İnsülin

İnsülin, disülfit köprüleriyle çapraz bağlanmış iki zincir içeren bir peptit hormonudur. ⓘ

İnsülin (/ˈɪn.sjʊ.lɪn/, Latince insula, 'ada'), insanlarda INS geni tarafından kodlanan pankreas adacıklarının beta hücreleri tarafından üretilen bir peptit hormonudur. Vücudun ana anabolik hormonu olarak kabul edilir. Glikozun kandan karaciğer, yağ ve iskelet kası hücrelerine emilimini teşvik ederek karbonhidrat, yağ ve protein metabolizmasını düzenler. Bu dokularda emilen glikoz, glikojenez yoluyla glikojene veya lipojenez yoluyla yağlara (trigliseritler) ya da karaciğer durumunda her ikisine dönüştürülür. Karaciğer tarafından glikoz üretimi ve salgılanması, kandaki yüksek insülin konsantrasyonları tarafından güçlü bir şekilde engellenir. Dolaşımdaki insülin aynı zamanda çok çeşitli dokulardaki protein sentezini de etkiler. Bu nedenle anabolik bir hormondur ve kandaki küçük moleküllerin hücreler içinde büyük moleküllere dönüşmesini teşvik eder. Kandaki düşük insülin seviyeleri, özellikle yedek vücut yağının yaygın katabolizmasını teşvik ederek ters etkiye sahiptir. ⓘ

Beta hücreleri kan şekeri seviyelerine duyarlıdır, böylece yüksek glikoz seviyelerine yanıt olarak kana insülin salgılarlar ve glikoz seviyeleri düşük olduğunda insülin salgılanmasını engellerler. İnsülin, hücrelerde glikoz alımını ve metabolizmasını artırarak kan şekeri seviyesini düşürür. Komşu alfa hücreleri, beta hücrelerinden aldıkları ipuçlarıyla, kana tam tersi şekilde glukagon salgılarlar: kan glukozu düşük olduğunda salgı artar ve glukoz konsantrasyonları yüksek olduğunda salgı azalır. Glukagon, karaciğerde glikojenoliz ve glukoneogenezi uyararak kan glukoz seviyesini artırır. İnsülin ve glukagonun kan glukoz konsantrasyonuna yanıt olarak kana salgılanması, glukoz homeostazının birincil mekanizmasıdır. ⓘ

İnsülin aktivitesinin azalması veya hiç olmaması, yüksek kan şekeri seviyesi (hiperglisemi) durumu olan diabetes mellitus ile sonuçlanır. Hastalığın iki türü vardır. Diabetes mellitus tip 1'de beta hücreleri otoimmün bir reaksiyonla yok edilir, böylece insülin artık sentezlenemez veya kana salgılanamaz. Diabetes mellitus tip 2'de beta hücrelerinin yıkımı tip 1'e göre daha az belirgindir ve otoimmün bir sürece bağlı değildir. Bunun yerine, pankreas adacıklarında muhtemelen anatomilerini ve fizyolojilerini bozan bir amiloid birikimi vardır. Tip 2 diyabetin patogenezi tam olarak anlaşılamamıştır ancak adacık beta hücrelerinin popülasyonunun azalması, hayatta kalan adacık beta hücrelerinin salgılama işlevinin azalması ve periferik doku insülin direncinin rol oynadığı bilinmektedir. Tip 2 diyabet, kan glukoz konsantrasyonundan etkilenmeyen ve buna yanıt vermeyen artmış glukagon salgısı ile karakterizedir. Ancak kan glikozuna yanıt olarak kana insülin salgılanmaya devam eder. Sonuç olarak kanda glikoz birikir. ⓘ

İnsan insülin proteini 51 amino asitten oluşur ve 5808 Da moleküler kütleye sahiptir. Disülfit bağları ile birbirine bağlanmış bir A zinciri ve bir B zincirinden oluşan bir heterodimerdir. İnsülinin yapısı hayvan türleri arasında biraz farklılık gösterir. Hayvansal kaynaklardan elde edilen insülin, bu farklılıklar nedeniyle etkinlik açısından (karbonhidrat metabolizması etkileri açısından) insan insülininden biraz farklıdır. Domuz insülini özellikle insan versiyonuna yakındır ve insan insülini rekombinant DNA teknolojileri ile büyük miktarlarda üretilmeden önce tip 1 diyabet hastalarını tedavi etmek için yaygın olarak kullanılmıştır. ⓘ

İnsülin keşfedilen ilk peptit hormonudur. Toronto Üniversitesi'nde J. J. R. Macleod'un laboratuvarında çalışan Frederick Banting ve Charles Herbert Best, 1921 yılında köpek pankreasından insülini izole eden ilk kişiler olmuştur. Frederick Sanger 1951'de amino asit yapısını diziledi ve bu da insülini tamamen dizilen ilk protein haline getirdi. İnsülinin katı haldeki kristal yapısı 1969 yılında Dorothy Hodgkin tarafından belirlenmiştir. İnsülin aynı zamanda kimyasal olarak sentezlenen ve DNA rekombinant teknolojisi ile üretilen ilk proteindir. Temel bir sağlık sisteminde ihtiyaç duyulan en önemli ilaçlar olan DSÖ Temel İlaçlar Model Listesi'nde yer almaktadır. ⓘ

İnsülinin yapısı
Kırmızı: karbon; yeşil: oksijen; mavi: azot; pembe: kükürt. Mavi/pembe şeritler iskeleti simgeliyor. ⓘ

İnsülin, moleküler ağırlığı 5,8 kilodalton (kDa) olan, polipeptit yapılı ve vücuttaki karbonhidrat özüştürmesinin düzenlenmesinde glukagon ile birlikte rol alan bir hormondur. Kan şekerini düşürücü etki yapar. Pankreasın hormonal salgı birimleri olan Langerhans adacıklarından salgılanan insülinin adı da Latince'de "ada" anlamına gelen "insula" sözcüğünden türetilmiştir. ⓘ

İnsülinin, karbonhidrat özüştürmesinin birincil dengeleyicisi olmanın yanında, karbonhidrat metabolizması ile ilişki içinde bulunan yağ ve protein metabolizmaları üzerinde de önemi vardır ve kandaki insülin derişimi değişikliklerinin tüm bedende yaygın etkileri bulunur. Bu hormonun tam yokluğu, şeker hastalığının 1. tipine (yüksek şeker); görece azlığı ya da insüline karşı direnç ya da her ikisinin birlikte olması ise 2. tip şeker hastalığına (yüksek şeker-hiperglisemi) yol açar. Bu doğrultuda, endüstriyel olarak üretilmiş olan insülin, tip-1 şeker hastalığında ve başka ilaçların yetersiz kaldığı tip-2 şeker hastalığı vakalarında ilaç olarak kullanılır. ⓘ

Evrim ve tür dağılımı

İnsülin bir milyar yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıkmış olabilir. İnsülinin moleküler kökenleri en azından en basit tek hücreli ökaryotlara kadar uzanmaktadır. Hayvanlar dışında, insülin benzeri proteinlerin Fungi ve Protista alemlerinde de var olduğu bilinmektedir. ⓘ

İnsülin, omurgalıların çoğunda pankreas adacıklarının beta hücreleri ve bazı teleost balıklarda Brockmann cisimciği tarafından üretilir. Küçük balıkları avlayan zehirli deniz salyangozları Conus geographus ve Conus tulipa, zehir kokteyllerinde insülinin değiştirilmiş formlarını kullanır. Salyangozların doğal insülininden ziyade balıklarınkine daha yakın bir yapıya sahip olan insülin toksini, av balıklarının kan glikoz seviyelerini düşürerek onları yavaşlatır. ⓘ

Üretim

Yüksek kan şekeri üzerine insülin regülasyonu diyagramı ⓘ

İnsülin sadece memelilerde pankreas adacıklarının beta hücrelerinde ve bazı balıklarda Brockmann cisimciğinde üretilir. İnsan insülini, kromozom 11 üzerinde bulunan INS geninden üretilir. Kemirgenler iki işlevsel insülin genine sahiptir; biri çoğu memeli geninin homoloğu (Ins2), diğeri ise promotör dizisi içeren ancak bir intron (Ins1) eksik olan retropoze bir kopyadır. İnsülin geninin transkripsiyonu, yüksek kan glikozuna yanıt olarak artar. Bu öncelikle, genin transkripsiyon başlangıç bölgesinden önceki ~400 baz çiftindeki arttırıcı dizileri bağlayan transkripsiyon faktörleri tarafından kontrol edilir. ⓘ

İnsülin salgılanmasını etkileyen başlıca transkripsiyon faktörleri PDX1, NeuroD1 ve MafA'dır. ⓘ

Düşük glikoz durumu sırasında, PDX1 (pankreatik ve duodenal homeobox protein 1), HDAC1 ve 2 ile etkileşimin bir sonucu olarak nükleer periferde bulunur ve bu da insülin sekresyonunun aşağı regülasyonuna neden olur. Kan glukoz seviyelerindeki bir artış PDX1'in fosforilasyonuna neden olur, bu da nükleer translokasyona uğramasına ve insülin promotörü içindeki A3 elementine bağlanmasına yol açar. Translokasyonun ardından HAT p300 ve SETD7 koaktivatörleri ile etkileşime girer. PDX1, metilasyonun yanı sıra asetilasyon ve deasetilasyon yoluyla histon modifikasyonlarını etkiler. Ayrıca glukagonu baskıladığı da söylenmektedir. ⓘ

β2 olarak da bilinen NeuroD1, ekzositozda yer alan genlerin ekspresyonunu doğrudan indükleyerek pankreatik β hücrelerinde insülin ekzositozunu düzenler. Sitozolde lokalizedir, ancak yüksek glukoza yanıt olarak OGT tarafından glikozile edilir ve/veya ERK tarafından fosforile edilir, bu da çekirdeğe translokasyona neden olur. Çekirdekte β2, E47 ile heterodimerize olur, insülin promotörünün E1 elementine bağlanır ve β2'yi asetilleyen ko-aktivatör p300'ü işe alır. İnsülin geninin aktivasyonunda diğer transkripsiyon faktörleri ile de etkileşime girebilir. ⓘ

MafA düşük kan glukoz seviyelerinde proteazomlar tarafından parçalanır. Artan glikoz seviyeleri bilinmeyen bir proteini glikozile hale getirir. Bu protein bilinmeyen bir şekilde MafA için bir transkripsiyon faktörü olarak çalışır ve MafA hücre dışına taşınır. MafA daha sonra çekirdeğe geri taşınır ve burada insülin promotörünün C1 elemanına bağlanır. ⓘ

Bu transkripsiyon faktörleri sinerjik olarak ve karmaşık bir düzen içinde çalışır. Artan kan glukozu bir süre sonra bu proteinlerin bağlanma kapasitelerini yok edebilir ve dolayısıyla salgılanan insülin miktarını azaltarak diyabete neden olabilir. Azalan bağlanma aktivitelerine glukoz kaynaklı oksidatif stres aracılık edebilir ve antioksidanların glukotoksik pankreas β hücrelerinde azalan insülin salgılanmasını önlediği söylenmektedir. Stres sinyal molekülleri ve reaktif oksijen türleri, transkripsiyon faktörlerini bağlayan kofaktörlere ve transkripsiyon faktörlerinin kendisine müdahale ederek insülin genini inhibe eder. ⓘ

İnsan insülin geninin promoter bölgesindeki çeşitli düzenleyici diziler transkripsiyon faktörlerine bağlanır. Genel olarak, A kutuları Pdx1 faktörlerine, E kutuları NeuroD'ye, C kutuları MafA'ya ve cAMP yanıt elemanları CREB'ye bağlanır. Transkripsiyonu inhibe eden susturucular da vardır. ⓘ

Sentez

İnsülin, üretim yolu boyunca kapsamlı posttranslasyonel modifikasyona uğrar. Üretim ve salgılama büyük ölçüde bağımsızdır; hazırlanan insülin salgılanmayı beklerken depolanır. Hem C-peptid hem de olgun insülin biyolojik olarak aktiftir. Bu resimdeki hücre bileşenleri ve proteinler ölçekli değildir. ⓘ

İnsülin, "preproinsülin" adı verilen 110 amino asit uzunluğunda bir protein olan inaktif bir öncü molekül olarak sentezlenir. Preproinsülin doğrudan kaba endoplazmik retikuluma (RER) çevrilir ve burada sinyal peptidi sinyal peptidaz tarafından uzaklaştırılarak "proinsülin" oluşturulur. Proinsülin katlanırken, proteinin "A zinciri" ve "B zinciri" olarak adlandırılan zıt uçları üç disülfit bağı ile birbirine kaynaşır. Katlanmış proinsülin daha sonra Golgi aparatından geçer ve özel salgı veziküllerine paketlenir. Granülde proinsülin, proprotein konvertaz 1/3 ve proprotein konvertaz 2 tarafından parçalanarak proteinin "C-peptid" adı verilen orta kısmı çıkarılır. Son olarak, karboksipeptidaz E, proteinin uçlarından iki çift amino asidi çıkararak aktif insülin ile sonuçlanır - insülin A ve B zincirleri, şimdi iki disülfit bağı ile bağlanmıştır. ⓘ

Ortaya çıkan olgun insülin, metabolik sinyalleri (lösin, arginin, glukoz ve mannoz gibi) ve vagal sinir uyarımını bekleyen olgun granüllerin içinde paketlenerek hücreden dolaşıma atılır. ⓘ

İnsülin ve ilgili proteinlerin beynin içinde üretildiği gösterilmiştir ve bu proteinlerin seviyelerinin azalması Alzheimer hastalığı ile bağlantılıdır. ⓘ

İnsülin salınımı beta-2 reseptör stimülasyonu ile de uyarılır ve alfa-1 reseptör stimülasyonu ile inhibe edilir. Ayrıca kortizol, glukagon ve büyüme hormonu stres zamanlarında insülinin etkilerini antagonize eder. İnsülin ayrıca yağ dokusunda hormona duyarlı lipaz tarafından yağ asidi salınımını da engeller. ⓘ

Yapı

İnsülinin yapısı. Sol taraf, biyolojik olarak aktif olduğuna inanılan insülin monomerinin alanı dolduran bir modelidir. Karbon yeşil, hidrojen beyaz, oksijen kırmızı ve nitrojen mavidir. Sağ tarafta, depolanmış form olduğuna inanılan insülin hekzamerinin bir şerit diyagramı yer almaktadır. Bir monomer birimi, A zinciri mavi ve B zinciri camgöbeği ile vurgulanmıştır. Sarı renk disülfit bağlarını, macenta küreler ise çinko iyonlarını göstermektedir. ⓘ

Hormonların genellikle küçük kimyasal moleküller olacağına dair başlangıçtaki inancın aksine, yapısı bilinen ilk peptit hormon olan insülinin oldukça büyük olduğu görülmüştür. İnsan insülininin tek bir proteini (monomer) 51 amino asitten oluşur ve 5808 Da moleküler kütleye sahiptir. İnsan insülininin moleküler formülü C₂₅₇H₃₈₃N₆₅O₇₇S₆'dır. İki disülfit bağı ile birbirine bağlanmış A zinciri ve B zinciri olarak adlandırılan iki peptit zincirinin (dimer) bir kombinasyonudur. A zinciri 21 amino asitten oluşurken, B zinciri 30 kalıntıdan oluşur. Bağlayıcı (zincirler arası) disülfit bağları A7-B7 ve A20-B19 pozisyonları arasındaki sistein kalıntılarında oluşur. A zinciri içinde A6 ve A11 pozisyonlarındaki sistein kalıntıları arasında ek bir (zincir içi) disülfit bağı vardır. A zinciri, A1-A8 ve A12-A19'da antiparalel olan iki α-helikal bölge sergilerken; B zinciri, her iki tarafta disülfit bağı ve iki β-sheet (B7-B10 ve B20-B23'ü kapsayan) ile çevrili merkezi bir α-sarmalına (B9-B19 kalıntılarını kapsayan) sahiptir. ⓘ

İnsülinin amino asit dizisi güçlü bir şekilde korunur ve türler arasında çok az değişiklik gösterir. Sığır insülini insandan sadece üç amino asit kalıntısı ve domuz insülini bir amino asit kalıntısı bakımından farklıdır. Bazı balık türlerinden elde edilen insülin bile insanlarda klinik olarak etkili olacak kadar insana benzer. Bazı omurgasızlardaki insülin, insan insülinine oldukça benzerdir ve benzer fizyolojik etkilere sahiptir. Çeşitli türlerin insülin diziliminde görülen güçlü homoloji, bunun hayvan evrim tarihinin büyük bir kısmında korunduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, proinsülinin C-peptidi türler arasında çok daha fazla farklılık gösterir; bu da bir hormondur, ancak ikincil bir hormondur. ⓘ

İnsülin vücutta bir hekzamer (altı insülin molekülünden oluşan bir birim) olarak üretilir ve depolanır, aktif form ise monomerdir. Heksamer yaklaşık 36000 Da büyüklüğündedir. Altı molekül, simetrik molekül oluşturmak üzere üç dimerik birim olarak birbirine bağlanır. Önemli bir özellik, simetri ekseninde üç su molekülü ve B10 pozisyonunda üç histidin kalıntısı ile çevrili çinko atomlarının (Zn²⁺) varlığıdır. ⓘ

Heksamer, uzun süreli stabiliteye sahip inaktif bir formdur ve yüksek reaktif insülini korumalı, ancak hazır halde tutmanın bir yolu olarak hizmet eder. Heksamer-monomer dönüşümü, enjeksiyonluk insülin formülasyonlarının merkezi yönlerinden biridir. Heksamer monomerden çok daha stabildir ve bu pratik nedenlerden dolayı arzu edilir; ancak monomer çok daha hızlı reaksiyona giren bir ilaçtır çünkü difüzyon hızı partikül boyutuyla ters orantılıdır. Hızlı reaksiyon gösteren bir ilaç, insülin enjeksiyonlarının yemek zamanlarından saatler önce yapılması gerekmediği anlamına gelir ve bu da diyabetli kişilere günlük programlarında daha fazla esneklik sağlar. İnsülin toplanabilir ve fibriller halinde iç içe geçmiş beta tabakaları oluşturabilir. Bu durum enjeksiyon amiloidozuna neden olabilir ve insülinin uzun süre depolanmasını engeller. ⓘ

Fonksiyon

Salgı

Langerhans adacıklarındaki beta hücreleri insülini iki aşamada salgılar. Birinci faz salınım, artan kan glikoz seviyelerine yanıt olarak hızla tetiklenir ve yaklaşık 10 dakika sürer. İkinci faz, şekerden bağımsız olarak tetiklenen ve 2-3 saat içinde zirve yapan, yeni oluşan veziküllerin sürekli ve yavaş salınımıdır. İnsülin salınımının iki aşaması, insülin granüllerinin farklı belirtilen popülasyonlarda veya "havuzlarda" bulunduğunu göstermektedir. İnsülin ekzositozunun ilk aşamasında, ekzositoza yatkın granüllerin çoğu kalsiyum internalizasyonundan sonra salınır. Bu havuz Kolayca Serbest Bırakılabilir Havuz (RRP) olarak bilinir. RRP granülleri toplam insülin içeren granül popülasyonunun %0,3-0,7'sini temsil eder ve plazma membranının hemen bitişiğinde bulunurlar. Ekzositozun ikinci fazı sırasında, insülin granüllerinin plazma membranına mobilizasyonu ve salınmaları için önceden bir hazırlık yapılması gerekir. Bu nedenle, insülin salınımının ikinci aşaması, granüllerin salınmaya hazır hale gelme hızına göre yönetilir. Bu havuz Rezerv Havuzu (RP) olarak bilinir. RP, RRP'den daha yavaş salınır (RRP: 18 granül/dak; RP: 6 granül/dak). Azalmış birinci faz insülin salınımı, tip 2 diyabetin başlangıcını öngören en erken tespit edilebilir beta hücre kusuru olabilir. Birinci faz salınımı ve insülin duyarlılığı diyabetin bağımsız öngörücüleridir. ⓘ

Birinci faz salınımının tanımı aşağıdaki gibidir:

• Glikoz, GLUT 2 glikoz taşıyıcıları aracılığıyla β hücrelerine girer. Düşük kan şekeri seviyelerinde β-hücrelerine çok az glikoz girer; yüksek kan şekeri konsantrasyonlarında ise bu hücrelere büyük miktarlarda glikoz girer.
• β-hücresine giren glukoz, diğer dokulardaki hekzokinazların (hekzokinaz I - III) bu üründen etkilendiği şekilde G-6-P tarafından inhibe edilmeyen glukokinaz (hekzokinaz IV) tarafından glukoz-6-fosfata (G-6-P) fosforile edilir. Bu da hücre içi G-6-P konsantrasyonunun kan şekeri konsantrasyonuyla orantılı kaldığı anlamına gelir.
• Glikoz-6-fosfat glikolitik yola ve ardından piruvat dehidrojenaz reaksiyonu yoluyla asetil CoA'nın (Krebs döngüsü substratı) oksidasyonu ile çok sayıda yüksek enerjili ATP molekülünün üretildiği Krebs döngüsüne girer ve hücre içinde ATP:ADP oranında bir artışa yol açar.
• Artan hücre içi ATP:ADP oranı ATP'ye duyarlı SUR1/Kir6.2 potasyum kanalını kapatır (bkz. sülfonilüre reseptörü). Bu da potasyum iyonlarının (K⁺) kolaylaştırılmış difüzyon yoluyla hücreyi terk etmesini engelleyerek hücre içi potasyum iyonlarının birikmesine yol açar. Sonuç olarak, hücrenin içi dışarıya göre daha az negatif hale gelir ve hücre yüzey membranının depolarizasyonuna yol açar.
• Depolarizasyonun ardından voltaj kapılı kalsiyum iyonu (Ca²⁺) kanalları açılır ve kalsiyum iyonlarının kolaylaştırılmış difüzyon yoluyla hücre içine hareket etmesine izin verir.
• Sitozolik kalsiyum iyonu konsantrasyonu, ryanodin reseptörlerinin aktivasyonu yoluyla hücre içi depolardan kalsiyum salınımı ile de artırılabilir.
• Beta hücrelerinin sitozolündeki kalsiyum iyonu konsantrasyonu ayrıca veya ek olarak, hücre dışı bir ligandın (hormon veya nörotransmitter) G proteinine bağlı bir membran reseptörüne bağlanmasından kaynaklanan fosfolipaz C'nin aktivasyonu yoluyla da artırılabilir. Fosfolipaz C, membran fosfolipidi olan fosfatidil inositol 4,5-bisfosfatı, inositol 1,4,5-trisfosfat ve diaçilgliserole ayırır. İnositol 1,4,5-trisfosfat (IP3) daha sonra endoplazmik retikulumun (ER) plazma membranındaki reseptör proteinlerine bağlanır. Bu, IP3 kapılı kanallar aracılığıyla ER'den Ca²⁺ iyonlarının salınmasına izin verir, bu da yüksek kan glukoz konsantrasyonunun etkilerinden bağımsız olarak sitozolik kalsiyum iyon konsantrasyonunu yükseltir. Pankreas adacıklarının parasempatik uyarımı, kana insülin salgılanmasını artırmak için bu yolla çalışır.
• Hücrelerin sitoplazmasında önemli ölçüde artan kalsiyum iyonu miktarı, hücre içi salgı veziküllerinde depolanmış olan önceden sentezlenmiş insülinin kana salınmasına neden olur. ⓘ

Bu, insülinin salınması için birincil mekanizmadır. İnsülin salınımını uyardığı bilinen diğer maddeler arasında arginin ve lösin amino asitleri, asetilkolinin parasempatik salınımı (fosfolipaz C yolu ile etki eder), sülfonilüre, kolesistokinin (CCK, yine fosfolipaz C yoluyla) ve glukagon benzeri peptid-1 (GLP-1) ve glukoza bağlı insülinotropik peptid (GIP) gibi gastrointestinal olarak türetilen inkretinler bulunur. ⓘ

İnsülin salınımı norepinefrin (noradrenalin) tarafından güçlü bir şekilde inhibe edilir ve bu da stres sırasında kan glikoz seviyelerinin artmasına neden olur. Sempatik sinir sistemi tarafından salınan katekolaminlerin beta hücreleri tarafından insülin salınımı üzerinde çelişkili etkileri olduğu görülmektedir, çünkü insülin salınımı α₂-adrenerjik reseptörler tarafından inhibe edilir ve β₂-adrenerjik reseptörler tarafından uyarılır. Sempatik sinirlerden gelen norepinefrin ve adrenal bezlerden gelen epinefrinin insülin salınımı üzerindeki net etkisi, α-adrenerjik reseptörlerin baskınlığı nedeniyle inhibisyondur. ⓘ

Glikoz seviyesi normal fizyolojik değere indiğinde, β-hücrelerinden insülin salınımı yavaşlar veya durur. Kan glikoz seviyesi bundan daha düşük, özellikle de tehlikeli derecede düşük seviyelere inerse, hiperglisemik hormonların salınımı (en belirgin olarak Langerhans adacığı alfa hücrelerinden glukagon) karaciğer glikojen depolarından kana glikoz salınımını zorlar, glikojen depoları tükenirse glukoneogenez ile desteklenir. Hiperglisemik hormonlar kan glikozunu artırarak yaşamı tehdit eden hipoglisemiyi önler veya düzeltir. ⓘ

Birinci faz insülin salınımının bozulduğuna dair kanıtlar glikoz tolerans testinde görülebilir; glikoz yükünün (75 veya 100 g glikoz) alınmasından 30 dakika sonra kan glikoz seviyesinin önemli ölçüde yükselmesi, sonraki 100 dakika boyunca yavaş bir düşüş izlemesi ve testin başlamasından iki saat sonra 120 mg/100 ml'nin üzerinde kalması ile gösterilir. Normal bir kişide kan glikoz seviyesi testin sonunda düzeltilir (ve hatta biraz daha fazla düzeltilebilir). İnsülin yükselmesi, kan glikozu artışına verilen bir 'ilk yanıttır', bu yanıt daha önce sadece gıda türüne özgü olduğu varsayılmasına rağmen kişiye ve doza özgüdür. ⓘ

Salınımlar

Pankreastan insülin salınımı 3-6 dakikalık bir periyotla salınır. ⓘ

Sindirim sırasında bile, genel olarak, bir yemekten bir veya iki saat sonra, pankreastan insülin salınımı sürekli değildir, ancak 3-6 dakikalık bir periyotla salınır ve yaklaşık 800 p mol / l'den daha yüksek bir kan insülin konsantrasyonu oluşturmaktan 100 pmol / l'den daha azına (sıçanlarda) değişir. Bunun hedef hücrelerdeki insülin reseptörlerinin aşağı regülasyonunu önlediği ve karaciğerin kandan insülin çıkarmasına yardımcı olduğu düşünülmektedir. İnsülin uyarıcı ilaçlar uygulanırken bu salınımın göz önünde bulundurulması önemlidir, çünkü ideal olarak elde edilmesi gereken, sabit bir yüksek konsantrasyon değil, salınan kan insülin konsantrasyonudur. Bu, insülinin ritmik olarak portal vene verilmesiyle, ışıkla aktive edilen dağıtımla veya karaciğere adacık hücresi transplantasyonuyla sağlanabilir. ⓘ

Kan insülin seviyesi

İdealize edilmiş diyagram, üç öğün içeren bir gün boyunca insanlarda kan şekeri (kırmızı) ve şeker düşürücü hormon insülinin (mavi) dalgalanmasını göstermektedir. Buna ek olarak, şeker açısından zengin bir öğünün nişasta açısından zengin bir öğüne karşı etkisi vurgulanmaktadır. ⓘ

Kan insülin seviyesi µIU/mL gibi uluslararası birimlerle veya 1 µIU/mL'nin 6,945 pmol/L'ye eşit olduğu pmol/L gibi molar konsantrasyonla ölçülebilir. Öğünler arasında tipik bir kan seviyesi 8-11 μIU/mL'dir (57-79 pmol/L). ⓘ

Sinyal iletimi

İnsülinin etkileri, hücre zarında bulunan bir reseptöre, insülin reseptörüne (IR) bağlanmasıyla başlatılır. Reseptör molekülü bir α- ve β alt birimleri içerir. İki molekül birleşerek homodimer olarak bilinen yapıyı oluşturur. İnsülin, homodimerin hücrelerin hücre dışı tarafına bakan α-alt birimlerine bağlanır. β alt birimleri, insülinin bağlanmasıyla tetiklenen tirozin kinaz enzim aktivitesine sahiptir. Bu aktivite, β alt birimlerinin otofosforilasyonunu ve ardından insülin reseptör substratları (IRS) olarak bilinen hücre içindeki proteinlerin fosforilasyonunu tetikler. IRS'nin fosforilasyonu, insülinin hücre içi etkilerine aracılık eden transkripsiyon faktörlerinin yanı sıra diğer kinazların aktivasyonuna yol açan bir sinyal iletim kaskadını aktive eder. ⓘ

GLUT4 glikoz taşıyıcılarının kas ve yağ hücrelerinin hücre zarlarına yerleştirilmesine ve karaciğer ve kas dokusunda glikojen sentezinin yanı sıra karaciğer, yağ ve emziren meme bezi dokusunda glikozun trigliseritlere dönüştürülmesine yol açan kaskad, IRS-1 tarafından fosfoinositol 3 kinazın (PI3K) aktivasyonu yoluyla çalışır. Bu enzim hücre zarındaki fosfatidilinositol 4,5-bisfosfat (PIP2) adlı bir fosfolipidi fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfata (PIP3) dönüştürür ve bu da protein kinaz B'yi (PKB) aktive eder. Aktive olan PKB, GLUT4 içeren endozomların hücre membranı ile füzyonunu kolaylaştırarak plazma membranındaki GLUT4 taşıyıcılarında artışa neden olur. PKB ayrıca glikojen sentaz kinazı (GSK) fosforile ederek bu enzimi inaktive eder. Bu, substratı olan glikojen sentazın (GS) fosforile edilemeyeceği ve defosforile ve dolayısıyla aktif kalacağı anlamına gelir. Aktif enzim olan glikojen sentaz (GS), glikozdan glikojen sentezinde hız sınırlayıcı adımı katalize eder. Benzer defosforilasyonlar, trigliserit üretebilen dokularda malonil-CoA yoluyla yağ sentezine yol açan glikoliz hızını kontrol eden enzimleri ve ayrıca karaciğerdeki glukoneogenez hızını kontrol eden enzimleri de etkiler. Bu son enzim defosforilasyonlarının genel etkisi, bu reaksiyonları gerçekleştirebilen dokularda glikozdan glikojen ve yağ sentezinin uyarılması ve karaciğer tarafından glikojenoliz ve glukoneogenez yoluyla glikoz üretiminin engellenmesidir. Trigliseritlerin yağ dokusu tarafından serbest yağ asitlerine ve gliserole parçalanması da engellenir. ⓘ

İnsülinin reseptörüne bağlanmasından kaynaklanan hücre içi sinyal üretildikten sonra, sinyalin sonlandırılması gerekir. Aşağıda bozulma bölümünde belirtildiği gibi, insüline bağlı reseptörün endositozu ve bozulması, sinyali sonlandırmak için ana mekanizmadır. Buna ek olarak, çeşitli sinyal yollarındaki tirozin kalıntılarının tirozin fosfatazlar tarafından defosforilasyonu ile de sinyal yolu sonlandırılır. Serin/Treonin kinazların da insülin aktivitesini azalttığı bilinmektedir. ⓘ

İnsülin-insülin reseptör kompleksinin yapısı X-ışını kristalografi teknikleri kullanılarak belirlenmiştir. ⓘ

Fizyolojik etkileri

İnsülinin glukoz alımı ve metabolizması üzerindeki etkisi. İnsülin, reseptörüne bağlanır (1) ve bu da birçok protein aktivasyon kademesini başlatır (2). Bunlar arasında Glut-4 taşıyıcısının plazma membranına translokasyonu ve glukoz akışı (3), glikojen sentezi (4), glikoliz (5) ve trigliserit sentezi (6) yer alır. ⓘ

İnsülin sinyal iletim yolu, insülinin insülin reseptör proteinlerine bağlanmasıyla başlar. İletim yolu tamamlandığında, GLUT-4 depolama vezikülleri hücresel membran ile bir olur. Sonuç olarak, GLUT-4 protein kanalları membrana gömülür ve glikozun hücre içine taşınmasına izin verir. ⓘ

İnsülinin küresel insan metabolizması düzeyindeki etkileri şunları içerir:

• Kas ve yağ dokusunda (vücut hücrelerinin yaklaşık üçte ikisi) en belirgin olarak glikoz olmak üzere belirli maddelerin hücresel alımının artması
• Amino asit alımının kontrolü yoluyla DNA replikasyonunun ve protein sentezinin artırılması
• Çok sayıda enzimin aktivitesinin değiştirilmesi. ⓘ

İnsülinin hücreler üzerindeki etkileri (dolaylı ve doğrudan) şunları içerir:

• Glikoz alımını uyarır - İnsülin, hücreler tarafından glikoz alımını indükleyerek kan glikoz konsantrasyonunu düşürür. Bu, insülinin kas ve yağ dokularının hücre zarlarında GLUT4 taşıyıcısının yerleşmesine neden olarak glikozun hücreye girmesine izin vermesiyle mümkündür.
• Artan yağ sentezi - insülin yağ hücrelerini trigliseritlere dönüştürülen kan glikozunu almaya zorlar; insülinin azalması bunun tersine neden olur.
• Yağ asitlerinin esterleşmesinin artması - yağ dokusunu yağ asitlerinden nötr yağlar (yani trigliseritler) yapmaya zorlar; insülinin azalması tersine neden olur.
• Azalmış lipoliz - yağ hücresi lipit depolarının kan yağ asitlerine ve gliserole dönüşümünde azalmaya zorlar; insülinin azalması tersine neden olur.
• İndüklenmiş glikojen sentezi - Glikoz seviyeleri yüksek olduğunda, insülin glikoza bir fosfat grubu ekleyen hekzokinaz enziminin aktivasyonu ile glikojen oluşumunu indükler, böylece hücreden çıkamayan bir molekül elde edilir. Aynı zamanda insülin, fosfat grubunu ortadan kaldıran glukoz-6-fosfataz enzimini de inhibe eder. Bu iki enzim glikojen oluşumu için kilit öneme sahiptir. Ayrıca insülin, glikojen sentezinden sorumlu olan fosfofruktokinaz ve glikojen sentaz enzimlerini aktive eder.
• Glukoneogenez ve glikojenolizde azalma - başta karaciğerde olmak üzere karbonhidrat olmayan substratlardan glikoz üretimini azaltır (karaciğere gelen endojen insülinin büyük çoğunluğu karaciğeri asla terk etmez); insülinin azalması karaciğerin çeşitli substratlardan glikoz üretmesine neden olur.
• Azalmış proteoliz - protein parçalanmasının azalması
• Azalmış otofaji - hasarlı organellerin parçalanma seviyesinde azalma. Postprandiyal seviyeler otofajiyi tamamen inhibe eder.
• Artmış amino asit alımı - hücreleri dolaşımdaki amino asitleri emmeye zorlar; insülinin azalması emilimi engeller.
• Arteriyel kas tonusu - arteriyel duvar kasını gevşemeye zorlayarak özellikle mikroarterlerde kan akışını artırır; insülinin azalması bu kasların kasılmasına izin vererek akışı azaltır.
• Midedeki parietal hücreler tarafından hidroklorik asit salgılanmasında artış.
• Potasyum alımının artması - glikojen (çok süngerimsi, "ıslak" bir madde olup hücre içi su içeriğini ve beraberindeki K⁺ iyonlarını artırır) sentezleyen hücreleri hücre dışı sıvılardan potasyum emmeye zorlar; insülin eksikliği emilimi engeller. İnsülinin hücresel potasyum alımını artırması kan plazmasındaki potasyum seviyelerini düşürür. Bu muhtemelen Na⁺/K⁺-ATPaz'ın iskelet kası hücrelerinin yüzeyine insülinle indüklenen translokasyonu yoluyla gerçekleşir.
• Renal sodyum atılımında azalma. ⓘ

İnsülin ayrıca vasküler uyum ve biliş gibi diğer vücut fonksiyonlarını da etkiler. İnsülin insan beynine girdiğinde, öğrenme ve hafızayı geliştirir ve özellikle sözel hafızaya fayda sağlar. İntranazal insülin uygulaması yoluyla beyin insülin sinyalizasyonunun artırılması, gıda alımına karşı akut termoregülatör ve glukoregülatör yanıtı da artırır, bu da merkezi sinir insülininin insan vücudundaki çok çeşitli homeostatik veya düzenleyici süreçlerin koordinasyonuna katkıda bulunduğunu gösterir. İnsülinin ayrıca hipotalamustan salgılanan gonadotropin salgılatıcı hormon üzerinde uyarıcı etkileri vardır, böylece doğurganlığı destekler. ⓘ

Bozulma

Bir insülin molekülü reseptöre kenetlendikten ve etkisini gösterdikten sonra, hücre dışı ortama geri salınabilir veya hücre tarafından parçalanabilir. İnsülinin temizlenmesi için iki temel bölge karaciğer ve böbrektir. Karaciğer insülinin çoğunu ilk geçiş sırasında temizlerken, böbrek sistemik dolaşımdaki insülinin çoğunu temizler. Parçalanma normalde insülin-reseptör kompleksinin endositozunu ve ardından insülin parçalayıcı enzimin etkisini içerir. Beta hücreleri tarafından endojen olarak üretilen bir insülin molekülünün, dolaşıma ilk salınımından sonra yaklaşık bir saat içinde parçalandığı tahmin edilmektedir (insülin yarı ömrü ~ 4-6 dakika). ⓘ

Endokannabinoid metabolizmasının düzenleyicisi

İnsülin, endokannabinoid (EC) metabolizmasının önemli bir düzenleyicisidir ve insülin tedavisinin hücre içi EC'leri, 2-araşidonoilgliserol (2-AG) ve anandamidi (AEA) azalttığı ve EC metabolizması enzimlerinde insüline duyarlı ekspresyon değişikliklerine karşılık geldiği gösterilmiştir. İnsüline dirençli adipositlerde, insülinle indüklenen enzim ekspresyonu kalıpları, yüksek EC sentezi ve azaltılmış EC yıkımı ile tutarlı bir şekilde bozulur. Bulgular, insüline dirençli adipositlerin EC metabolizmasını düzenlemede başarısız olduğunu ve insülin uyarımına yanıt olarak hücre içi EC seviyelerini düşürdüğünü, bu nedenle obez insüline dirençli bireylerin EC konsantrasyonlarının arttığını göstermektedir. Bu düzensizlik, aşırı viseral yağ birikimine ve abdominal yağ dokusundan adiponektin salınımının azalmasına ve ayrıca obezite ve tip 2 diyabet ile ilişkili çeşitli kardiyometabolik risk faktörlerinin başlamasına katkıda bulunur. ⓘ

Hipoglisemi

"Düşük kan şekeri" olarak da bilinen hipoglisemi, kan şekerinin normal seviyelerin altına düşmesidir. Bu durum sakarlık, konuşma güçlüğü, kafa karışıklığı, bilinç kaybı, nöbetler veya ölüm gibi çeşitli semptomlara yol açabilir. Açlık hissi, terleme, titreme ve halsizlik de görülebilir. Belirtiler tipik olarak hızlı bir şekilde ortaya çıkar. ⓘ

Hipogliseminin en yaygın nedeni insülin ve sülfonilüreler gibi şeker hastalığını tedavi etmek için kullanılan ilaçlardır. Normalden daha az yemek yiyen, normalden daha fazla egzersiz yapan veya alkol tüketen diyabet hastalarında risk daha yüksektir. Hipogliseminin diğer nedenleri arasında böbrek yetmezliği, insülinoma gibi bazı tümörler, karaciğer hastalığı, hipotiroidizm, açlık, doğuştan metabolizma hatası, şiddetli enfeksiyonlar, reaktif hipoglisemi ve alkol dahil bir dizi ilaç yer alır. Birkaç saat boyunca yemek yememiş sağlıklı bebeklerde düşük kan şekeri görülebilir. ⓘ

Hastalıklar ve sendromlar

İnsülin bozukluğunun patolojik olduğu çeşitli durumlar vardır:

• Diabetes mellitus - hiperglisemi ile karakterize tüm durumları ifade eden genel bir terimdir. Aşağıdaki tiplerde olabilir:
  • Tip 1 - pankreasta insülin üreten β-hücrelerinin otoimmün aracılı yıkımı, mutlak insülin eksikliği ile sonuçlanır
  • Tip 2 - β hücreleri tarafından yetersiz insülin üretimi veya insülin direnci ya da tam olarak anlaşılamayan nedenlerden dolayı her ikisi.
    • Diyet, hareketsiz yaşam tarzı, obezite, yaş ve metabolik sendrom ile korelasyon vardır. Nedensellik, fareler ve maymunlar da dahil olmak üzere çok sayıda model organizmada gösterilmiştir; daha da önemlisi, obez olmayan insanlar diyet, hareketsiz yaşam tarzı ve bilinmeyen risk faktörleri nedeniyle Tip 2 diyabete yakalanmaktadır, ancak bunun nedensel bir ilişki olmayabileceğini belirtmek önemlidir.
    • Belirli çevresel koşullar altında Tip 2 diyabet geliştirmeye genetik yatkınlık olması muhtemeldir
  • Diğer bozulmuş glukoz toleransı türleri (bkz. Diyabet)
• İnsülinoma - aşırı insülin veya reaktif hipoglisemi üreten beta hücrelerinin tümörü.
• Metabolik sendrom - ilk kez Gerald Reaven tarafından sendrom X olarak adlandırılan ve tam olarak anlaşılamayan bir durumdur. Sendromun tek bir tedavi edilebilir nedeni olup olmadığı ya da tip 2 diyabete yol açan vücut değişikliklerinin bir sonucu olup olmadığı net değildir. Yüksek kan basıncı, dislipidemi (kan kolesterol formlarında ve diğer kan lipidlerinde bozukluklar) ve artmış bel çevresi (en azından gelişmiş dünyanın çoğundaki popülasyonlarda) ile karakterizedir. Altta yatan temel neden, bazı dokularda (örn. kas, yağ) insülin tepkisi için azalmış bir kapasite olan tip 2 diyabetten önce gelen insülin direnci olabilir. Esansiyel hipertansiyon, obezite, tip 2 diyabet ve kardiyovasküler hastalık (KVH) gibi morbiditelerin gelişmesi yaygındır.
• Polikistik over sendromu - üreme çağındaki kadınlarda anovülasyon ve androjen fazlalığının genellikle hirsutizm olarak görüldüğü karmaşık bir sendromdur. Birçok PCOS vakasında insülin direnci mevcuttur. ⓘ

Tıbbi kullanımlar

İki insülin şişesi. Bunlara üreticiler tarafından Actrapid (solda) ve NovoRapid (sağda) ticari isimleri verilmiştir. ⓘ

Klinik kullanım için biyosentetik insan insülini (insülin insan rDNA, INN) rekombinant DNA teknolojisi ile üretilmektedir. Biyosentetik insan insülini, ekstraktif hayvan insülini ile karşılaştırıldığında daha yüksek saflığa sahiptir ve artan saflık antikor oluşumunu azaltır. Araştırmacılar, aspirde insülin üretmenin ("biyofarming") bir başka yöntemi olarak insan insülini genini bitkilere sokmayı başarmışlardır. Bu tekniğin üretim maliyetlerini düşürmesi beklenmektedir. ⓘ

İnsan insülininin çeşitli analogları mevcuttur. Bu insülin analogları, insan insülin yapısıyla yakından ilişkilidir ve hızlı etki (prandiyal insülinler) ve uzun etki (bazal insülinler) açısından glisemik kontrolün belirli yönleri için geliştirilmiştir. İlk biyosentetik insülin analoğu, yemek zamanında (prandiyal insülin) klinik kullanım için geliştirilmiştir, Humalog (insülin lispro), subkutan enjeksiyondan sonra normal insülinden daha hızlı emilir ve enjeksiyondan 15 dakika sonra etki gösterir. Diğer hızlı etkili analoglar, benzer profillere sahip NovoRapid ve Apidra'dır. Hepsi dimer ve hekzamer oluşumunu azaltacak amino asit dizilimleri nedeniyle hızla emilir (monomerik insülinler daha hızlı emilir). Hızlı etkili insülinler, daha önce insan insülini ve hayvan insülinleri için önerilen enjeksiyon-öğün aralığını gerektirmez. Diğer tip ise uzun etkili insülindir; bunların ilki Lantus'tur (insülin glargine). Bunlar 18 ila 24 saat arasında uzun bir süre boyunca sabit bir etkiye sahiptir. Benzer şekilde, bir başka uzun etkili insülin analoğu (Levemir) yağ asidi asilasyonu yaklaşımına dayanmaktadır. Bu analoğa, insülin molekülünü bol miktarda serum albüminiyle ilişkilendiren bir miristik asit molekülü eklenir, bu da etkiyi uzatır ve hipoglisemi riskini azaltır. Her iki uzun etkili analog da günde sadece bir kez alınmalıdır ve tip 1 diyabet hastaları için bazal insülin olarak kullanılır. Hızlı etkili ve uzun süreli insülinin bir kombinasyonu da mevcuttur, bu da hastaların vücudun kendi insülin salınımını taklit eden bir insülin profili elde etmesini daha olası hale getirir. İnsülin ayrıca monoklonal antikorlar, virüs aşıları ve gen terapisi ürünlerinin üretimi için CHO-s, HEK 293 veya Sf9 gibi birçok hücre hattında kullanılır. ⓘ

İnsülin genellikle tek kullanımlık iğneli şırıngalarla, insülin pompasıyla veya tek kullanımlık iğneli tekrarlanan kullanımlı insülin kalemleriyle subkutan enjeksiyonlar şeklinde alınır. İnhale insülin de ABD pazarında mevcuttur. ⓘ

Birçok ilacın aksine, insülin ağız yoluyla alınamaz çünkü gastrointestinal sisteme verilen neredeyse tüm diğer proteinler gibi parçalara ayrılır ve tüm aktivitesi kaybolur. İnsülini sindirim sisteminden korumanın yolları üzerine bazı araştırmalar yapılmıştır, böylece ağızdan veya dil altından uygulanabilir. ⓘ

Dünya Sağlık Örgütü 2021 yılında insülini temel ilaçlar listesine eklemiştir. ⓘ

Çalışmanın tarihçesi

Keşif

1869 yılında Berlin'de bir tıp öğrencisi olan Paul Langerhans, mikroskop altında pankreasın yapısını incelerken, pankreasın büyük bir kısmına dağılmış daha önce fark edilmemiş bazı doku kümeleri tespit etti. Daha sonra Langerhans adacıkları olarak bilinen "küçük hücre yığınlarının" işlevi başlangıçta bilinmiyordu, ancak Édouard Laguesse daha sonra bunların sindirimde düzenleyici bir rol oynayan salgılar üretebileceğini öne sürdü. Paul Langerhans'ın oğlu Archibald da bu düzenleyici rolün anlaşılmasına yardımcı oldu. ⓘ

1889'da doktor Oskar Minkowski, Joseph von Mering ile işbirliği içinde, sindirimdeki varsayılan rolünü test etmek için sağlıklı bir köpekten pankreası çıkardı. İdrarı test ettiklerinde şeker buldular ve ilk kez pankreas ile diyabet arasında bir ilişki kurdular. 1901 yılında Amerikalı doktor ve bilim adamı Eugene Lindsay Opie, pankreasın rolünü Langerhans adacıklarından izole ederek önemli bir adım daha attı: "Diabetes mellitus, pankreastaki bir lezyonun sonucu olarak Langerhans adacıklarının tahrip olmasıyla ortaya çıkar ve yalnızca bu organlar kısmen ya da tamamen tahrip olduğunda ortaya çıkar". ⓘ

Sonraki yirmi yıl boyunca araştırmacılar adacıkların salgılarını izole etmek için çeşitli girişimlerde bulundular. 1906 yılında George Ludwig Zuelzer köpekleri pankreas özütü ile tedavi ederek kısmi bir başarı elde etti, ancak çalışmalarına devam edemedi. 1911 ve 1912 yılları arasında Chicago Üniversitesi'nde E.L. Scott sulu pankreas özütlerini denedi ve "glikozüride hafif bir azalma" kaydetti, ancak müdürünü çalışmasının değeri konusunda ikna edemedi; çalışma durduruldu. Israel Kleiner 1915'te Rockefeller Üniversitesi'nde benzer etkiler gösterdi, ancak I. Dünya Savaşı çalışmalarını kesintiye uğrattı ve bir daha geri dönmedi. ⓘ

1916'da Nicolae Paulescu, diyabetik bir köpeğe enjekte edildiğinde kan şekeri seviyeleri üzerinde normalleştirici bir etkiye sahip olan sulu bir pankreas özütü geliştirdi. Birinci Dünya Savaşı nedeniyle deneylerine ara vermek zorunda kaldı ve 1921'de Bükreş'te yürüttüğü çalışmalar ve diyabetik bir köpek üzerinde yaptığı testler hakkında dört makale yazdı. Aynı yılın ilerleyen günlerinde "Besin Asimilasyonunda Pankreasın Rolü Üzerine Araştırma "yı yayınladı. ⓘ

"İnsülin" adı 1916 yılında Edward Albert Sharpey-Schafer tarafından pankreas Langerhans adacıkları (Latince insula adacık ya da ada anlamına gelir) tarafından üretilen ve glikoz metabolizmasını kontrol eden varsayımsal bir molekül için kullanıldı. Sharpey-Schafer'in haberi olmadan Jean de Meyer 1909 yılında aynı molekül için çok benzer bir kelime olan "insuline" kelimesini kullanmıştı. ⓘ

Ekstraksiyon ve saflaştırma

Ekim 1920'de Kanadalı Frederick Banting, Minkowski'nin başlangıçta üzerinde çalıştığı sindirim salgılarının adacık salgısını parçaladığı ve böylece başarılı bir şekilde çıkarılmasını imkansız hale getirdiği sonucuna vardı. Eğitimli bir cerrah olan Banting, pankreas kanalının tıkanmasının, Langerhans adacıklarını sağlam bırakırken pankreasın çoğunun körelmesine yol açacağını biliyordu. Pankreasın geri kalanının büyük bir kısmı yok olduktan sonra adacıklardan nispeten saf bir özüt elde edilebileceğini düşündü. Kendi kendine bir not yazdı: "Köpeğin pankreas kanallarını bağlayın. Asiniler dejenere olup adacıkları bırakana kadar köpekleri canlı tutun. Bunların iç salgısını izole etmeye ve glikozüriyi gidermeye çalışın." ⓘ

Charles Best ve Clark Noble yak. 1920 ⓘ

1921 baharında Banting, fikrini Toronto Üniversitesi'nde Fizyoloji Profesörü olan J.J.R. Macleod'a açıklamak üzere Toronto'ya gitti. Banting'in araştırma geçmişi olmadığı ve en son literatüre aşina olmadığı için Macleod başlangıçta şüpheyle yaklaştı, ancak Banting'in fikirlerini test etmesi için laboratuvar alanı sağlamayı kabul etti. Macleod ayrıca o yaz Banting'in laboratuvar asistanları olarak iki lisans öğrencisi ayarladı, ancak Banting'in sadece bir laboratuvar asistanına ihtiyacı vardı. Charles Best ve Clark Noble yazı tura attılar; Best yazı turayı kazandı ve ilk vardiyayı aldı. Bu Noble için talihsizlik oldu, çünkü Banting Best'i tüm yaz boyunca tuttu ve sonunda Nobel Ödülü parasının yarısını ve keşif için krediyi Best ile paylaştı. 30 Temmuz 1921'de Banting ve Best, kanala bağlı bir köpeğin adacıklarından başarılı bir şekilde bir özüt ("isleton") izole ettiler ve bunu diyabetik bir köpeğe enjekte ederek özütün 1 saat içinde kan şekerini %40 oranında düşürdüğünü buldular. ⓘ

Banting ve Best elde ettikleri sonuçları 1921 sonbaharında Toronto'ya dönen Macleod'a sundular, ancak Macleod deney tasarımındaki kusurlara dikkat çekti ve deneylerin daha fazla köpek ve daha iyi ekipmanla tekrarlanmasını önerdi. Banting ve Best'i daha iyi bir laboratuvara taşıdı ve Banting'e araştırma ödeneklerinden maaş ödemeye başladı. Birkaç hafta sonra, ikinci tur deneyler de başarılı oldu ve Macleod sonuçların Kasım ayında Toronto'da özel olarak yayınlanmasına yardımcı oldu. Köpeklere kanal bağlama ve insülin elde etmek için birkaç hafta bekleme gibi zaman alıcı görevler nedeniyle tıkanan Banting, henüz sindirim bezleri gelişmemiş olan fetal buzağı pankreasından insülin elde etme fikrini ortaya attı. Aralık ayına gelindiğinde, yetişkin inek pankreasından da insülin elde etmeyi başarmışlardı. Macleod, insülinin saflaştırılmasına odaklanmak için laboratuvarındaki diğer tüm araştırmaları durdurdu. Biyokimyacı James Collip'i bu görevde yardımcı olması için davet etti ve ekip bir ay içinde klinik bir test için hazır olduğunu hissetti. ⓘ

Elizabeth Hughes için kan, idrar, gram cinsinden diyet ve gram cinsinden diyet reçetelerini takip etmek için kullanılan çizelge ⓘ

11 Ocak 1922'de Toronto Genel Hastanesi'nde ölmek üzere olan 14 yaşındaki diyabet hastası Leonard Thompson'a ilk insülin enjeksiyonu yapıldı. Ancak özüt o kadar saf değildi ki Thompson ciddi bir alerjik reaksiyon gösterdi ve sonraki enjeksiyonlar iptal edildi. Sonraki 12 gün boyunca Collip, öküz pankreası özütünü iyileştirmek için gece gündüz çalıştı. İkinci doz 23 Ocak'ta enjekte edildi ve diyabetin tipik özelliği olan glikozüriyi belirgin bir yan etkiye yol açmadan ortadan kaldırdı. İlk Amerikalı hasta, ABD Dışişleri Bakanı Charles Evans Hughes'un kızı Elizabeth Hughes idi. ABD'de tedavi edilen ilk hasta geleceğin ahşap baskı sanatçısı James D. Havens'ti; Dr. John Ralston Williams, Havens'i tedavi etmek için Toronto'dan Rochester, New York'a insülin ithal etti. ⓘ

Banting ve Best, Collip ile hiçbir zaman iyi çalışmadılar, onu bir tür işgüzar olarak gördüler ve Collip kısa bir süre sonra projeden ayrıldı. Best, 1922 baharında tekniklerini, talep üzerine büyük miktarlarda insülin elde edilebilecek noktaya kadar geliştirmeyi başardı, ancak preparat saf kalmadı. İlaç firması Eli Lilly and Company, 1921'deki ilk yayınlardan kısa bir süre sonra yardım teklif etmişti ve Nisan ayında Lilly'nin teklifini kabul ettiler. Kasım ayında Lilly'nin baş kimyageri George B. Walden izoelektrik çökelmeyi keşfetti ve büyük miktarlarda yüksek oranda rafine edilmiş insülin üretmeyi başardı. Kısa bir süre sonra insülin halka satışa sunuldu. ⓘ

Patent

Ocak 1922'nin sonlarına doğru, insülinin dört "ortak kaşifi" arasında gerginlik arttı ve Collip kısa bir süre için kendi saflaştırma sürecinin patentini ayrı ayrı almakla tehdit etti. Ticari olmayan kamu sağlığı kurumu Connaught Laboratuarları'nın yöneticisi John G. FitzGerald bu nedenle arabulucu olarak devreye girdi. Sonuçta ortaya çıkan 25 Ocak 1922 tarihli anlaşma iki temel koşul belirledi: 1) işbirlikçilerin Connaught ile ilk çalışma döneminde ticari bir ilaç firmasıyla patent almamayı kabul eden bir sözleşme imzalaması; ve 2) FitzGerald ve dört işbirlikçi arasında görüşülmedikçe araştırma politikasında hiçbir değişikliğe izin verilmemesi. Bu, anlaşmazlıkları kontrol altına almaya yardımcı oldu ve araştırmayı Connaught'un kamu görevine bağladı. ⓘ

Başlangıçta Macleod ve Banting, tıbbi etik gerekçesiyle insülin için geliştirdikleri sürecin patentini almak konusunda özellikle isteksizdi. Ancak, özel bir üçüncü tarafın araştırmayı ele geçirip tekelleştireceği (Eli Lilly and Company'nin ima ettiği gibi) ve kalite kontrol kapasitesi olmadan güvenli dağıtımın garanti edilmesinin zor olacağı endişeleri devam ediyordu. Bu amaçla Edward Calvin Kendall değerli tavsiyelerde bulundu. Kendall, 1914 yılında Mayo Kliniği'nde tiroksini izole etmiş ve kendisi, Mayo kardeşler ve Minnesota Üniversitesi arasında yapılan bir anlaşmayla sürecin patentini devlet üniversitesine devretmişti. Banting, Best, Collip, Macleod ve FitzGerald 12 Nisan'da Toronto Üniversitesi rektörüne ortak bir mektup yazarak, patentin üniversitenin Yönetim Kurulu'na devredilmesi amacıyla benzer bir düzenleme önerdiler. Mektupta şu husus vurgulanıyordu:

Patent, başka kişiler tarafından patent alınmasını engellemek dışında başka bir amaçla kullanılmayacaktır. Hazırlama yönteminin ayrıntıları yayınlandığında herkes özütü hazırlamakta özgür olacak, ancak hiç kimse karlı bir tekel elde edemeyecektir.

Toronto Üniversitesi Yönetim Kurulu'na yapılan devir 15 Ocak 1923'te 1.00 $'lık bir ödeme karşılığında tamamlandı. Anlaşma 1923 yılında The World's Work dergisinde "tıp etiğinde ileri bir adım" olarak kutlandı. Ayrıca 2010'lu yıllarda sağlık hizmetleri ve ilaçların satın alınabilirliği konusunda medyanın büyük ilgisini çekmiştir. ⓘ

Eli Lilly'nin üretim sürecinin bazı kısımlarını ayrı ayrı patentleme girişimlerine ilişkin endişelerin artmasının ardından Connaught'un Müdür Yardımcısı ve İnsülin Bölümü Başkanı Robert Defries, üreticilerin üretim sürecindeki iyileştirmeleri satın alınabilirlikten ödün vermeden serbestçe paylaşmalarını gerektiren bir patent havuzlama politikası oluşturmuştur. ⓘ

Yapısal analiz ve sentez

Karakteristik ikincil yapısını gösteren bir domuz insülin monomerinin Richardson diyagramı. Bu, insülinin biyolojik olarak aktif formudur.

Domuz insülin hekzamerinin Richardson diyagramı. Merkezdeki küre, koordine edici histidin kalıntıları ile çevrili stabilize edici bir çinko atomudur. Bu, insülinin beta hücrelerinde depolandığı formdur. PDB: 4INS.

Saflaştırılmış hayvan kaynaklı insülin, başlangıçta deneyler ve diyabet hastaları için mevcut olan tek insülin türüydü. John Jacob Abel 1926'da kristalize formu üreten ilk kişiydi. Protein yapısına dair kanıtlar ilk olarak 1924 yılında Michael Somogyi, Edward A. Doisy ve Philip A. Shaffer tarafından verilmiştir. Hans Jensen ve Earl A. Evans Jr. 1935 yılında fenilalanin ve prolin amino asitlerini izole ettiklerinde tam olarak kanıtlanmıştır. ⓘ

İnsülinin amino asit yapısı ilk olarak 1951 yılında Frederick Sanger tarafından karakterize edilmiş ve ilk sentetik insülin 1960'ların ortalarında Pittsburgh Üniversitesi'nde Panayotis Katsoyannis ve RWTH Aachen Üniversitesi'nde Helmut Zahn'ın laboratuvarlarında eş zamanlı olarak üretilmiştir. Sentetik kristal sığır insülini 1965 yılında Çinli araştırmacılar tarafından elde edilmiştir. İnsülinin 3 boyutlu tam yapısı 1969 yılında Dorothy Hodgkin'in laboratuvarında X-ışını kristalografisi ile belirlendi. ⓘ

Dr. Hans E. Weber 1974 yılında Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırma görevlisi olarak çalışırken preproinsülini keşfetti. Weber, 1973-1974 yıllarında mesajcı RNA'nın nasıl izole edileceği, saflaştırılacağı ve tercüme edileceğine dair teknikleri öğrendi. İnsülini daha fazla araştırmak için Los Angeles'taki bir mezbahadan ve daha sonra UCLA'daki hayvan stoklarından pankreas dokuları elde etti. Pankreas adacık hücrelerinden toplam haberci RNA'yı izole edip saflaştırdı ve daha sonra Xenopus laevis oositlerinde tercüme edildi ve anti-insülin antikorları kullanılarak çöktürüldü. Toplam çevrilmiş protein bir SDS-poliakrilamid jel elektroforezinde ve sükroz gradyanında çalıştırıldığında, insülin ve proinsüline karşılık gelen tepeler izole edildi. Ancak, Dr. Weber'i şaşırtan bir şekilde, proinsülinden daha büyük bir moleküle karşılık gelen üçüncü bir pik izole edildi. Deneyi birkaç kez tekrarladıktan sonra, proinsülinden önce gelen ve proinsülinden önce gelen daha büyük bir öncü molekül olması gerektiğini belirlediği bu büyük piki sürekli olarak kaydetti. Mayıs 1975'te, New York'taki Amerikan Diyabet Derneği toplantısında Weber, bu öncü moleküle "preproinsülin" adını veren ilk kişi olduğu çalışmasının sözlü sunumunu yaptı. Bu sözlü sunumun ardından Weber, proinsülinin karakterizasyonuna katkıda bulunan bir araştırmacı olan Dr. Donald Steiner tarafından makalesini ve bulgularını tartışmak üzere akşam yemeğine davet edildi. Bir yıl sonra Nisan 1976'da bu molekül, Hans Weber'in çalışmalarına ve keşfine atıfta bulunarak Steiner tarafından daha da karakterize edildi ve dizilendi. Preproinsülin, transkripsiyon ve translasyon sürecini incelemek için önemli bir molekül haline geldi. ⓘ

Genetiği değiştirilmiş ilk sentetik "insan" insülini, 1978 yılında Arthur Riggs ve Keiichi Itakura tarafından City of Hope Beckman Araştırma Enstitüsü'nde, Genentech'ten Herbert Boyer ile işbirliği içinde E. coli kullanılarak üretildi. Swanson, Boyer ve Eli Lilly and Company tarafından kurulan Genentech, 1982 yılında Humulin markası altında ticari olarak temin edilebilen ilk biyosentetik insan insülinini satmaya başladı. Dünya çapında kullanılan insülinin büyük çoğunluğu biyosentetik rekombinant "insan" insülini veya analoglarıdır. Son zamanlarda, Kanadalı öncü bir grup araştırmacı tarafından, çok daha ucuz insülin üretimi için kolayca yetiştirilebilen aspir bitkisi kullanılarak başka bir yaklaşım kullanılmıştır. ⓘ

Rekombinant insülin ya mayada (genellikle Saccharomyces cerevisiae) ya da E. coli'de üretilir. Mayada insülin, insülin A zincirini C-terminali kesilmiş insülin B zincirinden ayıran bir KexII endoproteaz (PCI/PCII'nin maya homoloğu) bölgesine sahip tek zincirli bir protein olarak tasarlanabilir. Kimyasal olarak sentezlenen bir C-terminal kuyruğu daha sonra ucuz proteaz tripsin kullanılarak ters proteoliz yoluyla insüline aşılanır; tipik olarak C-terminal kuyruğundaki lizin, proteolizi önlemek için kimyasal bir koruyucu grup ile korunur. Modüler sentezin kolaylığı ve bu bölgedeki modifikasyonların nispeten güvenli olması, C-terminal modifikasyonlu yaygın insülin analoglarını (örn. lispro, aspart, glulisine) açıklamaktadır. Genentech sentezi ve Bruce Merrifield'inki gibi tamamen kimyasal sentezler tercih edilmez çünkü iki insülin zincirinin rekombinasyonunun verimliliği, öncelikle insülin B zincirinin çökelmesi ile rekabet nedeniyle düşüktür. ⓘ

Nobel Ödülleri

Frederick Banting (sağda) Charles Best ile birlikte 1924 ⓘ

Nobel Ödülü komitesi 1923 yılında insülinin pratikte elde edilmesini Toronto Üniversitesi'ndeki bir ekibe atfetti ve Nobel Ödülü'nü iki kişiye verdi: Frederick Banting ve J.J.R. Macleod. İnsülinin keşfi nedeniyle 1923 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne layık görüldüler. Best'in adının anılmamasına öfkelenen Banting, ödülünü onunla paylaştı ve Macleod da ödülünü hemen James Collip ile paylaştı. İnsülinin patenti bir dolar karşılığında Toronto Üniversitesi'ne satılmıştır. ⓘ

İnsülin üzerine yapılan çalışmalar için iki Nobel Ödülü daha verilmiştir. İnsülinin birincil yapısını 1955 yılında belirleyen İngiliz moleküler biyolog Frederick Sanger, 1958 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Rosalyn Sussman Yalow, insülin için radyoimmünoassay'in geliştirilmesinden dolayı 1977 Nobel Tıp Ödülü'nü almıştır. ⓘ

Birkaç Nobel Ödülü'nün de insülin ile dolaylı bir bağlantısı vardır. Pernisiyöz anemi için ilk etkili tedaviyi geliştirdiği için 1934 Nobel Ödülü'nün eş sahibi olan George Minot, diabetes mellitus hastasıydı. Dr. William Castle, Minot'u hayatta tutmak için zamanında gelen 1921 insülin keşfinin, bu nedenle pernisiyöz anemi için bir tedavinin keşfinden de sorumlu olduğunu gözlemledi. Dorothy Hodgkin, 1969 yılında insülinin tam moleküler yapısını çözmek için kullandığı teknik olan kristalografiyi geliştirdiği için 1964 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülmüştür. ⓘ

Tartışmalar

Nicolae Paulescu ⓘ

Banting, Best, Collip ve Macleod tarafından yayınlanan çalışma, insan hastalar üzerinde kullanıma uygun saflaştırılmış insülin özütünün hazırlanmasını temsil ediyordu. Paulescu tedavinin prensiplerini keşfetmesine rağmen, salin ekstresi insanlar üzerinde kullanılamadı; 1923 Nobel Ödülü'nde adı geçmedi. Profesör Ian Murray, Nicolae Paulescu'ya karşı yapılan "tarihi yanlışı" düzeltmek için özellikle aktif bir şekilde çalışmıştır. Murray, İskoçya'nın Glasgow kentindeki Anderson Tıp Fakültesi'nde fizyoloji profesörü, Glasgow'un önde gelen hastanelerinden birinde Metabolik Hastalıklar bölümünün başkanı, İngiliz Diyabet Derneği'nin başkan yardımcısı ve Uluslararası Diyabet Federasyonu'nun kurucu üyesiydi. Murray şöyle yazmıştır:

Toronto ekibinin araştırmalarına başladığı sırada pankreasın antidiyabetik hormonunu çıkarmayı ve diyabetik köpeklerde hiperglisemiyi azaltmadaki etkinliğini kanıtlamayı başarmış olan seçkin Romanyalı bilim adamı Paulescu'ya yeterince önem verilmemiştir. ⓘ

Nobel Enstitüsü'nün eski başkanı Profesör Arne Tiselius, özel bir yazışmada, Paulescu'nun 1923'teki ödüle eşit derecede layık olduğuna dair kişisel görüşünü ifade etmiştir. ⓘ

Yararlı bağlantılar

• Glukagon ⓘ