Insulin (fra latin: insula, dvs. øy) er et polypeptid-hormon som produseres av cellegrupper kalt langerhanske øyer i bukspyttkjertelen, og utskilles til blodet avhengig av matinntak og blodsukkernivå. Insulin står sentralt i kroppens sukker-/karbohydrat-/glukose-metabolisme, og underskudd på insulin fører til diabetes mellitus, tidligere kalt sukkersyke. For lite insulin ved diabetes gir høyt blodsukker – hyperglykemi – og for mye insulin ved diabetesbehandling kan gi lavt blodsukker – hypoglykemi, såkalt føling. Insulin fungerer også som et anabolt (vevsbyggende) hormon i fett- og protein-stoffskiftet. På grunn av dette kan mangel på insulin føre til tap av muskel- og fettvev. Vekttap er et vanlig symptom på diabetes mellitus.
Insulin brukes i behandlingen av visse typer diabetes mellitus. Pasienter med Type 1 diabetes, er avhengige av å få tilført insulin ved injeksjoner flere ganger daglig for å overleve på grunn av total mangel på egenprodusert insulin. Pasienter med Type 2 diabetes har enten forholdsvis lav insulinproduksjon, eller har ulike grader av insulinresistens. I en del tilfeller brukes insulin også i behandlingen av Type 2 diabetes når annen medisinering og diett ikke er tilstrekkelig for å regulere blodsukkeret. Bruken av insulin i behandlingen av Type 2 diabetes har økt de senere årene, noe som kan skyldes at gjennomsnittlig debutalder for denne sykdommen blir stadig lavere.
Oppdagelse og karakterisering
I 1869 studerte den tyske medisinstudenten Paul Langerhans strukturen av bukspyttkjertelen gjennom et nytt mikroskop da han la merke til noen tidligere uidentifiserte celler spredt rundt i kjertelvevet. Funksjonen til disse små klumpene med celler, senere kjent som de Langerhanske øyer, var ukjent, men Edouard Laguesse argumenterte for at de utskilte et sekret som var med å regulere fordøyelsen.
I 1889 fjernet den tyske legen Oscar Minkowski bukspyttkjertelen fra en frisk hund for å påvise denne antatte rollen i fordøyelsen. Flere dager etter at hundens bukspyttkjertel var fjernet, oppdaget Bernardo Houssay, Minkowskis dyrepasser, en fluesverm som ernærte seg på hundens urin. Ved nærmere undersøkelse fant de ut at hunden utskilte sukker i urinen, og påviste for første gang sammenhengen mellom bukspyttkjertelen og diabetes mellitus. I 1901 ble et nytt viktig steg tatt av Eugene Opie da han tydelig viste at Diabetes mellitus… er forårsaket av ødeleggelse av de Langerhanske øyer og opptrer kun når disse legemene er delvis eller helt ødelagt. Før dette var båndet mellom bukspyttkjertelen og diabetes åpenbar, men ikke øyenes konkrete egenskaper.
I løpet av de neste to tiårene ble flere forsøk gjort på å isolere sekretet fra øyene som et mulig behandlingsmiddel. I 1906 lyktes Georg Ludwig Zuelzer delvis i å behandle hunder med bukspyttkjertelekstrakt, men fikk dessverre ikke fullført arbeidet sitt. Mellom 1911 og 1912 eksperimenterte E.L. Scott ved University of Chicago med vandige bukspyttkjertelekstrakter og merket seg en svak nedgang i glykosurien, men klarte ikke overbevise sine overordnede og forskningen ble skrinlagt. Israel Kleiner viste lignende effekter ved Rockefeller University i 1919, men han ble avbrutt av første verdenskrig og kunne ikke returnere til arbeidet sitt. Fysiologiprofessor Nicolae Paulescu ved Romanian School of Medicine publiserte lignende arbeid i 1921 som var utført i Frankrike, og rumenerne har siden den gang hevdet at han var den rettmessige oppdageren.
Den praktiske ekstraksjonen av insulin er imidlertid tilskrevet en kanadiske forskergruppe ved University of Toronto i Canada. I oktober 1920 leste kanadiske Frederick Banting en av Minkowskis publikasjoner og konkluderte med at det svært sterke fordøyelsessekretet som Minkowski opprinnelig studerte nedbrøt selve sekretet og umuliggjorde en vellykket ekstraksjon. Han skriblet et notat til seg selv; Underbind hundens bykspyttkjertelganger. Hold hunden i live til kjertelvevet nedbrytes og øyene er igjen. Prøv å isolere det indre sekretet av disse for å behandle glykosuri.
Han reiste til Toronto, Canada for å møte J.J.R. Macleod, som ikke var særlig imponert over ideen. Likevel tildelte han Banting et laboratorium ved universitetet og 10 hunder, samt assistenten Charles Best, mens han selv dro på ferie sommeren 1921. Med bakgrunn i den omtalte ideen klarte Banting og Best å holde liv i en av hundene hele sommeren. Metoden fungerte ved å binde et ligatur (knute av hyssing eller gut) rundt bykspyttkjertelgangene, og ved undersøkelse etter flere uker hadde bykspyttkjertelvevet dødd og blitt absorbert av immunsystemet, mens tusener av øyer var igjen. De isolerte proteinet fra disse øyene og fikk det de kalte isletin.
Macleod så verdien av forskningen da han kom tilbake fra Europa, men krevde en gjentakelse av forsøket for å vise at metoden faktisk virket. Flere uker senere var det andre forsøket også en klar suksess, og han hjalp dem å publisere resultatene privat i Toronto november samme år. De trengte imidlertid 6 uker på å ekstrahere isletinet, noe som forsinket utprøvingen drastisk. Banting foreslo at de skulle prøve å bruke bukspyttkjertel fra kalvefoster, som ikke hadde utviklet fordøyelseskjertler, og han ble lettet da han så at denne metoden virket bra. Da forsyningsproblemet var løst, gjenstod den store oppgaven å renfremstille proteinet. I desember 1921 inviterte Macleod den utmerkede biokjemikeren James Collip for å hjelpe med denne oppgaven, og innen en måned mente han de var klare til utprøving.
11. januar 1922 ble den første injeksjonen med insulin gitt til Leonard Thompson, en 14-årig gutt med diabetes. Uheldigvis var ekstraktet så urent at han fikk en alvorlig allergisk reaksjon, og videre injeksjoner ble avlyst. De neste 12 dagene arbeidet Collip dag og natt for å forbedre ekstraktet, og en ny dose ble injisert 23. januar. Denne var helt vellykket idet både åpenbare bivirkninger uteble, og symptomene på diabetes forsvant. Imidlertid samarbeidet Banting og Best dårlig med Collip da de anså ham for å mele sin egen kake, og Collip forlot snart arenaen.
I løpet av våren 1922 klarte Best å forbedre teknikkene slik at store mengder insulin kunne ekstraheres ved behov, men ekstraktet var fortsatt urent. De hadde imidlertid blitt kontaktet av legemiddelselskapet Eli Lilly med tilbud om hjelp etter sine første publikasjoner i 1921, og i april 1922 takket de ja til dette. I november gjorde Eli Lilly et større gjennombrudd og var da i stand til å produsere store mengder høyrent insulin. Insulin ble tilgjengelig for salg kort tid etter.
For dette forskningsgjennombruddet ble Macleod og Banting tildelt nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1923. Banting ble tydelig fornærmet over at Best ikke var nevnt og delte halve prisen sin med ham, og MacLeod delte straks noe av sin pris med Collip.
Den nøyaktige sekvensen av aminosyrer i insulinmolekylet, den såkalte primærstrukturen, ble påvist av den britiske molekylærbiologen Frederick Sanger. Det var den første primærstrukturen av et protein som var blitt fullstendig bestemt. For dette ble han tildelt nobelprisen i kjemi 1958. Etter tredve års arbeid påviste Dorothy Crowfoot Hodgkin romstrukturen av molekylet i 1967 ved hjelp av røntgendiffraksjonsstudier. Hun ble også tildelt nobelprisen i kjemi.
Struktur og biosyntese
framed|Insulinets biosyntese 1. Preproinsulin (Leder, B-kjede, C-peptid, A-kjede); proinsulin består av BCA uten L. 2. Spontan folding. 3. A- og B-kjedene bindes sammen med disulfidbindinger. 4. Lederen og C-peptidet kuttes bort. 5. Insulinmolekylet gjenstår
Insulin produseres av beta-cellene i de Langerhanske øyer i bukspyttkjertelen (pankreas) hos mennesker og andre pattedyr. En til tre millioner Langerhanske øyer (pankreatiske øyer) utgjør den endokrine del av bukspyttkjertelen, som ellers er en eksokrin kjertel. Den endokrine delen har bare 2% av bukspyttkjertelens totale masse. Innen de Langerhanske øyer utgjør beta-cellene 60-80% av alle cellene.
Humant insulin har empirisk formel C254H377N65O75S6 (se figur øverst) og en molekylvekt på 5734 dalton. Det består av 51 aminosyrer og er et av de minste proteinene som er kjent; kortere proteiner kalles vanligvis polypeptider. Storfeinsulin som først ble brukt i diabetesbehandling skiller seg fra humant insulin bare i to aminosyrer, og svineinsulin som ble brukt frem til slutten på 1980-tallet er forskjellig i en enkelt aminosyre. Fiskeinsulin er også tilstrekkelig lik humant insulin til å være effektivt hos mennesker.
Insulin er bygget opp av 2 polypeptid-kjeder bundet sammen av 2 disulfidbindinger (se figur til høyre og øverst). A-kjeden består av 21 aminosyrer og B-kjeden av 30 aminosyrer. Insulin produseres først som et prohormon – proinsulin – som senere omformes ved proteolyse til det aktive hormonet. Den resterende delen kalles C-peptid. Dette polypeptidet slippes ut i blodet sammen med og i like store mengder som insulinproteinet. Siden kunstig tilført insulin pr. i dag ikke inneholder noe C-peptid, er serumnivået av C-peptid en god indikator på egenproduksjon av insulin. Det er nylig oppdaget at C-peptid i seg selv har en biologisk aktivitet og kanskje hjelper til med å forhindre og helbrede såkalte diabetiske senkomplikasjoner.Creative Peptides er et svensk foretak som forsker på C-peptid i behandling av diabetiske senkomplikasjoner. http://www.creativepeptides.se/
Effekter på cellulært og metabolsk nivå
Effektene av insulin på den totale metabolisme (stoffskiftet) omfatter: cellulært opptak av visse næringsstoffer, i særdeleshet glukose modifisering av aktiviteten til en rekke enzymer (allosterisk effekt) økning i DNA-replikasjon og proteinsyntese
Effektene av insulin på enkeltceller omfatter: økt glykogensyntese – insulin påskynder lagringen av glukose i lever- (og muskel-) celler i form av glykogen; mangel på insulin gjør at leveren omdanner glykogen til glukose og slipper det ut i blodet. Dette er den kliniske effekten av insulin som er nyttig ved behandling av høyt blodsukker ved diabetes økt fettsyresyntese – insulin gjør at fettceller tar opp glukose som omdannes til fettsyrer; mangel på insulin fører omvendt til nedbrytning av fettsyrer og dannelse av ketoner som kan påvises i urin og pust (aceton-ånde), og kan medføre ketoacidose (syreforgiftning) økt forestring av fettsyrer – insulin gjør at fettceller lager triglyserider (fett) fra fettsyrer og glyserol; mangel på insulin fører til det motsatte nedsatt proteinolyse – insulin reduserer nedbrytningen av proteiner; mangel på insulin øker proteinnedbrytningen nedsatt lipolyse – insulin reduserer omdannelsen av fettlagrene i fettceller til frie fettsyrer i blodet; mangel på insulin fører til det motsatte nedsatt glukoneogenese – insulin reduserer glukoseproduksjonen fra ulike substrater i leveren; mangel på insulin medfører økt glukoseproduksjon fra diverse substrater i leveren og ellers økt aminosyreopptak – insulin gjør at celler tar opp aminosyrer fra blodet; mangel på insulin hemmer dette opptaket økt kaliumopptak – insulin gjør at celler tar opp kalium fra blodet; mangel på insulin hemmer dette opptaket, arteriell muskelspenning – insulin gjør at arterienes muskellag slapper av og øker blodstrømmen, særlig i mikroskopiske arterier; mangel på insulin reduserer blodstrømmen og øker blodtrykket ved at disse musklene trekker seg sammen.
Blodsukkerregulerende effekt