Molekularbiologie der Pankreasinsel Langerhanssche Insel des Pankreas

Transkript

1 Dr. S. Baltrusch, Institut für Klinische Biochemie, MHH Molekularbiologie der Pankreasinsel Langerhanssche Insel des Pankreas

2 Prohormone der Langerhansschen Insel des Pankreas - Preproinsulin - Preproglucagon - Preprosomatostatin - Prepro Pancreatic polypeptide Preproinsulin A F 1 KTRR E 33 KR G aa Ins B-chain C-peptide Ins A-Chain Preproglucagon Q R 1 KR H 33 KR H 72 RGRR D 111 RK aa KR N 64 R H 78 GRR H 125 Glicentin Glucagon Oxyntomodulin GLP-1 GLP-2 GLP-1 (7-37amide) Preprosomatostatin G A 25 F L 34 Antrin? Q R 89 RERK A 103 Somatostatin 28 SS aa Prepro Pancreatic polypeptide E P 33 RPRYGKR H aa Pancreatic polypeptide

3 Biosynthese von Insulin aus Proinsulin PC2 K R R R Proinsulin PC1 CPE K R R R Split 65,66 proinsulin K R R R CPH Split 32,33 proinsulin R R PC1 PC2 K R Des 64,65 proinsulin Des 31,32 proinsulin R CPE R Diarginyl insulin Insulin

4 Schematische Struktur von Insulin Sezerniertes Insulin besitzt im Blut nur eine sehr kurze Halbwertszeit von ca. 20 Minuten. Es wird in der Leber proteolytisch inaktiviert. Insulin ist ein relativ stabiles Peptidhormon und enthält keine freien SH-Seitengruppen, die durch Glutathion vor Oxidation geschützt werden müssen.

5 Schematische Struktur von Proinsulin Proteolytische Spaltung durch Endoproteasen Das C-Peptid wird zusammen mit dem reifen Insulin in die Blutbahn sezerniert. Es besitzt diagnostische Relevanz für die Bestimmung der Restaktivität der ß-Zellen bei einem diabetischen Patienten unter Insulinbehandlung.

6 Lokalisation von PC2 und CPE

7 Proteolyse der Prohormone durch pancreatische Serinproteasen Lokalisation von PC1

8 Initiatoren und Modulatoren der Insulinsekretion durch die Beta-Zellen der Langerhansschen Inseln des Pankreas

9 Insulinwirkung (I) Insulin bindet an den Insulinrezeptor, einem tetrameren Plasmamembranrezeptor aus 2 α- Untereinheiten und 2 ß-Unterinheiten. Der Insulinrezeptor ist in hoher Dichte in der Leber, der Muskulatur und dem Fettgewebe vorhanden = insulinempfindliche Gewebe. Die Bindung des Insulins an die extrazelluläre Domäne des Rezeptors löst über eine Konformationsänderung eine Autophosphorylierung an den Tyrosinresten der zytoplasmatischen Anteile der ß-Untereinheiten aus, die ATP verbraucht. Das autophosphorylierte Rezeptorprotein bewirkt die Phosphorylierung weiterer Proteinkinasen, wobei die Phosphorylierung des Insulin Receptor Substrate 1 (IRS-1) eine wichtige Rolle spielt. Die Signalwege des Insulins wie z.b. die Autophosphorylierung sind bei der Insulinresistenz gestört. Zielgewebe wie die Leber, die Muskulatur und das Fettgewebe sind dann unempfindlich gegenüber Insulin.

10 Insulinwirkung (II) Zielgewebe: Leber, Muskel, Fettgewebe = Gewebe, die Nähstoffe in Form von Glykogen, Protein und Triglyzeriden speichern (anaboles Prinzip der Insulinwirkung). Insulinrezeptor: Autophosphorylierung des Rezeptors durch Tyrosinkinasen, Auslösung von komplexen Phosphorylierungskaskaden durch Proteinkinasen in den Zielzellen. Effekte: Kurzfristig (Minuten): - Erhöhung der Glucosetransportkapazität (GLUT4 Vesikel werden in die Plasmamembran transloziert) - Phosphorylierung und Dephosphorylierung der Schlüsselenzyme des Kohlenhydrat und Fettstoffwechsels (Glykolyse, Glykogensynthese, Fettsäuresynthese) Langfristig (Stunden/Tage): - Induktion/Repression von Genen der Schlüsselenzyme des Kohlenhydrat und Fettstoffwechsels.

11 Glucosetransport

12 Struktur des Glucosetransporters GLUT1

13 Glucosetransportproteine Nomenkla tur Gewebe K m Besonderheiten GLUT1 erleichterte Diffusion Ubiquitär besonders in Erythrozyten, Gehirn 1-2 mm Grundversorgung der Zellen mit Glucose GLUT2 erleichterte Diffusion Leber ß-Zellen des Pankreas Niere 20 mm Glucosetransport im millimolaren physiologischen Bereich GLUT4 erleichterte Diffusion Muskulatur Fettgewebe insulinabhängige Gewebe! 2-4 mm Glucosetransporterdichte wird durch Insulin reguliert SGLT Energieverbrauch Darm Niere 4 mm Na-Glucose Cotransport sekundäraktiver Transport (Na- Gradient)

14 Hexokinase 1. In allen Körperzellen vorhanden 2. K m Glucose 0,1 mm = hohe Substrataffinität 3. Produkthemmung durch Glucose-6-phosphat 4. Michaelis-Menten Kinetik 5. Keine Regulation durch Hormone 6. Einschleusung von Glucose in den Stoffwechsel ist unabhängig von den physiologischen Glucosekonzentrationen (Enzym arbeitet im Bereich der Substratsättigung)

15 Glucokinase 1. Nur in der Leber und den B- Zellen des Pankreas vorhanden 2. K m Glucose 10 mm = niedrige Substrataffinität 3. Keine Produkthemmung durch Glucose-6-phosphat 4. Sigmoidale Reaktionskinetik 5. Induktion durch Insulin, Repression durch Glucagon in der Leber 6. Einschleusung von Glucose in den Stoffwechsel ist abhängig von den physiologischen Glucosekonzentrationen (Steuerung der Glucoseverwertung in der Leber!)

16 Struktur der Glucokinase Large domain Super-Open form (inactive) Small domain Glucose Large domain Glucose Complex form (active) Small domain

17 Stimulus- Sekretionskopplung der Beta-Zelle Glucokinase

18 Generierung eines Furinsensitiven Insulingens zur Expression in nicht-endokrinen Zellen PC3 = RR (Arg-Arg) PC2 = KR (Lys-Arg) Furin = Arg-X-Lys/Arg-Arg

19 Insulin Sekretion in Beta-Zellen des Pankreas - die Insulinsekretion erfolgt biphasisch

20 Regulation der Insulinfreisetzung aus den Granula in Beta-Zellen des Pankreas Kiss-and-run Exozytose

21 Glucagonrezeptor - das Glucagonrezeptorprotein ist durch 7 transmembranäre Regionen in die Plasmamembran integriert - Glucagon bindet im Bereich der extrazellulären Domäne des Rezeptors und löst hierdurch eine Konformationsänderung aus

22 Transport von GLUT4 (und GLUT1) Proteinen in Fettzellen TGN - trans-golgi network GSC - intracellular insuli-responsive GLUT4 storage compartment GGA - Golgi-localized, gamma-ear containing, ADP-ribosylation factor binding

23 Insulin

24 Expression der beiden Insulinketten in unterschiedlichen E.coli Stämmen

25 Expression von Proinsulin in E.coli

26 Expression von Mini- Proinsulin in S.cerevisiae

27 Human-Insulin und Insulin lispro (Lilly)

28 Plasmainsulinprofile Applikation von Altinsulin Man unterscheidet nach der Wirkdauer drei Gruppen von Insulinen: -kurzwirksame Insuline (Altinsuline) -Verzögerungsinsuline -Kombinations- oder Mischinsuline

29 Prozessierung und Freisetzung von Proinsulin Spaltprodukten in nicht-endokrinen Zellen Proinsulin Spaltprodukte nach Kapillarelekrophorese

30 Funktionelle Regionen des Insulinrezeptors

31 Insulinrezeptors - der Insulinrezeptor ist ein tetrameres integrales Membranprotein - der Insulinrezeptor zeigt einen identischen Aufbau wie der IGF 1- Rezeptor - Insulin- und IGF 1- Rezeptoren können Hybride bilden - solche Hybridrezeptoren machen in der Skelettmuskulatur 40% der Insulinrezeptoren aus

32 Intrazelluläre Insulinsignalübertragung zu den metabolischen und proliferatorischen Effekten des Insulin 1. 2.