胰岛素和胰高血糖素对血糖的调节及其相互作用

胰岛素和胰高血糖素对血糖的调节及其相互作用Effectofinteractionbetweeninsulinandglucagononbloodglucose曹祥华（安徽怀宁怀宁县高河中学246121）王文芳（山东阳谷阳谷县第三中学252300）中国图书分类号：Q45文献标识码：C摘要：本文从2013年江苏高考题生物卷第30题出发，深入探讨胰岛素和胰高血糖素对血糖稳态的调节机制；人教版生物教材的新旧版本，以及浙科版的教材针对“胰岛素和胰高血糖素分泌的相互作用”的论述存在诸多矛盾之处。本文将就相关问题的疑惑做出解答。关键词：胰岛素胰高血糖素血糖调节相互作用第一作者姓名：曹祥华性别：男籍贯：安徽怀宁出生年月：1980年12月学历：大学本科职称：中教二级工作单位：怀宁县高河中学联系电话：[phone]邮寄地址：安徽省怀宁县高河中学教务处邮编：246121E-mail:[e-mail]第二作者姓名：王文芳性别：女籍贯：山东阳谷出生年月：1968年8月学历：大学本科职称：中教高级工作单位：阳谷县第三中学联系电话：[phone]邮寄地址：山东省阳谷县第三中学邮编：252300E-mail:[e-mail]胰岛素和胰高血糖素对血糖的调节及其相互作用Effectofinteractionbetweeninsulinandglucagononbloodglucose曹祥华（安徽怀宁怀宁县高河中学246121）王文芳（山东阳谷阳谷县第三中学252300）中国图书分类号：Q45文献标识码：C摘要：本文从2013年江苏高考题生物卷第30题出发，深入探讨胰岛素和胰高血糖素对血糖稳态的调节机制，以及血糖调节异常即糖尿病的发病机理；人教版生物教材的新旧版本，以及浙科版的教材针对“胰岛素和胰高血糖素分泌的相互作用”的论述存在诸多矛盾之处。本文就相关问题的疑惑做出解答。关键词：胰岛素胰高血糖素血糖调节相互作用旧人教版生物教材选修全一册在讲到血糖平衡的调节时，着重强调了胰岛素和胰高血糖素的相互作用（见教材第9页插图1–6），据图分析可知胰高血糖素促进胰岛素的分泌，而胰岛素会抑制胰高血糖素的分泌；而浙科版生物教材必修3《稳态与环境》第39页中提到：“血糖浓度下降（低于80mg/100ml）和胰岛素分泌增加都可以直接作用于胰岛A细胞引起胰高血糖素的分泌，血糖浓度上升和胰岛素分泌降低则使A细胞的分泌减少。”两者的矛盾之处可见一斑。而新人教版却没有关于胰岛素和胰高血糖素相互作用的内容论述。为什么会出现这样的变化呢？这要从血糖平衡的调节机制说起。1.血糖平衡的调节机制1.1对血糖升高的调节B细胞对血糖浓度变化非常敏感，血糖水平低于50mg/100ml时胰岛素分泌极少或无分泌，血糖水平高于250mg/100ml时胰岛素分泌达到最大限度。摄食以后，血糖浓度会迅速升高，作为信号直接刺激胰岛B细胞分泌胰岛素；或者引起下丘脑兴奋，通过迷走神经作用于胰岛B细胞，刺激胰岛素的分泌；并且某些氨基酸或激素也能导致胰岛素的分泌增加，如：精氨酸和赖氨酸，以及胃肠道分泌的促胃液素、促胰液素等。在持续高血糖的刺激下，胰岛素的分泌可分为三个阶段：血糖升高5min内，胰岛素的分泌可增加约10倍，主要来源于B细胞贮存的激素释放，因此持续时间不长，5～10min后胰岛素的分泌便下降50％；血糖升高15min后，出现胰岛素分泌的第二次增多，在2～3h达高峰，并持续较长的时间，分泌速率也远大于第一相，这主要是激活了B细胞胰岛素合成酶系，促进了合成与释放；倘若高血糖持续一周左右，胰岛素的分泌可进一步增加，这是由于长时间的高血糖刺激B细胞增生而引起的。近年的研究表明，几乎体内所有细胞的膜上都有胰岛素受体[4]。葡萄糖的跨膜运输包括两种方式：其一，依赖于钠钾泵所建立的离子势能所进行的继发性主动转运，如小肠绒毛上皮细胞和肾小管上皮细胞。其二，通过葡萄糖转运体（GLUT）的协助扩散。葡萄糖转运体包含多种类型GLUT1-GLUT7等，而胰岛素主要作用于GLUT4,并且不是通过诱导GLUT数量的增加，而是诱导6-磷酸激酶使磷酸化葡萄糖增加，促使细胞内葡萄糖浓度下降，葡萄糖易通过协助扩散进入细胞内。当胰岛素与其受体结合以后，促进组织细胞对葡萄糖的摄取和利用；加速葡萄糖合成为糖原，贮存于肝脏和肌肉中，并抑制糖异生；促进葡萄糖转变为脂肪酸，贮存于脂肪组织，抑制脂肪的分解；促进氨基酸主动转运进入细胞内，直接作用于核糖体加速蛋白质的合成，并抑制蛋白质的分解，从而导致血糖水平下降。1.2对血糖降低的调节当血糖水平降低时，胰高血糖素分泌增加；血液中氨基酸增多，也能促进胰高血糖素的分泌。蛋白餐后，血液中吸收大量氨基酸，既促进胰岛素的释放，又刺激了胰高血糖素的分泌。胰高血糖素抵消了胰岛素的作用，又促进了葡萄糖的异生，使血糖水平升高，这对于防止低血糖具有重要的生理意义。胰高血糖素的靶细胞主要是肝细胞。胰高血糖素能强烈地促进糖原分解和葡萄糖异生，使血糖明显升高；并且促进脂肪分解，加速氨基酸进入肝细胞，脱氨基转化成糖。1.3血糖调节异常：糖尿病的发病机理关于糖尿病的发病机理仍然存在很多未知领域，基于人们现阶段对糖尿病的认识将糖尿病划分为两种类型（Ⅰ型和Ⅱ型）。Ⅰ型糖尿病主要与自身免疫有关，在自身免疫系统的攻击下大量的胰岛B细胞被破坏，大大降低了胰岛合成和分泌胰岛素的能力，胰岛素分泌不足，故又被称为胰岛素依赖性糖尿病；Ⅱ型糖尿病的发病机理：多年研究表明，胰岛素抵抗和B细胞功能障碍是Ⅱ型糖尿病发病的两大机制[5]。所谓胰岛素抵抗是指组织细胞对胰岛素的敏感性下降，这种异常以胰岛素受体后信号传导障碍为主。尽管胰岛素抵抗存在于Ⅱ型糖尿病人群中，但同时也以同样程度存在于许多并无糖尿病的人群中，该人群可有或无代谢综合征，因而单独胰岛素抵抗不可能是Ⅱ型糖尿病的决定性致病因素，日益增多的事实表明，胰岛特别是胰岛B细胞的异常可能是Ⅱ型糖尿病发病的中心环节。换句话说，胰岛素抵抗是Ⅱ型糖尿病发生的始动因素，而胰岛B细胞功能正常与否则是Ⅱ型糖尿病是否发生的决定因素;胰岛素抵抗的发生启动了Ⅱ型糖尿病的发病历程，但如果胰岛B细胞能保持其代偿能力Ⅱ型糖尿病并不会发生，然而胰岛细胞因长期过度代偿而衰竭，其代偿能力逐渐下降，糖代谢进一步恶化，血糖升高达到糖尿病水平，则Ⅱ型糖尿病逐渐发生。2．胰岛素和胰高血糖素的相互作用胰岛素和胰高血糖素是两种具有拮抗作用的激素。王玢和左明雪在《人体及动物生理学》中认为“胰岛素抑制胰高血糖素的分泌，胰高血糖素却可促进胰岛素的分泌”。例如：血糖升高促进胰岛素释放，同时抑制胰高血糖素分泌，而胰岛素又可以直接抑制胰高血糖素的分泌，二者相互增强，使胰高血糖素分泌显著受到抑制，这样胰岛素得以更有效的发挥作用[3]。旧人教版教材关于胰岛素和胰高血糖素相互作用的论述显然与上述内容相吻合。但是浙科版教材和2013年江苏高考题生物卷第30题为什么会认为胰岛素能促进胰高血糖素的分泌呢？2．1胰岛素抑制胰高血糖素分泌的机制图1：胰高血糖素的分泌机制[1]胰高血糖素的分泌需要一个完整的去极化级联（如图1），低血糖时，细胞内ATP/ADP比值降低，促使ATP敏感性K+通道（KATPchannel）打开，K+外流至膜内电位达到-60mV时关闭，此时刺激T型Ca2+通道打开，Ca2+内流使胰岛A细胞去极化，从而启动Na+通道开放，Na+内流导致胰岛A细胞进一步去极化，因而激活L型或N型Ca2+通道致使Ca2+持续内流。当细胞内Ca2+浓度增大时，触发胰高血糖素通过胞吞作用释放。最后，电压门控K+通道（KDRchannel）打开，K+外流而复极化。如图2所示：胰岛素对胰高血糖素的抑制机制主要通过三个途径完成的。首先，胰岛素能降低胰岛A细胞ATP敏感性K+通道的灵敏度K+持续外流，从而导致胰岛A细胞超极化（细胞内更负），这样使胰岛A细胞的去极化变得十分困难，动作电位停止产生，Ca2+无法内流而致使胰高血糖素的分泌受到抑制；其次，胰岛素与胰岛A细胞膜表面的受体（IR）结合促进γ-氨基丁酸的受体（GABAAR）的膜转运，然后在胰岛B细胞分泌的γ-氨基丁酸（GABA）的作用下，增强了GABAAR介导的氯离子内流，负电荷被带到膜内也能使胰岛A细胞超级化；最后，胰岛素能抑制胰高血糖素基因的转录，这种机制是一种长效机制。图2：胰岛素抑制胰高血糖素分泌的三种途径[1]2．2胰高血糖素促进胰岛素的分泌图3：胰岛素分泌的调控机制[2]胰岛B细胞膜上ATP敏感性K+通道（KATPchannel）的开启和关闭控制着胰岛素的分泌。KATP通道的开放维持着B细胞的静息电位，进食后高血糖使细胞内糖代谢增加，胰岛B细胞内ATP/ADP比例升高，细胞膜上的KATP通道关闭，细胞膜去极化，当膜电位达到一定阈值时，膜上的电压依赖性钙通道(L型Ca2+通道)迅速开放，Ca2+内流，触发胰岛素分泌。胰岛素的分泌除了受Ca2+浓度影响的同时，也受细胞内cAMP浓度的限制。如图3胰高血糖素样肽-1（GLP-1）能与A细胞表面的受体结合，使腺苷酸环化酶活性增强，细胞内cAMP浓度升高，从而促进胰岛素的分泌。而胰高血糖素与胰岛B细胞膜上的受体（GCGR）结合也能激发类似的途径。2．3关于“胰岛素促进胰高血糖素分泌”的讨论从以上信号通路分析，胰岛素显然不具有促进胰高血糖素分泌的功能。有趣的是当摄食以后，正常人的血液胰高血糖素含量先基本不变然后急剧下降，而糖尿病患者的胰高血糖素在短时间内具有很大幅度的升高。如表1所示：正常对照组和糖尿病组进食75g葡萄糖后血液中胰高血糖素和胰岛素水平的比较，相对于正常对照组而言糖尿病组进食后胰高血糖素升高的更为明显[7]。这是不是就能够说明胰岛素能促进胰高血糖素的分泌呢？糖尿病患者首先出现胰岛素抵抗，接着其代偿性分泌增多的胰岛素本应该作为信号抑制胰高血糖素的分泌；然而由于胰岛A细胞的胰岛素抵抗[6]使葡萄糖不能充分进入胰岛A细胞，细胞内葡萄糖减少使ATP/ADP比例降低，细胞膜上的KATP通道打开，引起胰岛A细胞去极化级联，胰高血糖素分泌增加。另外，可能是由于自身免疫导致的胰岛A细胞上的胰岛素受体数目减少[8]，致使胰岛A细胞对胰岛素的敏感性下降，从而无法启动胰岛素抑制胰高血糖素分泌的三条途径。这两方面因素使糖尿病患者餐后血胰高血糖素无法得到抑制而比正常人更明显的反常性升高。在大量的胰高血糖素的作用下血糖水平会进一步升高，接着刺激胰岛B细胞分泌更多的胰岛素，恶性循环久而久之就会造成胰岛B细胞数量的减少和胰岛功能衰竭，最终胰岛素的分泌量达不到控制血糖的目的。大量实验证据表明，胰岛素对胰高血糖素分泌的抑制不足是Ⅱ型糖尿病的另一重要原因[6]。因此抑制胰高血糖素升高可能是治疗和预防糖尿病的新靶点。综上所述，在正常个体进食后，胰岛素水平迅速增加，胰高血糖素水平下降，这些激素改变是为将餐后血糖升幅降至最小。然而，糖尿病患者餐后胰高血糖素分泌上升，其主要原因是胰岛A细胞的胰岛素抵抗使葡萄糖难以进入胰岛A细胞，高血糖却不能使胰岛A细胞内的葡萄糖的水平上升，ATP/ADP下降引起胰高血糖素分泌的去极化级联；或自身免疫引起的胰岛A细胞表面的胰岛素受体减少，无法启动胰岛素抑制胰高血糖素分泌的三条途径。也就是说胰岛素是不能直接促进胰高血糖素的分泌的，所以浙科版教材和2013年江苏高考题生物卷第30题关于“胰岛素浓度的升高和血糖浓度的降低会促进胰高血糖素的分泌”的描述是有问题的。旧人教版关于胰岛素和胰高血糖素相互作用的论述是正确的，但没有展开讨论，可能是因为要弄清两者的信号通路对高中生的认知水平来说要求还是过高了。关于此知识点学生只能知其然而不能知其所以然，掌握此知识点只能靠记忆意义不大，这可能新版教材删除此内容的原因。主要参考文献[1]PritpalBansalandQinghuaWang.Insulinasaphysiologicalmodulatorofglucagonsecretion,AmJPhysiolEndocrinolMetab295:E75