Insulinsignaltransduktionsväg
Insulintransduktionsvägen är en biokemisk väg genom vilken insulin ökar upptaget av glukos i fett- och muskelceller och minskar syntesen av glukos i levern och därmed är involverat i att upprätthålla glukoshomeostas . Denna väg påverkas också av föda kontra fastande tillstånd, stressnivåer och en mängd andra hormoner .
När kolhydrater konsumeras, smälts och absorberas känner bukspottkörteln den efterföljande ökningen av blodsockerkoncentrationen och frigör insulin för att främja upptaget av glukos från blodomloppet . När insulin binder till insulinreceptorn leder det till en kaskad av cellulära processer som främjar användningen eller, i vissa fall, lagringen av glukos i cellen. Effekterna av insulin varierar beroende på vilken vävnad som är involverad, t.ex. är insulin viktigast för upptaget av glukos i muskler och fettvävnad .
Denna insulinsignaltransduktionsväg är sammansatt av triggermekanismer (t.ex. autofosforyleringsmekanismer ) som fungerar som signaler i hela cellen. Det finns också en motmekanism i kroppen för att stoppa utsöndringen av insulin över en viss gräns. Dessa motreglerande mekanismer är nämligen glukagon och epinefrin. Processen för reglering av blodsocker (även känd som glukoshomeostas ) uppvisar också oscillerande beteende .
På patologisk grund är detta ämne avgörande för att förstå vissa störningar i kroppen som diabetes , hyperglykemi och hypoglykemi .
Transduktionsväg
Funktionen hos en signaltransduktionsväg är baserad på extracellulär signalering som i sin tur skapar ett svar som orsakar andra efterföljande svar, vilket skapar en kedjereaktion eller kaskad. Under signaleringen använder cellen varje svar för att uppnå något slags syfte längs vägen. Insulinsekretionsmekanism är ett vanligt exempel på signaltransduktionsvägmekanism .
Insulin produceras av bukspottkörteln i en region som kallas Langerhanska öar . På de Langerhanska öarna finns betaceller som ansvarar för produktion och lagring av insulin. Insulin utsöndras som en svarsmekanism för att motverka de ökande överskottsmängderna av glukos i blodet.
Glukos i kroppen ökar efter matintag. Detta beror i första hand på kolhydratintaget, men i mycket mindre grad proteinintaget ( [1] ) ( [2] ) . Beroende på vävnadstyp kommer glukosen in i cellen genom underlättad diffusion eller aktiv transport. I muskel- och fettvävnad kommer glukos in genom GLUT 4-receptorer via underlättad diffusion ( [3]) . I hjärnan, näthinnan, njurarna, RBC, placenta och många andra organ kommer glukos in med GLUT 1 och GLUT 3. I betacellerna i bukspottkörteln och i leverceller kommer glukos in genom GLUT 2-receptorerna (processen beskrivs nedan).
Insulinbiosyntes och transkription
Insulinbiosyntesen regleras av transkriptionella och translationella nivåer. β-cellerna främjar sin proteintranskription som svar på näringsämnen. Exponeringen av Langerhans-öar från råtta för glukos under 1 timme kan anmärkningsvärt inducera de intracellulära proinsulinnivåerna. Det noterades att proinsulin-mRNA:t förblev stabilt. Detta tyder på att det akuta svaret på glukos från insulinsyntesen är oberoende av mRNA-syntesen under de första 45 minuterna eftersom blockeringen av transkriptionen bromsade insulinackumuleringen under den tiden. PTBP, även kallade polypyrimidin-kanalbindande proteiner, är proteiner som reglerar translationen av mRNA. De ökar livskraften för mRNA och provocerar initieringen av translationen. PTBP1 möjliggör insulingenspecifik aktivering och insulingranulprotein mRNA genom glukos.
Två aspekter av transduktionsvägsprocessen förklaras nedan: insulinutsöndring och insulinverkan på cellen.
Insulinsekretion
Glukosen som går in i blodomloppet efter matintag kommer också in i betacellerna i de Langerhanska öarna i bukspottkörteln. Glukosen diffunderar in i betacellen, vilket underlättas av en GLUT-2- vesikel. Inuti betacellen sker följande process:
Glukos omvandlas till glukos-6-fosfat (G6P) genom glukokinas, och G6P oxideras därefter för att bilda ATP . Denna process hämmar de ATP-känsliga kaliumjonkanalerna i cellen vilket gör att kaliumjonkanalen stängs och inte fungerar längre. Stängningen av de ATP-känsliga kaliumkanalerna orsakar depolarisering av cellmembranet vilket gör att cellmembranet sträcker sig vilket gör att den spänningsstyrda kalciumkanalen på membranet öppnas vilket orsakar ett inflöde av Ca2+-joner. Detta inflöde stimulerar sedan fusion av insulinvesiklarna till cellmembranet och utsöndring av insulin i den extracellulära vätskan utanför betacellen; vilket gör att det kommer in i blodomloppet. [Illustrerad även i figur 1.1.1].
Det finns 3 underfamiljer av Ca+2-kanaler; L-typ Ca+2-kanaler, icke-L-typ Ca+2-kanaler (inklusive R-Type) och T-typ Ca+2-kanaler. Det finns två faser av insulinutsöndringen, den första fasen involverar L-typ Ca+2-kanalerna och den andra fasen involverar R-typ Ca+2-kanalerna. Ca+2-inflödet som genereras av R-typ Ca+2-kanaler är inte tillräckligt för att orsaka insulinexocytos, men det ökar mobiliseringen av vesiklarna mot cellmembranet.
Fettsyror och insulinutsöndring
Fettsyror påverkar också insulinutsöndringen. Vid typ 2-diabetes kan fettsyror förstärka insulinfrisättningen för att kompensera det ökande behovet av insulin. Man fann att β-cellerna uttrycker fria fettsyrareceptorer på sin yta, genom vilka fettsyror kan påverka β-cellers funktion. Långkedjig acyl-CoA och DAG är de metaboliter som är resultatet av den intracellulära metabolismen av fettsyror. Långkedjig acyl-CoA har förmågan att acylera proteiner som är väsentliga i insulingranulfusionen. Å andra sidan aktiverar DAG PKC som är involverat i insulinutsöndringen.
Hormonell reglering av insulinutsöndring
Flera hormoner kan påverka insulinutsöndringen. Östrogen är korrelerad med en ökning av insulinutsöndringen genom att depolarisera β-cellsmembranet och förstärka inträdet av Ca+2. Tillväxthormon är däremot känt för att sänka serumnivån av insulin genom att främja produktionen av insulinliknande tillväxtfaktor-I (IGF-I). IGF-I undertrycker i sin tur insulinutsöndringen.
Åtgärd på cellen
Efter att insulin kommer in i blodomloppet, binder det till ett membranomspännande receptortyrosinkinas ( RTK). Detta glykoprotein är inbäddat i det cellulära membranet och har en extracellulär receptordomän, som består av två a-subenheter, och en intracellulär katalytisk domän som består av två β-subenheter. α-subenheterna fungerar som insulinreceptorer och insulinmolekylen fungerar som en ligand . Tillsammans bildar de ett receptor-ligandkomplex.
Bindning av insulin till α-subenheten resulterar i en konformationsförändring av proteinet, vilket aktiverar tyrosinkinasdomäner på varje β-subenhet. Tyrosinkinasaktiviteten orsakar en autofosforylering av flera tyrosinrester i β-subenheten. Fosforyleringen av 3 rester av tyrosin är nödvändig för amplifiering av kinasaktiviteten.
Denna autofosforylering utlöser aktiveringen av dockningsproteinerna, i detta fall IRS (1-4) på vilken fosfatidylinositol-3-kinas (PI-3K) kan fästas eller GRB2 där ras Guanine nukleotidutbytesfaktor (GEF) (även känd som SOS ) kan bifogas.
PI-3K orsakar fosforyleringen av PIP2 till PIP3 . Detta protein fungerar som ett dockningsställe för PDPK1 och Proteinkinas B (även känt som AKT), som sedan fosforyleras av den senare och PK2 för att aktiveras. Detta leder till avgörande metaboliska funktioner såsom syntes av lipider, proteiner och glykogen. Det leder också till cellöverlevnad och cellproliferation. Viktigast är att PI-3K-vägen är ansvarig för distributionen av glukos för viktiga cellfunktioner. Till exempel undertryckandet av hepatisk glukossyntes och aktiveringen av glykogensyntes. Därför har AKT en avgörande roll i kopplingen av glukostransportören ( GLUT4 ) till insulinsignalvägen. Den aktiverade GLUT4 kommer att translokera till cellmembranet och främjar transporten av glukos in i det intracellulära mediet.
Ras-GEF stimulerar utbytet av GDP till GTP i RAS-proteinet, vilket får det att aktiveras. Ras aktiverar sedan den Mitogen-aktiverade proteinkinas (MAP-Kinase) vägen, vilket slutligen resulterar i förändringar i proteinaktivitet och genuttryck.
Således är insulins roll mer av en promotor för användningen av glukos i cellerna snarare än att neutralisera eller motverka det.
Reglering av insulinreceptorsignalen
PI-3K är en av de viktiga komponenterna i regleringen av insulinsignalvägen. Det upprätthåller insulinkänsligheten i levern. PI-3K består av en regulatorisk subenhet (P85) och en katalytisk subenhet (P110). P85 reglerar aktiveringen av PI-3K-enzym. I PI-3K-heterodimeren (P85-p110) är P85 ansvarig för PI-3K-aktiviteten genom att binda till bindningsstället på insulinreceptorsubstraten ( IRS ). Det noterades att en ökning av P85a (isoform av P85) resulterar i en konkurrens mellan det senare och P85-P110-komplexet till IRS-bindningsstället, vilket minskar PI-3k-aktiviteten och leder till insulinresistens. Insulinresistens avser också typ 2-diabetes. Det noterades också att ökad serinfosforylering av IRS är involverad i insulinresistensen genom att minska deras förmåga att attrahera PI3K. Serin-fosforyleringen kan också leda till nedbrytning av IRS-1.
Återkopplingsmekanismer
Signaltransduktion är en mekanism där cellen svarar på en signal från omgivningen genom att aktivera flera proteiner och enzymer som kommer att ge ett svar på signalen. Återkopplingsmekanism kan involvera negativa och positiva återkopplingar. I den negativa återkopplingen hämmas vägen och resultatet av transduktionsvägen reduceras eller begränsas. I positiv feedback främjas och stimuleras transduktionsvägen att producera fler produkter.
Positiv
Insulinutsöndring ger positiv feedback på olika sätt. För det första ökar insulin upptaget av glukos från blodet genom translokation och exocytos av GLUT4-lagringsvesiklar i muskel- och fettcellerna. För det andra främjar det omvandlingen av glukos till triglycerider i lever-, fett- och muskelcellerna. Slutligen kommer cellen att öka glykolyshastigheten i sig själv för att bryta glukos i cellen till andra komponenter för vävnadstillväxtändamål.
Ett exempel på positiv återkopplingsmekanism i insulintransduktionsvägen är aktiveringen av vissa enzymer som hämmar andra enzymer från att bromsa eller stoppa insulintransduktionsvägen vilket resulterar i förbättrat intag av glukos.
En av dessa vägar involverar PI(3)K-enzymet ( Phosphoinositide 3-kinase) . Denna väg är ansvarig för att aktivera glykogen, lipid-proteinsyntes och specifikt genuttryck av vissa proteiner som hjälper till vid intaget av glukos. Olika enzymer styr denna väg. Vissa av dessa enzymer drar ihop vägen vilket orsakar en negativ återkoppling som GSK-3- vägen. Andra enzymer kommer att driva vägen framåt och orsaka en positiv feedback som AKT- och P70-enzymerna. När insulin binder till sin receptor, aktiverar det glykogensyntesen genom att hämma enzymerna som bromsar PI(3)K-vägen såsom PKA-enzymet. Samtidigt kommer det att främja funktionen hos enzymerna som ger en positiv feedback för vägen som AKT- och P70-enzymerna. Inaktivering av enzymerna som stoppar reaktionen och aktivering av enzymer som ger positiv feedback kommer att öka glykogen-, lipid- och proteinsynteserna och främja glukosintaget.
( Bild för att förklara funktionen hos proteinerna som nämns ovan i den positiva feedbacken. )
Negativ
När insulin binder till cellens receptor resulterar det i negativ återkoppling genom att begränsa eller stoppa vissa andra handlingar i cellen. Det hämmar frisättningen och produktionen av glukos från cellerna, vilket är en viktig del för att sänka glukosnivån i blodet. Insulin kommer också att hämma nedbrytningen av glykogen till glukos genom att hämma uttrycket av de enzymer som katalyserar nedbrytningen av glykogen .
Ett exempel på negativ feedback är att bromsa eller stoppa intaget av glukos efter att banan aktiverats. Negativ återkoppling visas i insulinsignaltransduktionsvägen genom att begränsa fosforyleringen av det insulinstimulerade tyrosinet. Enzymet som inaktiverar eller fosforylerar det insulinstimulerade tyrosinet kallas tyrosinfosfataser (PTPases). När det aktiveras ger detta enzym en negativ återkoppling genom att katalysera defosforyleringen av insulinreceptorerna. Defosforyleringen av insulinreceptorn saktar ner glukosintaget genom att hämma aktiveringen (fosforyleringen) av proteiner som är ansvariga för ytterligare steg i insulintransduktionsvägen.
Utlösningsmekanism
Insulin syntetiseras och utsöndras i betacellerna på de Langerhanska öarna. När insulin har syntetiserats är betacellerna redo att frigöra det i två olika faser. När det gäller den första fasen utlöses insulinfrisättningen snabbt när blodsockernivån höjs. Den andra fasen är en långsam frisättning av nybildade vesiklar som utlöses oavsett blodsockernivån. Glukos kommer in i betacellerna och går igenom glykolys för att bilda ATP som så småningom orsakar depolarisering av betacellmembranet (som förklaras i Insulinsekretion i denna artikel). Depolariseringsprocessen gör att spänningskontrollerade kalciumkanaler (Ca2+) öppnas, vilket gör att kalcium kan strömma in i cellerna. En ökad kalciumnivå aktiverar fosfolipas C, som klyver membranet fosfolipid fosfatidylinositol 4,5-bisfosfat till Inositol 1,4,5-trisfosfat (IP3) och diacylglycerol (DAG). IP3 binder till receptorproteiner i membranet i det endoplasmatiska retikulumet (ER). Detta frisätter (Ca2+) från ER via IP3-gatede kanaler och höjer cellkoncentrationen av kalcium ännu mer. Inflödet av Ca2+-joner orsakar utsöndring av insulin som lagras i vesiklar genom cellmembranet. Processen för insulinutsöndring är ett exempel på en triggermekanism i en signaltransduktionsväg eftersom insulin utsöndras efter att glukos kommer in i betacellen och som utlöser flera andra processer i en kedjereaktion.
Räknarmekanism
Funktion av glukagon
Medan insulin utsöndras av bukspottkörteln för att sänka blodsockernivåerna, utsöndras glukagon för att höja blodsockernivåerna. Det är därför glukagon har varit känt i decennier som ett motreglerande hormon. När blodsockernivåerna är låga utsöndrar bukspottkörteln glukagon, vilket i sin tur gör att levern omvandlar lagrade glykogenpolymerer till glukosmonomerer, som sedan släpps ut i blodet. Denna process kallas glykogenolys. Leverceller, eller hepatocyter, har glukagonreceptorer som tillåter glukagon att fästa till dem och på så sätt stimulera glykogenolys. Till skillnad från insulin, som produceras av pankreatiska β-celler, produceras glukagon av pankreatiska α-celler. Det är också känt att en ökning av insulin undertrycker glukagonutsöndringen, och en minskning av insulin, tillsammans med låga glukosnivåer, stimulerar utsöndringen av glukagon.
Oscillerande beteende
När blodsockernivåerna är för låga, signaleras bukspottkörteln att frigöra glukagon, som i huvudsak har motsatt effekt av insulin och därför motverkar minskningen av glukos i blodet. Glukagon levereras direkt till levern, där det ansluter till glukagonreceptorerna på levercellernas membran, signalerar omvandlingen av glykogenet som redan finns lagrat i levercellerna till glukos. Denna process kallas glykogenolys .
Omvänt, när blodsockernivåerna är för höga, signaleras bukspottkörteln att frigöra insulin. Insulin levereras till levern och andra vävnader i hela kroppen (t.ex. muskler, fett). När insulinet förs in i levern kopplas det till de insulinreceptorer som redan finns, det vill säga tyrosinkinasreceptorn. Dessa receptorer har två alfa-subenheter (extracellulära) och två beta-subenheter (intercellulära) som är anslutna genom cellmembranet via disulfidbindningar. När insulinet binder till dessa alfasubenheter frisätts 'glukostransport 4' (GLUT4) och överförs till cellmembranet för att reglera glukostransporten in och ut ur cellen. Med frisättningen av GLUT4 ökar mängden glukos i cellerna, och därför kan koncentrationen av blodsocker minska. Detta ökar med andra ord utnyttjandet av den glukos som redan finns i levern. Detta visas på bilden intill. I takt med att glukosen ökar ökar produktionen av insulin, vilket därmed ökar utnyttjandet av glukosen, vilket upprätthåller glukosnivåerna på ett effektivt sätt och skapar ett oscillerande beteende.