Chromas ir insulino receptoriaus tirosinkinazė: signalo stiprinimas
Insulino receptoriaus tirosinkinazė yra vienas svarbiausių biologinių mechanizmų, reguliuojančių gliukozės įsisavinimą ląstelėse. Chromas, veikdamas per chromoduliną (LMWCr), prisideda prie šio receptoriaus aktyvumo stiprinimo. Šiame straipsnyje detaliai nagrinėjame, kaip chromas sąveikauja su insulino receptoriumi molekuliniame lygmenyje ir kodėl tai yra svarbu normaliai gliukozės apykaitai.
Insulino receptoriaus struktūra ir veikimo principas
Insulino receptorius (IR) priklauso receptorių tirosinkinazių (RTK) šeimai ir yra vienas sudėtingiausių metabolinių receptorių žinduolių organizme. Struktūriškai jis yra heterotetrameras – sudarytas iš dviejų alfa (α) subvienetų, esančių ląstelės išorėje, ir dviejų beta (β) subvienetų, prasiskverbiančių per ląstelės membraną ir tęsiančių į ląstelės vidų. Alfa subvienetai yra sujungti disulfido ryšiais tarpusavyje ir su beta subvienetais. Alfa subvienetai atsakingi už insulino atpažinimą ir prisijungimą. Kai insulino molekulė prisijungia prie alfa subvienetų, tai sukelia konformacinį pokytį, kuris perduodamas beta subvienetams. Beta subvieneto citoplazminėje dalyje yra tirosinkinazės domenas – fermentas, galintis fosforilinimo reakcijomis perduoti fosfato grupę nuo ATP prie tirozino likučių substrato baltymuose. Pirmiausia tirosinkinazė fosforilinasi pati – tai vadinamas autofosforilinimas. Trys pagrindiniai tirozino likučiai receptoriaus aktyvacijos kilpoje (Y1158, Y1162, Y1163) yra fosforilinami, ir šis trigubo fosforilinimo įvykis maksimaliai aktyvuoja receptoriaus kinazės aktyvumą. Insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumas yra išmatuojamas eksperimentiniu būdu, naudojant sintetinius peptidų substratus arba natūralius substratus kaip insulino receptoriaus substratas-1 (IRS-1). Būtent per šį matavimą mokslininkai galėjo parodyti, kad holoLMWCr (chromo aktyvuota chromodulino forma) stiprina tirosinkinazės aktyvumą.
Chromo poveikis insulino receptoriaus autofosforilinimui
Keletas svarbių in vitro tyrimų atskleidė, kaip chromas, per chromoduliną, veikia insulino receptoriaus autofosforilinimą. Šie eksperimentai paprastai atliekami izoliuojant insulino receptorius iš kepenų ar raumens audinių, paskui inkubuojant juos su insulinu ir holoLMWCr, ir matuojant fosforilinto tirozino kiekį receptoriaus beta subvienete. Vincent ir kt. (2000) atliktame tyrime su žiurkių kepenų insulino receptoriais buvo parodyta, kad holoLMWCr pridėjimas kartu su insulinu padidino autofosforilinimą iki 6–8 kartų lyginant su insulinu be holoLMWCr. Svarbu pažymėti: be insulino, holoLMWCr pats receptoriaus neaktyvino – tai patvirtina, kad jis veikia kaip potenciatorius, o ne agonistas. Manoma, kad holoLMWCr sąveikauja su kinazės domeno reguliacine kilpa, stabilizuodamas aktyvią konformaciją. Biologinė chromo koordinacinė chemija čia yra esminis veiksnys: keturi Cr³⁺ jonai holoLMWCr komplekse sudaro specifinę struktūrą, kuri gali sąveikauti su receptoriaus kinazės domeno tirozino liekanos aplinka. Kai kurie tyrinėtojai siūlo, kad Cr³⁺ gali tiesiogiai koordinuotis su receptoriaus baltymo likučiais, tačiau šis tiesioginės sąveikos modelis dar yra diskutuojamas. Kliniškai svarbus aspektas: jeigu insulino receptoriaus autofosforilinimas yra susilpnėjęs (kaip tai nutinka sergant 2 tipo diabetu ar metaboliniu sindromu), tinkamas chromo kiekis gali padėti atkurti optimalesnį receptoriaus aktyvumą per LMWCr mechanizmą.
Tirosinkinazės aktyvumo reikšmė tolesnei signalo kaskadai
Insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumas nėra tikslas savaime – tai tik pirmas žingsnis ilgoje signalo perdavimo grandinėje, kuri galiausiai lemia gliukozės transporto baltymų (GLUT4) perkėlimą į ląstelės paviršių ir gliukozės įsisavinimą. Pilnai aktyvuotas insulino receptorius toliau fosforilinasi insulino receptoriaus substratus – IRS-1 ir IRS-2. Šie fosforilinami IRS baltymai tampa dokinimo platformomis kitiems signalo elementams: prie fosforilinuotų IRS prisijungia PI3K (fosfatidilinozitol-3-kinazė) per savo SH2 domeną. PI3K fosforilinasi PIP2 į PIP3. PIP3 rekrutuoja ir aktyvuoja PDK1. PDK1 fosforilinasi ir aktyvuoja Akt (dar vadinamą PKB – proteinkinaze B). Akt – tai daugiafunkcis signalingas baltymas, kuris fosforilinasi ir inaktyvuoja AS160 (TBC1D4). AS160 inaktyvacija leidžia Rab GTPazėms aktyvuotis ir skatinti GLUT4 vezikulių judėjimą prie ląstelės membranos bei susijungimą su ja. Galutinis rezultatas – GLUT4 transporterio perkėlimas į ląstelės paviršių ir padidėjęs gliukozės įsisavinimas. Kadangi chromas per LMWCr potencuoja pirminį žingsnį (insulino receptoriaus tirosinkinazę), jo poveikis kaskadiškai paveikia visą šią signalizacijos seką. Silpnesnis pirmas žingsnis reiškia silpnesnį signalą visuose tolimesniuose etapuose ir mažesnį GLUT4 translokacijos mastą.
Insulino receptoriaus tirosinkinazės susilpnėjimas: ryšys su chromo stoka
Insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumo sumažėjimas yra vienas pagrindinių insulino rezistencijos molekulinių žymenų. Atliekant raumens biopsijas iš žmonių, sergančių 2 tipo diabetu ar turinčių nutukimą, reguliariai aptinkamas sumažėjęs tirosinkinazės atsakas į insuliną. Šis sumažėjimas gali atsirasti dėl keleto priežasčių: lėtinio uždegimo (TNF-α ir IL-6 aktyvuoja serinines kinazės, kurios fosforilinasi IRS-1 serine, blokuodamos normalią tirosinkinazės-IRS-1 sąveiką), lipidų pertekliaus (diacilglicerolis aktyvuoja PKC, kuri taip pat fosforilinasi IRS-1 inhibitoriniu būdu), oksidacinio streso, sukeliančio receptoriaus baltymų modifikacijas, ir chromo trūkumo, sumažinančio LMWCr aktyvų kiekį. Gyvūnų tyrimas (Striffler ir kt., 1998) su žiurkėmis, maitintomis chromo neturinčiu maistu, parodė statistiškai reikšmingai sumažėjusį insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumą raumenų audinyje. Papildus chromu, aktyvumas pagerėjo. Nors analogiški tiesioginiai žmonių tyrimai yra sudėtingi etiškai ir metodologiškai, netiesioginiai duomenys iš chromo papildų klinikinių tyrimų (pagerėjęs gliukozės tolerancija, sumažėjęs insulino lygis) yra suderinami su receptoriaus tirosinkinazės pagerėjimo hipoteze.
Chromo pikolinato vaidmuo insulino receptoriaus aktyvumo palaikyme
Teorinis mechanizmas, jungiantis chromo pikolinatą su insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumu, yra toks: chromo pikolinatas žarnyne disocijuoja į Cr³⁺ jonus ir pikolino rūgštį. Cr³⁺ jonai absorbuojami žarnyne (pikolino rūgštis gerina pasisavinimą), patenka į kraują ir yra surišami transferino. Kai insulinas išsiskiria po valgio ir prisijungia prie receptorių, chromo jonai iš transferino yra perkeliami į ląsteles ir inkorporuojami į apoLMWCr, formuojant holoLMWCr. HoloLMWCr potencuoja receptoriaus tirosinkinazės autofosforilinimą, taip stiprindamas visą tolesnę insulino signalizacijos kaskadą. Keli svarbūs klinikiniai tyrimai su chromo pikolinatu ir insulino jautrumo žymenimis: Anderson ir kt. (1997) atliktas Kinijoje dvejų metų tyrimas su 180 diabetu sergančiais žmonėmis parodė reikšmingą gliukozės ir insulino lygio sumažėjimą tarp chromo papildus vartojančių dalyvių. Martin ir kt. (2006) meta-analizė patvirtino vidutinį chromo pikolinato poveikį gliukozei nevalgius. Rachmani ir kt. (2004) tyrimas su metabolinio sindromo pacientais rodė pagerėjusį insulino jautrumą. Šie klinikiniai duomenys, nors ir netiesiogiai, atspindi receptoriaus lygio pokyčius, kuriuos paaiškina LMWCr mechanizmas. Chromo pikolinatas gali prisidėti prie normalios insulino receptoriaus funkcijos, ypač kai metabolinis stresas ar nepakankama mityba kompromituoja natūralų chromo tiekimą.