Indledning      Glucoseregulering     Diabetes I      Diabetes II     Behandling      Diskussion

Produktionen og sekretionen af insulin sker fra b -celler i de langerhanske øer i pancreas. Pancreas er en lang kirtel beliggende bag maven. Den har flere funktioner i forbindelse med fordøjelsessystemet. Den frigiver fordøjelsesenzymer til nedbrydning af kulhydrater, fedt og proteiner, og frigiver en væske med et højt koncentration af bicarbonat, glucagon og insulin (Vander et al.).

For at forstå de fysiologiske forandringer, der ligger til grund for diabetes, beskrives de normale glucoseregulerende processer. Saccharider optages fra føden og forøger blodsukkeret, bevirker insulinfrigivelse fra b -cellerne, og får blodsukkeret til at falde.

Efter et normalt måltid vil polysaccharider i maven og tarmen blive nedbrudt til monosaccharider. Disse optages over tarmvæggen og frigives i blodet, hvilket får blodsukkeret til at stige. For at drage fordel af denne forøgelse af sukkeret i blodet produceres hormonet insulin.

b -cellerne er meget sensitive overfor ændringer i blodsukkerkoncentrationen og vil derfor hurtigt reagere hvis koncentrationen øges. I forsøg hvor der gives intravenøs glucose, ses der en kraftig insulinproduktion allerede efter 5-10 min. Dette sker for at forhindre, at blodsukkerkoncentrationen bliver al for høj. (Greger og Windhorst)

Figur 1

Figur1. Insulin- og glucagonkoncentrationen i relation til glucoseinholdet i blodet. (Gregor og Windhorst)

Insulin produceres og exocyteres fra b -cellerne i pancreas. Proinsulin er et forstadie til insulin, synteseres i det ru endoplasmatiske reticulum og videresendes herfra til golgi apparatet. Her pakkes det i sekretoriske granula sammen med endo- og carboxypeptidaser. Disse enzymer er essentielle i den videre kløvning af proinsulin til insulin. De findes efter frigivelse fra golgi apparatet i en inaktiv og ikke færdig udviklet tilstand. For at få produktet insulin skal disse enzymer først modnes og aktiveres gennem en regulering af ionsammensætningen og pH. I granulamembranen findes pumper som øger Ca²⁺ koncentrationen i og sænker pH i granula. Disse fysiologiske forandringer aktiverer enzymerne, som derved omdanner proinsulin til insulin og et peptid (Clark og Matthews). Se figur 2.

Figur 2

Det ses på figur 2, at omdannelsen af proinsulin kan foregå på to måder. Forskellen bestemmes af hvilken rækkefølge enzymerne virker i. Lige meget hvilken vej der vælges, ender man med de samme slutprodukter, insulin og et peptid. Hvilken af de to veje der vælges, er tilfældig. (Mathews og Clark)

Glucose er den vigtigste initieringsfaktor til at stimulere insulinfrigivelse. Her udover har man også fundet at f.eks. D-glyceraldehyde, D-mannose, inosin, proteiner og fedtsyrer kan initiere insulinsekretionen (Gregor og Windhorst). Selve detekteringen af forøget glucose sker i b -cellerne. Som vist på figur 3, har b -cellerne i deres cellemembran et hexose transportsystem, Glut 2. Glut 2 er en kanal, som transporterer glucose fra blodet til cytoplasmaet i b -cellerne.

 Figur 3

Glut 2 transporterer således passivt glucose over membranen og ind i cellen. Det sker ved at glucose bindes til transportørens yderside, hvilket bevirker, at denne undergår en konformationsændring og åbnes (Kahn). Inde i cellen vil glucose, under aerobe processer i glycolysen og citronsyrecyklusen, blive nedbrudt til CO₂ og H₂O, samtidig med der dannes ATP.

Det første trin i denne proces er en fosforyleringen af glucose. Dette kontrolleres af enzymerne hexokinase og glucokinase. Det kontrollerende og regulerende enzym af disse to er glucokinase. Der er lavet forsøg med hæmmende stoffer overfor glucokinase, f.eks. mannoheptulose, som blokerer glucose metabolismen og hermed sekretionen af insulin. Hexokinase er i forhold til glucokinase meget sensitiv, pga. af dens meget høje affinitet overfor glucose. Det har dog vist sig at fosforylerede mellemprodukter fra glycolysen, så som glucose-6-phosphat, glucose-1,6-diphosphat og 6-phosphogluconat hæmmer aktiviteten af hexokinasen. Dvs. at ved en høj metabolisme af glucose er hexokinase ikke aktiv. Hexokinase og glucokinase har altså den samme funktion, men virker ved forskellige koncentrationer af glucose, hexokinase ved små og glucokinase ved høje koncentrationer af glucose.

Efter glucokinases fosforylering af glucose, bliver glucose metaboliseret videre ned gennem glycolysen og derefter citronsyrecyklusen, hvor der i alt vil der blive dannet 36 ATP pr. glucosemolekyle.

I b -cellens membran er der udover Glut 2, mange andre kanaler og transportsystemer. F.eks. en ATP- sensitiv K⁺-kanal og en spændingsafhængig Ca²⁺-kanal. Ved et lavt niveau af ATP i cytoplasmaet er K⁺-kanalen åben, og K⁺-ioner strømmer ud af b -cellen. Derved dannes et hvilemembranpotentiale på ca. -70 mV. Ca²⁺-kanalen findes på dette tidspunkt i sin lukkede tilstand, hvorved ingen diffusion af Ca²⁺ ind i cellen kan finde sted. Når ATP mængden stiger i forhold til ADP, bevirker det at K⁺-kanaler lukker, og cellen depolariserer. Se figur 4. (Gregor og Windhorst)

 Figur 4

Ved øget koncentration af glucose vil membranen langsomt begynde at depolarisere pga. lukning af de ATP sensitive K⁺-kanaler. Dette forsætter indtil tærskelværdien for Ca²⁺-kanalerne er nået til ca. -50 mV. Idet Ca²⁺-kanalerne åbner, vil der diffundere Ca²⁺ ind cellen, pga. større koncentration af calcium i det ekstracellulære rum end i det intracellulære rum, hvorved den intracellulære koncentration forøges. Det skal påpeges, at den øgede koncentration af Ca²⁺ kun kommer fra det ekstracellulære rum og ikke fra de to intracellulære organeller: ER, endoplasmatiske retikulum, og mitochondrierne. (Gregor og Windhorst)

For at opnå denne depolarisering af membranen, skal der være en vis koncentration af glucose tilstede. Det har vist sig, at ca. 5 mmol/l glucose kan forøge ATP mængden så meget, at K⁺-kanalerne lukker og depolariserer cellemembarnen, til et potentiale hvor Ca²⁺-kanalerne begynder at åbne, se figur 4. Den normale blodsukkerkoncentration ligger på 4-5 mmol/l, og kort efter et måltid vil det stige til 7 mmol/l (Novo Care). Ca²⁺ får cellen til at foretage exocytose ved at mediere sammensmeltning mellem insulinfyldte granula og membranen, således at der frigives insulin. I en ustimuleret b -celle er koncentrationen af Ca²⁺ omkring 60-100 nmol/l. Ved forsøg, hvor der er tilsat store mængder glucose, 20 mmol/l, er der kun registreret en fordobling af Ca²⁺ i forhold til ustimulerede b -celler. Der skal kun en lille koncentrationsændring af Ca²⁺ til at give et respons. En lille ændring af Ca²⁺ sparer kroppen for at bruge unødig energi, fordi den aktive transport af Ca²⁺ ud af cellen er lille. (Gregor og Windhorst)

Efter et respons med depolarisering af cellemembranen, sker der en repolarisering til det oprindelige niveau på ca. -70 mV. Det sker først ved hjælp af en spændingsafhængig K⁺-kanal, der åbner, så K⁺-ioner begynder at strømme ud af cellen. Derefter mener man, at der er to mekanismer, som overtager repolariseringen. Det er ikke alle K⁺-kanaler i b -cellens membran, der er blevet stimuleret til lukning under et respons. Hvilket betyder, at der stadig går en repolariserende strøm gennem ATP sensitive K⁺-kanaler ved den oprindelige koncentration af ATP. Derudover er der en langsom lukning af de depolariserede Ca²⁺-kanaler. Dvs. at Ca²⁺ strømmen hen over membranen langsomt forsvinder, indtil den ikke længere kan modsvare den hyperpolarisering, der kommer fra de spændingsafhængige og ATP- K⁺-kanaler. Ca²⁺ kanalerne vil til sidst være lukkede og K⁺-kanalerne være åbne som før, og cellen vil igen have et membranpotentiale på ca. -70 mV. For at stoppe exocytosen af insulin, må der ske en fjernelse af den forhøjede Ca²⁺ koncentration fra cytoplasmaet.

Transport af Ca²⁺ ud af cellen foregår både aktivt og passivt. Aktivt via en ATPase pumpe og passivt via en Na⁺-Ca²⁺ antiport, som kun er aktiv, fordi den er koblet til en aktiv Na⁺-K⁺ -ATPase. Derudover optages Ca²⁺ af mitochondrier, ER og calcium bindende proteiner.

Efter insulin er blevet frigivet i blodbanen og transporteret rundt i kroppen, binder det sig til insulinreceptorer, som findes på de fleste celletypers plasmamembran, dog hovedsageligt i muskel-, fedt- og levervæv, fordi det primært er disse, der har en høj glucose metabolisme. Insulin igangsætter en kaskade, som medfører, at glucose transporteres ind i cellerne og omdannes til glucogen. Hvorledes dette foregår, er langsomt ved at blive afdækket, og det viser sig at være langt mere komplekst, end man umiddelbart havde forestillet sig.

I det følgende vil vi belyse de vigtigste komponenter, som indgår i insulin transduktionsvejen.

Insulinreceptoren er et heterotetramert glycoprotein opbygget af to a - og to b -subunits, hvorfor receptoren benævnes a _{2b 2,} se figur 5.

Figur 5a

Figur 5b

 Figur 5. a) inaktiv insulinreceptor og -IRS. b) aktiv insulinreceptor og -IRS.

N = N-terminal, C = C-terminal, G = glycosyleret, P = fosforyleret, a = a -subunit, b = b -subunit, IRS = insulin receptore substrate og NPXY (aspargin, prolin, vilkårlig aminosyreog tyrosin) er de fire aminosyrer, der genkendes af IRS og en del af det aktive site.

Genet for a - og b -subunit's sidder hos mennesker på 19. kromosoms korte arm. Genet transskriperes til et langt propeptid. I ER sker der en proteolytisk kløvning af propeptidet i en a - og en b -subunit (Maassen og Ouwens).

Insulinreceptorens a -subunits er fuldstændigt ekstracellulære, hvorimod begge b -subunits, ved hjælp af et transmembran segment, går igennem cellernes plasmamembran én gang, se figur 5. Alle fire subunits er glycosylerede på den ekstracellulære side, og svovlbindinger mellem cysteiner hægter de forskellige subunits sammen. En svovlbro forbinder de to a -subunits og to svovlbroer forbinder en a - med en b -subunit.

I den N-terminale ende er der på hver af de to a -subunits et insulinbindingssted, hvilket gør det muligt, at de to insulinmolekyler bindes til receptoren. Almindeligvis er der dog kun bundet et insulinmolekyle til receptoren i dens aktive tilstand. Bindingen af et insulinmolekyle involverer begge a -subunits, formodentligt som skitseret på figur 5. Insulin er hovedsageligt bundet til den ene subunit, men "støtter" sig til den anden, hvilket medfører, at bindingen af et insulinmolekyle sterisk hæmmer bindingen af et andet insulinmolekyle.

b -subunitsne indeholder en regulatorisk loop og en katalytisk del. Den regulatoriske del indeholder tre cytosoliske autofosforyleringssites (Tyr₁₁₄₆,Tyr₁₁₅₀ og Tyr₁₁₅₁) (Maassen og Ouwens). Det katalytiske domæne er en tyrosinkinase. Dette domæne indeholder udover kinase sitet også et bindingssted til det ATP-molekyle, der er involveret i fosforyleringen af receptorens substrat. Formodentlig undergår insulinreceptoren en konformationsændring, når det binder insulin, hvilket muliggør en autofosforylering af b -subunitsne og en binding af ATP til hver af de to tyrosinkinasedomæner. Det regulatoriske domæne dækker inden autofosforyleringen for det katalytiske site, men efter fosforyleringen afdækkes det, og insulinreceptorens kinase aktiveres. Det katalytiske domæne indeholder et Asn-Pro-X-Tyr₉₆₀-motiv, som genkendes af dets substrater, dette øger receptorens specificitet. (Myers og White)

Efter insulin er bundet til receptoren, har aktiveret autofosforyleringen samt en ATP-binding, er receptoren parat til at videreføre et signal. Dette sker ved at insulinreceptoren fosforylerer tyrosin på et intracellulært substrat, som derved undergår en konformationsændring. Substratproteinet binder sig til andre cytoplasmatiske proteiner, og fører signalet videre. Insulinreceptoren kan koble sig til flere forskellige substrater. Det bedst kendte, og mest betydningsfulde er IRS, insulin receptor sustrate, men derudover findes også proteinet Shc og fosfotyrosin fosfatase 1D (PTP1D), se figur 5.

Figur 6

 

2.4.1 Funktionen af IRS

IRS var det første insulinaktiverede protein, man fandt. Hurtigt viste det sig dog ved Western blotting, at der fandtes fire forskellige varianter af IRS med lidt forskellig molekylvægt, IRS-1 til -4 (Shepherd et. al.). IRS er ikke jævnt fordelt i kroppens væv. Ved at måle på mRNA for henholdsvis IRS-1 og -2 har man fundet, at IRS-2 findes i større mængder i pancreas og lever i forhold til IRS-1, mens det omvendte ses i muskler (Kahn). IRS-1 og -2 findes dog i de fleste typer celler, og er de bedst kendte (Maassen og Ouwens).

I den N-terminale del af IRS-1 findes det område, IH-2^PTB (PTB er en forkortelse for phosphotyrosin binding-), som binder til Asn-Pro-X-Tyr₉₆₀ motivet på den aktiverede insulinreceptor (Myers og White), se figur 5.

Den C-terminale del af IRS-1 og -2 indeholder den tyrosinrige del, som insulinreceptor tyrosinkinasen fosforylerer. I nærheden af fosfotyrosin området befinder der sig en hydrofob sekvens. I den fosforylerede tilstand, kan denne del binde sig til proteinerne i den videre signaltransduktion (Myers og White, Maassen og Ouwens).

Tiltrods for denne store homologi mellem IRS-1 og -2 er der observeret en forskel i interaktionen af den aktive insulinreceptor og forskellige tyrosin fosforylerings steder i den C-terminale ende på IRS-1 og -2. Denne forskel kunne tyde på, at der er forskellige signalveje for henholdsvis IRS-1 og -2. Yderligere er der observeret, en uensartet aktiveringsgrad af IRS-1 og -2, tiltrods for at man påvirker de forskellige celler ens. Om det er IRS-1 eller IRS-2 der aktiveres, og i hvor høj grad det sker, varierer i de forskellige væv. (Kahn)

Det har ved forsøg vist, at IRS-1 og -2 kan have samme funktion, men ikke kan erstatte hinanden fuldt ud. Hvis IRS-1 fjernes fra systemet kan IRS-2 kompensere for dette tab. Der vil opstå svage symptomer såsom hæmning af væksten og mild insulinresistens og deraf følgende lavere glucoseoptagelse. Hvis IRS-2 derimod fjernes, kan IRS-1 ikke overtage dens funktion, og signalet til f.eks. eksponering af Glut 4 på overfladen ophører. (Kahn)

IRS er altså et almindeligt intracellulært protein, der findes i mange forskellige celletyper og kan aktiveres af flere forskellige receptorer Af den grund kan IRS også reagere med flere forskellige proteiner i mediationen af et signal. Disse proteiner kan for eksempel være fosfatidylinositol-3-kinase (PI3-kinase), Grb-2 og mange andre, se figur 6. I det følgende har vi valgt, kun at beskæftige os med PI3-kinase og Grb-2, da de er de vigtigste komponenter for nedreguleringen af glucose i blodet.

Fælles for de fleste proteiner, som IRS binder til, er, at de indeholder de såkaldte SH2 domæner (Src homology 2, fordi de er homologe med en bestemt aminosyre sekvens i Src proteinet). SH2 domænerne tjener til at binde for eksempel PI3-kinasen til IRS i medieringen af glucose omdannelsen.

Insulin binder til receptoren og aktiverer denne. Receptoren aktiverer dernæst IRS ved fosforylering, og PI3-kinasen vil i sidste ende binde IRS, som ændrer konformation og dermed bliver aktiv. Insulins aktivering af PI3-kinasen er altså medieret af IRS.

PI3-kinasen er en heterodimer, som består af to subunits, en regulatorisk som benævnes p85 og en katalytisk, p110. I den inaktive tilstand er de to ikke knyttet til hinanden, men når IRS binder til p85, eksponeres p85s bindingssted for p110, og de to knyttes sammen. Det sker, fordi den regulatoriske subunit blandt andet består af to SH2 domæner, som flankerer bindingsstedet til den katalytiske subunit. Bindingen mellem IRS og PI3-kinase gør, at det katalytiske site afdækkes, og kinasen kan begynde at fungere.

SH2 består af en gruppe relaterede aminosyrer, som binder til fosfotyrosin aminosyrerne på IRS med lav affinitet, bindingen bliver stærk hvis konformationen på aminosyrerne i de to molekyler matcher hinanden. SH2 genkender kombinationen af den hydrofobe sekvens og de fosforylerede tyrosiner.

PI3-kinasen er en lipidkinase, hvis funktion er at fosforylere lipidet fosfatidylinositol i 3’-positionen således, at der dannes PIP₃ udfra PIP₂ og ATP se figur 6. Man har identificeret mange isoformer af PI3-kinasen, og derfor har den mange roller, blandt andet i medieringen i faldet af blodets glucosekoncentration (Shepherd et. al.).

Før glucose kan omdannes til glycogen er det nødvendigt, at glucose tranporteres fra blodet ind i cellerne, da omdannelsen primært sker i muskel- og fedtvæv, er disse de bedst undersøgte. Optagelsen af glucose i fedt- og muskelceller sker via Glut 4 glucosetransportører. Disse transportører sidder under normale omstændigheder, i modsætning til Glut 1, ikke i plasmamembranen, men befinder sig i vesikelmembraner i cytoplasmaet.

PI3-kinase medierer inkorporeringen af de Glut4-holdige vesikler fra cytoplasmaet til plasmamembranen. De molekylære detaljer om hvordan dette foregår, er dog endnu ikke klarlagt, men man mener, at en proteinkinase ved navn PKB samt det GTP-bindende protein Rab4 er involveret (Shepherd et. al.) (figur 6).

PI3-kinase starter også den proces, der fører til aktiveringen af glycogen synthase (GS). Det sker formodentlig, ved at PDK binder til produktet fra PI3-kinasen: PIP₃. PDK er en proteinkinase som aktiverer PKB. Når PKB bliver aktiveret fosforylerer den glycogen synthase. Glycogen synthase katalyserer omdannelsen af glucose til glycogen, og for at udnytte en høj glucosekoncentration i blodet, er det nødvendigt, at synthasen aktiveres, hvorved der sker en oplagring, (Shepherd et. al.) se figur 6.

Endvidere har man vist, at p70 S6-kinase er involveret i en signaltransduktion aktiveret af PI3-kinase, men om den er involveret i GS aktiveringen, er endnu uklart (Shepherd et. al.).

Sikkert er det, at PP1 aktiveres sent i forløbet. Den defosforylerer glycogen synthase og glycogen fosforylase, hvilket medfører henholdsvis en aktivering af synthasen og en inaktivering af fosforylasen (Gregor og Windhorst). Glycogen fosforylase katalyserer omdannelsen af glycogen til glucose, og defosforyleringen medfører at omdannelsen fra glycogen til glucose hæmmes mens den modsatrettede proces fremmes, hvilket bevirker, at glucoseniveauet i cellerne nedbringes (figur 6).

PI3-kinase har udover dette mange funktioner i cellevækst, -differentiering og i hindring af apoptose, men insulin aktiverer ikke alle disse funktioner med lige stor styrke. Det er et mysterium hvordan aktiveringen og cellens udvælgelse af de forskellige pathways foregår.

Foruden Glut 4 findes der også det mere almindelige Glut 1 transportsystem både i fedt- og i muskelceller. Dette systems funktion er at stabilisere det basale niveau af glucose i blodet. Ved forhøjet glucosekoncentration øges dens antal dog, og får større betydning for nedreguleringen af glucosen. I forhold til Glut 4 er der dog tale om en hel anden aktiverings vej (figur 6).

Ud over at aktivere IRS, aktiverer insulinreceptoren også et Shc protein gennem en tyrosin fosforylering. Det er den samme del af receptoren, Arg-Pro-X-Tyr₉₆₀, der binder både til Shc og IRS. Shc aktiverer Grb-2 (growth factor receptor bound-), men Grb-2 kan også aktiveres direkte af IRS (figur 6). Grb-2 vil efter aktiveringen regulere et protein kaldet Son of Sevenless (Sos), som er en p21^ras guanine nucleotide exchange factor. Sos fremmer frigivelsen af GDP fra p21^ras til fordel for GTP og aktiverer dermed p21^ras. I den aktive tilstand vil p21^ras sammenkobles med og aktivere raf-1 kinase, som igen vil fosforylere og aktivere MAP kinase-kinase (MEK), som igen vil fosforylere og aktivere MAP kinase (figur 6). Aktiveret MAP kinase vil igangsætte en transskription af Glut 1 transportsystemet, som exocyteres til membranerne i muskel, lever og fedtceller.

Her har vi altså beskrevet en vej, hvor insulinreceptoren aktiverer Shc, men det er dog også foreslået at PI3-kinase kan aktivere Shc (Shepherd et. al.).