Статья: Инсулиновая гипогликемия и активация глюконеогенеза в печени крыс с сахарным диабетом

Инсулиновая гипогликемия и активация глюконеогенеза в печени крыс с сахарным диабетом

Телушкин П.К., Потапов П.П., Медведева Н.Б.

У крыс с аллоксановым сахарным диабетом (СД) и у исходно здоровых животных при инсулиновой гипогликемии (40 ЕД инсулина на 1 кг массы тела, уровень глюкозы в крови ~2 ммоль/л) в плазме крови определяли содержание глюкозы, свободных жирных кислот, лактата, мочевины и мочевой кислоты. В печени экспериментальных животных определяли активности лактатдегидрогеназы (КФ 1.1.1.27), глюкозо-6-фосфатазы (КФ 3.1.3.9), глутаминазы (КФ 3.5.1.2) и аденозинмонофосфатдезаминазы (КФ 3.5.4.6), скорость образования лактата при использовании в качестве субстратов гликогена и глюкозо-6-фосфата; в печени определяли содержание гликогена. У животных с СД в печени увеличиваются активность глутаминазы и содержание гликогена, в крови повышается уровень мочевины. При инсулиновой гипогликемии у крыс с СД в плазме крови значительно увеличивается содержание мочевины и мочевой кислоты. В печени нарастает активность глутаминазы и аденозинмонофосфатдезаминазы, увеличивается скорость образования лактата и уменьшается активность лактатдегидрогеназы. Изменений активности глюкозо-6-фосфатазы не обнаружено. Выявленные изменения связаны с эффектами глюкагона и свидетельствуют о значительной активации глюконеогенеза из аминокислот в печени при инсулиновой гипогликемии у крыс с СД.

Ключевые слова: инсулиновая гипогликемия, аллоксановый диабет, печень, глюконеогенез, аденозинмонофосфатдезаминаза, мочевина, мочевая кислота.

Insulin hypoglycemia and gluconeogenesis activation in the liver of rats with diabetes

Telushkin P.K., Potapov P.P., Medvedeva N.B.

In rats with alloxan diabetes mellitus (DM) and in initially healthy animals with insulin hypoglycemia (40ED of insulin per kg of body weight, blood glucose level ~ 2 mmol/l), the blood plasma content of glucose, free fatty acids, lactate, urea and uric acid was determined. In the liver of experimental animals, the activity of lactate dehydrogenase (EC 1.1.1.27), glucose-6-phosphatase (EC 3.1.3.9), glutaminase (EC 3.5.1.2) and adenosine monophosphate deaminase (EC 3.5.4.6), the rate of lactate formation when using glycogen and glucose-6- phosphate as substrates were determined; glycogen content was determined in the liver. In animals with diabetes, the activity of glutaminase and glycogen content in the liver increases, and the level of urea in the blood increases. With insulin hypoglycemia in rats with DM, the content of urea and uric acid in the blood plasma increases significantly. The activity of glutaminase and adenosine monophosphate deaminase increases in the liver, the rate of lactate formation increases and the activity of lactate dehydrogenase decreases. No changes in glucose-6- phosphatase activity were detected. The revealed changes are associated with the effects of glucagon and indicate a significant activation of gluconeogenesis from amino acids in the liver during insulin hypoglycemia in rats with DM.

Keywords: insulin hypoglycemia, alloxan diabetes, liver, gluconeogenesis, adenosine monophosphate deaminase, urea, uric acid.

Лечение сахарного диабета 1-го (СД1) и 2-го типа (СД2) сопровождается значительными колебаниями уровня глюкозы в крови. Причинами гипергликемии при сахарном диабете являются снижение потребления глюкозы мышечной и жировой тканями и стимуляция глюконеогенеза, преимущественно в печени. В то же время частым осложнением терапии сахарного диабета является гипогликемия. Гипогликемия приводит к дефициту глюкозы в головном мозге, коме и в конечном итоге к смерти. Пациенты с СД1 испытывают в среднем два эпизода симптоматической гипогликемии каждую неделю, т.е. имеет место возобновляющаяся гипогликемия. До 10% больных СД1 умирают от ятрогенной гипогликемии. Гипогликемия служит «фактором, ограничивающим терапию диабета» [1].

Печень является органом, обеспечивающим поддержание адекватного уровня гликемии. Основными процессами, приводящими к увеличению содержания глюкозы в крови, служат мобилизация гликогена печени и глюконеогенез. Гипогликемия и глюкагон стимулируют, а инсулин угнетает эти процессы [2]. Следовательно, инсулиновая гипогликемия оказывает разнонаправленное воздействие на метаболизм печени.

Целью исследования является оценка нарушений метаболизма в печени в условиях инсулиновой гипогликемии при сахарном диабете и роли инсулиновой гипогликемии в развитии осложнений сахарного диабета.

Материалы и методы исследования

Эксперименты выполнены на 30 белых крысах-самцах массой 220-250 г. Животные были разделены на 4 группы: 1-я группа - интактные животные (контроль); 2-я группа (состояние, обозначаемое как гипогликемия, ГГ) - животные, обследованные через 3,5-4,0 часа после введения инсулина (частичная утрата постуральных рефлексов, уровень глюкозы в крови 1,5-2,0 ммоль/л); 3-я группа - крысы с аллоксановым сахарным диабетом (СД) (125 мг аллоксана внутрибрюшинно однократно на 15-е сутки после введения аллоксана, уровень глюкозы в крови натощак 8-13 ммоль/л); 4-я группа - животные с СД в состоянии ГГ. Инсулин вводили внутримышечно в дозе 40 ЕД на 1 кг массы тела. Перед забоем животные были лишены пищи в течение 18-20 часов, воду получали без ограничения во всех условиях эксперимента.

В крови экспериментальных животных определяли содержание глюкозы, лактата, свободных жирных кислот (СЖК), мочевины и мочевой кислоты, а в печени - количество гликогена современными энзиматическими и колориметрическими методами, используемыми в клинической биохимии.

В печени экспериментальных животных определяли активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД, КФ 1.1.1.49), лактатдегидрогеназы (ЛДГ, КФ 1.1.1.27), глутаминазы (КФ 3.5.1.2) и аденозинмонофосфатдезаминазы (АМФД, КФ 3.5.4.6) и глюкозоб-фосфатазы (Г6Ф-аза, КФ 3.1.3.9). Все использованные методы определения активности ферментов и содержания субстратов являются общепринятыми, широко апробированными и описаны ранее. Активности Г6ФД и ЛДГ определяли по скорости образования восстановленных форм соответственно НАДФ и НАД спектрофотометрически, активности глутаминазы и АМФД - по скорости продукции аммиака [3]. Активность Г6Ф-азы определяли по скорости накопления неорганического фосфата [4]. Интенсивность гликогенолиза и гликолиза оценивали по скорости образования лактата при использовании в качестве субстратов гликогена и глюкозо-6-фосфата; при этом количество лактата определяли энзиматически [3]. Конечные измерения во всех случаях производили на фотометре КФК-3 отечественного производства. Статистическую достоверность различий между результатами, полученными при обследовании различных групп, оценивали по t-критерию Стьюдента.

Результаты исследования и их обсуждение

У животных 2-й группы через 3,5-4,0 часа после введения инсулина в крови снижается уровень глюкозы до 1,5--2,0 ммоль/л (табл. 1); по сравнению с контролем концентрация лактата уменьшается на 35%, СЖК -- на 36%, мочевины -- в 2,8 раза, мочевой кислоты -- на 30%, содержание гликогена в печени снижается в 7,0 раз (во всех случаях p<0,01).

Таблица 1. Содержание метаболитов в крови и гликогена в печени крыс с СД при инсулиновой гипогликемии (M±m)

Примечание. В таблицах 1 и 2: M - среднее, m -- ошибка среднего; n -- число животных в группе; статистически достоверные по сравнению с контролем изменения обозначены: * -- p<0,05, ** -- p<0,01, *** -- p<0,001; статистически достоверные различия между экспериментальными животными 3-й и 4-й групп обозначены: f-- p<0,05, ff -- p<0,01, fff -- p<0,001.

У животных с СД (3-я группа) по сравнению с контролем содержание мочевины в крови увеличивается в 2,1 раза (p<0,05), а гликогена в печени -- в 4 раза (p<0,001). Концентрация глюкозы в крови у крыс 4-й группы составляет 2,0-2,5 ммоль/л, при этом содержание гликогена в печени снижается в 6,0 раз по сравнению с величиной этого показателя у крыс 3й группы (СД), но в 5 раз превышает уровень гликогена у крыс 2-й группы (во всех случаях p<0,001). У животных 4-й группы по сравнению с контролем происходит значительный рост уровня мочевины в крови; этот показатель в 3,7 раза выше, чем в контрольной группе (p<0,001), и в 1,7 раза выше, чем у крыс 3-й группы (p<0,05).

Активность Г6ФД по сравнению с контролем у животных 2-й группы увеличивается в 2,1 раза, а у животных 3-й и 4-й групп снижается соответственно на 56% и 38% по сравнению с контролем (во всех случаях p<0,001) (табл. 2).

Таблица 2. Активность ферментов углеводного и азотистого обмена в печени крыс с СД при инсулиновой гипогликемии (M±m)

У животных 4-й группы активность Г6ФД на 42% (p<0,001) выше, чем у крыс 3-й группы. Скорость образования лактата при использовании в качестве субстратов глюкозо-6-фосфата и гликогена по сравнению с контролем у крыс 2-й группы снижается соответственно на 18% и 45% (в обоих случаях p<0,01) и увеличивается у животных 4-й группы соответственно на 33% и 30% (в обоих случаях p<0,01). Существенных изменений активности Г6Ф-азы у крыс 2-й, 3-й и 4-й экспериментальных групп не выявлено. У животных 4-й группы по сравнению с крысами 1-й и 3-й групп уменьшается активность ЛДГ на 38-39% (p<0,01). Активность АМФД у крыс 4-й группы увеличивается почти в 2 раза как по сравнению с контролем, так и по сравнению с 3-й группой (в обоих случаях p<0,01). Активность глутаминазы у животных 3-й и 4-й групп была выше, чем в контрольной группе, соответственно на 55% и 66% (в обоих случаях p<0,001).

В физиологических условиях инсулин выделяется в ответ на увеличение количества глюкозы в крови; в ходе наших экспериментов гиперинсулинемия имеет место в условиях низкой гликемии. Гомеостаз глюкозы в организме обеспечивается, в основном, печенью. Влияние инсулиновой гипогликемии на метаболизм в печени включает в себя воздействие инсулина непосредственно на гепатоциты, а также внепеченочные эффекты гормона, в частности торможение липолиза в жировой ткани и угнетение секреции глюкагона. Функция глюкагона состоит в обеспечении быстрого увеличения продукции глюкозы печенью при гипогликемии путем стимуляции мобилизации гликогена и активации глюконеогенеза [2].

Активность Г6ФД у крыс 2-й группы значительно увеличивается, у животных с СД снижается, и после введения инсулина животным с аллоксановым диабетом наблюдается увеличение активности фермента (табл. 2). Повышение экспрессии Г6ФД происходит при активации пути PI3K - Akt - mTORCl - SREBP [5]. Поскольку метаболические эффекты инсулина также проявляются по этому пути [2], вероятной причиной изменений активности Г6ФД в печени животных в условиях данного эксперимента являются инсулиновые эффекты. По-видимому, увеличение активности Г6ФД после введения инсулина животным с СД свидетельствует о сохранении у них передачи инсулинового сигнала по пути PI3K - Akt - mTORCl - SREBP.

Активность глутаминазы увеличивается у крыс с СД и остается высокой при индукции инсулиновой гипогликемии у этих животных. Глутамин является основной транспортной формой аммиака в печень, причем углеродный скелет глутамина используется в глюконеогенезе [6]. Первую реакцию превращения глутамина в печени катализирует глутаминаза, потребление глутамина печенью и активность глутаминазы при сахарном диабете значительно увеличиваются [6, 7]. Поэтому повышение дезамидирования глутамина у пациентов с СД, имеющих печеночную недостаточность, рассматривается как фактор, способствующий развитию печеночной энцефалопатии [7].

У животных с СД уровень мочевины в крови увеличен; при гипогликемии у крыс с СД наблюдаются даже более значительные изменения этого показателя, что свидетельствует о резком усилении уреагенеза в печени. Глюкагон по пути cAMP - PKA - CREB увеличивает синтез ферментов орнитинового цикла на уровне транскрипции [8]. Поэтому можно предполагать, что увеличение продукции мочевины у крыс с СД связано с действием глюкагона и активацией протеинкиназы А (РКА). Однако быстрое увеличение образования мочевины при инсулиновой гипогликемии у крыс с СД не может быть объяснено изменениями синтеза белков-ферментов. Вероятно, имеет место увеличение активности уже существующих ферментов и переносчиков аминокислот. Это может происходить путем ацетилирования, деацетилирования и фосфорилирования [8]. В частности, под действием глюкагона происходит резкое увеличение активности N-ацетилглутаматсинтетазы и концентрации N- ацетилглутамата - обязательного аллостерического активатора карбамоилфосфатсинтетазы 1. Увеличение содержания N-ацетилглутамата позволяет быстро активировать карбамоилфосфатсинтетазу 1 и образование мочевины в течение нескольких минут [8]. Снижение уровня мочевины в крови крыс 2-й группы вызвано, по-видимому, угнетением инсулином выделения глюкагона [2, 9] у этих животных.