Metabola organs fysiologi

Ö-cellsfunktion och insulin sekretion #

Den tyske anatominstudenten Paul Langerhans beskrev 1869 “öar av klara celler” som är utspridda i bukspottkörteln. Det tog flera år att upptäcka den fysiologiska betydelsen av dessa cellkluster som idag är kända som Langerhanska öar och intensiv forskning pågår än idag för att ta reda på hur dessa cellöar samverkar med varandra och övriga organ i kroppen.

Vi vet nu att öarna utgör den endokrina delen av bukspottkörteln och utgör cirka 2–3 % av dess totala volym. Öarna är nästan sfäriska, med en genomsnittlig diameter på 100–200 μm, och en frisk mänsklig bukspottkörtel kan innehålla upp till en miljon individuella öar, var och en med sin egen komplexa anatomi, blodförsörjning och innervation.

Ö-cells anatomi

En enda Langerhansk ö-cell i däggdjur består av flera tusen endokrina celler:

1. Insulinproducerande β-celler (cirka 60 % av de vuxna mänskliga ö-cellerna)
2. Glukagonproducerande α-celler (20–30 %)
3. Somatostatinproducerande δ-celler (cirka 10 %)
4. Pankreatisk polypeptidproducerande celler (<5 %)
5. Ghrelinproducerande celler (cirka 1 %).

Hos gnagare bildar den största andelen β-celler en central kärna som omges av en mantel av α-celler och δ-celler. Hos människor är organisationen mindre väl definierad, där α-celler och δ-celler också återfinns utspridda i hela ö-cellen.

Resten av bukspottkörteln består av exokrin vävnad där acinära celler som producerar matsmältningsenzymer som amylas, lipas och proteaser som frisätts i tunntarmen för nedbrytning av mat. En liten andel utgörs även av gångceller som utsöndrar bikarbonat för att neutralisera magsyra och skapa rätt pH för enzymerna som frisätts från bukspottkörteln.

Blodförsörjning till Langerhanska ö-celler #

Ö-cellerna är mycket vaskulariserade och ca 15 % av bukspottkörtelns blodtillförsel går just till ö-cellerna, trots att de endast utgör 2–3 % av dess totala massa. Varje ö försörjs av en arteriolär blodtillförsel som tränger igenom manteln för att bilda ett kapillärnät i ö-cellens kärna.

Ny forskning som använder optisk avbildning av fluorescerande markörer för att följa blodflödet genom ö-celler in vivo visar ett komplext mönster, inklusive både flöde från insidan till utsidan och från toppen till botten i ö-celler.

Ö-celler och autonom nervförsörjning #

Ö-celler är välförsedda med autonoma nervfibrer och nervändar som innehåller klassiska neurotransmittorer.

Parasympatiska nerver i ö-celler frisätter följande neurotransmittorer

1. Acetylkolin
2. Noradrenalin
3. Vasoaktivt intestinalt polypeptid (VIP)
4. Adenylatcyklas-aktiverande polypeptid (PACAP)

Dessa neuropeptider kan spela en roll i att mediera måltidsrelaterad insulinsekretion och α-cellens respons vid hypoglykemi.

Sympatiska nerver frisätter följande neurotransmittorer:

1. Galanin
2. Neuropeptid Y (NPY)
3. Noradrenalin

Dessa peptider kan bidra till den sympatiska hämningen av insulinsekretion. Det finns dock betydande skillnader mellan arter när det gäller uttrycket av dessa neuropeptider.

Kommunikation inom ö-cellen #

Den anatomiska organisationen av ö-cellen har en djupgående inverkan på β-cellernas förmåga att känna igen och svara på fysiologiska signaler. Det finns flera mekanismer genom vilka ö-celler kan kommunicera, även om den relativa betydelsen av dessa mekanismer fortfarande är osäker.

Parakrina och autokrina effekter

Ytterligare kontrollnivåer kan utövas genom parakrina och autokrina effekter. Detta innebär att en biologiskt aktiv substans som frisätts av en ö-cell kan påverka funktionstillståndet hos en närliggande cell (parakrin effekt) eller på cellen själv (autokrin effekt).

Hormonella interaktioner inom Langerhanska öarna

1. Insulin reglerar glukagonsekretionen.
2. Glukagon reglerar insulinsekretionen.
3. Somatostatin reglerar både insulin- och glukagonsekretionen.

Andra endokrina cellers sekretoriska produkter

1. Divalenta katjoner reglerar insulin- och glukagonsekretionen.
2. Adeninnukleotider reglerar insulin- och glukagonsekretionen.
3. β-cellernas GABA reglerar glukagonsekretionen.
4. β-cellernas dopamin reglerar insulinsekretionen.

Andra regleringssystem inom Langerhanska öarna

1. Kväveoxid koordinerar β-cellernas svar.
2. Kolmonoxid förstärker β-cellernas svar.
3. Det lokala renin-angiotensinsystemet reglerar β-cellernas funktion.
4. Kisspeptin från de Langerhanska öarna reglerar insulinsekretionen.

Gap-junction-koppling

Ö-celler är funktionellt sammankopplade genom ett nätverk av gap junctions. Studier på genborttagning hos möss har betonat betydelsen av gap-junction-koppling via connexin 36 för reglering av insulinsekretoriska svar.

Cell–cell-kontakt

Interaktioner via celladhesionsmolekyler erbjuder en alternativ mekanism för kommunikation. E-cadherin och efriner har identifierats som viktiga för regleringen av β-cellfunktion.

Interaktioner mellan ö-celler och insulinbiosyntes #

Ö-celler interagerar med varandra genom flera mekanismer som bidrar till samordning och finjustering av hormonsekretionen för att anpassa sig till de rådande fysiologiska förhållandena:

1. Klassiska ö-hormoner: Kommunikation sker via insulin, glukagon och somatostatin, som frisätts av olika ö-celler.
2. Sekretionsprodukter från endokrina celler: Ö-celler interagerar även genom andra substanser som frisätts från endokrina celler, exempelvis neurotransmittorer samt adeninnukleotider och divalenta katjoner (ex Ca²⁺ och Mg²⁺) som frisätts tillsammans med insulin.
3. Gasutbyte som signalmekanism: Mindre välkända mekanismer inkluderar produktionen av gasformiga signalsubstanser som kväveoxid (NO) och kolmonoxid (CO).

Dessa olika mekanismer speglar ö-cellernas behov av att finjustera och koordinera sekretoriska svar från många individuella celler för att uppnå en hormonsekretion som är lämplig för den aktuella fysiologiska situationen.

Insulinbiosyntes och lagring #

1. Specialisering för insulinproduktion: β-celler är högt specialiserade för att snabbt kunna frisätta insulin som svar på metaboliska behov. Detta är nödvändigt eftersom produktionen av polypeptidhormoner är en relativt långsam process.

2. Insulin som β-cellens huvudprotein: Insulin står för cirka 10 % av det totala β-cellproteinet, motsvarande cirka 10 pg per cell. Denna höga nivå av insulinproduktion och lagring säkerställer en snabb frisättning vid behov, vilket är avgörande för att upprätthålla blodsockerkontrollen.

Insulinbiosyntes

Hos människor är genen som kodar för preproinsulin, insulins föregångare, belägen på den korta armen av kromosom 11. Genen är 1355 baspar lång och dess kodande region består av tre exoner:

• Exon 1: Kodar för signalpeptiden vid preproinsulinets N-terminal.
• Exon 2: Kodar för B-kedjan och en del av C-peptiden (den förbindande peptiden).
• Exon 3: Kodar för resten av C-peptiden och A-kedjan.

Efter transkription och splicing, där intronsekvenserna avlägsnas, genereras ett messenger-RNA (mRNA) på 600 nukleotider. Translationen av detta mRNA resulterar i preproinsulin, en polypeptid med molekylvikt på 11,5 kDa.

Processen för insulinbildning #

1. Utsöndring av preproinsulin: Preproinsulin frisätts snabbt (inom mindre än 1 minut) till det cisternala utrymmet i det grova endoplasmatiska nätverket (ER).
2. Klyvning av signalpeptiden: Proteolytiska enzymer i ER klyver omedelbart signalpeptiden och omvandlar preproinsulin till proinsulin.
3. Proinsulin är ett peptid med en molekylvikt på 9 kDa. Det innehåller C-peptiden som spelar en viktig roll genom att säkerställa att disulfidbryggorna mellan A- och B-kedjorna positioneras korrekt, så att molekylen viks på rätt sätt inför ytterligare bearbetning .

Transport till Golgiapparaten

Proinsulin transporteras i mikroveisklar till Golgiapparaten. Här förpackas det i membranbundna vesiklar som kallas sekretoriska granuler.

Omvandling av proinsulin till insulin

I Golgikomplexet och under granuleringsprocessen klyvs proinsulin genom verkan av: prohormonkonvertaser 2 och 3 samt karboxypeptidas H. Denna process avlägsnar C-peptiden och frigör två klyvningsdipeptider, vilket resulterar i färdigt insulin.

Lagring och frisättning

Insulin och C-peptid lagras tillsammans i de sekretoriska granulerna och frisätts i ekvimolära mängder genom reglerad exocytos. Under normala förhållanden består över 95 % av den utsöndrade produkten av insulin (och C-peptid), medan mindre än 5 % utsöndras som proinsulin.

Ökad produktion och utsöndring av insulin

När koncentrationen av näringsämnen i blodet ökar, reagerar β-cellerna genom att öka både produktionen och utsöndringen av insulin. Detta upprätthåller β-cellens insulinreserver.

Snabb reglering av preproinsulin-mRNA och proinsulinsyntes

Akuta (<2 timmar) ökningar i glukos- och näringsnivåer i blodet leder till en snabb och markant ökning av både transkriptionen av preproinsulin-mRNA och syntesen av proinsulin. Förhållandet mellan glukoskoncentration och biosyntetisk aktivitet är sigmoidal, med en tröskel för biosyntetisk aktivitet vid 2–4 mmol/L glukos. Denna nivå är något lägre än tröskeln för stimulering av insulinsekretion (∼5 mmol/L), vilket säkerställer att β-cellen har en tillräcklig insulinreserv.

Lagring och frisättning av insulin #

Insulinsekretoriska granulers struktur

De insulinsekretoriska granulerna har ett typiskt utseende i elektronmikroskop, med ett brett utrymme mellan den kristallina elektrontäta kärnan och den omgivande membranbegränsningen. Granulernas huvudsakliga proteinkomponenter är insulin och C-peptid, som utgör cirka 80 % av proteininnehållet. Dessutom innehåller de mindre mängder peptidaser, peptidhormoner och olika potentiellt biologiskt aktiva peptider med osäker funktion.

Roll av divalenta katjoner och nukleotider

Insulinsekretoriska granuler innehåller höga koncentrationer av divalenta katjoner, som zink (∼20 mmol/L), vilka är viktiga för insulinets kristallisering och stabilisering. Funktionen hos kalcium (∼120 mmol/L) och magnesium (∼70 mmol/L) i granulerna är osäker, men eftersom dessa frisätts tillsammans med insulin vid exocytos kan de ha signaleringsroller via kalciumkänsliga receptorer på cellytan.

På samma sätt kan adenin-nukleotider (∼10 mmol/L), som också finns i granulerna, spela en signaleringsroll när de frisätts till extracellulärvätskan.

Insulinfrisättning via exocytos #

Exocytos (fusionsprocessen)

Insulin frisätts från sekretoriska granuler genom exocytos, en process där granulemembranet smälter samman med plasmamembranet. Detta gör att innehållet i granulerna släpps ut i det interstitiella utrymmet.

Molekylära mekanismer för exocytos

Vår kunskap om exocytosmekanismer kommer till stor del från studier av neurotransmittorfrisättning i nervceller. Liknande mekanismer förekommer i β-celler:

• Dockning vid plasmamembranet: Sekretoriska granuler dockas till den inre ytan av plasmamembranet via bildandet av ett multimeriskt proteinkomplex kallat SNARE-komplexet (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor).
  • Detta komplex består av proteiner associerade med både sekretoriska granuler och plasmamembranet samt lösliga fusionsproteiner.
• Calciumberoende fusion: Dockade granuler smälter endast samman med membranet och frigör sitt innehåll vid förhöjda nivåer av intracellulärt kalcium. Detta kalcium detekteras av synaptotagminer, en klass av kalciumbindande granulproteiner.

Granulernas lokalisering i β-celler

Sekretoriska granuler är spridda i hela β-cellens cytoplasma. Transporten av granuler från avlägsna platser i cellen till plasmamembranet regleras sannolikt oberoende av den slutliga sekretoriska processen. En del granuler lagras nära plasmamembranets inre yta som en “lättillgänglig” reservpool.

Funktion hos den lättillgängliga granulpoolen

Denna lättillgängliga pool av granuler tros stå för den snabba insulinfrisättningen under den första fasen av exocytos, som triggas av glukosstimulering.

Två faser av exocytotisk respons

Elektrofysiologiska mätningar har visat att β-cellens exocytotiska svar har två distinkta faser:

1. Första fasen: En kortvarig fas med mycket snabb exocytoshastighet.
2. Andra fasen: En mer utdragen fas med långsammare exocytoshastighet.