Physiology

Physiology · 7.4

インスリン分泌とその調節。インスリンの中間代謝への作用。糖尿病。

Insulin secretion and the regulation of the secretion. The effects of insulin on the intermediary metabolism. Diabetes mellitus.

応用トピック
ICUにおける糖尿病急性合併症:糖尿病性ケトアシドーシスと高浸透圧高血糖状態血糖異常の原因と診断糖尿病の分類と診断インスリン治療とインスリンアナログ低血糖妊娠と糖尿病・妊娠糖尿病糖尿病性ケトアシドーシスの管理小児糖尿病と高血糖糖尿病、糖尿病性ケトアシドーシスの治療
検査値
免疫反応性インスリン

🧠 β細胞は「→ATP産生→KATPチャネル閉鎖→脱分極→Ca²⁺流入→」という代謝センサーとして理解する。GLUT2()と(高Km)というペアが「血糖が本当に高いときだけ反応する」閾値を作り、KATPチャネルがその情報をAPに変換する——このKATPチャネルこそがという正反対のの共通標的になる。1型DMは「インスリン不在」、2型DMは「インスリン抵抗性」という異なる破綻点として対比すると全体が整理される。

中間代謝の基本

栄養分子/食物が細胞内で代謝され細胞成分に変換される、あるいはエネルギーを供給する過程——細胞・組織への適切なエネルギー供給を担う。エネルギーは糖質・脂質・アミノ酸。

は細胞内: 糖質→グリコーゲン、アミノ酸→蛋白質、FFA→トリグリセリド(細胞内)。

栄養素 貯蔵特性
グリコーゲン 少量(肝臓50g→1〜2時間分のみ、筋肉200g→主に自身の需要用)
蛋白質 各組織に多量存在するが機能のために必要——糖新生の原料にはなれるが、蛋白質の他の機能ゆえに「貴重」であり、分解時にNH3/尿素を生じる
脂質 最大量(主に脂肪組織)。水結合を伴わない理想的な態、比エネルギー含量が高いが、グルコースへの変換はグリセロール部分からわずかにしかできない

の主要な 肝臓(「中枢」——糖新生により糖源を供給できる)、脂肪組織(は脂質であり、実は最大の内分泌組織として調節分子を産生する)、骨格筋(運動時最大の者)。

制御の基本則:

  1. 血漿[グルコース]を正常範囲に保つ——上昇時は貯蔵/利用、低下時はグリコーゲン・糖新生による補充、非義務的消費の削減、他のエネルギー源の動員。
  2. 主要な調節因子はインスリンの存在/非存在。
  3. インスリン以外のすべてのホルモンは[グルコース]を上昇させる方向に働き、それぞれ追加的な効果を持つ。

インスリン(ペプチドホルモン)

膵臓の内のβ細胞により分泌される。

インスリンの合成

インスリンはまず+A鎖+B鎖+)として合成され、シグナルペプチドが切断されてとなる。はERへ送られ正しく折りたたまれた後、が切断され、成熟インスリンとが等量ずつ(ゴルジ)にパッされる。インスリンはZn²⁺イオンと複合体を形成し顆粒内のを低く保つ。

インスリンの分泌量

絶食時:10単位/日、摂取時:30〜40単位/日、膵臓のインスリン含量:180単位。

分泌を刺激する因子:

  • グルコース濃度↑(最重要)
  • アミノ酸(Lys、Arg、Leu)
  • (GLP・GIP): 血糖低下を促すホルモンで、経口摂取されたグルコースに応じて放出され、フィードフォワード機構でインスリン放出を調節する。
  • 迷走神経(M1受容体を介して)
  • β-AR(β2、Gs)

グルコースが細胞に作用する機序

グルコースが細胞に入るとGLUTトランスポーター(勾配駆動の)に取り込まれる。GLUTトランスポーターにはKm値(トランスポーターのグルコースへの親和性を示す濃度指標、低Km=)がある。原則:グルコースが多いほど、より多くのグルコースが細胞に入る。グルコースが細胞に入るとの働きにより細胞を脱分極させる(-75mVから-60mVへ)。

β細胞のグルコース感知機序

flowchart TD
  A["血中グルコースが膵臓へ運ばれる"] --> B["GLUT2(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='low affinity'>低親和性</span>)がβ細胞内へグルコースを輸送(食後の高濃度時のみ機能)"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucokinase'>グルコキナーゼ</span>によるリン酸化でグルコースを細胞内に捕捉"]
  C --> D["解糖によりATP産生"]
  D --> E["ATP感受性内向き<span class='jp-term jp-term-diagram' title='rectification'>整流</span>K+<span class='jp-term jp-term-diagram' title='KATP'>チャネル</span>が閉鎖"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='resting membrane potential'>静止膜電位</span>が0mVに近づき脱分極"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated calcium channel'>電位依存性Ca2+チャネル</span>が開口、[Ca2+]IC上昇"]
  G --> H["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secretory granules'>分泌顆粒</span>からインスリンが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>される"]

KATPチャネルは的介入の標的そのもの。 チャネルにはスルホニル尿素(SU)受容体があり、SU薬はこれに結合しチャネルを閉鎖→脱分極→を促す(時の)。逆にはATP存在下でもKATPを開いたままにし、細胞を過分極させを抑制する(β細胞時に使用)。

β細胞のエネルギーセンシング機序

十分なエネルギーがあるとき:AMP→ADP→ATP→。しかしエネルギーが不足すると[AMP]↑(ATP産生なし)→AMPがAMPキナーゼを活性化しインスリン合成を阻害=なし。グルコースが細胞に入ると[AMP]は低下しAMPキナーゼが働かなくなり、(Ca²⁺-の助けを借りて)インスリン合成が開始されに至る。

β細胞調節因子のまとめ

活性化因子(主に[Ca²⁺]↑・[cAMP]↑を介する):

  • [グルコース]EC/血漿↑
  • アミノ酸:リジン、
  • :GIP・GLPは経口摂取グルコースに応じて放出されインスリンを促進
  • グルカゴン:Gq蛋白活性化により[Ca²⁺]↑を介してインスリンを誘導
  • アドレナリンβ2(Gs)
  • 迷走神経:ACh→(Gq)M1受容体→PLC→IP3→[Ca²⁺]↑

(主に[cAMP]↓を介する):

💡 急性のFFA曝露はを増加させるが、慢性曝露は抑制をもたらす。 短期と長期で正反対の効果を持つ点に注意。

インスリン受容体

酵素共役受容体で、クラスに属する。細胞外α-サブユニット2つがそれぞれ膜貫通β-サブユニット(チロシンキナーゼ活性を持つ)と連結し、互いにしている。

機序: ①インスリン結合→受容体が。②β-サブユニットのが互いをリン酸化し活性化。③活性化受容体が下流エフェクターをリン酸化する:

  • IRS-1(1, insulin receptor substrate 1)→シグナル伝達→転写
  • GRB-2→MAP→分裂促進シグナル
  • PI3キナーゼ→PDK1→PKB+非定型PKC→GLUT4転座、、解糖↑、糖新生↑

GLUT4のPMへの転座

インスリン→→IRS-1→PI3キナーゼという経路を経る。GLUT4トランスポーターは細胞質内小胞に存在し(体)、インスリンにより調節される唯一のトランスポーター——PMと融合してグルコース流入を引き起こす。この性質を持つ細胞=グルコース取り込み細胞。

運動時のGLUT4動員は経路で起こる。 骨格筋で運動時にミオシンが大量のATPを切断→AMP↑→AMPキナーゼ活性化——インスリンなしでもこの経路でGLUT4含有小胞がPMと融合し筋肉のグルコース取り込みが起こる。この機序は糖尿病初期の患者に運動が症状改善に寄与しうる根拠となる。

分類 部位
取り込み(GLUT4) 脂肪組織、骨格筋(GLUT1も併存し少量のグルコース輸送を担う)
性取り込み(GLUT2) 肝臓、腎臓、腸
性取り込み(GLUT3) 脳、赤血球、角膜

インスリンの作用

インスリンは強力な——ボディビルダーが筋肥大目的で使用することがあるほど。アミノ酸(蛋白質)の細胞内取り込みを促進することがこの効果に寄与する。

全身効果(すべての組織で発揮される):

  1. アミノ酸取り込み↑→蛋白合成↑
  2. K⁺取り込み↑(活性化)
  3. 活性化→[cAMP]↓
  4. 成長促進効果

肝臓への効果

肝臓はインスリン作用の標的臓器かつ主要な分解部位。グルコースは性のGLUT2を介して肝細胞に入る。中の[インスリン]はの3〜4倍高い。

  1. を刺激・を抑制→血中へグルコースを放出するのでなくグリコーゲンとして貯蔵。
  2. 解糖を誘導・糖新生()を抑制。
  3. 脂質貯蔵(リポジェネシス↑)を促進・FFAの酸化(↓)を抑制。

脂肪組織への効果

インスリンはPI3を介してGLUT4をPMへ転座させる。リポジェネシス(トリグリセリド形成)を促進し、グルコースからのFFA合成も増加させる。

骨格筋への効果

グルコースはGLUT4()を介して筋肉に入る。①解糖・を刺激。②蛋白合成↑・↓。

糖尿病

1型糖尿病

自己免疫過程がβ細胞を破壊し、インスリンの不足/欠如を来す。β細胞の60%が失われると外因性高血糖(炭水化物摂取後のみ血糖上昇=)が生じる。より進行すると内因性高血糖も上昇——絶食時のグルコース源は不適切に亢進した糖新生)となる。

1TDMにおける代謝異常:

  • β細胞機能障害(↓)
  • 筋肉: グリコーゲン貯蔵↓(PM上のGLUT4欠如によりグルコース吸収不可)。→乳酸→肝臓での糖新生(血糖をさらに上昇させる)。
  • 脂肪組織: 停止シグナル(インスリン)を一切受け取れず、グリセロール(→糖新生)とFFA(→ケトン生成)を放出し続け肝臓へ送る(グルコースをさらに上昇)。
  • インスリン介在性のグルカゴン抑制効果を一切受けられず、グルカゴン分泌が高値のまま(すでに[グルコース]が高いにもかかわらず)。グルコースのへの流入自体がのため、グルカゴン分泌が活性化され・糖新生を刺激しさらに高血糖を促進する。

💡 DM治療にソマトスタチンを追加すると肝臓への帰結を軽減できる。 インスリンは依然欠乏しているが、グルカゴンが抑制される(のみを標的とする)ため。ただしこの用法は腫瘍性病態のみで使用される。

代謝異常の帰結

高血糖: 通常グルコースは腎臓で再吸収されるが、重度の高血糖では腎臓がすべてを再吸収できず尿が「甘く」なる——が出現する。

flowchart TD
  A["腎での濾過グルコース量↑"] --> B["完全に再吸収できず<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycosuria'>尿糖</span>が出現"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='osmotic diuresis'>浸透圧利尿</span>→水・電解質(Na+、Cl-)喪失"]
  C --> D["口渇・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polydipsia'>多飲</span>→さらに水分摂取するが排泄も加速→低浸透圧"]
  D --> E["脱水・体液減少→循環障害"]

, acetoacetate、β-OH酪酸, beta-hydroxybutyrate): インスリンなしでは、極度の高血糖にもかかわらず体は基本的にモードにある。ケトン体が肝臓で産生され血中に放出される→と代謝性アシドーシスに伴うあらゆる問題(+嘔吐→水分喪失→糖尿病性昏睡)。

DMの診断

絶食後に大量のグルコースを摂取し、30分ごと2時間血糖を測定して反応を見る(旧来法)。

指標 測定時期 正常 境界域 糖尿病域
IFG(, impaired fasting glucose) 食前 <6.1 mM 6.1〜7.0 mM >7.0 mM
IGT(, impaired glucose tolerance) 検査終了時 <7.8 mM 7.8〜11.1 mM >11.1 mM

長期的な平均血糖レベルの指標。持続的な高血糖存在下でHbがグルコースと結合し「」される。糖尿病患者は異常に高いHbA1c値を示す。

インスリン合成由来のペプチド断片で尿中に検出可能、量に対応する。

2型糖尿病

と、のインスリン産生能力の限界を押す食事の有害な影響に関連する。(腹部脂肪)と運動不足に強い相関があり、「」(関連の他の3大症候群:動脈硬化・高血圧・冠動脈疾患)を伴うことが多い。2型DM患者は正常血糖維持に通常の2倍のインスリンを必要とすることがあり、インスリンへの反応障害と組織のインスリン抵抗性が存在する。

のセリンリン酸化: 正常反応ではIRS-1がチロシンキナーゼによりリン酸化される。しかし特定物質(インスリン自体、トリグリセリド、TNFα、、IL6)の存在下ではセリンリン酸化が引き起こされ、シグナル伝達が機能しなくなる=インスリン抵抗性。

⚠️ NIDDM()は最も一般的な内分泌疾患:高インスリン血漿濃度にもかかわらず血漿[グルコース]が上昇する——相対的/インスリン抵抗性。 病因は多因子的(肥満、栄養習慣、など)で不明瞭なことが多いが、高血糖を誘発するホルモン(、GH、T3など)の過剰産生/投与という特異的背景も存在する。疾患進行に伴いは徐々に低下する(β細胞)。

脂肪組織のエネルギー代謝における役割

①トリグリセリド貯蔵。②ペプチドメディエーター(, adipocytokine)の産生——産生はのトリグリセリド含量()を反映する。

効果
抑制(腹部脂肪組織量と正相関)
、TNF、IL6 、インスリン抵抗性を引き起こす(腹部脂肪組織量と正相関)
インスリン抵抗性を軽減、の効果に拮抗(のトリグリセリド含量と負相関)——抗炎症効果を持ち予防に重要

⚠️ 内臓(腹部)肥満はインスリン抵抗性・NIDDM発症に特に重要な意義を持つ(:男性<94cm、女性<80cm)。 腹部脂肪組織由来の・代謝物は門脈経由で高濃度のまま肝臓に到達し、組織より代謝活性(産生・ステロイド代謝)が高い。腹部脂肪組織の11β-HSD1が不活性なコルチゾンをへ変換し、局所的にインスリン抵抗性を促進する点も特徴的。

2型DMの治療

  • 食事: 脂肪組織の脂質含量を減らし、分泌を増加させる(他のインスリンでトリグリセリド↓、インスリン抵抗性↓、・TNFα・IL6分泌↓)。
  • 運動: GLUT4のPMへの転座、筋のグルコース消費↑、血漿[グルコース]↓。
  • スルホニル尿素: KATP阻害→↑。
  • GLP類似体/ジペプチジル阻害薬(GLP分解↓): GLP受容体活性化→↑。
  • TZD(, thiazolidinedione): PPARγを介し分泌を抑制・分泌を刺激→インスリン抵抗性↓。

まとめ

  • β細胞はGLUT2()と(高Km)というペアリングにより「本当に高血糖のときだけ」反応し、ATP産生→KATP閉鎖→脱分極→Ca²⁺流入→という経路でインスリンを分泌する。KATPチャネルはスルホニル尿素(促進)・(抑制)という的介入の共通標的。
  • で、IRS-1/PI3を介しGLUT4のPM転座・・蛋白合成を促す強力なシグナルとして働く。GLUT4はだが、運動時はAMPキナーゼ経由でにも動員される。
  • 1型DMはβによるインスリン欠乏で、筋・脂肪・肝・すべてがインスリンシグナルを欠くことで高血糖とへ至る。2型DMはIRSセリンリン酸化によるインスリン抵抗性が本態で、由来の・TNFα・IL6↑、↓)がその一因となる。