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1、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 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,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：170200万，大小不一，直径75175m，占胰腺重量1。组织学：A、B、D细胞
2、形成多种细胞区（胰岛小叶）。,胰岛细胞,A（）：胞体大，鲜红染色，占1520，分泌胰升糖素，外层较多。 B（）：胞体小，桔黄染色，占7580，分泌胰岛素，内层较多。 D（）：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。A611间及两链之间共3个二硫键。在细胞内易形成48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
3、境下易破坏。易在锌、钴作用下生成结晶。空腹623 U/ml，餐后高峰出现在3060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
4、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515，生物活性仅为胰岛素的1/101/15。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
5、比例稳定，血中半衰期长（1011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。颗粒向B细胞膜移动并逐渐成熟 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。,
6、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， 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 2025nm，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。,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。,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
7、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。,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- 被主动运输入颗粒，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50
8、U，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0.1mmolL。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
9、。,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 cAMP,B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
10、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0.51.0分钟的潜伏期后，出现快速分泌峰，持续510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
11、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
12、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：4mmolL（72 mgdl），最佳反应浓度范围为5.516.7mmolL（100300mgdl），最大半刺激当量为8mmol/l（144mg/dl），最大分泌量时葡萄糖水平为1728mmol/L（300500mgdl），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24mmol/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
13、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-D葡萄糖和-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
14、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-
15、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
16、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
17、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+内入和胰岛素分泌，因细胞内Na+与细胞外Ca2+ 交换可促进胰岛素分泌。Mg2+：细胞外Mg2+可竞争性抑制Ca2+对胰岛素分泌的刺激作用。,植物神经系统,交感神经：受体兴奋分泌减少，受体兴奋分泌增多，平时受体兴奋占主导作用，故应激时，交感神经兴奋，升糖激素释放增多，血糖升高。副交感神经：迷走神经的副交感纤维及
18、其递质乙酰胆碱可促进胰岛素分泌，故餐后血糖升高刺激迷走神经可引起胰岛素快速分泌，以调节血糖水平，假饲亦可刺激迷走神经引起胰岛素分泌。,中枢神经系统与胰岛素分泌,腹内侧核交感中枢交感神经抑制胰岛素分泌。腹外侧核副交感中枢迷走神经刺激胰岛素分泌。,胰岛激素的旁分泌作用,胰岛细胞分泌激素 A B D A 胰升糖素 B 胰岛素 D 生长抑素 ,其他胰岛激素,Pancreastatin：49肽，抑制电压依赖性钙通道进而抑制葡萄糖诱发的胰岛素分泌。胰淀素：37肽，有报道表明可抑制胰岛素促泌剂诱发的胰岛素分泌。C肽：可能有胰外作用，抑制胰岛素及胰升糖素的方面作用。,胃肠激素与胰岛素分泌,胰泌素、胆囊收缩素、
19、胃泌素、抑胃肽、肠类胰升糖素均刺激胰岛素分泌，有利于胰岛素的及时分泌，避免血糖过高，其中抑胃肽作用最强。,神经肽与胰岛素分泌,促进胰岛素分泌：胆囊收缩素、蛙皮素、神经降压素。抑制胰岛素分泌：生长抑素、脑啡肽、5羟色胺。,生糖激素与胰岛素分泌,生长激素：刺激胰岛增生和胰岛素分泌，但本身又有升糖作用。糖皮质激素：无即时效应，缺乏糖皮质激素和长期使用糖皮质激素时抑制胰岛素分泌。儿茶酚胺：肾上腺素与去甲肾上腺素可通过受体抑制胰岛素分泌，异丙基肾上腺素可通过受体刺激胰岛素的分泌。甲状腺素：慢性双向作用，缺乏或过量均时胰岛素分泌减少。,促性腺激素轴与胰岛素分泌,促性腺激素及性激素：LH可刺激胰岛素分泌，口
20、服避孕药可短期刺激胰岛素分泌，长期则抑制胰岛素分泌。,激素或神经介质的作用机制,影响胰岛B细胞膜上的离子通道，改变细胞膜电位，影响钙离子的内入。影响B细胞内钙库中钙离子的释放，这种钙库主要存在于内质网中改变B细胞对钙离子的敏感性。激素或者神经介质主要是通过对钙离子浓度的改变来影响胰岛素的分泌的。,钾离子通道活性剂,钾离子通道激动剂：如多种降压药（如长压定）、利尿剂（噻嗪类利尿剂、低压唑等）、Cromakolin等。能促进使细胞内钾离子外流，细胞膜过极化，细胞内钙离子水平降低，进而抑制胰岛素分泌。钾离子通道阻滞剂：如磺脲药。能阻止细胞内钾离子外流，细胞膜去极化，细胞内钙离子水平升高，进而刺激胰岛
21、素分泌。磺脲药不刺激胰岛素的合成。,钾离子通道与胰岛素分泌,在静止状态下，胰岛B细胞膜内外存在电位差，处于一种内正外负的状态。当葡萄糖被B细胞摄取后，经葡萄糖激酶作用，在线粒体代谢后，细胞内ATP/ADP增高，细胞膜去极化，电压依赖性钙通道开启，细胞内Ca2+水平增高，引起胰岛素释放。,钾离子通道的种类,人体离子通道蛋白中种类最多的一族，除胰岛B细胞外，大脑、心肌、骨骼肌和肾脏上的钾通道也有极为重要的生理意义。仅在胰岛B细胞上已定位的与钾通道有关的编码基因即有30余种，多数结构特征及功能尚未明了。,钾离子通道的种类,ATP敏感性钾通道（IKATP）：通道的开启受ATP水平或者ATP/ADP比值
22、调节，属快开启通道，最大激动时间5ms，与胰岛素分泌关系极为密切。电压依赖的延迟整流性钾通道（IDK）：属慢开启通道，最大激动时间50ms。Ca2+激动性钾通道（IK.Ca）：受细胞内Ca2+水平调节，水平升高时通道开启，K+外流，细胞膜复极，胰岛素分泌终止。,钾离子通道的结构（1）,IK的基本结构：钾通道种类繁多，结构及功能尚未完全搞清，但基本结构相似。均是由两个跨膜亚单位组成，二者间通过疏水连接部相连。其中胰岛B细胞IKATP的亚单位为Kir6.2和SUR。IKATP是由4个Kir6.2和4个SUR组成的八聚体，前者围成中心孔道，后者列于外围。前者由390个氨基酸残基组成，包括两条螺旋跨膜
23、区和一条保守的氨基酸链；后者由1581个氨基酸残基组成，包括17个跨膜区。二者必须结合为完整的IKATP方可发挥正常功能。,钾离子通道的结构（2）,编码Kir6.2和SUR的基因同位于第11号染色体短臂（11P15.1），前者位于后者下游4.5kb，二者紧密毗邻，互相影响又互相协调，共同发挥其生理功效。二者在胰岛素释放的信号偶联中作用不同，前者构成离子通透管道，后者为通道功能调节器。,钾离子通道与胰岛素分泌,细胞内K+为细胞外28倍，细胞外Ca2+为细胞内15000倍。平时细胞膜K+通过IKATP和IDK外流，保持细胞膜内正外负的电位差，细胞膜处于极化状态。刺激物（如SU）与SUR结合，促进K
24、ir6.2组成的离子通透管道开启，细胞外Ca2+大量涌入，细胞内Ca2+水平升高，胰岛素分泌。,钾离子通道与胰岛B细胞凋亡,像其他细胞一样，Ca2+是胰岛B细胞最重要的信号离子，也是维持细胞稳定的重要离子。由于细胞膜及细胞器膜上的Ca2+-ATP泵将Ca2+不断在细胞膜排出细胞并排入细胞器，细胞内Ca2+维持在一定水平。不适当的Ca2+内入可损伤胰岛B细胞，造成胰岛素分泌过多，最终引起B细胞凋亡。,钾离子通道与低血糖症,Kir6.2和SUR基因突变，使其结构发生变化，胰岛B细胞钾通道活性下降，细胞膜易于去极化，可导致一种家族遗传性疾病，即婴儿持续性高胰岛素低血糖症，由于该病是IKATP基因缺陷所致，故又称为ATP依赖性钾通道病。有人试用二氮嗪或生长抑素治疗，疗效不一；多数患儿须行胰腺大部切除方可生存，但又可引起胰岛功能不全甚至糖尿病。,钙离子通道活性剂,Ca2+通道激动剂：如BayK 8644。促进细胞外Ca2+内流，使胰岛素分泌增多。Ca2+通道阻滞剂：如心痛定、尼莫的平、尼群的平等。阻止细胞外Ca2+内流，使胰岛素分泌减少。,影响胰岛素分泌的其他因素,饥饿：糖代谢减慢，胰岛素分泌减少。运动：使外周组织对胰岛素的敏感性增强，胰岛素分泌减少。年龄：衰老使胰岛B细胞对葡萄糖的反应性下降，胰岛素快速反应迟钝。,
