Ścieżka transdukcji sygnału insuliny - Insulin signal transduction pathway
Szlak transdukcji insuliny jest szlakiem biochemicznym, w którym insulina zwiększa wychwyt glukozy przez komórki tłuszczowe i mięśniowe oraz zmniejsza syntezę glukozy w wątrobie, a tym samym bierze udział w utrzymaniu homeostazy glukozy . Na tę ścieżkę wpływają również stany po posiłku i postu, poziom stresu i wiele innych hormonów.
Kiedy węglowodany są konsumowane, trawione i wchłaniane, trzustka wyczuwa późniejszy wzrost stężenia glukozy we krwi i uwalnia insulinę, aby promować wychwyt glukozy z krwiobiegu. Kiedy insulina wiąże się z receptorem insuliny , prowadzi to do kaskady procesów komórkowych, które sprzyjają wykorzystaniu lub, w niektórych przypadkach, magazynowaniu glukozy w komórce. Efekty insuliny różnią się w zależności od zaangażowanej tkanki, np. insulina jest najważniejsza w wychwytywaniu glukozy przez mięśnie i tkankę tłuszczową.
Ten szlak transdukcji sygnału insuliny składa się z mechanizmów wyzwalających (np. mechanizmów autofosforylacji ), które służą jako sygnały w całej komórce. W organizmie istnieje również mechanizm przeciwdziałający, który zatrzymuje wydzielanie insuliny poza określony limit. Mianowicie tymi mechanizmami kontrregulacyjnymi są glukagon i epinefryna. Proces regulacji stężenia glukozy we krwi (znany również jako homeostaza glukozy) również wykazuje zachowanie oscylacyjne.
Z patologicznego punktu widzenia ten temat ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia pewnych zaburzeń w organizmie, takich jak cukrzyca , hiperglikemia i hipoglikemia .
Ścieżka transdukcji
Funkcjonowanie szlaku transdukcji sygnału opiera się na sygnalizacji zewnątrzkomórkowej, która z kolei tworzy odpowiedź, która powoduje inne kolejne odpowiedzi, tworząc w ten sposób reakcję łańcuchową lub kaskadę. W trakcie sygnalizacji komórka wykorzystuje każdą odpowiedź do osiągnięcia po drodze jakiegoś celu. Mechanizm wydzielania insuliny jest częstym przykładem mechanizmu szlaku transdukcji sygnału .
Insulina jest produkowana przez trzustkę w regionie zwanym Wysepkami Langerhansa . Na wyspach Langerhansa znajdują się komórki beta odpowiedzialne za produkcję i magazynowanie insuliny. Insulina jest wydzielana jako mechanizm odpowiedzi przeciwdziałający wzrastającemu nadmiarowi glukozy we krwi.
Poziom glukozy w organizmie wzrasta po spożyciu pokarmu. Wynika to głównie z spożycia węglowodanów, ale w znacznie mniejszym stopniu spożycia białka [1] ) [2] . W zależności od rodzaju tkanki glukoza dostaje się do komórki poprzez ułatwioną dyfuzję lub aktywny transport. W mięśniach i tkance tłuszczowej glukoza przechodzi przez receptory GLUT 4 poprzez ułatwioną dyfuzję ( [3] ). W mózgu, siatkówce, nerkach, krwinkach czerwonych, łożysku i wielu innych narządach glukoza wchodzi przez GLUT 1 i GLUT 3. Do komórek beta trzustki i komórek wątroby glukoza przechodzi przez receptory GLUT 2 (proces opisany poniżej).
Biosynteza i transkrypcja insuliny
Biosynteza insuliny jest regulowana przez poziomy transkrypcyjne i translacyjne. Komórki β promują transkrypcję białek w odpowiedzi na składniki odżywcze. Ekspozycja szczurzych wysp Langerhansa na glukozę przez 1 godzinę jest w stanie znacząco indukować wewnątrzkomórkowe poziomy proinsuliny. Zauważono, że mRNA proinsuliny pozostał stabilny. Sugeruje to, że ostra odpowiedź syntezy insuliny na glukozę jest niezależna od syntezy mRNA w ciągu pierwszych 45 minut, ponieważ zablokowanie transkrypcji spowolniło akumulację insuliny w tym czasie. PTBP, zwane również białkami wiążącymi szlak polipirymidynowy, to białka regulujące translację mRNA. Zwiększają żywotność mRNA i prowokują inicjację translacji. PTBP1 umożliwia aktywację swoistą dla genu insuliny i mRNA białka ziarnistego insuliny przez glukozę.
Poniżej wyjaśniono dwa aspekty procesu transdukcji: wydzielanie insuliny i działanie insuliny na komórkę.
Wydzielanie insuliny
Glukoza, która trafia do krwiobiegu po spożyciu pokarmu, wchodzi również do komórek beta w wysepkach Langerhansa w trzustce. Glukoza dyfunduje w komórce beta dzięki pęcherzykowi GLUT-2 . Wewnątrz komórki beta zachodzi następujący proces:
Glukoza jest przekształcana w glukozo-6-fosforan (G6P) przez glukokinazę, a G6P jest następnie utleniany z wytworzeniem ATP . Proces ten hamuje wrażliwe na ATP kanały jonowe potasowe komórki, powodując zamknięcie kanału jonowego potasowego i przestanie działać. Zamknięcie wrażliwych na ATP kanałów potasowych powoduje depolaryzację błony komórkowej powodując jej rozciąganie, co powoduje otwarcie bramkowanego napięciem kanału wapniowego na błonie, powodując napływ jonów Ca2+. Ten napływ następnie stymuluje fuzję pęcherzyków insulinowych z błoną komórkową i wydzielanie insuliny w płynie pozakomórkowym poza komórką beta; w ten sposób dostanie się do krwiobiegu. [Zilustrowane również na rysunku 1.1.1].
Istnieją 3 podrodziny kanałów Ca+2; Kanały Ca+2 typu L, kanały Ca+2 inne niż typu L (w tym kanały typu R) i kanały Ca+2 typu T. Istnieją dwie fazy wydzielania insuliny, pierwsza faza obejmuje kanały Ca+2 typu L, a druga faza obejmuje kanały Ca+2 typu R. Napływ Ca+2 generowany przez kanały Ca+2 typu R nie wystarcza do wywołania egzocytozy insulinowej, jednak zwiększa mobilizację pęcherzyków w kierunku błony komórkowej.
Kwasy tłuszczowe i wydzielanie insuliny
Kwasy tłuszczowe wpływają również na wydzielanie insuliny. W cukrzycy typu 2 kwasy tłuszczowe mogą nasilać uwalnianie insuliny, aby skompensować zwiększone zapotrzebowanie na insulinę. Stwierdzono, że komórki β wyrażają na swojej powierzchni receptory wolnych kwasów tłuszczowych, przez które kwasy tłuszczowe mogą wpływać na funkcję komórek β. Długołańcuchowe acylo-CoA i DAG to metabolity powstające w wyniku wewnątrzkomórkowego metabolizmu kwasów tłuszczowych. Długołańcuchowy acylo-CoA ma zdolność do acylowania białek, które są niezbędne w fuzji granulek insuliny. Z drugiej strony DAG aktywuje PKC, który bierze udział w wydzielaniu insuliny.
Hormonalna regulacja wydzielania insuliny
Kilka hormonów może wpływać na wydzielanie insuliny. Estrogen jest skorelowany ze wzrostem wydzielania insuliny poprzez depolaryzację błony komórek β i zwiększenie wnikania Ca+2. W przeciwieństwie do tego, wiadomo, że hormon wzrostu obniża poziom insuliny w surowicy poprzez promowanie wytwarzania insulinopodobnego czynnika wzrostu I (IGF-I). Z kolei IGF-I hamuje wydzielanie insuliny.
Akcja na komórce
Po dostaniu się insuliny do krwiobiegu wiąże się z receptorem glikoproteinowym obejmującym błony. Ta glikoproteina jest osadzona w błonie komórkowej i ma zewnątrzkomórkową domenę receptorową złożoną z dwóch podjednostek α oraz wewnątrzkomórkową domenę katalityczną złożoną z dwóch podjednostek β. Podjednostki α działają jak receptory insuliny, a cząsteczka insuliny działa jak ligand . Razem tworzą kompleks receptor-ligand.
Wiązanie insuliny z podjednostką α powoduje zmianę konformacyjną glikoproteiny związanej z błoną, która aktywuje domeny kinazy tyrozynowej na każdej podjednostce β. Aktywność kinazy tyrozynowej powoduje autofosforylację kilku reszt tyrozynowych w podjednostce β. Fosforylacja 3 reszt tyrozyny jest konieczna do wzmocnienia aktywności kinazy.
Gdy kinaza tyrozynowa jest aktywowana w receptorze insuliny, uruchamia aktywację białek dokujących, zwanych również IRS (1-4), które są ważne w ścieżce sygnalizacyjnej, a następnie aktywację PI-3k
Dwa enzymy kinaza białkowa aktywowana mitogenami (kinaza MAP) i kinaza 3-fosfatydyloinozytolu (PI-3K, kinaza 3-fosfoinozytydu ) są odpowiedzialne za ekspresję odpowiednio mitogennego i metabolicznego działania insuliny.
Aktywacja kinazy MAP prowadzi do zakończenia funkcji mitogennych, takich jak wzrost komórek i ekspresja genów.
Aktywacja PI-3K prowadzi do kluczowych funkcji metabolicznych, takich jak synteza lipidów, białek i glikogenu. Prowadzi również do przeżycia i proliferacji komórek. Co najważniejsze, szlak PI-3K odpowiada za dystrybucję glukozy dla ważnych funkcji komórkowych. Aktywacja PI-3K prowadzi do aktywacji PKB (AKT), która indukuje wpływ insuliny na wątrobę. Na przykład zahamowanie wątrobowej syntezy glukozy i aktywacja syntezy glikogenu. Stąd PKB odgrywa kluczową rolę w łączeniu transportera glukozy (GLUT4) ze szlakiem sygnalizacji insuliny. Aktywowany GLUT4 przeniesie się do błony komórkowej i promuje transport glukozy do środowiska wewnątrzkomórkowego.
Tak więc rola insuliny jest bardziej promotorem wykorzystania glukozy w komórkach, a nie jej neutralizacją lub przeciwdziałaniem.
Regulacja sygnału receptora insuliny
PI-3K jest jednym z ważnych elementów regulacji szlaku sygnałowego insuliny. Utrzymuje wrażliwość na insulinę w wątrobie. PI-3K składa się z podjednostki regulacyjnej (P85) i podjednostki katalitycznej (P110). P85 reguluje aktywację enzymu PI-3K. W heterodimerze PI-3K (P85-p110), P85 odpowiada za aktywność PI-3K, wiążąc się z miejscem wiązania na substratach receptora insuliny (IRS). Zauważono, że wzrost P85a (izoformy P85) skutkuje współzawodnictwem między kompleksem późniejszym i P85-P110 o miejsce wiązania IRS, zmniejszając aktywność PI-3k i prowadząc do oporności na insulinę. Insulinooporność dotyczy również cukrzycy typu 2. Zauważono również, że zwiększona fosforylacja seryny IRS jest zaangażowana w insulinooporność poprzez zmniejszenie ich zdolności do przyciągania PI3K. Fosforylacja seryny może również prowadzić do degradacji IRS-1.
Mechanizmy sprzężenia zwrotnego
Transdukcja sygnału to mechanizm, w którym komórka reaguje na sygnał z otoczenia poprzez aktywację kilku białek i enzymów, które dadzą odpowiedź na sygnał. Mechanizm sprzężenia zwrotnego może obejmować ujemne i dodatnie sprzężenia zwrotne. W negatywnym sprzężeniu zwrotnym szlak jest hamowany, a końcowy wynik szlaku transdukcji jest zmniejszony lub ograniczony. W przypadku pozytywnego sprzężenia zwrotnego szlak transdukcji jest promowany i stymulowany do wytwarzania większej liczby produktów.
Pozytywny
Wydzielanie insuliny skutkuje pozytywnym sprzężeniem zwrotnym na różne sposoby. Po pierwsze, insulina zwiększa wychwyt glukozy z krwi poprzez translokację i egzocytozę pęcherzyków magazynujących GLUT4 w komórkach mięśniowych i tłuszczowych. Po drugie, promuje przemianę glukozy w trójglicerydy w komórkach wątroby, tłuszczu i mięśni. Wreszcie komórka zwiększy w sobie szybkość glikolizy, aby rozbić glukozę w komórce na inne składniki w celu wzrostu tkanki.
Przykładem mechanizmu pozytywnego sprzężenia zwrotnego w szlaku transdukcji insuliny jest aktywacja niektórych enzymów, które hamują inne enzymy spowalniające lub zatrzymujące szlak transdukcji insuliny, co skutkuje lepszym spożyciem glukozy.
Jeden z tych szlaków obejmuje enzym PI(3)K ( kinaza 3-fosfoinozytydu ). Szlak ten jest odpowiedzialny za aktywację glikogenu, syntezę lipidowo-białkową i specyficzną ekspresję genów niektórych białek, które pomogą w spożyciu glukozy. Różne enzymy kontrolują ten szlak. Niektóre z tych enzymów zwężają szlak, powodując ujemne sprzężenie zwrotne, takie jak szlak GSK-3 . Inne enzymy popchną ścieżkę do przodu, powodując pozytywne sprzężenie zwrotne, takie jak enzymy AKT i P70. Kiedy insulina wiąże się ze swoim receptorem, aktywuje syntezę glikogenu poprzez hamowanie enzymów spowalniających szlak PI(3)K, takich jak enzym PKA. Jednocześnie będzie promować funkcję enzymów, które zapewniają pozytywne sprzężenie zwrotne dla szlaku, takie jak enzymy AKT i P70. Inaktywacja enzymów zatrzymujących reakcję i aktywacja enzymów zapewniających pozytywne sprzężenie zwrotne zwiększy syntezę glikogenu, lipidów i białek oraz będzie promować spożycie glukozy.
( Obraz, który pomoże wyjaśnić funkcję białek wymienionych powyżej w pozytywnym sprzężeniu zwrotnym. )
Negatywny
Kiedy insulina wiąże się z receptorem komórki, powoduje negatywne sprzężenie zwrotne, ograniczając lub zatrzymując niektóre inne działania w komórce. Hamuje uwalnianie i produkcję glukozy z komórek, co jest ważnym elementem obniżania poziomu glukozy we krwi. Insulina hamuje również rozkład glikogenu na glukozę poprzez hamowanie ekspresji enzymów, które katalizują rozkład glikogenu .
Przykładem negatywnego sprzężenia zwrotnego jest spowolnienie lub zatrzymanie przyjmowania glukozy po aktywacji szlaku. Negatywne sprzężenie zwrotne jest pokazane w szlaku transdukcji sygnału insuliny poprzez ograniczenie fosforylacji stymulowanej insuliną tyrozyny. Enzym, który dezaktywuje lub fosforyluje stymulowaną insuliną tyrozynę, nazywa się fosfatazami tyrozynowymi (PTPazy). Po aktywacji enzym ten zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne poprzez katalizowanie defosforylacji receptorów insuliny. Defosforylacja receptora insuliny spowalnia pobór glukozy poprzez hamowanie aktywacji (fosforylacji) białek odpowiedzialnych za dalsze etapy szlaku transdukcji insuliny.
Mechanizm spustowy
Insulina jest syntetyzowana i wydzielana w komórkach beta wysepek Langerhansa. Po zsyntetyzowaniu insuliny komórki beta są gotowe do jej uwolnienia w dwóch różnych fazach. Podobnie jak w pierwszej fazie, uwalnianie insuliny jest wyzwalane szybko, gdy poziom glukozy we krwi wzrasta. Druga faza to powolne uwalnianie nowo powstałych pęcherzyków, które są wyzwalane niezależnie od poziomu cukru we krwi. Glukoza wchodzi do komórek beta i przechodzi glikolizę, tworząc ATP, który ostatecznie powoduje depolaryzację błony komórek beta (jak wyjaśniono w sekcji Wydzielanie insuliny tego artykułu). Proces depolaryzacji powoduje otwarcie kontrolowanych napięciem kanałów wapniowych (Ca2+), co umożliwia przepływ wapnia do komórek. Podwyższony poziom wapnia aktywuje fosfolipazę C, która rozszczepia błonę fosfolipidową 4,5-bisfosforanu fosfatydyloinozytolu na 1,4,5-trifosforan inozytolu (IP3) i diacyloglicerol (DAG). IP3 wiąże się z białkami receptorowymi w błonie retikulum endoplazmatycznego (ER). To uwalnia (Ca2+) z ER przez kanały bramkowane IP3 i jeszcze bardziej podnosi stężenie wapnia w komórkach. Napływ jonów Ca2+ powoduje wydzielanie insuliny zmagazynowanej w pęcherzykach przez błonę komórkową. Proces wydzielania insuliny jest przykładem mechanizmu wyzwalającego w ścieżce transdukcji sygnału, ponieważ insulina jest wydzielana po wejściu glukozy do komórki beta i uruchamia kilka innych procesów w reakcji łańcuchowej.
Mechanizm licznika
Funkcja glukagonu
Podczas gdy insulina jest wydzielana przez trzustkę w celu obniżenia poziomu glukozy we krwi, glukagon jest wydzielany w celu podniesienia poziomu glukozy we krwi. Właśnie dlatego glukagon jest znany od dziesięcioleci jako hormon kontrregulacyjny. Gdy poziom glukozy we krwi jest niski, trzustka wydziela glukagon, co z kolei powoduje, że wątroba przekształca zmagazynowane polimery glikogenu w monomery glukozy, które są następnie uwalniane do krwi. Ten proces nazywa się glikogenolizą. Komórki wątroby, czyli hepatocyty, posiadają receptory glukagonu, które umożliwiają glukagonowi przyłączenie się do nich, a tym samym stymulację glikogenolizy. W przeciwieństwie do insuliny, która jest wytwarzana przez komórki beta trzustki, glukagon jest wytwarzany przez komórki alfa trzustki. Wiadomo również, że wzrost insuliny hamuje wydzielanie glukagonu, a spadek insuliny wraz z niskim poziomem glukozy stymuluje wydzielanie glukagonu.
Zachowanie oscylacyjne
Gdy poziom glukozy we krwi jest zbyt niski, trzustka otrzymuje sygnał do uwolnienia glukagonu, który ma zasadniczo przeciwne działanie insuliny, a zatem przeciwdziała obniżeniu poziomu glukozy we krwi. Glukagon jest dostarczany bezpośrednio do wątroby, gdzie łączy się z receptorami glukagonu na błonach komórek wątroby, sygnalizując konwersję glikogenu już zmagazynowanego w komórkach wątroby w glukozę. Proces ten nazywa się glikogenolizą .
I odwrotnie, gdy poziom glukozy we krwi jest zbyt wysoki, trzustka otrzymuje sygnał do uwolnienia insuliny. Insulina jest dostarczana do wątroby i innych tkanek w całym organizmie (np. mięśni, tkanki tłuszczowej). Insulina po wprowadzeniu do wątroby łączy się z już istniejącymi receptorami insuliny, czyli receptorem kinazy tyrozynowej. Receptory te mają dwie podjednostki alfa (pozakomórkowe) i dwie podjednostki beta (międzykomórkowe), które są połączone przez błonę komórkową wiązaniami dwusiarczkowymi. Kiedy insulina wiąże się z tymi podjednostkami alfa, „transport glukozy 4” (GLUT4) jest uwalniany i przenoszony do błony komórkowej w celu regulacji transportu glukozy do iz komórki. Wraz z uwolnieniem GLUT4 zwiększa się dopływ glukozy do komórek, a zatem stężenie glukozy we krwi może się zmniejszyć. Innymi słowy, zwiększa to wykorzystanie glukozy już obecnej w wątrobie. Jest to pokazane na sąsiednim obrazku. Wraz ze wzrostem glukozy wzrasta produkcja insuliny, co w ten sposób zwiększa wykorzystanie glukozy, która skutecznie utrzymuje poziom glukozy i wywołuje zachowanie oscylacyjne.