливают глюкозо-стимулируемый высвобождение инсулина. К инкретинових гормонов относятся в частности глюкагоноподобного пептид-1 и желудочный ингибирующий полипептид, первый из них секретируются L-, а второй — K-клетками верхней части тонкой кишки.

Физиологическое действие инсулина

Влияние инсулина на уровень глюкозы в крови

Метаболический эффект	Молекула-мишень
Захват глюкозы (мышцы и жировая ткань)	Транспортер глюкозы GLUT4
Захват глюкозы (печень)	Глюкокиназа (повышенная экспрессия)
Синтез гликогена (печень и мышцы)	Гликогенсинтаза
↓ Расщепление гликогена (печень и мышцы)	↓ гликогенфосфорилазы
Гликолиз, продуцирование ацетил-КоА (печень и мышцы)	Фосфофруктокиназы-1 (через ФФК-2) пируватдегидрогеназного комплекс
Синтез жирных кислот (печень)	Ацетил-КОА-карбоксилаза
Синтез триацилгилцеролив (жировая ткань)	Липопротеинлипазу

Основная физиологическое действие инсулина заключается в снижении содержания глюкозы в крови, однако она не ограничивается этим, гормон также влияет на метаболизм белков и липидов. Одним из основных эффектов инсулина является то, что он стимулирует усиление усвоения глюкозы мышцами и жировой тканью, однако не влияет на этот процесс в печени, почках и мозга, клетки которых могут транспортировать глюкозу даже при отсутствии гормональной стимуляции. Также инсулин блокирует те метаболические пути, конечным продуктом которых является глюкоза, в частности глюконеогенез и расщепления гликогена, и стимулирует те, в которых она используется. Первый приоритет при этом принадлежит удовлетворению энергетических потребностей, в частности протеканию гликолиза, конечным продуктом которого является пируват, и дальнейшего окисления пирувата до ацетил-КоА, который может быть использован в цикле трикарбоновых кислот. Остаток глюкозы используется на пополнение запасов гликогена в печени и мышцах. В печени инсулин также стимулирует синтез жирных кислот с ацетил-КоА, необходимый для этого НАДФH производится в пентозофосфатному пути. Далее жирные кислоты в форме триглицеридов транспортируются к жировой ткани. Инсулин также влияет на метаболизм косвенно через головной мозг. Он влияет на ядра гипоталамуса таким образом, подавляющее потребления пищи и усиливает термогенез.

В мышечной ткани инсулин стимулирует захват аминокислот и синтез белков. Остаток аминокислот превращается в печени до пирувата и ацетил-КоА и используется для синтеза жиров.

Поглощение калия клетками также активируется под воздействием инсулина. Поэтому его препараты вместе с глюкозой используют для временного снижения гиперкальциемии у пациентов с почечной недостаточностью. Точный молекулярный механизм такого действия инсулина не выяснен, однако известно, что он может активировать Na + / K + -АТФазы.

К долговременным эффектам инсулина на организм относится ускорение роста, происходит благодаря его общем анаболические и белок-накопительных воздействия. Поэтому у детей с сахарным диабетом первого типа наблюдается задержка роста. Инсулин может стимулировать рост незрелых гипофизектомичних крыс, почти с такой же интенсивностью как и гормон роста при условии, если они употребляют большое количество углеводов. Также известно, что в культуре клеток инсулин ускоряет клеточное деление, подобно пептидных факторов роста, таких фактор роста эпидермиса, фактор роста фибробластов и тромбоцитарный фактор роста, и, кроме того, может усиливать их биологическое воздействие.

Связанные заболевания

Однако в контексте рассматриваемой проблемы, следует отметить особую роль инсулина в регуляции энергетического метаболизма в целом, включая обмен не только углеводов, но и жиров. Это касается механизмов координированного хранения и утилизации топливных молекул в жировой ткани, печени и скелетных мышцах. После переваривания пищи в организм поступает большое количество углеводов, но их концентрация в периферической крови и межклеточном пространстве благодаря активации экскреции инсулина не достигает критических величин. Этот гормон стимулирует поступление глюкозы в инсулинозависимый органы и ткани и одновременно подавляет процессы образования эндогенной глюкозы благодаря супрессии глюконеогенеза и гликогенолиза. Параллельно инсулин стимулирует и синтез гликогена. Подобное действие инсулин также проявляет по обмену жиров. Это манифестируется стимуляцией процессов накопления жира в жировой ткани и угнетением мобилизации жира из депо в результате активации инсулином липопротеиновой липазы, способствует очищению крови от триглицеридов и ингибирования активности гормоночувствительной липазы. Одновременно инсулин стимулирует поступление в липоциты глюкозы и возбуждает синтез внутриклеточных триглицеридов, т.е. активирует липогенез. В этом плане жировая ткань выполняет своеобразную буферную функцию, обеспечивая нормализацию концентрации жиров в плазме, особенно в постпрандиальный период. В состоянии покоя или кратковременного голода концентрация инсулина в крови снижается, повышается уровень контринсулярных гормонов и стимулируется функция симпатической нервной системы, что приводит к мобилизации печеночной глюкозы и активации липолиза с высвобождением из адипоцитов в кровообращение неетерификованих СЖК. В этих условиях глюкоза преимущественно утилизируется такими инсулиннезависимый тканями, как нервная система и эритроциты, тогда как скелетные мышцы получают энергию и за счет окисления жирных кислот. По удлиненного состояния голода в печени дополнительно происходит преобразование жирных кислот в кетоновые тела, а ацетил-КоА — в глюкозу. Подобные изменения имеют место и при физической нагрузке организма, но с усилением поступления глюкозы в мышцы. Итак, накопления и расходования жиров является динамичным процессом, протекает по-разному в зависимости от состояния организма и его потребностей в энергии. Следует также заметить, что инсулин — не единственный гормон, который регулирует энергетический обмен. Существует целый ряд контринсулярных гормонов (глюкагон, адреналин, гормон роста и глюкокортикоиды), активность которых направлена ​​на увеличение в циркуляции концентрации глюкозы. Дополнительным антагонистом инсулина выступает симпатичная нервная система, стимуляция которой приводит к высвобождению ВЖК из жировых клеток. Наличие такого сложного регуляторного механизма предусматривает возможность повреждения или снижение чувствительности тканей к регуляторных факторов процессов накопления и утилизации энергетических ресурсов на разных уровнях.

Использование инсулина в качестве лекарств

Открытие эндокринной функции поджелудочной железы

В 1869 году в Берлине 22-летний студент-медик Лангерганс исследуя с помощью нового микроскопа строение поджелудочной железы, обратил внимание на ранее неизвестные группы клетки равномерно распределены по ее ткани. Он не делал никаких предположений относительно их назначения. Только 1893 Эдуад Лагес выяснил, что они отвечают за эндокринную функцию поджелудочной железы и назвал их «островками Лангерганса» в честь первооткрывателя.

В 1889 году Оскар Минковский и Джозеф фон Меринг исследовали функции пидшлукновои железы. Они провели панкреатомию здоровом собаке, через несколько дней после этого у животного начали наблюдаться симптомы диабета, в частности сильная жажда, усиленное выделение мочи с высоким содержанием сахара, чрезмерное потребление пищи и потеря веса. Через некоторое время исследователям удалось «вылечить» собаку путем трансплантации ткани поджелудочной железы под кожу.

В 1901 году был сделан следующий важный шаг, Юджин Опи (Eugene Opie) четко показал, что «сахарный диабет обусловлен разрушением островков поджелудочной железы, и возникает только когда эти тельца частично или полностью разрушены». Связь между сахарным диабетом и поджелудочной железой был известен и раньше, но до этого не было ясно, что диабет связан именно с островками Лангерганса. Это, а также много других исследований патологий поджелудочной железы, привело таких ученых как Жан де Мейер (1909) и Эдвард Шарпи-Шафер (1916) к выводу о том, что островки Лангенгарса должны производить вещество с сахароснижающим эффектом. Мейер назвал ее инсулином от лат. Insula — остров.

Первые попытки выделения инсулина

В последующие два десятилетия было предпринято несколько попыток выделить островковый секрет как потенциальное лекарство. В 1907 году Георг Зюльцер (Georg Ludwig Zülzer) достиг некоторого успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак панкреатическим экстрактом и даже смог спасти одного пациента в диабетической коме. Однако его препарат имел сильные побочные эффекты, вероятной, из-за плохого очистки, из-за чего от него пришлось отказаться.

Эрнест Скотт между 1 911 и 1912 годами в Чикагском университете использовал водный экстракт поджелудочной железы и отмечал «некоторое уменьшение глюкозурии», но он не смог убедить своего руководителя в важности этих исследований, и вскоре эксперименты были прекращены. Такой же эффект демонстрировал Израэль Кляйнер в Рокфеллеровском университете в 1919 году, но его работа была прервана началом Первой мировой войны, и он не смог ее завершить. Похожую работу после опытов во Франции в 1921 году опубликовал профессор физиологии Румынской школы медицины Николас Паулеско, и многие, особенно в Румынии, считают именно его первооткрывателем инсулина.

Работа Бантинга и Беста

Большинство экстрактов поджелудочной железы, изготовленных различными исследователями в период до 1921 года, имели одну и ту же проблему: они содержали много примесей, в том числе продуктов экзокринной части железы, и вызвали абсцессы у пациентов. Впервые выделить и очистить до уровня пригодного к использованию для терапии людей удалось группе ученых Торонтского университета в 1921 году.

Фредерик Бантинг после завершения Первой мировой войны работал хирургом-ортопедом и читал лекции в Университете Западного Онтарио. Одной из тем этих лекций был метаболизм углеводов. В ходе ознакомления с предметом, Бантинг прочитал труд доктора Мозеса Баррона, в которой тот описывал отмирания экзокринной части поджелудочной железы в случаях, когда ее протока была перекрыта камнями. Это навело его на мысль о новом методе выделения эндокринного секрета поджелудочной железы, в своих заметках Бантинг записал:

Со своей идеей Бантинг обратился к Джону Маклеода — профессора Университета Торонто, международно известного исследователя метаболизма углеводов. Маклеод знал о трудностях, с которыми столкнулись предыдущие исследователи в попытках выделить лечебный панкреатический экстракт, однако он считал, что даже отрицательный результат работы Бантинга будет полезным, и поэтому согласился предоставить ему место в лаборатории, собак для опытов и одного помощника. На роль помощника претендовали два студента физиологи Чарльз Бест и Кларк Ноубл. Чтобы решить, кто именно из них будет помогать Бантингу, они бросили монетку. Хотя распространено мнение о том, что Бест выиграл, его знакомый Роберт ВОЛП настаивал на том, что он проиграл, поскольку ни один из студентов не хотел работать с меланхолинйим раздражительным Бантинг.

Летом 1921 Бантингу и Бест начали свои эксперименты и после небольшой задержки получили атрофированы поджелудочные железы. Экстракт получали следующим образом: резали ткань на куски, растирали ее в ступке и фильтровали раствор, после чего вводили диабетическим собакам. Хотя им удалось добиться снижения уровня глюкозы в крови животных, Бантинг и Бест столкнулись с той же проблемой, что и их предшественники: в месте инъекции развивался стерильный абсцесс и общая интоксикация. В течение конца лета и осени 1921 году они обнаружили, что экстракт из атрофированного поджелудочной железы собак не имел никакого преимущества над экстрактом из фетальных желез телят с бойни. И поэтому стали в дальнейшем использовать эту ткань, которая была значительно легче получить.

В конце 1921 года Маклеод предложил биохимику Джеймсу Коллипом присоединиться к группе Бантинга и Беста и поработать над новыми методами очистки экстракта. Коллипом согласился, и впоследствии также показал, что панкреатический экстракт стимулирует отложение гликогена в печени, уменьшает кетоацидоз в диабетических животных, и снижает уровень глюкозы в крови у здоровых. После этого для тестирования перепарату он использовал нормальных кроликов, а не панкреатомованих собак. В ноября 1921 года Бантинг и Маклеод посетили собрание Американского физиологического общества, где представили полученные результаты.

11 января 1922 Бантинг и Бест впервые испытали один из активных экстрактов телячьей поджелудочной железы, который они назвали «айлетином» от англ. Isle — остров, на пациенте — 14-летнем Леонарди Томпсоне. Ему ввели по 7,5 мл перепарату в каждый ягодичную мышцу и получили ожидаемый результат: уровень глюкозы в крови снизился, однако развился абсцесс и общее отравление. Через несколько недель после этой неудачи, Коллипом сообщил Бантингу, что ему в конце удалось получить нетоксичный экстракт, но не захотел рассказать детали процесса (вероятно, надеясь на будущий патент), что чуть не привело к драке между исследователями.

Новом экстракта Коллипом Маклеод дал название «инсулин» (вероятно, не подозревая, что такое же название использовал Мейер 1909). Его испытали 23 января на том же пациенте. На этот раз лечение было успешным: уровень глюкозы в крови Томпсона упал от 520 до 120 мг / дл, и не наблюдалось никаких побочных эффектов. Но впоследствии выяснилось, что Коллипом забыл протокол приготовления инсулина. В течение следующих нескольких недель с помощью Эли Лилли он пытался вновь обрести метод, ему, наконец, удалось сделать.

Среди первых пациентов, леченных Бантинг и Бест была Элизабет Хьюз дочь государственного секретаря Чарльза Хьюза. Она описала изменение своего состояния здоровья после инъекции инсулина как «несказанно прекрасное». Известны диабетолога того времени Эллиот Джослин и Фредерик Аллен также были поражены силой нового препарата. Описывая свои впечатления Джослин сравнил действие инсулина со сценой из Библии Иез. 37: 1-10:

Была на мне рука Господа, и Господь вывел меня духом и поставил меня среди поля, и оно было полно костей … они весьма сухи И сказал мне: сын человеческий! Оживут ли кости сии? Я сказал: Господи Боже! Ты знаешь И сказал мне: изреки пророчество на кости, и скажи им: кости сухие! Слушайте слово Господне …Пророчество, как повелено. И снялся шум, когда я предсказывал, и вот грохот, сближаться кости, кость с костью своею. И я видел, и вот на них жили, и плоть выросла, и была натянута на них кожа сверху, а духа не было в них. И сказал мне: изреки духу пророчество, сын человеческий, и скажи духу: так говорит Господь Бог: приди, дух, от четырех ветров, и дохни на этих убитых, и они оживут И я изрек пророчество, как Он повелел мне, и вошел в них дух, и они ожили, и стали на ноги свои, весьма, весьма великое …

За революционное открытие инсулина Маклеод и Бантинг в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинг сперва был сильно возмущен, что его помощник Бест не был представлен к награде вместе с ним, и сначала даже демонстративно отказался от награды, но потом все же согласился принять премию, и свою часть торжественно разделил с Бестом. Так же поступил и Маклеод, поделив свою премию по Коллипом. Патент на производство телячьего инсулина получили Бест и Коллипом, как немедицинские члены группы, поскольку участие медиков в коммерческих делах считалась неэтичным. Они передали патент Торонтскому университета, а он предоставил лицензии многим медицинским фирмам по всему миру. В частности, в США право на производство инсулина получила фармацевтическая фирма Эли Лилли, в Европе крупнейшим производителем стала компания основана в Дании Август Крог.

Исследование структуры инсулина

Инсулин был первым белковой молекулой, для которой было полностью установлено аминокислотную последовательность, то есть первичную структуру. Эту работу совершил 1953 британский молекулярный биолог Сенгер, за что был удостоен Нобелевской премии по химии 1958 года. А спустя почти 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин с помощью метода рентгеновской дифракции определила пространственное строение (третичную структуру) молекулы инсулина. Ее работы также отмечены Нобелевской премией.

Начиная с 1980-х годов человеческий инсулин получат генноинженерного методами с помощью клеток кишечной палочки или пивных дрожжей.

Очень легко наблюдать, как инсулин снижает уровень глюкозы в крови. Сам же этот уровень достигается в результате сложного переплетения множества биохимических реакций. Каким образом инсулин так действует на эти реакции, что происходит снижение концентрации сахара в крови? Действует ли он только на одну реакцию, на несколько или на все сразу?

В поисках ответа на этот вопрос биохимики в первую очередь заподозрили одну реакцию, катализируемую ферментом, называемым гексокиназой. Это подозрение явилось результатом работ, выполненных супругами-американцами чешского происхождения, Карлом Фердинандом Кори и Герти Терезой Кори, которым удалось выяснить некоторые детали различных реакций, вовлеченных в расщепление глюкозы. За эти работы супруги Кори получили в 1947 году Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Супруги Кори выяснили, что в обычных условиях гексокиназная реакция подавлена, и это подавление снимается под действием инсулина. Они смогли показать, каким образом одна эта реакция отвечает за снижение концентрации глюкозы в крови.

Представляется, однако, что это было бы слишком простым объяснением. Метаболические расстройства при диабете носят весьма разнообразный характер. Хотя возможно, конечно, объяснить все это многообразие нарушением протекания одной единственной реакции (тоже включенной в сеть метаболических превращений), выведя все связанные с диабетом расстройства здоровья из одной гексокиназной реакции, но это требует таких сложных рассуждений видно, что доверие к ним уменьшается по мере возрастания их сложности. Последние исследования позволяют предположить, что инсулин оказывает свое действие непосредственно на клеточные мембраны. Скорость, с какой клетка поглощает глюкозу, отчасти зависит и от разницы концентраций глюкозы внутри и вне клетки, а также от природы клеточных мембран, через которые должна пройти глюкоза.

Давайте для наглядности прибегнем к аналогии. Представьте себе дом. С улицы в него входят люди. Отчасти количество вошедших в дом людей будет зависеть от числа людей, стремящихся в него попасть. Кроме того, этот поток зависит от ширины входной двери или от количества открытых дверей. Когда толпа людей, жаждущих попасть внутрь, достигнет определенного критического уровня, количество тех, кто попадает в дом за одну секунду, станет постоянным, вне зависимости от размеров толпы. Однако если привратник быстро откроет еще две двери, то поток увеличится в три раза.

Инсулин по отношению к мембранам мышечных клеток ведет себя как привратник, повышая проницаемость мембран для глюкозы. (То есть он как бы открывает для нее дополнительные двери.) Мы остановились на том, что во время еды в кровь поступает большое количество глюкозы, что приводит к повышению секреции инсулина в поджелудочной железе. Как следствие, открываются «мембранные двери», и концентрация глюкозы в крови стремительно падает, так как она быстро уходит в клетки, где либо утилизируется, либо запасается. При диабете глюкоза изо всех сил стучится в двери мембран, но они оказываются по большей части запертыми. Глюкоза не может войти в клетки и, следовательно, накапливается в крови. Очевидно, что любой фактор, который позволит глюкозе войти в клетки, сможет отчасти заменить собой недостающий инсулин. Один из таких факторов - физическая нагрузка, поэтому врачи, как правило, рекомендуют диабетикам регулярно заниматься физическими упражнениями.

Но в этом случае неизбежно возникает вопрос: что особенного делает инсулин в клетке, отчего повышается проницаемость ее мембраны для глюкозы? Биохимики потратили много усилий для расшифровки строения молекулы инсулина именно в надежде (отчасти, правда, из элементарного любопытства) понять механизм его действия.

Молекула инсулина представляет собой полипептид, подобный молекулам желудочно-кишечных гормонов, но более сложный. Например, молекула секретина состоит из 36 аминокислотных остатков, а молекула инсулина - из 50. Поскольку, однако, структура секретина до сих пор точно не установлена, резонно предположить, что точное строение молекулы инсулина тоже пока не известно. Но надо учесть, что стремление разрешить проблему в случае инсулина, недостаток которого лежит в основе самой серьезной метаболической болезни, намного превышает стремление установить структуру гастроинтестинальных гормонов, которые не имеют такого клинического значения. Кроме того, инсулин доступен для биохимических исследований в гораздо больших количествах.

В конце 40-х годов было установлено, что молекулярный вес инсулина немногим меньше 6000. (Молекулы инсулина имеют склонность объединяться в группы, поэтому в некоторых ранних сообщениях указывалось, что его молекулярный вес равен 12 и даже 36 тысячам дальтон.) Далее, было установлено, что молекулы инсулина состоят из двух аминокислотных цепей, соединенных между собой цистшювыми мостиками. Когда цепи были разделены, выяснилось, что одна из них (цепь А) состоит из 21, а другая (цепь В) из 30 аминокислотных остатков.

Полипептидные цепи были легко расщеплены на индивидуальные аминокислоты, и биохимики установили, из каких именно аминокислот состоит каждая из цепей. (Определение аминокислотного состава было выполнено методом, который называется бумажной хроматографией. Метод был изобретен в 1944 году и произвел подлинную революцию в биохимии. Если вас интересуют подробности этого метода, то вы можете найти их в главе «Победа на бумаге» моей книги «Всего триллион», вышедшей в 1957 году.) Но, как я уже заметил в предыдущей главе, знание аминокислотного состава - это лишь первый шаг. Надо также знать последовательность, в какой расположены в цепи белка аминокислотные остатки. Двадцать одну аминокислоту в цепи А инсулина можно расположить 2 800 000 000 000 000 способами. Для 30 аминокислотных остатков цепи. В это число еще больше и равно приблизительно 510 000 000 000 000 000 000 000 000.

Проблему определения точной последовательности аминокислот в бычьем инсулине взялась решать группа биохимиков под руководством британского ученого Фредерика Сенджера. Для этого использовали метод расщепления цепей на мелкие фрагменты под действием кислот или специфических ферментов. Полученные фрагменты не были аминокислотами, а представляли собой короткие цепи из двух, трех или четырех аминокислотных остатков.. Эти фрагменты были выделены, и ученые определили в них точную последовательность аминокислот.

(Две аминокислоты могут быть расположены двумя способами - А-В или В-А. Три аминокислоты могут быть расположены шестью способами - А-В-С, А-С-В, В-С-А, В-А-С, С-А-В и С-В-А. Даже четыре аминокислоты можно расположить всего лишь двадцатью четырьмя способами. Можно проанализировать все возможные последовательности в малых фрагментах и выбрать правильный, не столкнувшись с непреодолимыми трудностями. По крайней мере, гораздо легче иметь дело с двумя возможностями из пары десятков, чем с двумя из пары квинтильонов возможных вариантов.)

Когда, таким образом, были обработаны все малые фрагменты, наступило время собрать их воедино. Предположим, что цепь А имеет в своем составе некую аминокислоту, которую мы обозначим q, в единственном числе. Предположим далее, что нам удалось выделить две короткие цепочки по три аминокислоты в каждом - r-s-q и q-p-o. Поскольку в цепи аминокислота q присутствует только в одном экземпляре, то в исходной молекуле должна присутствовать последовательность из пяти аминокислотных остатков r-s-q-p-o. Тогда, в зависимости от места расщепления исходной цепи, действительно получится два возможных фрагмента - r-s-q и q-p-o.

Для решения этой головоломки Сэнджеру и его коллегам потребовалось восемь лет. К 1955 году им удалось подогнать друг к другу полученные фрагменты и получить структуру нативной белковой молекулы. В истории науки это был первый случай, когда ученым удалось полностью определить структуру естественной белковой молекулы. В 1958 году Сэнджер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Формула молекулы инсулина в записи символами Бранда выглядит следующим образом:

Бычий инсулин

К сожалению, знание структуры молекулы ни на йоту не приблизило биохимиков к пониманию механизма действия инсулина на клеточные мембраны.

Представлялось возможным подойти к проблеме с другого конца и попытаться сравнить структуру инсулинов разных видов животных. Свиной инсулин так же эффективен у диабетиков, как и бычий. Если два инсулина отличаются своим строением, то, видимо, следует обратить пристальное внимание лишь па тот участок молекулы, который обеспечивает общие свойства, сузив тем самым поле поиска. Когда был проанализирован свиной инсулин, выяснилось, что он отличается от бычьего тремя аминокислотными остатками, выделенными в приведенной формуле курсивом. Эти три аминокислоты, если можно так выразиться, зажаты в углу между двумя цистиновыми мостиками.

В бычьем инсулине в этом месте находятся ала-нин-серин-валин, а в свином - треонин-серин-изо-лейцин. Состав этого и только этого участка варьирует у других видов животных. У овец в данном участке находятся аланин-глицин-валин, у лошадей - треонин-глицин-изолейнин, а у китов - треонин-серин-изолейцин. У этих трех видов аминокислота слева может быть аланином или треонином, в середине - серином или глицином, и справа - валином или изолейцином.

Хотя аминокислотный состав инсулина множества других видов животных пока не определен, представляется маловероятным, что отличия окажутся разительными. Более того, любые изменения химической структуры, кроме самых незначительных, приводит к утрате биологической активности молекулы инсулина. Каким бы ни было действие, оказываемое инсулином на клеточную мембрану, для его осуществления требуется участие целой интактной молекулы. Это почти все, что можно на сегодняшний день об этом сказать, по крайней мере пока.

Инсулин (от лат. insula — островок) является белково-пептидным гормоном, вырабатываемым β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. В физиологических условиях в β-клетках инсулин образуется из препроинсулина — одноцепочечного белка-предшественника, состоящего из 110 аминокислотных остатков. После переноса через мембрану шероховатого эндоплазматического ретикулума от препроинсулина отщепляется сигнальный пептид из 24 аминокислот и образуется проинсулин. Длинная цепь проинсулина в аппарате Гольджи упаковывается в гранулы, где в результате гидролиза отщепляются четыре основных аминокислотных остатка с образованием инсулина и С-концевого пептида (физиологическая функция С-пептида неизвестна).

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей. Одна из них содержит 21 аминокислотный остаток (цепь А), вторая — 30 аминокислотных остатков (цепь В). Цепи соединены двумя дисульфидными мостиками. Третий дисульфидный мостик сформирован внутри цепи А. Общая молекулярная масса молекулы инсулина — около 5700. Аминокислотная последовательность инсулина считается консервативной. У большинства видов имеется один ген инсулина, кодирующий один белок. Исключение составляют крысы и мыши (имеют по два гена инсулина), у них образуются два инсулина, отличающиеся двумя аминокислотными остатками В-цепи.

Первичная структура инсулина у разных биологических видов, в т.ч. и у различных млекопитающих, несколько различается. Наиболее близкий к структуре инсулина человека — свиной инсулин, который отличается от человеческого одной аминокислотой (у него в цепи В вместо остатка аминокислоты треонина содержится остаток аланина). Бычий инсулин отличается от человеческого тремя аминокислотными остатками.

Историческая справка. В 1921 г. Фредерик Г. Бантинг и Чарльз Г. Бест, работая в лаборатории Джона Дж. Р. Маклеода в Университете Торонто, выделили из поджелудочной железы экстракт (как позже выяснилось, содержащий аморфный инсулин), который снижал уровень глюкозы в крови у собак с экспериментальным сахарным диабетом. В 1922 г. экстракт поджелудочной железы ввели первому пациенту — 14-летнему Леонарду Томпсону, больному диабетом, и тем самым спасли ему жизнь. В 1923 г. Джеймс Б. Коллип разработал методику очистки экстракта, выделяемого из поджелудочной железы, что в дальнейшем позволило получать из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота активные экстракты, дающие воспроизводимые результаты. В 1923 г. Бантинг и Маклеод за открытие инсулина были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. В 1926 г. Дж. Абель и В. Дю-Виньо получили инсулин в кристаллическом виде. В 1939 г. инсулин был впервые одобрен FDA (Food and Drug Administration). Фредерик Сэнгер полностью расшифровал аминокислотную последовательность инсулина (1949-1954 гг.) В 1958 г. Сэнгеру была присуждена Нобелевская премия за работы по расшифровке структуры белков, особенно инсулина. В 1963 г. был синтезирован искусственный инсулин. Первый рекомбинантный человеческий инсулин был одобрен FDA в 1982 г. Аналог инсулина ультракороткого действия (инсулин лизпро) был одобрен FDA в 1996 г.

Механизм действия. В реализации эффектов инсулина ведущую роль играет его взаимодействие со специфическими рецепторами, локализующимися на плазматической мембране клетки, и образование инсулин-рецепторного комплекса. В комплексе с инсулиновым рецептором инсулин проникает в клетку, где оказывает влияние на процессы фосфорилирования клеточных белков и запускает многочисленные внутриклеточные реакции.

У млекопитающих инсулиновые рецепторы находятся практически на всех клетках — как на классических клетках-мишенях инсулина (гепатоциты, миоциты, липоциты), так и на клетках крови, головного мозга и половых желез. Число рецепторов на разных клетках колеблется от 40 (эритроциты) до 300 тыс. (гепатоциты и липоциты). Рецептор инсулина постоянно синтезируется и распадается, время его полужизни составляет 7-12 ч.

Рецептор инсулина представляет собой крупный трансмембранный гликопротеин, состоящий из двух α-субъединиц с молекулярной массой 135 кДа (каждая содержит 719 или 731 аминокислотный остаток в зависимости от сплайсинга мРНК) и двух β-субъединиц с молекулярной массой 95 кДа (по 620 аминокислотных остатков). Субъединицы соединены между собой дисульфидными связями и образуют гетеротетрамерную структуру β-α-α-β. Альфа-субъединицы расположены внеклеточно и содержат участки, связывающие инсулин, являясь распознающей частью рецептора. Бета-субъединицы образуют трансмембранный домен, обладают тирозинкиназной активностью и выполняют функцию преобразования сигнала. Связывание инсулина с α-субъединицами инсулинового рецептора приводит к стимуляции тирозинкиназной активности β-субъединиц путем аутофосфорилирования их тирозиновых остатков, происходит агрегация α,β-гетеродимеров и быстрая интернализация гормон-рецепторных комплексов. Активированный рецептор инсулина запускает каскад биохимических реакций, в т.ч. фосфорилирование других белков внутри клетки. Первой из таких реакций является фосфорилирование четырех белков, называемых субстратами рецептора инсулина (insulin receptor substrate), — IRS-1, IRS-2, IRS-3 и IRS-4.

Фармакологические эффекты инсулина. Инсулин оказывает влияние практически на все органы и ткани. Однако его главными мишенями служат печень, мышечная и жировая ткань.

Эндогенный инсулин — важнейший регулятор углеводного обмена, экзогенный — специфическое сахаропонижающее средство. Влияние инсулина на углеводный обмен связано с тем, что он усиливает транспорт глюкозы через клеточную мембрану и ее утилизацию тканями, способствует превращению глюкозы в гликоген в печени. Инсулин, кроме того, угнетает эндогенную продукцию глюкозы за счет подавления гликогенолиза (расщепление гликогена до глюкозы) и глюконеогенеза (синтез глюкозы из неуглеводных источников — например из аминокислот, жирных кислот). Помимо гипогликемического, инсулин оказывает ряд других эффектов.

Влияние инсулина на жировой обмен проявляется в угнетении липолиза, что приводит к снижению поступления свободных жирных кислот в кровоток. Инсулин препятствует образованию кетоновых тел в организме. Инсулин усиливает синтез жирных кислот и их последующую эстерификацию.

Инсулин участвует в метаболизме белков: увеличивает транспорт аминокислот через клеточную мембрану, стимулирует синтез пептидов, уменьшает расход тканями белка, тормозит превращение аминокислот в кетокислоты.

Действие инсулина сопровождается активацией или ингибированием ряда ферментов: стимулируются гликогенсинтетаза, пируват-дегидрогеназа, гексокиназа, ингибируются липазы (и гидролизующая липиды жировой ткани, и липопротеин-липаза, уменьшающая «помутнение» сыворотки крови после приема богатой жирами пищи).

В физиологической регуляции биосинтеза и секреции инсулина поджелудочной железой главную роль играет концентрация глюкозы в крови: при повышении ее содержания секреция инсулина усиливается, при снижении — замедляется. На секрецию инсулина, кроме глюкозы, оказывают влияние электролиты (особенно ионы Ca 2+), аминокислоты (в т.ч. лейцин и аргинин), глюкагон, соматостатин.

Фармакокинетика. Препараты инсулина вводят п/к, в/м или в/в (в/в вводят только инсулины короткого действия и только при диабетической прекоме и коме). Нельзя вводить в/в суспензии инсулина. Температура вводимого инсулина должна соответствовать комнатной, т.к. холодный инсулин всасывается медленнее. Наиболее оптимальным способом для постоянной инсулинотерапии в клинической практике является п/к введение.

Полнота всасывания и начало эффекта инсулина зависят от места введения (обычно инсулин вводят в область живота, бедра, ягодицы, верхнюю часть рук), дозы (объема вводимого инсулина), концентрации инсулина в препарате и др.

Скорость всасывания инсулина в кровь из места п/к введения зависит от ряда факторов — типа инсулина, места инъекции, скорости местного кровотока, местной мышечной активности, количества вводимого инсулина (в одно место рекомендуется вводить не более 12-16 ЕД препарата). Быстрее всего инсулин поступает в кровь из подкожной клетчатки передней брюшной стенки, медленнее — из области плеча, передней поверхности бедра и еще медленнее — из подлопаточной области и ягодицы. Это связано со степенью васкуляризации подкожной жировой клетчатки перечисленных областей. Профиль действия инсулина подвержен значительным колебаниям как у различных людей, так и у одного и того же человека.

В крови инсулин связывается с альфа- и бета-глобулинами, в норме — 5-25%, но связывание может возрастать при лечении из-за появления сывороточных антител (выработка антител к экзогенному инсулину приводит к инсулинорезистентности; при использовании современных высокоочищенных препаратов инсулинорезистентность возникает редко). T 1/2 из крови составляет менее 10 мин. Большая часть поступившего в кровоток инсулина подвергается протеолитическому распаду в печени и почках. Быстро выводится из организма почками (60%) и печенью (40%); менее 1,5% выводится с мочой в неизмененном виде.

Препараты инсулина, применяемые в настоящее время, отличаются по ряду признаков, в т.ч. по источнику происхождения, длительности действия, pH раствора (кислые и нейтральные), наличием консервантов (фенол, крезол, фенол-крезол, метилпарабен), концентрацией инсулина — 40, 80, 100, 200, 500 ЕД/мл.

Классификация. Инсулины обычно классифицируют по происхождению (бычий, свиной, человеческий, а также аналоги человеческого инсулина) и продолжительности действия.

В зависимости от источников получения различают инсулины животного происхождения (главным образом препараты свиного инсулина), препараты инсулина человека полусинтетические (получают из свиного инсулина методом ферментативной трансформации), препараты инсулина человека генно-инженерные (ДНК-рекомбинантные, получаемые методом генной инженерии).

Для медицинского применения инсулин ранее получали в основном из поджелудочных желез крупного рогатого скота, затем из поджелудочных желез свиней, учитывая, что свиной инсулин более близок к инсулину человека. Поскольку бычий инсулин, отличающийся от человеческого тремя аминокислотами, достаточно часто вызывает аллергические реакции, на сегодняшний день он практически не применяется. Свиной инсулин, отличающийся от человеческого одной аминокислотой, реже вызывает аллергические реакции. В лекарственных препаратах инсулина при недостаточной очистке могут присутствовать примеси (проинсулин, глюкагон, соматостатин, белки, полипептиды), способные вызывать различные побочные реакции. Современные технологии позволяют получать очищенные (монопиковые — хроматографически очищенные с выделением «пика» инсулина), высокоочищенные (монокомпонентные) и кристаллизованные препараты инсулина. Из препаратов инсулина животного происхождения предпочтение отдается монопиковому инсулину, получаемому из поджелудочной железы свиней. Получаемый методами генной инженерии инсулин полностью соответствует аминокислотному составу инсулина человека.

Активность инсулина определяют биологическим методом (по способности понижать содержание глюкозы в крови у кроликов) или физико-химическим методом (путем электрофореза на бумаге или методом хроматографии на бумаге). За одну единицу действия, или международную единицу, принимают активность 0,04082 мг кристаллического инсулина. Поджелудочная железа человека содержит до 8 мг инсулина (примерно 200 ЕД).

Препараты инсулина по длительности действия подразделяют на препараты короткого и ультракороткого действия — имитируют нормальную физиологическую секрецию инсулина поджелудочной железой в ответ на стимуляцию, препараты средней продолжительности и препараты длительного действия — имитируют базальную (фоновую) секрецию инсулина, а также комбинированные препараты (сочетают оба действия).

Различают следующие группы:

(гипогликемический эффект развивается через 10-20 мин после п/к введения, пик действия достигается в среднем через 1-3 ч, длительность действия составляет 3-5 ч):

Инсулин лизпро (Хумалог);

Инсулин аспарт (НовоРапид Пенфилл, НовоРапид ФлексПен);

Инсулин глулизин (Апидра).

Инсулины короткого действия (начало действия обычно через 30-60 мин; максимум действия через 2-4 ч; продолжительность действия до 6-8 ч):

Инсулин растворимый [человеческий генно-инженерный] (Актрапид HМ, Генсулин Р, Ринсулин Р, Хумулин Регуляр);

Инсулин растворимый [человеческий полусинтетический] (Биогулин Р, Хумодар Р);

Инсулин растворимый [свиной монокомпонентный] (Актрапид МС, Монодар, Моносуинсулин МК).

Препараты инсулина пролонгированного действия — включают в себя препараты средней продолжительности действия и препараты длительного действия.

(начало через 1,5-2 ч; пик спустя 3-12 ч; продолжительность 8-12 ч):

Инсулин-изофан [человеческий генно-инженерный] (Биосулин Н, Гансулин Н, Генсулин Н, Инсуман Базал ГТ, Инсуран НПХ, Протафан НМ, Ринсулин НПХ, Хумулин НПХ);

Инсулин-изофан [человеческий полусинтетический] (Биогулин Н, Хумодар Б);

Инсулин-изофан [свиной монокомпонентный] (Монодар Б, Протафан МС);

Инсулин-цинк суспензия составная (Монотард МС).

Инсулины длительного действия (начало через 4-8 ч; пик спустя 8-18 ч; общая продолжительность 20-30 ч):

Инсулин гларгин (Лантус);

Инсулин детемир (Левемир Пенфилл, Левемир ФлексПен).

Препараты инсулина комбинированного действия (бифазные препараты) (гипогликемический эффект начинается через 30 мин после п/к введения, достигает максимума через 2-8 ч и продолжается до 18-20 ч):

Инсулин двухфазный [человеческий полусинтетический] (Биогулин 70/30, Хумодар K25);

Инсулин двухфазный [человеческий генно-инженерный] (Гансулин 30Р, Генсулин М 30, Инсуман Комб 25 ГТ, Микстард 30 НМ, Хумулин М3);

Инсулин аспарт двухфазный (НовоМикс 30 Пенфилл, НовоМикс 30 ФлексПен).

Инсулины ультракороткого действия — аналоги инсулина человека. Известно, что эндогенный инсулин в β-клетках поджелудочной железы, а также молекулы гормона в выпускаемых растворах инсулина короткого действия полимеризованы и представляют собой гексамеры. При п/к введении гексамерные формы всасываются медленно и пик концентрации гормона в крови, аналогичный таковому у здорового человека после еды, создать невозможно. Первым коротко действующим аналогом инсулина, который всасывается из подкожной клетчатки в 3 раза быстрее, чем человеческий инсулин, был инсулин лизпро. Инсулин лизпро — производное человеческого инсулина, полученное путем перестановки двух аминокислотных остатков в молекуле инсулина (лизин и пролин в положениях 28 и 29 В-цепи). Модификация молекулы инсулина нарушает образование гексамеров и обеспечивает быстрое поступление препарата в кровь. Почти сразу после п/к введения в тканях молекулы инсулина лизпро в виде гексамеров быстро диссоциируют на мономеры и поступают в кровь. Другой аналог инсулина — инсулин аспарт — был создан путем замены пролина в положении В28 на отрицательно заряженную аспарагиновую кислоту. Подобно инсулину лизпро, после п/к введения он также быстро распадается на мономеры. В инсулине глулизине замещение аминокислоты аспарагин человеческого инсулина в позиции В3 на лизин и лизина в позиции В29 на глутаминовую кислоту также способствует более быстрой абсорбции. Аналоги инсулина ультракороткого действия можно вводить непосредственно перед приемом пищи или после еды.

Инсулины короткого действия (их называют также растворимыми) — это растворы в буфере с нейтральными значениями pH (6,6-8,0). Они предназначены для подкожного, реже — внутримышечного введения. При необходимости их вводят также внутривенно. Они оказывают быстрое и относительно непродолжительное гипогликемическое действие. Эффект после подкожной инъекции наступает через 15-20 мин, достигает максимума через 2 ч; общая продолжительность действия составляет примерно 6 ч. Ими пользуются в основном в стационаре в ходе установления необходимой для больного дозы инсулина, а также когда требуется быстрый (ургентный) эффект — при диабетической коме и прекоме. При в/в введении T 1/2 составляет 5 мин, поэтому при диабетической кетоацидотической коме инсулин вводят в/в капельно. Препараты инсулина короткого действия применяют также в качестве анаболических средств и назначают, как правило, в малых дозах (по 4-8 ЕД 1-2 раза в день).

Инсулины средней длительности действия хуже растворимы, медленнее всасываются из подкожной клетчатки, вследствие чего обладают более длительным эффектом. Продолжительное действие этих препаратов достигается наличием специального пролонгатора — протамина (изофан, протафан, базал) или цинка. Замедление всасывания инсулина в препаратах, содержащих инсулин цинк суспензию составную, обусловлено наличием кристаллов цинка. НПХ-инсулин (нейтральный протамин Хагедорна, или изофан) представляет собой суспензию, состоящую из инсулина и протамина (протамин — белок, изолированный из молок рыб) в стехиометрическом соотношении.

К инсулинам длительного действия относится инсулин гларгин — аналог человеческого инсулина, полученный методом ДНК-рекомбинантной технологии — первый препарат инсулина, который не имеет выраженного пика действия. Инсулин гларгин получают путем двух модификаций в молекуле инсулина: заменой в позиции 21 А-цепи (аспарагин) на глицин и присоединением двух остатков аргинина к С-концу В-цепи. Препарат представляет собой прозрачный раствор с рН 4. Кислый рН стабилизирует гексамеры инсулина и обеспечивает длительное и предсказуемое всасывание препарата из подкожной клетчатки. Однако из-за кислого рН инсулин гларгин нельзя комбинировать с инсулинами короткого действия, которые имеют нейтральный рН. Однократное введение инсулина гларгина обеспечивает 24-часовой беспиковый гликемический контроль. Большинство препаратов инсулина обладают т.н. «пиком» действия, отмечающимся, когда концентрация инсулина в крови достигает максимума. Инсулин гларгин не обладает выраженным пиком, поскольку высвобождается в кровоток с относительно постоянной скоростью.

Препараты инсулина пролонгированного действия выпускаются в различных лекарственных формах, оказывающих гипогликемический эффект разной продолжительности (от 10 до 36 ч). Пролонгированный эффект позволяет уменьшить число ежедневных инъекций. Выпускаются они обычно в виде суспензий, вводимых только подкожно или внутримышечно. При диабетической коме и прекоматозных состояниях пролонгированные препараты не применяют.

Комбинированные препараты инсулина представляют собой суспензии, состоящие из нейтрального растворимого инсулина короткого действия и инсулина-изофан (средней длительности действия) в определенных соотношениях. Такое сочетание инсулинов разной продолжительности действия в одном препарате позволяет избавить пациента от двух инъекций при раздельном использовании препаратов.

Показания. Основным показанием к применению инсулина является сахарный диабет типа 1, однако в определенных условиях его назначают и при сахарном диабете типа 2, в т.ч. при резистентности к пероральным гипогликемическим средствам, при тяжелых сопутствующих заболеваниях, при подготовке к оперативным вмешательствам, диабетической коме, при диабете у беременных. Инсулины короткого действия применяют не только при сахарном диабете, но и при некоторых других патологических процессах, например, при общем истощении (в качестве анаболического средства), фурункулезе, тиреотоксикозе, при заболеваниях желудка (атония, гастроптоз), хроническом гепатите, начальных формах цирроза печени, а также при некоторых психических заболеваниях (введение больших доз инсулина — т.н. гипогликемическая кома); иногда он используется как компонент «поляризующих» растворов, используемых для лечения острой сердечной недостаточности.

Инсулин является основным специфическим средством терапии сахарного диабета. Лечение сахарного диабета проводится по специально разработанным схемам с использованием препаратов инсулина разной продолжительности действия. Выбор препарата зависит от тяжести и особенностей течения заболевания, общего состояния больного и от скорости наступления и продолжительности сахароснижающего действия препарата.

Все препараты инсулина применяются при условии обязательного соблюдения диетического режима с ограничением энергетической ценности пищи (от 1700 до 3000 ккал).

При определении дозы инсулина руководствуются уровнем гликемии натощак и в течение суток, а также уровнем глюкозурии в течение суток. Окончательный подбор дозы проводится под контролем снижения гипергликемии, глюкозурии, а также общего состояния больного.

Противопоказания. Инсулин противопоказан при заболеваниях и состояниях, протекающих с гипогликемией (например инсулинома), при острых заболеваниях печени, поджелудочной железы, почек, язве желудка и двенадцатиперстной кишки, декомпенсированных пороках сердца, при острой коронарной недостаточности и некоторых других заболеваниях.

Применение при беременности. Основным медикаментозным методом лечения сахарного диабета во время беременности является инсулинотерапия, которая проводится под тщательным контролем. При сахарном диабете типа 1 продолжают лечение инсулином. При сахарном диабете типа 2 отменяют пероральные гипогликемические средства и проводят диетотерапию.

Гестационный сахарный диабет (диабет беременных) — это нарушение углеводного обмена, впервые возникшее во время беременности. Гестационный сахарный диабет сопровождается повышенным риском перинатальной смертности, частоты врожденных уродств, а также риском прогрессирования диабета через 5-10 лет после родов. Лечение гестационного сахарного диабета начинают с диетотерапии. При неэффективности диетотерапии применяют инсулин.

Для пациенток с ранее имевшимся или гестационным сахарным диабетом важно в течение всей беременности поддерживать адекватную регуляцию метаболических процессов. Потребность в инсулине может уменьшаться в I триместре беременности и увеличиваться во II-III триместрах. Во время родов и непосредственно после них потребность в инсулине может резко снизиться (возрастает риск развития гипогликемии). В этих условиях существенное значение имеет тщательный контроль содержания глюкозы в крови.

Инсулин не проникает через плацентарный барьер. Однако материнские IgG-антитела к инсулину проходят через плаценту и, вероятно, могут вызывать гипергликемию у плода за счет нейтрализации секретируемого у него инсулина. С другой стороны, нежелательная диссоциация комплексов инсулин-антитело может привести к гиперинсулинемии и гипогликемии у плода или новорожденного. Показано, что переход с препаратов бычьего/свиного инсулина на монокомпонентные препараты сопровождается снижением титра антител. В связи с этим при беременности рекомендуют использовать только препараты инсулина человека.

Аналоги инсулина (как и другие недавно разработанные средства) с осторожностью назначают при беременности, хотя достоверных данных о неблагоприятном воздействии нет. В соответствии с общепризнанными рекомендациями FDA (Food and Drug Administration), определяющими возможность применения ЛС при беременности, препараты инсулинов по действию на плод относятся к категории B (изучение репродукции на животных не выявило неблагоприятного действия на плод, а адекватных и строго контролируемых исследований у беременных женщин не проведено), либо к категории C (изучение репродукции на животных выявило неблагоприятное действие на плод, а адекватных и строго контролируемых исследований у беременных женщин не проведено, однако потенциальная польза, связанная с применением ЛС у беременных, может оправдывать его использование, несмотря на возможный риск). Так, инсулин лизпро относится к классу B, а инсулин аспарт и инсулин гларгин — к классу C.

Осложнения инсулинотерапии. Гипогликемия. Введение слишком высоких доз, а также недостаток поступления с пищей углеводов могут вызвать нежелательное гипогликемическое состояние, может развиться гипогликемическая кома с потерей сознания, судорогами и угнетением сердечной деятельности. Гипогликемия может также развиться в связи с действием дополнительных факторов, которые увеличивают чувствительность к инсулину (например надпочечниковая недостаточность, гипопитуитаризм) или увеличивают захват глюкозы тканями (физическая нагрузка).

К ранним симптомам гипогликемии, которые в значительной степени связаны с активацией симпатической нервной системы (адренергическая симптоматика) относятся тахикардия, холодный пот, дрожь, с активацией парасимпатической системы — сильный голод, тошнота, а также ощущение покалывания в области губ и языка. При первых признаках гипогликемии необходимо проведение срочных мероприятий: больной должен выпить сладкий чай или съесть несколько кусков сахара. При гипогликемической коме в вену вводят 40% раствор глюкозы в количестве 20-40 мл и более, пока больной не выйдет из коматозного состояния (обычно не более 100 мл). Снять гипогликемию можно также внутримышечным или подкожным введением глюкагона.

Увеличение массы тела при инсулинотерапии связано с устранением глюкозурии, увеличением реальной калорийности пищи, повышением аппетита и стимуляцией липогенеза под действием инсулина. При соблюдении принципов рационального питания этого побочного эффекта можно избежать.

Применение современных высокоочищенных препаратов гормона (особенно генно-инженерных препаратов человеческого инсулина) относительно редко приводит к развитию инсулинорезистентности и явлениям аллергии , однако такие случаи не исключены. Развитие острой аллергической реакции требует проведения немедленной десенсибилизирующей терапии и замены препарата. При развитии реакции на препараты бычьего/свиного инсулина следует заменить их препаратами инсулина человека. Местные и системные реакции (зуд, локальная или системная сыпь, образование подкожных узелков в месте инъекции) связаны с недостаточной очисткой инсулина от примесей или с применением бычьего или свиного инсулина, отличающихся по аминокислотной последовательности от человеческого.

Самые частые аллергические реакции — кожные, опосредуемые IgE-антителами. Изредка наблюдаются системные аллергические реакции, а также инсулинорезистентность, опосредуемые IgG-антителами.

Нарушение зрения. Преходящие нарушения рефракции глаза возникают в самом начале инсулинотерапии и проходят самостоятельно через 2-3 недели.

Отеки. В первые недели терапии возникают также преходящие отеки ног в связи с задержкой жидкости в организме, т.н. инсулиновые отеки.

К местным реакциям относят липодистрофию в месте повторных инъекций (редкое осложнение). Выделяют липоатрофию (исчезновение отложений подкожного жира) и липогипертрофию (увеличение отложения подкожного жира). Эти два состояния имеют разную природу. Липоатрофия — иммунологическая реакция, обусловленная главным образом введением плохо очищенных препаратов инсулина животного происхождения, в настоящее время практически не встречается. Липогипертрофия развивается и при использовании высокоочищенных препаратов человеческого инсулина и может возникать при нарушении техники введения (холодный препарат, попадание спирта под кожу), а также вследствие анаболического местного действия самого препарата. Липогипертрофия создает косметический дефект, что является проблемой для пациентов. Кроме того, из-за этого дефекта нарушается всасывание препарата. Для предупреждения развития липогипертрофии рекомендуется постоянно менять места инъекций в пределах одной области, оставляя расстояние между двумя проколами не менее 1 см.

Могут отмечаться такие местные реакции, как боль в месте введения.

Взаимодействие. Препараты инсулина можно комбинировать друг с другом. Многие ЛС могут вызывать гипо- или гипергликемию, либо изменять реакцию больного сахарным диабетом на лечение. Следует учитывать взаимодействие, возможное при одновременном применении инсулина с другими лекарственными средствами. Альфа-адреноблокаторы и бета-адреномиметики увеличивают секрецию эндогенного инсулина и усиливают действие препарата. Гипогликемическое действие инсулина усиливают пероральные гипогликемические средства, салицилаты, ингибиторы МАО (включая фуразолидон, прокарбазин, селегилин), ингибиторы АПФ, бромокриптин, октреотид, сульфаниламиды, анаболические стероиды (особенно оксандролон, метандиенон) и андрогены (повышают чувствительность тканей к инсулину и увеличивают резистентность тканей к глюкагону, что и приводит к гипогликемии, особенно в случае инсулинорезистентности; может понадобиться снижение дозы инсулина), аналоги соматостатина, гуанетидин, дизопирамид, клофибрат, кетоконазол, препараты лития, мебендазол, пентамидин, пиридоксин, пропоксифен, фенилбутазон, флуоксетин, теофиллин, фенфлурамин, препараты лития, препараты кальция, тетрациклины. Хлорохин, хинидин, хинин снижают деградацию инсулина и могут повышать концентрацию инсулина в крови и увеличивать риск гипогликемии.

Ингибиторы карбоангидразы (особенно ацетазоламид), стимулируя панкреатические β-клетки, способствуют высвобождению инсулина и повышают чувствительность рецепторов и тканей к инсулину; хотя одновременное использование этих ЛС с инсулином может повышать гипогликемическое действие, эффект может быть непредсказуемым.

Целый ряд ЛС вызывают гипергликемию у здоровых людей и усугубляют течение заболевания у больных сахарным диабетом. Гипогликемическое действие инсулина ослабляют: антиретровирусные ЛС, аспарагиназа, пероральные гормональные контрацептивы, глюкокортикоиды, диуретики (тиазидные, этакриновая кислота), гепарин, антагонисты Н 2 -рецепторов, сульфинпиразон, трициклические антидепрессанты, добутамин, изониазид, кальцитонин, ниацин, симпатомиметики, даназол, клонидин, БКК, диазоксид, морфин, фенитоин, соматотропин, тиреоидные гормоны, производные фенотиазина, никотин, этанол.

Глюкокортикоиды и эпинефрин оказывают на периферические ткани эффект, противоположный инсулину. Так, длительный прием системных глюкокортикоидов может вызывать гипергликемию, вплоть до сахарного диабета (стероидный диабет), который может наблюдаться примерно у 14% пациентов, принимающих системные кортикостероиды в течение нескольких недель или при длительном применении топических кортикостероидов. Некоторые ЛС ингибируют секрецию инсулина непосредственно (фенитоин, клонидин, дилтиазем) либо за счет уменьшения запасов калия (диуретики). Тиреоидные гормоны ускоряют метаболизм инсулина.

Наиболее значимо и часто влияют на действие инсулина бета-адреноблокаторы, пероральные гипогликемические средства, глюкокортикоиды, этанол, салицилаты.

Этанол ингибирует глюконеогенез в печени. Этот эффект наблюдается у всех людей. В связи с этим следует иметь в виду, что злоупотребление алкогольными напитками на фоне инсулинотерапии может привести к развитию тяжелого гипогликемического состояния. Небольшие количества алкоголя, принимаемого вместе с едой, обычно не вызывают проблем.

Бета-адреноблокаторы могут ингибировать секрецию инсулина, изменять метаболизм углеводов и увеличивать периферическую резистентность к действию инсулина, что приводит к гипергликемии. Однако они могут также ингибировать действие катехоламинов на глюконеогенез и гликогенолиз, что сопряжено с риском тяжелых гипогликемических реакций у больных сахарным диабетом. Более того, любой из бета-адреноблокаторов может маскировать адренергическую симптоматику, вызванную снижением уровня глюкозы в крови (в т.ч. тремор, сердцебиение), нарушая тем самым своевременное распознавание пациентом гипогликемии. Селективные бета 1 -адреноблокаторы (в т.ч. ацебутолол, атенолол, бетаксолол, бисопролол, метопролол) проявляют эти эффекты в меньшей степени.

НПВС и салицилаты в высоких дозах ингибируют синтез простагландина Е (который ингибирует секрецию эндогенного инсулина) и усиливают таким образом базальную секрецию инсулина, повышают чувствительность β-клеток поджелудочной железы к глюкозе; гипогликемический эффект при одновременном применении может потребовать корректировки дозы НПВС или салицилатов и/или инсулина, особенно при длительном совместном использовании.

В настоящее время выпускается значительное число инсулиновых препаратов, в т.ч. полученных из поджелудочных желез животных и синтезированных методами генной инженерии. Препаратами выбора для проведения инсулинотерапии являются генно-инженерные высокоочищенные человеческие инсулины, обладающие минимальной антигенностью (иммуногенной активностью), а также аналоги человеческого инсулина.

Препараты инсулина выпускаются в стеклянных флаконах, герметически укупоренных резиновыми пробками с алюминиевой обкаткой, в специальных т.н. инсулиновых шприцах или шприц-ручках. При использовании шприц-ручек препараты находятся в специальных флаконах-картриджах (пенфиллах).

Разрабатываются интраназальные формы инсулина и препараты инсулина для приема внутрь. При комбинации инсулина с детергентом и введении в виде аэрозоля на слизистую оболочку носа эффективный уровень в плазме достигается так же быстро, как и при в/в болюсном введении. Препараты инсулина для интраназального и перорального применения находятся на стадии разработки или проходят клинические испытания.

Препараты

Препаратов - 797 ; Торговых названий - 129 ; Действующих веществ - 22

Действующее вещество	Торговые названия
Информация отсутствует

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+ .

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 (ИФ 3),
7. Появление ИФ 3 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 синтеза 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. При гипогликемии они оказывают обратный эффект, подавляя экспрессию гена инсулина.

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 α 2 -адренорецепторов. С другой стороны, стимуляция β 2 -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.

Наибольшая концентрация рецепторов наблюдается на мембране гепатоцитов (100-200 тыс на клетку) и адипоцитов (около 50 тыс на клетку), клетка скелетной мышцы имеет около 10 тысяч рецепторов, а эритроциты - только 40 рецепторов на клетку.

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 фосфатидилинозитол-3-киназный механизмы действия .

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. mitogen-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
• 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),
• 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.

Именно группой медленных эффектов объясняется "парадокс" наличия инсулинорезистентности адипоцитов (при сахарном диабете 2 типа) и одновременное увеличение массы жировой ткани и запасание в ней липидов под влиянием гипергликемии и инсулина.

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.