Inzulín - mechanismus vazby na receptor
Mechanismus sekrece inzulínu
Vstup glukózy z krve do beta-buněk pankreatu
- Tam metabolizována v Krebsově cyklu až na ATP
GLUT 2
- Constitutively expressed in ß-cells [14]
- Mobilization of GLUT2 to the plasma membrane
- Insulin-independent
- Ensuring high glucose influx [14]
- changes in plasma glucose concentration [14]
Fosforylace glukózy glukokinázou (GK)
- Rate-limiting enzyme
- Fosforyluje glukozu pomocí Mg-ATP na 6. uhlíku
- Expressed jenom v:
- Hepatic cells, ß-cells, enterocytes, and glucose-sensitive neurons [14]
- Function as a glucose sensor in ß-cells
- Lower affinity for glucose than other hexokinases
- Km is only 6 mmol/L - in the middle of the normal blood glucose range (4–10 mmol/l) [14]
- The normal glucose threshold for GSIR is precisely maintained close to 5 mmol/l in humans [163]
- Játra nevychytají glukozu mozku a nezpůsobí hypo
- Slinivka přestává vylučovat inzulín, když glukoza klesá do normy
- Not inhibited by its product - continued activity [14]
- Glucokinase also has extraordinarily high control strength on insulin secretion
Blokáda glukokinázy
- Tacrolimus
- Snižuje sekreci inzulínu
- Mice with targeted disruption of the pancreatic ß-cell glucokinase gene
- Neonatálni diabetes [16]
- Acute neonatal hyperglycemia together with ketoacidosis, leading to death within a few days, was observed.
- Failure to switch on insulin secretion [14]
- Palmityl-CoA and other long-chain acyl-CoA esters [163]
- Blok jaterní glukokinázy (=gluk. nevstupuje do glykolýzy a Krebsova cyklu = intoler. glukozy, inz. rezist.)
- GK regulatory protein (GKRP) - hexokinase
- Non-competitive inhibition of GK with respect to Mg-ATP
- Aktivace/inhibice as function of the F6P/F1P ratio
- Release into the cytosol when it is low [163]
- Higher this ratio, the stronger the inhibition [163]
- Do regulace vstupuje tak i 1-fructokinase gene [163]
- Palmitoyl-CoA
- N-acetyl-glucosamine
- Pi, sulfate, I-, Br-, No3-, Cl-, F- and acetate - non-competitive inhibition [162]
- Blokovali i fruktozo-6-fosfatázu [162]
- Neblokovali glukoinázu v mozku či srdci
- Mutace v obou alelách snižující akt. GK
- Neonatal diabetes (PNDM-GK) [163]
- One defective allele causing inactivation of the GK
- GK-linked maturity- onset diabetes of the young (MODY-GK, also called MODY-2) [163]
- Glucose treshold may be increased only moderately to 7 mmol/l because of a single inactivating mutation [163]
- Nízké intracelulární Ca2+ může snižovat expresi GK
- Decreased by Ca2+-channel blockers—that is, by low cytosolic Ca2+ levels [163]
Stimulace glukokinázy
small = stim. příjem gluk. do buněk, pokud je nadměrná může podporovat vlčí hlady, růst tukové tkáně či vznik steatozy jater- Fructose 1-phosphate
- Uvolňuje blokádu hexokinázou
- Fructose
- Sorbitol
- D-glyceraldehyde
- glukóza (předvším pankreatickou)
- Via ß-cell GK expression (než se projeví změna, doma i 5-6 dní)
- Insulin (předešvším jaterní GK)
- Alters the transcription of insulin and glucokinase genes in the ß cell [19] (než se projeví změna, doma i 5-6 dní) [163]
- "GK-activator drugs" = nově vyvíjené medikamenty na diabetes [163]
- V případě identifikace mutací GK, které vedou k její snížené aktivitě by se jednalo o kauzální terapii, která by efektivně kompenzovala genetickou dispozici [163]
- V případě jiných příčin vzniku diabetu však mohou dále neúměrně zvýšit glukotoxický stres endoplasmatického retikula aj. a dál urychlit apoptózu slehávajících beta buněk
- Během přechodného zlepšení kompenzace glykémií.
- Před zahájením terapie těmito medikamenty bych tedy jako prognosticky důležité viděla genetické testy jednotlivých polymorfismů glukokinázy, které by nejprve musely prokázat MODY 2 diabetes, popřípadě jiný mechanismus porušehého vstupu glukózy do beta buněk, aby se tím zbytečně nepoškozovali diabetici, jejichž beta buňky selhávají ve funkci v důsledku přetížení oxidačním stresem (potažmo glukózou).
- Activating mutations of the GK
- GK-linked persistent hyperinsulinemic hypoglycemia (PHHI-GK) [163]
- ß-cell glucose threshold for GSIR in PHHI-GK patients may be as low as 1.5 mmol/l
- Because of the lowered glucose S0.5
- And/or becouse of increased kcat [163]
- Enhanced GK induction
- Placental lactogen (PL)
- CAMP
- Biotin
- Retinoic acid [163]
- PL [163]
- High glucose induction of GK expression
- Is insulin mediated
- Was prevented by:
- Ca2+-channel blocker Zhoršují blokátory kalciových kanálů v terapii hypertenze sekreci inzulínu či příjem glukózy do jater ???
- Phosphatidylinositol 3-kinase inhibitor wortmannin
- Inhibitor of akt (or protein kinase B) [163]
- Tolbutamide was as effective as high glucose [163]
- Enhanced GK activity, high glucose
- Results in relatively high G6P levels
- May then function as a metabolic coupling factor mediating the induction of lipogenic enzymes [163]
Vstup glukózy do Krebsova cyklu
- Filled with intermediates
- Potom carbons can exit via cataplerosis
- Some products derived can act as insulin secretion signals:
- NADPH
- malonyl-CoA
- glutamate [14]
- dýchací řetězec
- produkce ATP
- amplify K-ATPchannel - dependent insulin secretion [14]
Tvorba glycerol-3-fosfátu(Gly3P)
- Generating lipid metabolic coupling factors that can augment insulin secretion:
- long-chain acyl-CoA
- diacylglycerol (DAG) [14]
- Can also replenish NAD+
- Promote ß-cell glycolysis via the mitochondrial Gly3P NADH shuttle process
- activates mitochondrial energy metabolism
- Triggers insulin secretion [14]
Vzestup cytosolového ATP ( poměru ATP / ADP)
- Aktivuje ATP-dependentní receptory - pancreatic KATP channel
- zavřou draslíkové kanály (ATP-dependent potassium (KATP)3 channels) = k depolarizaci
KATP kanály - rectifying KATP channels
- 2 podjednotky:
- Sulfonylurea receptor (the SUR1 isoform)
- Member of the ABC transporter family
- Potassium channel subunit (Kir6.2)
- Forms the central ion-conducting pathway [16]
- The mature KATP channel
- Octamer of Kir6.2 and SUR1 subunits in a 4:4 stoichiometry [16]
- Aktivace /otevření/ kanálu KATP
- Interakce SUR1 s MgADP
- Zablokuje se inhibiční působení ATP [16] (Kanál zůstane otevřen, k depolarizaci a k sekreci inzulínu nedojde)
- Under resting conditions KTP channels are spontaneously active
- Allowing potassium ions to flow out
- Maintaining a negative resting membrane potential
Zavření KATP kanálů - depolarizace beta buněk - výlev inzulínu
- Vzestup intracellular ATP:ADP ratio
- ATP inhibits the channel through interaction with the inward rectifier (Kir6.2) subunit
- Closes the ATP-sensitive SUR1/Kir6.2 potassium channel [16]
- Prevents potassium ions (K+) from leaving the cell by facilitated diffusion
- Více K+ intracelulárně
- Inside of the cell becomes less negative with respect to the outside
- Depolarisation of the cell surface membrane [15]
- Tolbutamide and gliclazide
- Block channels containing SUR1 - podporují výlev inzulínu (PAD)
- (beta-cell type), but not SUR2 (cardiac, smooth muscle types) [166]
- Glibenclamide, glimepiride, repaglinide, meglitinide
- Block SUR1 a SUR2 ::16611
- Sulfonylurea block is not complete and is decreased by
- Mutations
- Phosphatidylinositol bisphosphate
- Increase K(ATP) channel open probability
- Sulfonylurea efficacy increase on channels containing SUR1
- Pomocí MgADP
- Odtud ono vyšší riziko vážných nežádoucích účinků vč. náhlého úmrtí při těžké hypoglykémii a podávání sulfonylurey
Nedostatečné otevírání KATP kanálů/ nedostatek funkčních KATP kanálů
- When K ATP channels open
- Beta-cells hyperpolarize
- Insulin secretion is suppressed
- Congenital hyperinsulinism (CHI) in humans
- Rare, mostly recessive disorder
- Constitutive insulin secretion despite low blood glucose
- Untreated, severe mental retardation and death may result [16]
- Other mutations in KATP channel lading to CHI:
- Reduce channel expression
- Decrease stimulation of the channel by MgADP
- Abolish channel activity [16]
Kanály KATP, které se více / častěji otevírají - hůře či nedostatečně se uzavírají / větší množství...
- Mutace vedoucí k “overactive” channels:
- Decrease membrane excitability
- Impair glucose sensing by the ß-cell
- Insulin secretion will be reduced
- Diabetic phenotype is predicted [16]
- Severe "activating" mutations
- Syndromic neonatal diabetes with multiple organ involvement
- Transgenic mice expressing ß-cell KATP channels with decreased sensitivity to inhibitory ATP [16]
- Acute neonatal hyperglycemia with ketoacidosis and death within a few days
- Failure to switch on insulin secretion
- KATP channel polymorphisms that increase channel activity (“overactive” KATP channel)
- Suppressing excitability of the cell (v mírné podobě)
- Reduced ATP sensitivity, etc.
- In combination with other environmental and genetic factors contribute to chronically impaired ß-cell function
- In the face of insulin resistance, this is expected to exacerbate the hyperglycemic state [16]
- Riziko DM s nedostatkem sekrece inzulínu [16]
- Late-onset type 2 diabetes [16]
- X synchronizovaného uzavření dostatečného množství kanálů
- X C-terminus multimerization among proximate KATP channel molecules
- Phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate (PIP(2)) profoundly antagonized ATP inhibition [165]
- Zvyšuje pravděpodobnost otevření kanálů KATP
- KATP kanály v srdci
- Accumulation of acyl-CoA
- Induces KATP channel opening
- Jedna z možných příčin úmrtí na srdeční selhání při striktních ketodietách jako neschopnost myocytu zvýšit hladinu draslíku k depolarizaci a kontrakci
- Jejich aktivace v membr. sarkoplasmy a mitochondrií při hypoxii zmírňuje důsledky hyper Ca2+ a rozsah infarktu
- Free fatty acids
- Stabilize its closed conformation
- KATP kanály v mozku
- Blockade of SUR1 receptors with glibenclamide
- Improved outcome in animal stroke models
- In human studies involved in preventing brain swelling and enhancing neuroprotection [164]
Depolarizace beta buněk
Voltage-gated calcium ion (Ca2+) channels (napěťově řízené vápníkové kanály)
- otevřou se vlivem depolarizace
- L-type high voltage-activated (HVA) Ca2+ channels
- Sensitive to dihydropyridines (DHP)
- The first phase of insulin secretion
- Non-L-type HVA channels
- Low voltage-activated (LVA) T-type Ca2+ channel
Calcium ions move into the cell
- By facilitated diffusion [14]
- Primary insulin secretary signal [14]
- Reagují mikrotubuly
- Připojena zralá granula beta buněk naplněná inzulínem
- Ke stahu mikrotubulů a vypuzení granul [58::
- Aktivace Ca2+-dependentních proteinkinas
- CAMPGEFII/Epac2 acts through Rap
- Stimulate the activation of phospholipase C
- Cleaves the membrane phospholipid phosphatidyl inositol 4,5-bisphosphate
cAMP signaling-dependent mechanisms
- Critical in the regulation of insulin secretion [14]
- May be the most important one for potentiating insulin secretion [14]
- activation of protein kinase A (PKA)
- Phosphorylates proteins involved in insulin exocytosis [14]
- Stimulates exocytosis of insulin granules from RRP
- CAMP-binding protein called CAMPS (cAMP sensor)
- CAMP-GEF/Epac [14]
Exocytóza sekrečních granul inzulinu
- Fusion of insulin granules with the plasma membrane [14]
- Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor (SNARE)
- Essential role in insulin granule membrane fusion [14]
- Insulin exocytosis
- At the rate of 500 granules per second when intracellular [Ca2+] is increased to 17 mmol/L [14]
- At the rate of 3–4 granules per second when [Ca2+] is at 0.17 mmol/L [14]
Pokles glukózy v krvi
- Menší aktivace glukokinázy - menší vstup glukózy do buněk
- Reduction in intracellular ATP in ß-cells
- Opening of KATP channels
- Membrane hyperpolarization [17] / repolarizace až do klidového stavu [6]
- Reduced calcium entry
- Inhibition of insulin secretion [6, 17]
