Insulin

Insulin ist ein Hormon, das in den Betazellen der Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse produziert wird. Nach diesen Inseln hat das Insulin übrigens auch seinen Namen.

Funktion

Insulin aktiviert den Glucosetransporter GLUT4, der in den Membranen von Zellen der Skelett- und Herzmuskeln sowie von Zellen des Fettgewebes vorkommt. Einzelheiten siehe GLUT4. In die Zellen der Leber wird Glucose Insulin-unabhängig aufgenommen.

Durch die Insulin-induzierte Glucose-Aufnahme in oben genannte Zellen sinkt die Glucosekonzentration im Blut, der sogenannte Blutzuckerspiegel. Zusammen mit seinem Gegenspieler, dem Hormon Glucagon, reguliert Insulin den Blutzuckerspiegel.

Bei Insulinmangel oder Unwirksamkeit des Insulins entsteht das Krankheitsbild der Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus). Zuckerkranke müssen das Hormon Insulin regelmäßig spritzen, z.B. vor jeder Mahlzeit, damit die Glucosekonzentration des Blutes einen bestimmten Wert nicht übersteigt.

Synthese

Chemisch gesehen ist Insulin ein Peptid, es besteht aus zwei kurzen Ketten (A-Kette 21 Aminosäuren, B-Kette 30 Aminosäuren), die über zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden sind.

Bei der Biosynthese in menschlichen Beta-Zellen wird an den Ribosomen zunächst ein Präproinsulin synthetisiert, das aus 107 Aminosäuren besteht. Das Präproinsulin besteht aus drei Abschnitten A, B und C sowie einem Signalpeptid ganz am Anfang. Diese Insulin-Vorstufe gelangt mit Hilfe dieses Signalpeptids direkt von den Ribosomen in das endoplasmatische Reticulum.

Im endoplasmatischen Reticulum wird dann das Signalpeptid vom Präproinsulin abgespalten, es entsteht das etwas kürzere Proinsulin. Das Proinsulin wird gefaltet, zwischen der A-Kette und der B-Kette bilden sich zwei Disulfidbrücken.

Das Proinsulin wird vom ER zusammen mit einer spezifischen Protease in Vesikel verpackt und gelangt dann zur cis-Seite des Golgi-Apparates.

Im Golgi-Apparat wird dieses pro-Insulin dann durch die Protease in drei Einzelketten A, B und C gespalten. Die A-Kette und die B-Kette sind über die beiden Disulfidbrücken miteinander verbunden, die C-Kette bleibt übrig.

Insgesamt drei Enzyme sind an diesen Umbauschritt beteiligt, die Prohormon-Convertasen PC1 und PC2 sowie die Carboxypeptidase-H ^[2]. Noch im Golgi-Apparat bilden sich aus den fertigen Insulin-Molekülen kleine Kristalle, die dann in Golgi-Vesikeln gespeichert werden.

Sekretion

Die Sekretion von Insulin wird durch Glucose angeregt. Einzelheiten siehe Text.

Dieses von mir erstellte Schema zeigt, wie Glucose die Sekretion von Insulin in den beta-Zellen der Langerhans-Inseln anregt. Angeregt wurde ich zu dieser Zeichnung durch die Abbildung 15-7 in dem Buch von Lodish ^[2].

1. Glucose diffundiert durch den Glucose-Transporter GLUT2 in die beta-Zelle.
2. Glucose wird unter Gewinnung von ATP zu Pyruvat abgebaut (Glycolyse).
3. Das ATP hemmt bestimmte K⁺-Kanäle. 3a zeigt einen offenen K⁺-Kanal (a = auf), 3b einen geschlossenen K⁺-Kanal (z = zu).
4. Der gehemmte K⁺-Ausstrom hat eine Depolarisierung der Membran zur Folge. Genaue Daten hierzu liegen mir nicht vor. Im Lodish wird hier jedoch das Innere der Membran positiv, das Äußere negativ dargestellt, was ja schon wie ein Aktionspotenzial aussieht. Ich habe das in meiner Zeichnung einfach mal so übernommen. Im Lodish-Text ist allerdings nur von einer "small depolarisation" die Rede.
5. Die Depolarisierung der Membran führt dazu, dass sich spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle öffnen. 5a zeigt zwei offene Ca²⁺-Kanäle, 5z einen geschlossenen.
6. Die durch die Calcium-Diffusion erhöhte intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration führt zur Aktivierung der mit Insulin gefüllten Golgi-Vesikel, von denen bereits weiter oben die Rede war.
7. Die Golgi-Vesikel fusionieren mit der Zellmembran, das Insulin gelangt nach außen in die Blutbahn (Exocytose).

Neben Glucose können auch andere Nährstoffe zur Erhöhung des ATP-Spiegels in den beta-Zellen beitragen, zum Beispiel Aminosäuren ^[2].

1982 gelang es erstmals, menschliches Insulin durch gentechnisch veränderte Bakterien herstellen zu lassen. Weitere Einzelheiten zu diesem Thema siehe "Ein gentechnisches Verfahren" auf meiner Homepage.