الانسولين

في حالة الفقاريات، نجد أن تسلسل الأحماض الأمينية للأنسولين محفوظٌ بشكلٍ جيدٍ للغاية. يختلف الإنسولين البقري عن الإنسان في ثلاثة رواسب أمينيةٍ فقط من الأحماض الأمينية، و يختلف الأنسولين في الخنازير بواحدة. بل حتى الأنسولين من بعض أنواع الأسماك يشبه الإنسولين البشري بما يكفي لأن يكون فعالا سريريا في البشر. الانسولين في بعض اللافقاريات مماثلٌ تماما في تسلسله للأنسولين البشري، و له تأثيراتٌ فسيولوجيةٌ مماثلة. و التماثل القوي الذي نراه في تسلسل الانسولين من الأنواع المختلفة يشير إلى أنه قد تم حفظه في كثيرٍ من التاريخ التطوري للحيوانات. و لكن مع ذلك، يختلف الببتيد "سي" من البرو-لإنسولين (و الذي تتم مناقشته لاحقا) بين الأنواع بشكلٍ أكبر من ذلك بكثير؛ هو هرمونٌ أيضا، و لكنه هرمونٌ ثانوي.

يتم إنتاج الانسولين و تخزينه في الجسم على شكلٍ سداسي (وحدةٌ من ستة جزيئات من الأنسولين)، بينما النموذج النشط هو الأحادي. الشكل السداسي هو الشكل غير النشط و استقراره طويل الأجل، و الذي هو بمثابة وسيلةً للحفاظ على الانسولين شديد التفاعل، و لكنه متاحٌ بسهولة. يعتبر التحويل بين الشكل السداسي و الأحادي هو واحدٌ من الجوانب الرئيسية للشكل الإنسوليني للحقن. و الشكل السداسي هو أكثر استقرارا بكثيرٍ من الشكل الأحادي، و هذا مرغوبٌ فيه لأسبابٍ عملية، و لكن الشكل الأحادي يتفاعل بشكلٍ أسرع بكثير لأن معدل انتشار الدواء يرتبط ارتباطا عكسيا بحجم الجسيمات. تعني الأدوية سريعة المفعول أن حقن الانسولين لا يجب أن تسبق ساعات تناول الطعام بساعات، و هذا بدوره يعطي مرضى السكري المزيد من المرونة في أعمالهم اليومية. ^[6] يمكن أن يتجمع الإنسولين و أن يكون أسطح بيتا ليفية المتشابكة. و يمكن أن يسبب هذا نشوانية الحقن، و أن يمنع تخزين الأنسولين لفتراتٍ طويلة.

التصنيع والآثار الفسيولوجية والتفكيك

التخليق

يتم إنتاج الإنسولين في البنكرياس وإفرازه عند حدوث أيٍ ٍمن عدة محفزات. وتشمل هذه الحوافز البروتينات و الغلوكوز في الدم الناتج عن هضم الطعام. يمكن أن تكون الكربوهيدرات على شكل بوليمرات من السكريات البسيطة أو أن تكون السكريات البسيطة نفسها. إذا شملت الكربوهيدرات الجلوكوز، فإن ذلك الجلوكوز سيتم أخذه إلى مجرى الدم، وسيبدأ مستوى السكر في الدم بالارتفاع. في الخلايا المستهدفة، يبدأ الانسولين بعملية نقل الإشارة، والذي سيؤدي إلى زيادة امتصاص الجلوكوز وتخزينه. وأخيرا، يتم تفكيك الانسولين، مما ينهي حالة الاستجابة.

في الثدييات، يتم تصنيع الانسولين في البنكرياس داخل الخلايا بيتا (الخلايا ?) من جزر لانجرهانز. تكون حوالي مليون الى ثلاثة ملايين جزيرة لانجرهانز (الجزيرات البنكرياسية) جزءَ الغدة الصماء في البنكرياس، و الذي هو (أي البنكرياس) في المقام الأول من الغددالإفرازية. لا يمثل جزء الغدة الصماء سوى 2 ? من مجموع كتلة البنكرياس. و داخل جزر لانجرهانز، تمثل الخلايا بيتا نحو 60-80 ? من جميع الخلايا.

في خلايا البيتا، يتم تصنيع الإنسولين من جزيء البرو-إنسولين السليفي، عن طريق عمل إنزيمات البروتينية، المعروفة باسم محولات سليفات الهرمونات (PC1 و PC2)، فضلا عن الإنزيم البروتيني الخارجي كاربوكسي بيبتيديز. ^[8] هذه التعديلات على جزيء البرو-إنسولين يزيل الجزء المركزي في الجزيء (أي الببتيد سي)، من النهايات الطرفية "سي" و "إن". و البروتينيات المتبقية (ما مجموعه 51 من الأحماض الأمينية)، و هما السلستان ألف و باء، يتم ضمهما إلى بعضٍ عن طريق الربطات الثنائي كبريتيدية. ترتيب التسلسل الأولي للبرو-إنسولين هو "بي. سي. إيه"، لأن السلسلتان أ و ب تم تعريفهما على أساس الوزن، و تم اكتشاف السلسلة سي بعدهما.

يتم تنظيم الإنتاج المحلي للأنسولين في العديد من الخطوات على طول المسار التصنيعي:

• في النسخ من جينات الأنسولين
• في استقرار الحمض النووي الريبوزي الرسالي (mRNA)
• في ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسالي
• في التعديل بعد الترجمة الحمضية

تبين أن الأنسولين والبروتينات ذات الصلة يتم إنتاجهم داخل المخ، و أن المستويات المنخفضة من هذا البروتينات مرتبطٌ بمرض الزهايمر. 

الإفراز

تقوم الخلايا بيتا في جزر لانجرهانز بإفراز الإنسولين على مرحلتين. المرحلة الأولى من إفراز الإنسولين تحدث بسرعةٍ نتيجةً للتحفيز من زيادة مستويات السكر في الدم. أما المرحلة الثانية فهي مستقرة و بطيئة، و هي عبارةٌ عن الإفراز البطيء للحويصلات التي تشكلت حديثا، و التي يتم تحفيزها بشكلٍ منفصلٍ عن السكر. و وصف الإفراز في المرحلة الأولى على النحو التالي:

• يدخل الجلوكوز إلى الخلايا بيتا من خلال ناقل الجلوكوز GLUT2
• يحدث تحلُلٌ للجلوكوز، ثم يدخل إلى دورة التنفس الخلوي والتي يتم فيها إنتاج عدة جزيئات "الأدينوزين ثلاثي الفوسفات" (ATP) عالي الطاقة والتي تنتجها الأكسدة
• اعتمادا على مستويات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات وبالتالي اعتمادا على مستويات السكر في الدم، تقوم قنوات البوتاسيوم المحكومة بالأدينوزين ثلاثي الفوسفات بالإغلاق مما يزيل الاستقطاب في غشاء الخلية
• عند الاستقطاب، تفتح قنوات الكالسيوم المحكومة بالجهد، ويتدفق الكالسيوم إلى داخل الخلايا
• تؤدي زيادة مستوى الكالسيوم إلى تفعيل الإنزيم الفوسفولايبيز "سي"، و الذي يقوم بإجراء التفاعل التالي: و هو تحويل "phospholipid phosphatidyl inositol 4,5-bisphosphate" إلى "inositol 1,4,5-triphosphate" و "diacylglycerol".
• يرتبط الإينوزيتول إلى بروتينات المستقبلات على غشاء "الشبكة الداخل خلوية." و هذا يسمح بإفراز الكالسيوم من "الشبكة الداخل خلوية" عن طريق بوابات "IP3"، مما سيرفع من مستويات الكالسيوم في الدم أكثر.
• الزيادة الكبيرة في كميات الكالسيوم في الخلايا يؤدي إلى إفراز الإنسولين السابق تصنيعه، و الذي كان مخزونا في الحويصلات الإفرازية.

هذه هي الآلية الرئيسية لإفراز الانسولين. بالإضافة إلى ذلك، يحدث بعض الإفراز للانسولين عند تناول الطعام، و ليس فقط تناول الجلوكوز و الكاربوهيدرات، و تتأثر الخلايا بيتا إلى حدٍ ما أيضا بالجهاز العصبي اللا إرادي. و لكن آليات السيطرة على هذه الروابط ليست مفهومةً تماما.

تشمل المواد الأخرى المعروف تحفيزها لإفراز الأنسولين الأحماض الأمينية من البروتينات المبلوعة، و كولين الأسيتيل، و الذي يتم إفرازه من قبل النهايات العصبية للعصب الحائر (الجهاز العصبي نظير الودي)، و الخلايا الغددية المعوية لمخاطية الأمعاء. يتفاعل ثلاثةٌ من الأحماض الأمينية (الألانين، و الجلايسين و الأرجينين) بطريقةٍ مماثلةٍ للجلوكوز، عن طريق تغيير فرق الجهد الغشائي على الخلايا بيتا. يقوم كولين الأسيتيل بتحفيز إفراز الانسولين عن طريق الانزيم "فوسفوليبيز "سي"، و يعمل هذا الانزيم عن طريق الانزيم الأدينيليت سايكليز.

الجهاز العصبي المتعاطف (عبر التحفيز الأدرينيرجي عن طريق مستقبلات ألفا ₂ - و الذي يحدث في حالة الكلونيدين أو الميثيل) يَحولُ دون افراز الانسولين. و مع ذلك، من الجدير بالذكر أن الأدرينالين في الدم يقوم بتنشيط المستقبلات بيتا ₂ على الخلايا بيتا في جزر البنكرياس لتعزيز إفراز الأنسولين. وهذا أمرٌ مهمٌ لأن العضلات لا يمكن ان تستفيد من ارتفاع نسبة السكر في الدم الناتج عن تحفيز هرمون التوتر (زيادة تصنيع الجلوكوز المبدئي و تحلل الغليكوجين نتيجةً لانخفاض نسبة الانسولين في الدم: وضعية الجلوجاكون) ما لم يكن الانسولين موجودا للسماح بنقل المستقبلات "GLUT4" في الأنسجة. و لذلك، يبدأ البافراز تثبيط افراز الانسولين عن طريق المستقبلات ألفا ₂ -، ثم في وقتٍ لاحق، يقوم الأدرينالين في الدم الآتي من النخاع الكظري بتحفيز مستقبلات بيتا ₂، و بالتالي تعزيز إفراز الأنسولين.

عندما يهبط مستوى الغلوكوز إلى القيمة الفسيولوجية المعتادة، يتباطأ إفراز الانسولين من الخلايا بيتا أو يتوقف. و إذا انخفض مستوى السكر في الدم أقل من هذا، و بالذات إذا كان منخفضا إلى مستوياتٍ خطيرة، يبدأ إفراز الهرمونات الرافعة لمستوى الجلوكوز (و أبرزها الجلوجاكون من الجزر البنكرياسية- الخلايا ألفا)، و هذه الهرمونات تُجبرُ إفراز جلوكوز إلى الدم من المخازن الخلوية، و أولها مخازن الجليكوجين في الخلايا الكبدية. فتقوم هذه الهرمونات بمنع أو تصحيح هذه الحالة المهدد للحياة عن طريق زيادة الجلوكوز في الدم. يتم تثبيط افراز الانسولين بقوةٍ من قبل هرمون البافراز أو هرمون التوتر (النورادرينالين)، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة مستويات السكر في الدم أثناء الإجهاد.

يمكن العثور على دليلٍ على ضعف المرحلة الأولى من افراز الأنسولين في اختبار تحمل الغلوكوز، و يتجلى ذلك بوجود ارتفاع مستوى السكر في الدم بشكلٍ كبيرٍ خلال 30 دقيقة، و انخفاضه الملحوظ بعد 60 دقيقة، و ارتفاعه المطرد لمستويات خط الأساس خلال الساعات القادمة.

التذبذبات

حتى أثناء عملية الهضم، و عموما مدة ساعةٍ أو ساعتين بعد تناول وجبةٍ ما، لا يعتبر إفراز الانسولين من البنكرياس متواصلا، و لكنه يتأرجح حول مدة 3-6 دقائق، و يتغير بين توليد تركيز الأنسولين في الدم أكثر من حوالي 800 ع مول / لتر إلى أقل من 100 pmol / لتر. ^[12] و هذا لتجنب الضبط التخفيضي لمستقبلات الانسولينفي الخلايا المستهدفة، و لمساعدة الكبد في استخراج الأنسولين من الدم. ^[12] هذا التذبذب مهم عند العلاج بالأدوية المحفزة للانسولين، نظرا لأن تأرجح تركيز الانسولين في الدم هو الذي ينبغي تحقيقه من الناحية المثالية، و ليس التركيز العالي المستمر. ^[12] و من المهم أيضا أن ننظر في ذلك أن كل أساليب استبدال الأنسولين لا يمكن أبدا أن تأمل في تكرار إنجاز هذه الآلية على وجه التحديد. يمكن تحقيق هذه الآلية من خلال توفير الانسولين بشكلٍ إيقاعيٍ إلى الوريد البابي أو عن طريق زرع خلاياالبنكرياس في الكبد. ^[12] تأمل مضخات الأنسولين في المستقبل التصدي لهذه الخاصية. (انظر أيضا الأنسولين النبضي).

توصيل الإشارة

هناك بروتينات نقلٍ خاصة في غشاء الخلايا يمكن للجلوكوز العبور من خلالها إلى الخلية. وهذه الناقلات هي تحت تحكم الانسولين في الجسم في بعض أنواع الخلايا (كخلايا العضلات). انخفاض مستويات الانسولين في الدورة الدموية، أو عدم وجوده، سوف يمنع من دخول الجلوكوز إلى تلك الخلايا (على سبيل المثال، في داء السكري النوع 1). ومع ذلك، فإن الأكثر شيوعا هو وجود نقصٍ في حساسية الخلايا للانسولين (على سبيل المثال، خفض حساسية الانسولين المميزة لمرض السكري من النوع 2)، مما يؤدى إلى انخفاض امتصاص الجلوكوز. في كلتا الحالتين، هناك مجاعةٌ خلوية ، و فقدانٌ للوزن. في حالات قليلة، هناك عيبٌ في الإفراج عن الانسولين من البنكرياس. في كلتا الحالتين، يعتبر التأثير هو نفسه: ارتفاع مستويات السكر في الدم.

تنشيط مستقبلات الانسولين يؤدي إلى الآليات الخلوية الداخلية التي تؤثر مباشرةً على امتصاص الجلوكوز من خلال تنظيم و تشغيل عددٍ من الجزيئات البروتينية في غشاء الخلية التي تنقل الجلوكوز داخل الخلية. هذه الجينات التي تحدد البروتينات التي تشكل المستقبلات للانسولين في أغشية الخلايا، تم تحديدها، وتم تحديد أجزائها الخارج غشائية و الداخل غشائية.

يتأثر نوعان من الأنسجة تأثرا شديدا بالانسولين: خلايا العضلات و الخلايا الدهنية. النوع السابق مهمٌ لما له من دورٍ مركزي في الحركة والتنفس والدورة الدموية، الخ، و هذا الأخير مهمٌ لأنه يراكم فائض الغذاء لتلبية احتياجاتالطاقة في المستقبل. ومعا، فإنهما يشكلان حوالي ثلثي جميع الخلايا في جسم الإنسان النموذجي.

الآثار الفسيولوجية

• باعتبارها دواء

  يتم إنتاج الانسولين الحيوي "البشري" الآن للاستخدام السريري الواسع، و ذلك عن طريق تقنيات الهندسة الوراثية تقنيات الحمض النووي. وفي الآونة الأخيرة، نجح الباحثون في إدخال جينات الانسولين البشري في النباتات و في انتاج الانسولين من النباتات، وعلى وجه التحديد نبات القرطم ^[15] [16] ومن المتوقع أن هذا الأسلوب سوف يقلل من تكاليف الإنتاج.

  العديد من هذه الإصدارات المعدلة بشكلٍ طفيف من الأنسولين البشري قد صممت لاستيعاب مختلف أنواع أو مدد خصائص العمل. و عادة ما يشار إليها باسم بدائل الأنسولين . على سبيل المثال، كان أول بديل متاح، lispro، ليس لديه تأخير امتصاصي الموجود في الانسولين الاعتيادي، وبدأ في إبداء مفعوله في غضون 15 ددقيقة. فجزيء الانسولين في هذه الحالة أحادي الشكل ولذلك فهو أسرع امتصاصا. لذلك، لإإن استخدامه لا سحتاج إلى التخطيط المسبق كما في حالة الأنواع الأخرى من الانسولين، و التي تبدأ في العمل بعد ساعاتٍ كثيرةٍ من العلاج. و هناك نوعٌ آخر وهو الممتد الافراز، والذي بدأ بالانسولين "جلارجين". وهذه لها تأثير مطردٌ خلال فترة النشاط، دون الذروة و الهبوط كما في الأنسولينات الأخرى؛ عادة، فإنها لا يزال تأثيرها موجودا بعد 18 إلى 24 ساعة. يستند بديلٌ آخر اسمه ليفيمير على طريقة "أسيلة الأحماض الدهنية". يتم دمج أحد الأحماض الدهنية (حمض الميريستيريك) بهذا البديل، والذي يربط بدوره جزيء الانسولين بالزلال في الدم، مما يطيل من فترة العمل، ويقلل خطر نقص السكر في الدم. لا يجب أن يؤخذ هذين النوعين إلا مرةً واحدةً يوميا، وغالبا ما يستخدم كثيرا في السكري من النوع الثاني، باعتباره الانسولين القاعدي. هناك تركيبة مزيجية من الانسولين سريع المفعول وسريع الانقضاء، مما يسمح للمرضى بعلاجٍ يحاكي الافراز الطبيعي للجسم.

  على عكس العديد من الأدوية، فإن الأنسولين في الوقت الراهن لا يمكن أن يؤخذ عن طريق الفم. فمثل ما يقرب من جميع البروتينات الأخرى التي يتم إدخالها إلى الجهاز الهضمي، يتم تفكيك الإنسولين إلى شظايا (من الأحماض الأمينية المفردة)، و عندها نفقد جميع نشاط الإنسولين . كان هناك بعض البحوث على طرق حماية الأنسولين من الجهاز الهضمي، حتى يمكن إعطائه عن طريق الفم أو تحت اللسان. بينما هي إلى الآن تجريبية، قدمت العديد من الشركات صياغات مختلفة في التجارب السريرية للإنسان.

  
  يتم أخذ الانسولين عادةً عن طريق الحقن تحت الجلد باستخدام حقنة الاستخدام الواحد، أو مضخة الأنسولين، أو عن طريق استخدام أقلا الانسولين المتكرر.

  
  

•