Endokrinologie Teil III (Insulin) Christian Grimm, PhD Pharmakologie f. Naturwissenschaften & Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) 1

Physiologie des Pankreas α Zellen - β Zellen δ Zellen ...

Physiologie des Pankreas

Physiologie des Pankreas Exogene Drüse : Pankreas = wichtigste Verdauungsdrüse; produziert beim Menschen täglich etwa 1,5 L Verdauungssekret Die Acinuszellen des Pankreas werden durch die Hormone Sekretin und Cholecystokinin und parasympathisch durch den Nervus vagus zur Abgabe des Verdauungssekrets angeregt Das Bauchspeicheldrüsensekret enthält die Vorstufen eiweißspaltender Enzyme (Trypsinogen, Chymotrypsinogen, , Procarboxypeptidasen, Proelastase), das stärkespaltende Enzym α-Amylase, Ribo- und Desoxyribonukleasen sowie Lipasen

Physiologie des Pankreas Exogene Drüse : Pankreas = wichtigste Verdauungsdrüse; produziert beim Menschen täglich etwa 1,5 L Verdauungssekret Die Acinuszellen des Pankreas werden durch die Hormone Sekretin und Cholecystokinin und parasympathisch durch den Nervus vagus zur Abgabe des Verdauungssekrets angeregt Das Bauchspeicheldrüsensekret enthält die Vorstufen eiweißspaltender Enzyme (Trypsinogen, Chymotrypsinogen, , Procarboxypeptidasen, Proelastase), das stärkespaltende Enzym α-Amylase, Ribo- und Desoxyribonukleasen sowie Lipasen Endogene Drüse: Neben der exokrinen Drüsenfunktion werden vom endokrinen Drüsenanteil auch Hormone direkt ins Blut abgegeben: ca. 2% der Zellen sind inselförmig zusammengefasst und werden als Langerhans-Inseln bezeichnet Langerhans-Inseln: Produktion der Pankreashormone, wobei in den A-(α-)Zellen Glucagon, in den B-(β-)Zellen Insulin, in den D-(δ-)Zellen Somatostatin, den PP-(F-)Zellen das Pankreatische Polypeptid und den ε-Zellen das Ghrelin synthetisiert wird; insgesamt befinden sich etwa 1 Mio Inseln in einem gesunden Pankreas

Pankreashormone Pankreas B-Zellen: 65-80%: Insulin A-Zellen: 15%: Glukagon - D-Zellen: Somatostatin - PP-Zellen: Pankreatisches Polypeptid Guanine nucleotide binding proteins

Regulation der Insulinausschüttung (Pankreas B-Zelle) Glc wird durch den insulinunabh. Glc-Transporter (Glut) in die B-Zelle transportiert und durch die Glucokinase zu Glc-6-P phosphoryliert vermehrte ATP-Bildung in den Mitochondrien (Glykolyse, Citratzyklus etc.) Wenn Glc nicht phosphoryliert, dann wird es von Glut2 wieder aus der Zelle heraustransportiert

Regulation der Insulinausschüttung (Pankreas B-Zelle) Wenn Glc nicht phosphoryliert, dann wird es von Glut2 wieder aus der Zelle heraustransportiert

Regulation der Insulinausschüttung (Pankreas B-Zelle) Glc wird durch den insulinunabh. Glc-Transporter (Glut) in die B-Zelle transportiert und durch die Glucokinase zu Glc-6-P phosphoryliert vermehrte ATP-Bildung in den Mitochondrien (Glykolyse, Citratzyklus etc.) ATP-empfindl. Kaliumkanale (KATP) schliessen; auch der gleichzeitige Abfall der ADP-Konz. schliesst KATP, weil Bindung von ADP an SUR1 KATP öffnet Schliessen der KATP depolarisiert die PM (von -70mV nach -50mV) und öffnet dadurch spannungsabh. L- und P/Q-Typ Calcium-kanäle das einströmende Calcium bewirkt Fusion von insulinhaltigen Sekretgranula mit der PM und somit Insulinfreisetzung Wenn Glc nicht phosphoryliert, dann wird es von Glut2 wieder aus der Zelle heraustransportiert

Regulation der Insulinausschüttung (Pankreas B-Zelle) Sulfonylharnstoffe (SH) und Glinide: blockieren KATP z.B. Tolbutamid, Glibenclamid (SH) z.B. Repaglinid, Nateglinid (Glinide) Wenn Glc nicht phosphoryliert, dann wird es von Glut2 wieder aus der Zelle heraustransportiert

Insulinstruktur, Synthese, Prozessierung, Speicherung Chromosom 11 Transkriptionsfaktoren: PDX1 und HNF-1α Prä-Proinsulin Disulfidbrücken! Proinsulin (-24As Signal- peptid) + Zink, Protonen Proinsulin-Hexamer Insulin-Hexamer (- C-Peptid) Speicherung in kristalliner Form RER Golgi trans-Golgi Guanine nucleotide binding proteins

Insulinfreisetzung Der wichtigste direkte Reiz zur Ausschüttung des Insulins aus der B-Zelle ist ein steigender Blutzuckerspiegel (ab ca. 5 mmol Glc/L Blut)!

Insulinfreisetzung Der wichtigste direkte Reiz zur Ausschüttung des Insulins aus der β-Zelle ist ein steigender Blutzuckerspiegel (ab ca. 5 mmol Glc/L Blut)! Stimulation der Insulinfreisetzung Inkretine (GI-Trakt): Glucagon like peptide (GLP), Gastric inhib. peptide (GIP) Gastrin Sekretin CCK = natürl. Antidiabetika

Glucagon like peptide (GLP1) stimuliert die Produktion von Insulin in den B-Zellen senkt die Produktion von Glucagon in den A-Zellen (Glucagon selbst setzt Glc aus der Leber frei) verzögert die Entleerung des Mageninhaltes in den Darm stimuliert das Sättigungsgefühl - durch die ersten beiden Wirkungen werden zu hohe Glukosewerte im Blut verhindert, durch die beiden anderen Wirkungen die Nahrungsaufnahme gedrosselt

Signaltransduktion von Insulin Durch die Aktivierung des Insulinrezeptors (Rezeptor-Tyrosin-Kinase) werden zelluläre Proteine phosphoryliert wie z.B. Shc (Src homology 2 domain containing), das Protoonkogen Cbl (Casitas B-lineage Lymphoma) oder Mitglieder der Insulin-Rezeptor-Substrat-Familie (IRS1-4) IRS: docking proteins

Signaltransduktion von Insulin Durch die Aktivierung des Insulinrezeptors (Rezeptor-Tyrosin-Kinase) werden zelluläre Proteine phosphoryliert wie z.B. Shc (Src homology 2 domain containing), das Protoonkogen Cbl (Casitas B-lineage Lymphoma) oder Mitglieder der Insulin-Rezeptor-Substrat-Familie (IRS1-4) Diese wiederum interagieren mit den SH2-Domainen von Signalmolekülen, was zur Aktivierung verschiedener Signalwege führt. Über den PI3K Signaltransduktionsweg werden Gene reguliert, die u.a. den Glucose-Metabolismus und die Synthese von Glycogen, Lipiden und Proteinen steuern IRS: docking proteins

Signaltransduktion von Insulin Durch die Aktivierung des Insulinrezeptors (Rezeptor-Tyrosin-Kinase) werden zelluläre Proteine phosphoryliert wie z.B. Shc (Src homology 2 domain containing), das Protoonkogen Cbl (Casitas B-lineage Lymphoma) oder Mitglieder der Insulin-Rezeptor-Substrat-Familie (IRS1-4) Diese wiederum interagieren mit den SH2-Domainen von Signalmolekülen, was zur Aktivierung verschiedener Signalwege führt. Über den PI3K Signaltransduktionsweg werden Gene reguliert, die u.a. den Glucose-Metabolismus und die Synthese von Glycogen, Lipiden und Proteinen steuern -Die Aktivierung eines weiteren Signalweges über Cbl führt zur Insulin-stimulierten Glucose-aufnahme in die Zelle (Glut) IRS: docking proteins

Glut Translokation Effect of insulin on muscle. Insulin has four major effects on muscle cells. First, insulin promotes glucose uptake by recruiting GLUT4 transporters to the plasma membrane. Second, insulin promotes glycogen synthesis from glucose by enhancing the transcription of hexokinase (1) and by activating glycogen synthase (2). Third, insulin promotes glycolysis and carbohydrate oxidation by increasing the activity of hexokinase (1), phosphofructokinase (3), and pyruvate dehydrogenase (4). These actions are similar to those in liver; little or no gluconeogenesis occurs in muscle. Fourth, insulin promotes protein synthesis (5) and inhibits protein breakdown (6).

Prinzipien der Insulinwirkung Förderung anaboler Stoffwechselprozesse • Glykogensynthese • Lipidsynthese • Proteinsynthese   Drosselung kataboler Prozesse • Glykogenolyse • Lipolyse • Proteolyse Speicherung energiereicher Substrate Glykogensynthese Triglyzeridsynthese Leberzellen Muskelzellen Fettzellen

Insulinwirkung auf Hepatozyten ↑Glykogen- synthese ↓Glykogenolyse ↑Glykolyse ↓Glukoneo- genese Effect of insulin on hepatocytes. Insulin has four major effects on liver cells. First, insulin promotes glycogen synthesis from glucose by enhancing the transcription of glucokinase (1) and by activating glycogen synthase (2). Additionally, insulin together with glucose inhibits glycogen breakdown to glucose by diminishing the activity of G6Pase (4). Glucose also inhibits glycogen phosphorylase (3). Second, insulin promotes glycolysis and carbohydrate oxidation by increasing the activity of glucokinase (1), phosphofructokinase (5), and pyruvate kinase (6). Insulin also promotes glucose metabolism through the hexose monophosphate shunt (7). Finally, insulin promotes the oxidation of pyruvate by stimulating pyruvate dehydrogenase (8). Insulin also inhibits gluconeogenesis by inhibiting the activity of PEPCK (9), FBPase (10), and G6Pase (4). Third, insulin promotes the synthesis and storage of fats by increasing the activity of acetyl CoA carboxylase (11) and fatty acid synthase (12) as well as the synthesis of several apoproteins packaged with VLDL. Insulin also indirectly inhibits fat oxidation because the increased levels of malonyl CoA inhibit CAT I (13). The inhibition of fat oxidation helps shunt fatty acids to esterification as triglycerides and storage as VLDL or lipid droplets. Fourth, by mechanisms that are not well understood, insulin promotes protein synthesis (14) and inhibits protein breakdown (15). ↑Synthese und Speicherung von Fett ↑Proteinsynthese

Insulinwirkung auf Muskelzellen ↑Glukoseaufnahme ↑GLUT4 ↑Glykogensynthese Effect of insulin on muscle. Insulin has four major effects on muscle cells. First, insulin promotes glucose uptake by recruiting GLUT4 transporters to the plasma membrane. Second, insulin promotes glycogen synthesis from glucose by enhancing the transcription of hexokinase (1) and by activating glycogen synthase (2). Third, insulin promotes glycolysis and carbohydrate oxidation by increasing the activity of hexokinase (1), phosphofructokinase (3), and pyruvate dehydrogenase (4). These actions are similar to those in liver; little or no gluconeogenesis occurs in muscle. Fourth, insulin promotes protein synthesis (5) and inhibits protein breakdown (6). ↑Glykolyse ↑Proteinsynthese

Insulinwirkung auf Adipozyten ↑Glukoseaufnahme ↑GLUT4 ↑Glykolyse ↑Fettsäuresynthese ↓Lipolyse ↑Triglyzeridsynthese durch Veresterung von Glyzerol und Fettsäuren Speicherung als Fettropfen Alles TG synthese und speicherung Effect of insulin on adipocytes. Insulin has four major effects on adipocytes. First, insulin promotes glucose uptake by recruiting GLUT4 transporters to the plasma membrane. Second, insulin promotes glycolysis, leading to the formation of α-glycerol phosphate. Insulin also promotes the conversion of pyruvate to fatty acids by stimulating pyruvate dehydrogenase (1) and acetyl CoA carboxylase (2). Third, insulin promotes the esterification of α-glycerol phosphate with fatty acids to form triglycerides, which the adipocyte stores in fat droplets. Conversely, insulin inhibits hormone-sensitive triglyceride lipase (3), which would otherwise break the triglycerides down into glycerol and fatty acids. Fourth, insulin promotes the synthesis of LPL in the adipocyte. The adipocyte then exports this enzyme to the endothelial cell, where it breaks down the triglycerides contained in chylomicrons and VLDL, thus yielding fatty acids. These fatty acids then enter the adipocyte for esterification and storage in fat droplets as triglycerides. ↑ Lipoproteinlipase (Fs aus VLDL und Chylomikronen)

Wirkungen von Insulin Kohlehydrate: • ↑Glukoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen • Aktivierung der Glykogensynthase →Glykogenspeicherung • ↓Glykogenabbau • ↓Glukoneogenese   Fette: • ↑Fettsäureaufnahme in das Fettgewebe • ↑Triglyceridspeicherung im Fettgewebe • ↓Lipolyse Proteine: • ↑Aminosäureaufnahme im Muskel • ↑Proteinspeicherung im Muskel • ↓Proteolyse im Muskel

Insulin-Gegenspieler (erhöhen Blut-Glc Spiegel) Somatostatin (hemmt Ausschüttung von Glucagon UND Insulin) Cortisol Adrenalin Glucagon Somatotropin (GH) langfristig! (kurzfristig: Glc↓!)

Glucagon Bei normaler Ernährung bleibt die Sekretion von Glucagon im Vergleich zu der von Insulin relativ konstant Die Stimuli für eine erhöhte Ausschüttung sind hauptsächlich Hypoglykämie, proteinreiche Mahlzeiten, Infusion von Aminosäuren (z.B. Arginin, Alanin), länger dauernde starke körperliche Arbeit und Stress Bei Hypoglykämie kann die Glucagonsekretion auf das bis zu Vierfache gesteigert werden. Glucagon-Freisetzung wird von Insulin, Somatostatin und GLP-1 gehemmt Guanine nucleotide binding proteins

Glucagon A-Zellen des Pankreas Neuroendokrine Zellen des Darms Inkretine: ↑Insulin Sekretion Guanine nucleotide binding proteins

Glucagon ↑Glykogenolyse ↑Glukoneogenese ↑Ketogenese Guanine nucleotide binding proteins ↑Ketogenese

Wirkungsmechanismus: Glucagon/Adrenalin Adenylylcyclase α-Untereinheit wird nvom Rezeptor freigesetzt und aktiviert eine Adenylylcyclase cAMP aktiviert eine Proteinkinase A Phosphorylierung einer Phosphorylase-Kinase Guanine nucleotide binding proteins Kinase aktiviert katalytisch eine Glycogenphosphorylase Abbau von Glykogen zu Glucose-1-phosphat

Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) Def: Stoffwechselerkrankung unterschiedlicher Ätiologie charakterisiert durch Hyperglykämie mit Störungen des Kohlehydrat-, Fett- und Protein-Stoffwechsels aufgrund einer Störung der Insulinsekretion, der Insulinwirkung oder beidem   WHO-Klassifikation Primärer Diabetes mellitus Typ I: Insulinabhängiger DM (10% d.F.) Junge Patienten, 2/3 vor 20. Lebensjahr Typ II: Nicht-Insulinabhängiger DM (90% d.F.) Ältere Patienten

Insulinmangel Kohlehydrate: • Hyperglykämie Fette: • ↑Lipolyse   Fette: • ↑Lipolyse • ↑Triglyceridsynthese in der Leber • ↑Bildung von VLDL, LDL • ↑Triglycerid und Cholesterintransport in die Peripherie →Entstehung von Arteriosklerose • ↑Bildung von Ketonkörpern →Blutazidose Proteine: • keine Hemmung der Proteolyse im Muskel → Freie Aminosäuren werden zur Glukoneogenese in der Leber verwendet → Hyperglykämie

Diabetes mellitus Typ I Symptome Gewichtsverlust innerhalb von Tagen/wenigen Wochen Polyurie (erhöhte Urinausscheidung) Polydipsie (ständiges Durstgefühl) Ursachen multifaktoriell genetische + Umweltfaktoren (selten monogenetisch)

Die Endeckung von Insulin - 1921

Die Endeckung von Insulin - 1921 Charles Best und Frederick Banting: Toronto

Labor von Banting und Best: Die Endeckung von Insulin

Leonard Thompson wurde als erster Patient mit Insulin behandelt vorher nachher

1922: Leonard Thompson 1922: Banting und Best injizieren einem 14 Jahre alten kachektischen (abgemagerten) Jungen 7.5 ml einer “viskösen, braunen, dreckigen“ Flüssigkeit:  Es entwickelten sich Abszesse und er wurde noch kranker  aber: der Blutzuckerspiegel fiel ab 6 Wochen später: Injektion eines neuen Extrakts: Der Blutzucker fiel innerhalb von 24h von 520 auf 120 mg/dl 13 Jahre später: Leonard Thomson verstirbt im Alter von 27 Jahren an einer Pneumonie

Nobelpreis für die Endeckung von Insulin - 1923 Banting und Mcleod: Nobelpreis Medizin/Physiologie 1923

Nobelpreis für die Endeckung von Insulin - 1923 1916 stellte er aus Inselzellen von Rinder-Bauchspeicheldrüsen ein wässriges Extrakt her Mit diesem "Pankrein", wie er es nannte, behandelte er gesunde und zuckerkranke Hunde und fasste seine Beobachtungen 1921 auf Französisch in einem renommierten Fachblatt zusammen Banting und Mcleod: Nobelpreis Medizin/Physiologie 1923

Die industrielle Herstellung von Rinderinsulin

Diabetes mellitus Typ II Symptome oft jahrelang keine fassbaren Symptome im Gegensatz zum Typ I Diabetes geht der Typ II Diabetes eher selten mit einer Gewichtsabnahme und nur bei massiv erhöhten Blutzuckerwerten mit vermehrtem Wasserlassen und Durstgefühl einher häufig bestehen zu Beginn unspezifische Symptome wie Müdigkeit, Schwäche, Sehstörungen und Infektneigung wie z. B. häufige Blasen-entzündungen Diagnose häufig erst nach Jahren durch Zufall gestellt Ursachen Übergewicht, Bewegungsmangel + genetische Faktoren (Insulinresistenz)

Chronische Komplikationen von Diabetes mellitus Schädigung der kleinen Blutgefäße (Mikroangiopathie): Durchblutungsstörungen der kleinen arteriellen Blutgefasse, wodurch versch. Organe geschädigt werden können: Augen (diabetische Retinopathie, Nieren (diabetische Nephropathie), periphere Nerven (Neuropathie) Schädigung der großen Blutgefäße (Makroangiopathie) Bildung von Ablagerungen und Verkalkungen in den Gefäßwänden: Durchblutungsstörungen, Gefäßwandversteifungen periphere arterielle Verschlusskrankheit (pAVK), Herzinfarkt, Schlaganfall 75.2 % Bluthochdruck 11.9% Diabetische Retinopathie 10.6% Neuropathie 9.1% Herzinfarkt 7.4% pAVK 4.7% Schlaganfall 3.3% Nephropathie (Niereninsuffizienz) 1.7% Diabetisches Fuß-Syndrom 0.8% Amputation 0.3% Erblindung  

Chronische Komplikationen von Diabetes mellitus

Chronische Komplikationen von Diabetes mellitus Ursachen des Diabetischen Fuß-Syndroms: Durchblutungsstörungen der Extremität und/oder vermindertes Schmerzempfinden