Восстановление количества белка и белковое питание

Поскольку в состоянии натощак азотистый баланс в мышечной ткани отрицателен, восстановление количества мышечного белка определяется преобладанием поглощения аминокислот при приеме белка с пищей. Потребление белковой пищи (например, нежирное мясо) приводит к значительному выходу аминокислот (преиму­щественно аминокислот с разветвленной цепью) из органов брюш­ной полости [24]. Валин, изолейцин и лейцин вместе составляют более 60% от общего количества аминокислот, поступающих в системную циркуляцию, несмотря на то что на их долю прихо­дится лишь 20% всех аминокислот, содержащихся в белковых продуктах питания. Одновременно с высвобождением аминокислот из органов брюшной полости обмен большинства аминокислот в периферической мышце изменяется таким образом, что преобла­дание их выхода, наблюдаемое в исходном состоянии, сменяется на преобладание их поглощения. Как это характерно и для об­мена в органах брюшной полости, поглощение аминокислот тканью периферических мышц наиболее выражено применительно к аминокислотам с разветвленной цепью [24]. Поскольку они составляют лишь 20% аминокислотных остатков в мышечном белке, постольку очевидно, что для синтеза белка используются не только эти аминокислоты, но и те, которые образовались в процессе катаболизма в самой мышце.

Описанные эффекты белкового питания на межорганный об­мен аминокислотами и ключевая роль аминокислот с разветвлен­ной цепью представлены на рис. 10—9, б. При этом наблюдается азотистый «цикл», когда в состоянии сытости аминокислоты с разветвленной цепью обеспечивают восстановление содержания азота в мышечной ткани. Получаемый таким образом азот как в голодном, так и в сытом состоянии высвобождается в виде аланина и глутамина. Повышение уровня аминокислот с разветв­ленной цепью в крови и внутри клеток, вызываемое белковым питанием, может иметь значение не только в качестве способа доставки азота.. Аминокислоты с разветвленной цепью, особенно лейцин, могут играть регуляторную роль, стимулируя синтез белка [25]. Кроме того, общее поглощение таких аминокислот мышцей регулируется инсулином и при диабете нарушается [24].

 

ИНСУЛИН

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

В 1899 г. фон Меринг и Минковский показали, что удаление поджелудочной железы у собак приводит к развитию тяжелых нарушений обмена глюкозы с повышением ее концентрации в крови и клинической картиной сахарного диабета. Предположе­ние о том, что этот эффект является следствием выпадения дей­ствия необходимого гормона, было подтверждено в 1921 г., когда

Бантинг и Бест приготовили экстракт поджелудочной железы, способный снижать уровень сахара в крови. Это вещество, на­званное инсулином,.было получено в кристаллическом виде Абе­лем в 1926 г. Sanger определил аминокислотный состав инсули­на — первого белка, последовательность которого была полностью расшифрована. В 1965 г. Katsoyannis сумел осуществить хими­ческий синтез инсулина. В 1969 г. с помощью методик рентгенодифракции была определена трехмерная структура инсулина. Steiner в 1967 г. обнаружил проинсулин — биологический пред­шественник инсулина более крупного размера. Позднее с по­мощью методик рекомбинаций ДНК удалось добиться синтеза инсулина бактериями.

ХИМИЯ

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, обоз­начаемых как А- и В-цепи, соединенные двумя дисульфидными мостиками. Кроме того, имеется дисульфидный мостик между 6-м и 11-м аминокислотным остатком А-цепи (рис. 10—10). Пол­ная молекула содержит 51 аминокислоту и обладает относитель­ной молекулярной массой 5800 и изоэлектрической точкой 5,35; 1мг чистого вещества содержит 24 ME. Аминокислотный состав инсулина у разных видов постоянен, за исключением остатков в положениях 4, 8, 9 и 10 А-цепи и 1, 2, 3, 27, 29 и 30 В-цепи. Чаще всего применяемыми в клинических целях инсулинами яв­ляются гормоны, экстрагируемые из поджелудочных желез сви­ней и крупного рогатого скота. Свиной инсулин отличается от гормона человека только присутствием аланина вместо треонина в терминальном положении В-цепи, тогда как между бычьим и человеческим инсулином существуют еще два различия [в 8-м (аланин) и 10-м (валин) положениях А-цепи] (см. рис. 10—10). Согласно результатам рентгенокристаллографических исследова-

 

 

Рис. 10—10, Аминокислотная последовательность инсулина человека. Сви­ной инсулин в качестве терминальной аминокислоты В-цепи содержит не треонин, а аланин. Бычий инсулин отличается от инсулина человека тем, что содержит аланин в положении 30 В-цепи, а также аланин (вместо трео­нина) в положении 8 и валин (вместо изолейцина) в положении 10 А-цепи.

яий, единичная ячейка кристаллического свиного инсулина со­стоит из инсулинового гексамера, построенного из трех димеров, расположенных вокруг оси, на которой лежат два атома цинка. Содержание цинка в большинстве кристаллических препаратов инсулина составляет примерно 0,4—0,5%. В слабых растворах инсулин адсорбируется на стекле или пластмассе (например, на стенках системы для внутривенных инфузий). Эту адсорбцию удается свести к минимуму путем добавления альбумина.

Расщепление инсулина на составляющие его А- и В-цепи пу­тем окисления или восстановления дисульфидных мостиков при­водит к полной потере им биологической активности. С другой стороны, удаление амидной группы аспарагина на карбоксильном конце А-цепи или терминального аланина В-цепи практически не влияет на активность молекулы инсулина. При удалении всего аспарагина (или аспартата) из карбоксильного конца А-цепи и аланина из соответствующего участка В-цепи теряется примерно 95% активности гормона. Удаление последовательности из 8 ами­нокислот (с 23-го по 30-й остаток) с карбоксильного конца В-цепи (инсулин-дезоктапептид) с помощью трипсинового гидролиза приводит к исчезновению всей определимой активности. Считает­ся, что участок между 22-м и 26-м остатком В-цепи имеет реша­ющее значение для связывания инсулина с его рецептором, как и для действия инсулина вообще [27].

БИОСИНТЕЗ

Инсулин синтезируется b-клетками островков Лангерганса в виде одноцепочечного предшественника — проинсулина с молекуляр­ной массой около 9000 [28]. Современные исследования на бес­клеточных системахпоказывают, что ближайшим продуктом трансляции проинсулиновой мРНК является более крупный пеп­тид с молекулярной массой 11 500, содержащий 23 дополнитель­ных аминокислотных остатка на аминоконце молекулы. Этот предшественник получил название препроинсулина, и счи­тают, что он быстро (в течение нескольких минут после синтеза) расщепляется микросомными протеазами до проинсулина. Допол­нительный пептид в препроинсулине по своему размеру, содер­жанию отдельных аминокислот и положению на аминоконце схо­ден с дополнительными последовательностями, найденными в продуктах трансляции in vitro мРНК различных гормонов, таких, как пропаратиреоидный гормон и гормон роста, равно, как и негор­мональных белков, таких, как легкие цепи иммуноглобулинов [29].

Проинсулин представляет собой спиральную молекулу, в ко­торой А- и В-цепи составляют единую последовательность за счет соединяющего пептида (С-пептида), состоящего из 26—31 ами­нокислотного остатка (рис. 10—11). Если аминокислотные по­следовательности А- и В-цепей у разных видов имеют небольшие различия, то строение соответствующих С-пептидов разнится го-

 

 

Рис. 10— 11. Схематическое изображение биосинтеза проинсулина, его пре­вращения в инсулин и С-пептид. Ген проинсулина представлен в верхней части рисунка. Эти гены содержат интроны, продукты которых исключа­ются из состава зрелой мРНК. Транскрипция препроинсулиновой мРНК требует присутствия фермента РНК-полимеразы. Эта мРНК служит мат­рицей для образования цепей препроинсулина на полирибосомах. Препроинсулин расщепляется до проинсулина (средняя часть рисунка), который затем переносится в аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс), где и про­исходит его превращение в инсулин (по Steiner D. F., Diabetes, 1977, 26, 322). раздо больше. Так, инсулин свиньи отличается от инсулина че­ловека только одной аминокислотой, тогда как С-пептид челове­ка — цепь из 23 аминокислотных остатков с молекулярной массой 3021 — отличается от свиного С-пептида 10 остатками и содержит на 2 аминокислоты меньше [30]. Столь высокая «мутабельность» согласуется с отсутствием у С-пептида специфической гормональ­ной функции. Хотя проинсулин обнаруживает небольшую пере­крестную реакцию с антителами к инсулину, он обладает всего" 3—5% от биологической эффективности нативного инсулина, Не ясно, принадлежит ли эта небольшая биологическая, актив­ность непосредственно проинсулину, или она обусловлена его превращением тканями-мишенями в инсулин.

Синтез препроинсулина в клетке и его быстрое? расщепление-до проинсулина происходит на полисомах шероховатого эндоплаз­матического ретикулума. Затем в ходе энергозависимого процесса проинсулин переносится в пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), где происходит его упаковка в микропузырьки с глад­кой поверхностью, в форме которых и осуществляется хранение и секреция (см. рис. 10—11). С момента попадания в пластинча­тый комплекс и в секреторных гранулах мембранные протеазы расщепляют проинсулин на эквимолярные количества инсулина и С-пептида. Инсулин вместе с цинком накапливается в централь­ной области созревающей секреторной гранулы, приобретающей все большую электронную плотность; С-пептид локализуется в пе­риферическом прозрачном пространстве секреторной гранулы.

Высвобождение содержимого зрелых секреторных гранул про­исходит путем постепенного их продвижения к плазматической мембране клетки, вслед за чем инсулин и С-пептид выталкива­ются наружу. Движение гранул к плазматической мембране в цитозоле b-клеток направляется микротрубочками — структурами, имеющими диаметр 24 нм и состоящими из димерных субъединиц белка с молекулярной массой 120 000, известного под названием тубулин. Вблизи плазматической мембраны, окружая секретор­ные гранулы, располагается сеть микронитей — структур с диа­метром 4—8 нм и состоящих, как полагают, из сократительного| белка актина. Принято считать, что на конечном общем этапа секреции b-клеток начинается поступление кальция внутрь клет­ки, что приводит к сокращению микронитей [31]. В результате секреторные гранулы приближаются к поверхности клеток, где их мембраны сливаются с плазматической мембраной, а их со­держимое выбрасывается во внеклеточное пространство. Этот про­цесс слияния мембран называется эмиоцитозом или экзо­цитозом.

Недавняя разработка методов химического синтеза ДНК в со­четании с использованием рекомбинаций ДНК обусловила воз­можность получения крысиного проинсулина или отдельных А- и В-цепей инсулина человека с помощью бактериальных клеток (Escherichia coli) [26, 32]. План синтеза предполагает либо об­ратную транскрипцию проинсулиновой мРНК с тем, чтобы полу-

 

Рис. 10—12. Схематическое изображение синтеза А- и В-цепей инсулина бактерий (Е. coli) с помощью методики рекомбинации ДНК (по Riggs A., Itakura К., Am. J. Hum. Genet, 1979, 31, 351). чить кДНК (ДНК-«копию») для проинсулина, либо химический синтез меньших фрагментов ДНК, кодирующих А- и В-цепи ин­сулина человека. Синтетические гены затем объединяются с ге­ном, в норме экспрессированном в клетке Е. coli (например, геном пенициллиназы или b-галактозидазы), что обеспечивает эф­фективную транскрипцию и трансляцию, т. е. образование стабильного белка-предшественника, или (в случае периплазматического белка, такого, как пенициллиназа) способствует транспорту продукта из клетки. Векторами, применяющимися для вне­сения чужеродной и бактериальной ДНК в бактериальную клет­ку, служат либо бактериофаги, либо плазмиды. Бактерия, содержащая плазмиду, транскрибирует свой собственный ген, рав­но, как и внедренную последовательность, продуцируя тем самым нужный полипептид (рис, 10—12). Тот факт, что последователь- ность эукариотической ДНК удается клонировать и экспрессиро­вать в прокариотических (бактериальных) клетках, может найти наиболее быстрое применение в области использования бактери­ального синтеза для продукции инсулина человека, нужного для лечения больных с инсулинозависимым диабетом. Такая техноло­гия тем самым может обеспечить создание альтернативного источ­ника инсулина и в конце концов вытеснить современные способы получения гормона, заключающиеся в экстракции свиных и бычьих поджелудочных желез.

СЕКРЕЦИЯ

Исходные концентрации

Концентрация инсулина в плазме периферической венозной или артериальной крови здоровых лиц после ночного голодания со­ставляет обычно 10—20 мкЕД/мл (0,4—0,8 нг/мл). Как уже от­мечалось, в процессе секреции инсулина освобождаются эквимолярные количества С-пептида, концентрация которого натощак составляет 0,9—3,5 нг/мл. Относительно большие количества С-пептида по сравнению с инсулином объясняются более медлен­ным метаболическим клиренсом этого вещества [30]. Поскольку секрет островков поджелудочной железы поступает в воротную веду и поскольку печень элиминирует 50—60% поступающего в нее инсулина, концентрация его натощак в крови воротной вены в 3 раза выше, чем в периферической крови. При резких «всплес­ках» секреции (например, в ответ на введение глюкозы или ами­нокислот) градиент уровней инсулина воротная вена — перифе­рическая кровь может повышаться до 10:1. Этот градиент кон­центраций инсулина может отчасти объяснять тот факт, что небольшой прирост секреции инсулина изменяет метаболизм глю­козы в печени без изменения периферической утилизации глюко­зы [33].

Хотя в плазме периферической крови и можно обнаружить проинсулин, обычно на его долю приходится менее 15% от общей иммунореактивности инсулина в циркуляции. Недавно описан бессимптомный генетический дефект — семейная гиперпроинсулинемия с аутосомно-доминантной наследуемостью, при которой на долю проинсулина приходится 65—90% от общей иммуноре­активности инсулина в плазме [34]. Отражает этот дефект нару­шение превращения проинсулина в инсулин или нарушение био­синтеза проинсулина — неизвестно. Повышение уровня проинсу­лина в плазме наблюдается и у больных с инсулиномами (см. следующую главу), а также в сочетании с гипокалиемией. У боль­ных диабетом повышение уровня проинсулина встречается до­вольно редко и не может объяснить нарушения толерантности к глюкозе, наблюдаемое при различных гиперинсулинемических со­стояниях (например, при ожирении, беременности, гиперкорти­цизме).

У получающих инсулин больных диабетом присутствие анти­тел препятствует определению инсулина в крови обычными ра­диоиммунологическими методами. В таких условиях можно оце­нивать остаточный резерв секреции инсулина с помощью определения С-пептида. Кроме того, у больных с гипогликемией и гиперинсулинемией определение С-пептида может дать ответ на вопрос, имеет ли циркулирующий инсулин эндогенное происхож­дение (повышение уровня С-пептида) или симптомы связаны с тайным введением инсулина (снижение уровня С-пептида).

Скорость секреции инсулина, необходимая для поддержания нормальной исходной концентрации гормона, колеблется от 0,25 до 1,5 ЕД/ч. Роль исходной секреции (которая в норме проис­ходит в интервалах между приемами пищи) подчеркивается ре­зультатами недавно проведенных исследований, свидетельствую­щими о том, что программированные системы инфузии инсулина,. которые обеспечивают как исходный уровень гормона, так и его повышение перед едой, гораздо более эффективны в отношении; нормализации гликемии при ювенильном диабете, чем только вве­дение повышенных доз инсулина перед едой [35].

Углеводы

Среди различных факторов, способных стимулировать секрецию инсулина, наиболее важным с физиологической точки зрения яв­ляется глюкоза. Это находит свое отражение в том, что ежемоментные колебания уровня инсулина в плазме повторяют коле­бания содержания глюкозы в ней (рис. 10—13). Однако точный механизм, с помощью которого глюкоза действует на b-клетки, вызывая высвобождение инсулина, не совсем ясен. Предложены. две альтернативные теории, одна из которых исходит из роли ме­таболизма глюкозы в островковых клетках, а другая—из взаи­модействия молекулы глюкозы с мембранным рецептором — «глю­корецептором». В пользу метаболической теории свидетельствуют следующие наблюдения: 1) метаболизируемые сахара (гексозы или триозы) являются более мощными стимуляторами секреции инсулина, чем неметаболизируемые углеводы (например, манноза); 2) глюкоза увеличивает концентрацию интермедиатов гли­колиза в островковых клетках; 3) вещества, угнетающие мета­болизм глюкозы (манногептулоза и 2-дезоксиглюкоза), препятст­вуют секреции инсулина.

С другой стороны, имеются наблюдения, результаты которых свидетельствуют в пользу существования механизма распознава­ния глюкозы за счет активации ею мембранного рецептора (глю­корецептор), вследствие чего «запускается» процесс высвобожде­ния инсулина. Эту гипотезу подтверждают данные о том, что с помощью блокаторов ферментов (йодацетат) высвобождение ин­сулина можно отделить от метаболического потока глюкозы по гликолитическому пути и что a-аномер глюкозы служит более эффективным стимулом секреции инсулина, чем b-аномер, хотя

 

Рис. 10—13. Колебания уровня глюкозы, глюкагона и инсулина в плазме в течение суток у здоровых лиц, потребляющих смешанную пищу. Макси­мальные размахи уровня глюкозы в плазме за 24 ч обычно не достигают 300 мг/л. Малая степень колебания уровня глюкозы в плазме является следствием обратной связи с секрецией инсулина и повышения секреции инсулина под действием гормонов желудочно-кишечного тракта, выделяю­щихся в ответ на прием пищи. В отличие от уровня инсулина уровень глюкагона при потреблении смешанной пищи совершенно не меняется (по Tasaka Y. et al., Ногш. Metab. Res., 1975, 7, 205, с модификациями). Стрелками показано время приема пищи. оба аномера подвергаются, по-видимому, одинаковому метаболизму в островковых клетках. Хотя результаты этих наблюдений ука­зывают на стереоспецифичность действия глюкозы, согласно ре­зультатам более поздних исследований, a-аномер служит более подходящим субстратом гликолиза в островковых клетках, чем b-аномер, причем стереоспецифичность играет роль на этапе, ка­тализируемом изомеразой фосфоглюкозы [36]. Кроме того, в позд­нее проведенных исследованиях с йодацетатом были получены данные, которые на самом деле согласуются с метаболической гипотезой [37]. В механизме, с помощью которого гликолиз сти­мулирует секрецию инсулина, может принимать участие увели­чение в клетке уровня НАД-Н и НАДФ-Н, равно как и концен­трации R [38].

В процессе стимуляции секреции инсулина, как и во многих других внутриклеточных процессах, принимает участие цАМФ. Считается, что повышение уровня цАМФ выступает прежде всего в качестве положительного модулятора этапа секреции, чувстви­тельного к глюкозе. Тот факт, что теофиллин (ингибитор фосфодиэстеразы) повышает уровень цАМФ, но очень слабо влияет на секрецию инсулина в отсутствие глюкозы, свидетельствует о том, что само по себе увеличение цАМФ является недостаточным условием для стимуляции секреции инсулина.

 

 

Рис. 10—14. Внутриклеточная после­довательность стимулирующего эф­фекта глюкозы на секрецию инсулина b-клеткой. Проникновение глю­козы в b-клетку усиливает гликолиз и повышает уровень цАМФ. Эти сдвиги приводят к увеличению внут­риклеточного содержания кальция, «запускающего» выброс инсулина.

 

Как уже отмечалось, конечным этапом триггерного механизма, с помощью которого глюкоза или другие стимулы приводят к высвобождению инсулина из b-клеток, считается увеличение внут­риклеточного уровня кальция. Эти изменения кальциевого балан­са определяются тормозящим влиянием глюкозы на выход каль­ция из клетки и мобилизацией внутриклеточных запасов кальция под влиянием цАМФ. На значение изменений внутриклеточного кальция отчетливо указывают результаты исследований с ионофорами—молекулами, действующими в качестве мембранных пере­носчиков ионов. В присутствии гетероциклической монокарбоновой кислоты А23187 — специфического ионофора двухвалентных катионов, который транспортирует кальций через биологические мембраны, добавление кальция к b-клеткам приводит к «всплес­ку» секреции инсулина даже без повышения уровня глюкозы или внутриклеточного уровня цАМФ [39].

Общую цепь событий можно суммировать следующим образом проникновение глюкозы в b-клетку усиливает гликолиз, вследст­вие чего повышается уровень восстановленных пиридиновых нук­леотидов (НАД-Н и НАДФ-Н) и содержание цАМФ. Эти изме­нения приводят к накоплению кальция, который «запускает» вы­свобождение инсулина (рис. 10—14).

Характерной особенностью реакции инсулина на глюкозу яв­ляется ее двухфазность (рис. 10—15). Начальный быстрый «всплеск» секреции начинается в пределах 1 мин после введения глюкозы, достигает максимума в пределах 2 мин и снижается в последующие 3—5 мин. Вторая фаза, характеризующаяся более постепенным приростом уровня инсулина, начинается спустя 5— 10 мин после начала инфузии глюкозы и продолжается в течение

 

Рис. 10—15. Концентра­ции иммунореактивного инсулина в плазме кро­ви из воротной и пери­ферической вены до внутривенного введения глюкозы и после него. Натощак концентрация инсулина в плазме во­ротной вены (1) в 3 ра­за превышает его уро­вень на периферии (2), а сразу же после введе­ния глюкозы может пре­вышать периферический уровень в 10 раз (7 наблюдений). Изменения концентрации инсулина в плазме воротной вены указывают на двухфазность реакции b-клеток, в ходе которой резкое увеличение выброса инсу­лина сменяется более медленным и длительным приростом его (по Blackard W. G., Nelson N. С., Diabetes, 1970, 19, 302).

последующего часа. В опытах на перфузируемой поджелудочной железе ингибитор синтеза белка пуромицин ослабляет выражен­ность второй фазы, но не влияет на раннюю фазу секреции ин­сулина. Эти данные позволили предположить, что в b-клетке со­держатся два пула инсулина [40]. Остро высвобождаемый пул, содержащий ранее синтезированный инсулин, быстро опустоша­ется в 1-ю фазу секреции. Второй хронический высвобождаемый пул, содержащий вновь синтезируемый инсулин и небольшие ко­личества проинсулина, пополняющие запасы преформированного инсулина, постепенно опустошается во 2-ю фазу. Глюкоза сти­мулирует синтез инсулина на посттранскрипционном уровне неза­висимо от синтеза новых молекул мРНК [41].

⇐ Предыдущая87888990919293949596Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: