胰岛素分泌

胰岛素分泌机制北京协和医院向红丁糖尿病的基本异常•致病原因：遗传因素和环境因素长期共同作用的结果。•主要问题：胰岛素不足或／和胰岛素作用差（抵抗）。•基本改变：血糖增高。伴糖尿病的遗传综合征β细胞遗传缺陷胰岛素作用遗传缺陷2型糖尿病1型糖尿病非常见免疫中介型妊娠糖尿病内分泌腺病药物胰外分泌病感染糖尿病分型及病因机制的关系遗传因素环境因素胰岛素分泌及/或作用不足2型糖尿病自然病程餐后血糖空腹血糖胰岛素抵抗血浆葡萄糖水平相对的细胞功能患糖尿病的年数胰岛素分泌大血管并发症微血管并发症胰岛组织学•1869年Langerhans发现，来自消化道。•形态：170～200万，大小不一，直径75～175μm，占胰腺重量1％。•组织学：A、B、D细胞形成多种细胞区（胰岛小叶）。胰岛细胞•A（α）：胞体大，鲜红染色，占15～20％，分泌胰升糖素，外层较多。•B（β）：胞体小，桔黄染色，占75～80％，分泌胰岛素，内层较多。•D（δ）：胞浆蓝色，占5％，分泌生长抑素，中外层较多。胰岛细胞•PP细胞－胰多肽。•EC细胞（肠嗜铬细胞）－5羟色胺。•D1细胞－舒血管肠肽。•G细胞－胃泌素。胰岛素结构•17种51个氨基酸双链多肽，5734道尔顿，A（21肽）、B（30肽）双链。•A6～11间及两链之间共3个二硫键。•在细胞内易形成4～8倍体。理化性质•酸性蛋白，分子中酸性氨基酸较多，易与鱼精蛋白及组氨酸等碱性氨基酸结合，等电点的pH值为5.3，酸、中性条件下稳定，碱性环境下易破坏。•易在锌、钴作用下生成结晶。•空腹6～23μU/ml，餐后高峰出现在30－60分钟，增长5倍左右。•血中半衰期4.8分钟，二硫键及肽链断裂后降解。可能的分子分区•内核：疏水氨基酸残基，如支链氨基酸及半胱氨酸，维持胰岛素整体结构。•表面疏水区：缬、酪、苯丙氨酸，靶细胞膜受体特异性结合部位。•表面极性区：甘、谷、酪、天门氨酸等组成的极性区──信息传递部位，组、丝、谷氨酸组成的极性区──与免疫学性质有关。前胰岛素原的合成•编码前胰岛素原的基因位于第11对染色体短臂，接近胰岛素样生长因子－2基因区内。•胰岛素编码基因具有1355个碱基对，其编码区域由3个外显子组成，分别编码前肽、B/C链和C/A肽链。•转录成含有600个核苷酸的mRNA，继而翻译出11.5kDa的前胰岛素原。胰岛素的生物合成胰岛素结构基因→前胰岛素原的mRNA→前胰岛素原（Preproinsulin）→前肽＋胰岛素原（Proinsulin）→胰岛素＋C肽＋精赖（A）精精（B）。胰岛素的生物合成•胰岛素原：86个氨基酸，含35个氨基酸的联接肽，占总胰岛素免疫活性的5～15％，生物活性仅为胰岛素的1/10～1/15。•裂解胰岛素原(splitproinsulin)：有免疫活性，生物活性很低。胰岛素的生物合成•胰岛素：成人每天合成2mg（50U），总储量200U，储存在B细胞内β颗粒中。•C肽：31个氨基酸，与胰岛素等分子释放，二者在血液中比例稳定，血中半衰期长（10～11分钟），测定不受外源性胰岛素和胰岛素抗体水平影响，能更好地反映内源性胰岛素水平。胰岛素分泌的刺激物营养物质：•主要是葡萄糖，促进合成前胰岛素原的mRNA的生成，也能促进由此mRNA向前胰岛素原翻译的过程。•甘露醇和某些氨基酸也能刺激胰岛素的合成。胰岛素释放过程•在正常的胰岛B细胞中，胰岛素的分泌主要是通过排粒作用。通过此种作用，富含胰岛素和C肽的分泌颗粒逐渐向细胞膜方向移动，然后颗粒外膜与细胞膜相融合，颗粒内的胰岛素及C肽被释放入血。•β颗粒向B细胞膜移动并逐渐成熟→β颗粒膜与B细胞膜融合→排粒作用（胞吐）。•在正常情况下，B细胞的排粒作用已足以维持胰岛素基础分泌。β颗粒向膜移动机制（1）•布朗运动学说：现在的电子显微技术已能将此过程放大并显示。在正常情况下，β颗粒的布朗运动可维持胰岛素基础分泌。•微管微丝学说：也很重要。微管系统由54KD的微管蛋白亚单位聚合而成，直径20～25nm，含类肌动蛋白和肌浆球蛋白，具有收缩能力，能将逐渐成熟的分泌颗粒逐渐拉到细胞膜附近。β颗粒向膜移动机制（2）秋水仙素等微管毒素能通过阻止微管的形成而抑制胰岛素的分泌。在胰岛素的分泌过程中，微管系统总量的意义并不十分重要，重要的是微管蛋白亚单位向微管系统的动态转换过程。β颗粒向膜移动机制（3）•微丝系统：基本组成成分为肌动蛋白，这是一种分子量约为43KD的球蛋白。微丝系统为靠近B细胞膜表面的丝状亚细胞结构，静止时阻止分泌颗粒的外逸，B细胞受刺激后又能加快分泌颗粒向细胞膜运动。细胞松弛素等物质能阻止微丝系统的形成，进而抑制胰岛素的分泌。β颗粒向膜移动机制（4）•膜融合：融合处出现阴离子转运点，Cl-和OH-被主动运输入β颗粒，β颗粒内渗透压升高，进而涨大溶解。•排粒作用：胰岛素、C肽及少量胰岛素原排出细胞。胰岛素分泌量成人胰岛素的基础分泌量约为1U/小时，每餐刺激胰岛素分泌量约为8U，因此每日基础的以及三餐的刺激引起的胰岛素分泌总量约为50U。其中95％为胰岛素，仅有5％以未转化的胰岛素原或者裂解胰岛素原的形式被分泌。有文献报告，成人每天分泌胰岛素总量约2mg，相当与50U，与其合成量相当。第二信使—钙离子Ca2+：抑制胰岛素合成，刺激胰岛素释放，引起胰岛素分泌所必须的最低细胞外Ca2+为0.1mmol／L。可能机制为：•激活腺苷酸环化酶及环化腺苷酸磷酸二酯酶，加快cAMP的合成与代谢。•激活肌球蛋白酶和蛋白激酶，促进微管的聚合与微丝网的收缩。•中和β颗粒与B细胞膜上的负电荷，促进二者的融合，Ca2+的作用与钙调节蛋白（Calmodulin）关系密切。Ca2+升高的机制•Ca2+进入细胞增多：细胞外葡萄糖或K+浓度增加→B细胞膜去极化→膜上电压依赖性钙离子通道开启→Ca2+内入。•B细胞内Ca2+外流受抑制。•B细胞内Ca2+的螯合受抑制。•促进细胞内储存的Ca2+的动员。细胞膜复极B细胞上有Ca2+激活性K+通道，细胞内Ca2+增多，促进K+通道开启，细胞膜复极，并激活Ca2+-ATP酶，Ca2+外流增多，有助于兴奋后细胞内Ca2+浓度的恢复。第二信使—cAMPB细胞必须在有适量的cAMP的条件下才能对葡萄糖有反应，而且在有效葡萄糖浓度不变的情况下，细胞内cAMP水平越高，胰岛素分泌反应越强。可能作用机制：•激活蛋白激酶，促进微管的合成。•抑制亚细胞结构对Ca2+的摄取。•促进细胞内蛋白磷酸化，引起细胞膜通透性及膜电位的改变。第二信使—三磷酸肌醇酯•三磷酸肌醇酯：磷酯在磷脂酶C作用下产生三磷酸肌醇酯（IP3）和不饱和脂肪酸。三磷酸肌醇是一种重要的细胞内第二信使，在胰岛素分泌过程中有其重要的作用。•甘油二脂：肌醇磷酸脂的代谢产物之一，也能激活蛋白激酶C，进而刺激胰岛素的分泌。IP3的可能作用机制•改变膜对Ca2+的通透性，促进细胞内质网对Ca2+的释放。•激活蛋白激酶C，促进蛋白磷酸化。胰岛素的分泌时相三相理论：•第一时相：快速分泌相。B细胞接受葡萄糖刺激，在0.5～1.0分钟的潜伏期后，出现快速分泌峰，持续5～10分钟后减弱。•第二时相：延迟分泌相。快速分泌相后逐渐出现的缓慢但持久的分泌峰，其峰值位于刺激后30分钟左右。胰岛素的分泌时相•第三时相：对葡萄糖失敏期。延迟分泌相后自发出现的对葡萄糖反应性下降、胰岛素分泌减少的阶段。这种对葡萄糖失敏可能是机体自我保护，以免胰岛素过度分泌的一种机制。但在此阶段，胰岛B细胞对其他刺激物，如对磺脲类降糖药，仍可有反应。双相分泌机制•糖对B细胞的合成与分泌作用有时间依赖性，新合成者分泌较慢。•胰岛中不同部位的B细胞的分泌速率不同。•B细胞内存在着两种反应性和／或活性不同的β颗粒。•存在着两种不同的分泌机制。影响胰岛素释放的因素•营养物质：葡萄糖、氨基酸、脂肪酸。•阳离子：钙、钾、钠、锰。•神经内分泌。•药物。•其他。葡萄糖刺激胰岛素分泌（1）•最主要的刺激物，而且对氨基酸及磺脲类药刺激胰岛素分泌的功能有着允许作用。B细胞外葡萄糖浓度低于4mmol/l（72mg/dl）时，氨基酸及磺脲类降糖药不能有效地刺激胰岛素的分泌。•胰岛B细胞对葡萄糖反应迅速，血糖升高后数秒至数分即可观察到胰岛素水平的增高，而且这种增高与葡萄糖浓度呈剂量依赖关系。葡萄糖刺激胰岛素分泌（2）•有效刺激阈浓度：4mmol／L（72mg／dl），最佳反应浓度范围为5.5～16.7mmol／L（100～300mg／dl），最大半刺激当量为8mmol/l（144mg/dl），最大分泌量时葡萄糖水平为17～28mmol/L（300～500mg／dl），血糖恢复正常后胰岛素分泌迅速下降。葡萄糖刺激胰岛素分泌（3）•启动胰岛素原生物合成的葡萄糖阈浓度为2～4mmol/l，而刺激胰岛素分泌的葡萄糖阈值略高于这个水平，这就确保了B细胞内有一个适当量的胰岛素储备。•血糖长期过高，胰岛素分泌功能衰竭，胰岛B细胞退化、空泡变性、萎缩。葡萄糖作用机制（1）•B细胞葡萄糖受体学说：认为葡萄糖是通过其在胰岛B细胞上特异性受体而发挥作用的。证据是葡萄糖刺激胰岛素分泌的立体特异性，按其立体构象的不同，葡萄糖可分为D型和L型两大类，只有D型葡萄糖能刺激胰岛素分泌。而D型葡萄糖又可分为α-D葡萄糖和β-D葡萄糖两种，它们对胰岛素分泌的刺激作用也有显著差异。有人认为葡萄糖激酶即是葡萄糖受体。葡萄糖作用机制（2）•代谢学说：认为葡萄糖代谢产物方有刺激胰岛素分泌的作用，如6－磷酸葡萄糖、1，6二磷酸果糖、磷酸丙糖和山梨醇等都有刺激作用，其受体可能是糖代谢酶类，能抑制糖酵解的物质均能抑制胰岛素分泌。葡萄糖作用机制（3）葡萄糖在B细胞中通过糖酵解或者三羧酸循环代谢，产生ATP或引起ATP/ADT比率的增加，导致ATP依赖性钾离子通道关闭，阻止了细胞内钾离子的外流，造成胰岛B细胞膜的去极化，促进细胞膜上电压依赖性钙离子通道的开启，胞外钙离子的内入和细胞内钙离子水平的升高，进而刺激胰岛素的分泌。葡萄糖作用机制（4）在代谢学说中，葡萄糖激酶也发挥着极为重要的作用，是葡萄糖刺激胰岛素分泌的起始点，又是此过程的限速酶。能将葡萄糖运入B细胞的葡萄糖载体（GLUT-2）虽在葡萄糖刺激胰岛素分泌过程中意义重要，但似乎不具有限速作用。除葡萄糖外，某些糖酵解的产物，如D-甘油醛，也有刺激B细胞胰岛素分泌的作用。氨基酸刺激胰岛素分泌（1）所有必须氨基酸均有刺激胰岛素分泌的作用，而且能增强葡萄糖对胰岛素分泌的刺激作用。强度顺序：混合氨基酸〉精氨酸〉赖氨酸〉亮氨酸〉丙氨酸〉……〉组氨酸，临床上可用于胰岛功能检测。氨基酸刺激胰岛素分泌（2）•有人发现，有些氨基酸只需与胰岛B细胞接触即可刺激胰岛素的分泌，如精氨酸本身就能够引起B细胞膜的去极化和胰岛素的分泌；而另一些氨基酸则与葡萄糖相同，必须代谢产生ATP才能造成ATP依赖性钾离子通道的关闭和胰岛素的分泌。氨基酸作用机制不同氨基酸作用方式不同，口服比静脉注射时强。•受体学说：有不同于葡萄糖的氨基酸受体。•代谢学说：氨基酸代谢产物刺激胰岛素的分泌。•通过对A细胞的刺激发挥作用：先刺激胰升糖素，继而刺激胰岛素分泌。脂肪代谢产物脂肪酸可增强葡萄糖对胰岛素分泌的诱导作用，直接刺激物可能是柠檬酸或CoA，肥胖者高胰岛素血症可能与此有关。酮体也有刺激胰岛素分泌作用，对预防酮症酸中毒有意义。钙离子（1）•Ca2+：与胰岛素分泌关系密切。在B细胞内发生的刺激-释放偶联中，细胞内的钙离子起着至关重要的作用。即使在细胞外葡萄糖未达到刺激胰岛素分泌的浓度时，只要存在着某种钙离子携带物从细胞外将钙离子带入细胞，即能持续、有效地刺激胰岛素的分泌。钙离子（2）•在葡萄糖浓度为1.7mmol/l（30mg/dl）时，一种钙离子通道激活剂BK4885即可使细胞内对钙离子敏感的荧光物质Fura-2水平急剧增高，伴随着B细胞胰岛素分泌能力的急剧增强。而钙离子通道拮抗剂，如尼莫地平则可抑制细胞内钙离子增加和B细胞胰岛素分泌。钾、钠和锰离子•K+：细胞外K+可促进Ca+内入和胰岛素分泌。•Na+：细胞外Na+可抑制Ca2+内