Глюкагон: пептидный гормон и регуляция уровня глюкозы в крови

Введение

Пептидный гормон, природный гормон

Глюкагон – это пептидный гормон, вырабатываемый альфа-клетками поджелудочной железы. Он повышает концентрацию глюкозы и жирных кислот в крови и считается основным катаболическим гормоном организма. Он также используется в качестве лекарственного средства для лечения ряда заболеваний. Его действие противоположно действию инсулина, который снижает уровень глюкозы во внеклеточной жидкости. Глюкагон образуется из проглюкагона, кодируемого геном GCG. Поджелудочная железа выделяет глюкагон, когда уровень глюкозы в крови становится слишком низким. Глюкагон стимулирует печень к гликогенолизу: превращению запасов гликогена в глюкозу, которая поступает в кровь. Высокий уровень глюкозы в крови, напротив, стимулирует выделение инсулина. Инсулин обеспечивает поглощение и использование глюкозы инсулинозависимыми тканями. Таким образом, глюкагон и инсулин являются частью системы обратной связи, поддерживающей стабильный уровень глюкозы в крови. Глюкагон увеличивает энергозатраты и повышается в условиях стресса. Глюкагон принадлежит к семейству гормонов секретин.

Структура

Глюкагон — это полипептид, состоящий из 29 аминокислот. Его первичная структура у человека: NH2 His Ser Gln Gly Thr Phe Thr Ser Asp Tyr Ser Lys Tyr Leu Asp Ser Arg Arg Ala Gln Asp Phe Val Gln Trp Leu Met Asn Thr COOH (HSQGTFTSDYSKYLDSRRAQDFVQWLMNT). Молекулярная масса полипептида составляет 3485 дальтон. Глюкагон является пептидным (нестероидным) гормоном.

Производство

Гормон синтезируется и секретируется альфа-клетками (α-клетками) островков Лангерганса, расположенными в эндокринной части поджелудочной железы. Глюкагон образуется из гена препроглюкагона Gcg. Препроглюкагон сначала подвергается удалению сигнального пептида под действием сигнальной пептидазы, формируя 160-аминокислотный белок проглюкагон. Недавние исследования показали, что продукция глюкагона может происходить также за пределами поджелудочной железы, при этом кишечник является наиболее вероятным местом внепанкреатического синтеза глюкагона.

Функция

Глюкагон обычно повышает концентрацию глюкозы в крови, стимулируя глюконеогенез и гликогенолиз. Глюкагон также снижает синтез жирных кислот в жировой ткани и печени, а также способствует липолизу в этих тканях, что приводит к высвобождению жирных кислот в кровоток, где они могут быть катаболизированы для получения энергии в тканях, таких как скелетная мускулатура, при необходимости. Глюкоза запасается в печени в виде полисахарида гликогена, который является глюканом (полимером, состоящим из молекул глюкозы). Клетки печени (гепатоциты) имеют рецепторы глюкагона. Когда глюкагон связывается с глюкагоновыми рецепторами, клетки печени преобразуют гликоген в отдельные молекулы глюкозы и высвобождают их в кровь в процессе, известном как гликогенолиз. По мере истощения этих запасов, глюкагон стимулирует печень и почки к синтезу дополнительной глюкозы посредством глюконеогенеза. Глюкагон подавляет гликолиз в печени, направляя гликолитические промежуточные продукты на глюконеогенез. Глюкагон также регулирует скорость образования глюкозы посредством липолиза. Глюкагон индуцирует липолиз у людей в условиях подавления инсулина (например, при сахарном диабете 1 типа). Производство глюкагона, по-видимому, зависит от центральной нервной системы через пока не установленные пути. У беспозвоночных животных сообщалось, что удаление глазных стебельков влияет на продукцию глюкагона. Удаление глазного стебелька у молодых раков вызывает глюкагон-индуцированную гипергликемию.

Механизм действия

Глюкагон связывается с рецептором глюкагона, G-белок-связанным рецептором, расположенным в плазматической мембране клетки. Изменение конформации рецептора активирует G-белок, гетеротримерный белок с αs, β и γ субъединицами. При взаимодействии G-белка с рецептором происходит конформационное изменение, приводящее к замене молекулы GDP, связанной с α-субъединицей, на молекулу GTP. Эта замена приводит к высвобождению α-субъединицы из β- и γ-субъединиц. Альфа-субъединица специфически активирует следующий фермент в каскаде – аденилатциклазу. Аденилатциклаза синтезирует циклический аденозинмонофосфат (циклический АМФ или цАМФ), который активирует протеинкиназу А (цАМФ-зависимую протеинкиназу). Этот фермент, в свою очередь, активирует фосфорилазкиназу, которая затем фосфорилирует гликогенфосфорилазу b (PYG b), превращая ее в активную форму, называемую фосфорилазой a (PYG a). Фосфорилаза a является ферментом, ответственным за высвобождение глюкозы-1-фосфата из полимеров гликогена. Примером этого пути является связывание глюкагона с трансмембранным белком. Трансмембранные белки взаимодействуют с Gαβγ. Gαs отделяется от Gβγ и взаимодействует с трансмембранным белком аденилатциклазой. Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в цАМФ. цАМФ связывается с протеинкиназой А, а образовавшийся комплекс фосфорилирует гликогенфосфорилазную киназу. Фосфорилированная гликогенфосфорилазная киназа фосфорилирует гликогенфосфорилазу. Фосфорилированная гликогенфосфорилаза отщепляет глюкозные остатки от гликогена в виде глюкозы-1-фосфата. Кроме того, скоординированный контроль гликолиза и глюконеогенеза в печени регулируется фосфорилированием ферментов, катализирующих образование мощного активатора гликолиза – фруктозо-2,6-бисфосфата. Фермент протеинкиназа А (PKA), стимулированный каскадом, инициированным глюкагоном, также фосфорилирует один сериновый остаток бифункциональной полипептидной цепи, содержащей ферменты фруктозо-2,6-бисфосфатазу и фосфофруктокиназу 2. Это ковалентное фосфорилирование, инициированное глюкагоном, активирует первую и ингибирует вторую. Это регулирует реакцию, катализируемую фруктозо-2,6-бисфосфатом (мощным активатором фосфофруктокиназы 1, фермента, являющегося основным регуляторным этапом гликолиза), замедляя скорость его образования, тем самым ингибируя поток гликолиза и способствуя преобладанию глюконеогенеза. Этот процесс обратим в отсутствие глюкагона (и, следовательно, при наличии инсулина). Стимуляция глюкагоном PKA инактивирует гликолитический фермент пируваткиназу, инактивирует гликогенсинтазу и активирует гормоночувствительную липазу, которая катализирует распад триглицеридов на глицерол и свободные жирные кислоты в гепатоцитах. Глюкагон также инактивирует ацетил-КоА карбоксилазу, которая синтезирует малонил-КоА из ацетил-КоА, посредством цАМФ-зависимых и/или цАМФ-независимых киназ. Малонил-КоА является побочным продуктом цикла Кребса (после гликолиза) и аллостерическим ингибитором карнитинпальмитоилтрансферазы I (CPT1), митохондриального фермента, важного для переноса жирных кислот во внутримембранное пространство митохондрий для β-окисления. Глюкагон снижает уровень малонил-КоА путем ингибирования ацетил-КоА карбоксилазы и снижения гликолиза за счет уменьшения концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата, описанного выше. Таким образом, снижение уровня малонил-КоА является общим регулятором усиления метаболизма жирных кислот при действии глюкагона.

Glucagon binds to the glucagon receptor, a G protein coupled receptor, located in the plasma membrane of the cell. The conformation change in the receptor activates a G protein, a heterotrimeric protein with αs, β, and γ subunits. When the G protein interacts with the receptor, it undergoes a conformational change that results in the replacement of the GDP molecule that was bound to the α subunit with a GTP molecule. This substitution results in the releasing of the α subunit from the β and γ subunits. The alpha subunit specifically activates the next enzyme in the cascade, adenylate cyclase. Adenylate cyclase manufactures cyclic adenosine monophosphate (cyclic AMP or cAMP), which activates protein kinase A (cAMP dependent protein kinase). This enzyme, in turn, activates phosphorylase kinase, which then phosphorylates glycogen phosphorylase b (PYG b), converting it into the active form called phosphorylase a (PYG a). Phosphorylase a is the enzyme responsible for the release of glucose 1 phosphate from glycogen polymers. An example of the pathway would be when glucagon binds to a transmembrane protein. The transmembrane proteins interacts with Gɑβ𝛾. Gαs separates from Gβ𝛾 and interacts with the transmembrane protein adenylyl cyclase. Adenylyl cyclase catalyzes the conversion of ATP to cAMP. cAMP binds to protein kinase A, and the complex phosphorylates glycogen phosphorylase kinase. Phosphorylated glycogen phosphorylase kinase phosphorylates glycogen phosphorylase. Phosphorylated glycogen phosphorylase clips glucose units from glycogen as glucose 1 phosphate. Additionally, the coordinated control of glycolysis and gluconeogenesis in the liver is adjusted by the phosphorylation state of the enzymes that catalyze the formation of a potent activator of glycolysis called fructose 2,6 bisphosphate. The enzyme protein kinase A (PKA) that was stimulated by the cascade initiated by glucagon will also phosphorylate a single serine residue of the bifunctional polypeptide chain containing both the enzymes fructose 2,6 bisphosphatase and phosphofructokinase 2. This covalent phosphorylation initiated by glucagon activates the former and inhibits the latter. This regulates the reaction catalyzing fructose 2,6 bisphosphate (a potent activator of phosphofructokinase 1, the enzyme that is the primary regulatory step of glycolysis) by slowing the rate of its formation, thereby inhibiting the flux of the glycolysis pathway and allowing gluconeogenesis to predominate. This process is reversible in the absence of glucagon (and thus, the presence of insulin). Glucagon stimulation of PKA inactivates the glycolytic enzyme pyruvate kinase, inactivates glycogen synthase, and activates hormone sensitive lipase, which catabolizes glycerides into glycerol and free fatty acid(s), in hepatocytes. Glucagon also inactivates acetyl CoA carboxylase, which creates malonyl CoA from acetyl CoA, through cAMP dependent and/or cAMP independent kinases. Malonyl CoA is a byproduct of the Krebs cycle (downstream of glycolysis) and an allosteric inhibitor of Carnitine palmitoyltransferase I (CPT1), a mitochondrial enzyme important for bringing fatty acids into the intermembrane space of the mitochondria for β oxidation. Glucagon decreases malonyl CoA through inhibition of acetyl CoA carboxylase and through reduced glycolysis through its aforementioned reduction in Fructose 2,6 bisphosphate. Thus, reduction in malonyl CoA is a common regulator for the increased fatty acid metabolism effects of glucagon.

Патология

Аномально высокие уровни глюкагона могут быть вызваны опухолями поджелудочной железы, такими как глюкагонома, симптомами которой являются некролитическая мигрирующая эритема, снижение уровня аминокислот и гипергликемия. Это может происходить изолированно или в контексте множественной эндокринной неоплазии 1 типа. Повышенный уровень глюкагона является основным фактором развития гипергликемического кетоацидоза при недиагностированном или недостаточно контролируемом диабете 1 типа. По мере прекращения функции бета-клеток, инсулин и ГАМК, вырабатываемые поджелудочной железой, больше не присутствуют для подавления нерегулируемого высвобождения глюкагона. В результате глюкагон высвобождается из альфа-клеток в максимальном количестве, вызывая быстрое расщепление гликогена до глюкозы и ускоренную кетогенез. Было установлено, что у части взрослых с диабетом 1 типа развитие кетоацидоза при отсутствии инсулина происходило в среднем в 4 раза медленнее при введении соматостатина (ингибитора выработки глюкагона). Ингибирование глюкагона является популярной концепцией лечения диабета, однако некоторые предостерегают, что это может привести к развитию лабильного диабета у пациентов с адекватной стабильностью уровня глюкозы в крови. Отсутствие альфа-клеток (и, следовательно, глюкагона) считается одним из основных факторов, влияющих на выраженную нестабильность уровня глюкозы в крови после полной панкреатоктомии.

История

В начале 1920-х годов несколько групп отметили, что введение экстрактов поджелудочной железы диабетическим животным вызывало кратковременное повышение уровня глюкозы в крови, предшествующее снижению уровня глюкозы, вызванному инсулином. В 1922 году К. Кимболл и Джон Мёрлин выявили компонент экстрактов поджелудочной железы, ответственный за это повышение уровня глюкозы в крови, и назвали его "глюкагон" – слово, образованное от сочетания слов "агонист глюкозы". В 1950-х годах ученые компании Eli Lilly выделили чистый глюкагон, кристаллизовали его и определили последовательность его аминокислот. Это привело к разработке первого радиоиммунологического анализа для определения уровня глюкагона, описанного группой Роджера Унгера в 1959 году.