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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上胰島素和胰高血糖素對血糖的調(diào)節(jié)及其相互作用Effect of interaction between insulin and glucagon on blood glucose曹祥華 (安徽懷寧 懷寧縣高河中學(xué) )王文芳 (山東陽谷 陽谷縣第三中學(xué) )中國圖書分類號:Q45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C摘要:本文從2013年江蘇高考題生物卷第30題出發(fā),深入探討胰島素和胰高血糖素對血糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制;人教版生物教材的新舊版本,以及浙科版的教材針對“胰島素和胰高血糖素分泌的相互作用”的論述存在諸

2、多矛盾之處。本文將就相關(guān)問題的疑惑做出解答。關(guān)鍵詞:胰島素 胰高血糖素 血糖調(diào)節(jié) 相互作用第一作者姓名:曹祥華性別:男籍貫:安徽懷寧出生年月:1980年12月學(xué)歷:大學(xué)本科職稱:中教二級工作單位:懷寧縣高河中學(xué)聯(lián)系電話:郵寄地址:安徽省懷寧縣高河中學(xué)教務(wù)處郵編:E-mail:第二作者姓名:王文芳性別:女籍貫:山東陽谷出生年月:1968年8月學(xué)歷:大學(xué)本科職稱:中教高級工作單位:陽谷縣第三中學(xué)聯(lián)系電話:郵寄地址:山東省陽谷縣第三中學(xué)郵編:E-mail:胰島素和胰高血糖素對血糖的調(diào)節(jié)及其相互作用Effect of interaction between in

3、sulin and glucagon on blood glucose曹祥華 (安徽懷寧 懷寧縣高河中學(xué) )王文芳 (山東陽谷 陽谷縣第三中學(xué) )中國圖書分類號:Q45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C摘要:本文從2013年江蘇高考題生物卷第30題出發(fā),深入探討胰島素和胰高血糖素對血糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制,以及血糖調(diào)節(jié)異常即糖尿病的發(fā)病機(jī)理;人教版生物教材的新舊版本,以及浙科版的教材針對“胰島素和胰高血糖素分泌的相互作用”的論述存在諸多矛盾之處。本文就相關(guān)問題的疑惑做出解答。關(guān)鍵詞:胰島素 胰高血糖素 血糖調(diào)節(jié) 相互作用舊人教版生物教材選修全一冊在講到血糖平衡的調(diào)節(jié)時

4、,著重強(qiáng)調(diào)了胰島素和胰高血糖素的相互作用(見教材第9頁插圖16),據(jù)圖分析可知胰高血糖素促進(jìn)胰島素的分泌,而胰島素會抑制胰高血糖素的分泌;而浙科版生物教材必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境第39頁中提到:“血糖濃度下降(低于80mg/100ml)和胰島素分泌增加都可以直接作用于胰島A細(xì)胞引起胰高血糖素的分泌,血糖濃度上升和胰島素分泌降低則使A細(xì)胞的分泌減少?!眱烧叩拿苤幙梢娨话摺6氯私贪鎱s沒有關(guān)于胰島素和胰高血糖素相互作用的內(nèi)容論述。為什么會出現(xiàn)這樣的變化呢?這要從血糖平衡的調(diào)節(jié)機(jī)制說起。1. 血糖平衡的調(diào)節(jié)機(jī)制1.1對血糖升高的調(diào)節(jié)B細(xì)胞對血糖濃度變化非常敏感,血糖水平低于50 mg/100ml時胰島素

5、分泌極少或無分泌,血糖水平高于250 mg/100ml時胰島素分泌達(dá)到最大限度。攝食以后,血糖濃度會迅速升高,作為信號直接刺激胰島B細(xì)胞分泌胰島素;或者引起下丘腦興奮,通過迷走神經(jīng)作用于胰島B細(xì)胞,刺激胰島素的分泌;并且某些氨基酸或激素也能導(dǎo)致胰島素的分泌增加,如:精氨酸和賴氨酸,以及胃腸道分泌的促胃液素、促胰液素等。在持續(xù)高血糖的刺激下,胰島素的分泌可分為三個階段:血糖升高5min內(nèi),胰島素的分泌可增加約10倍,主要來源于B細(xì)胞貯存的激素釋放,因此持續(xù)時間不長,510min后胰島素的分泌便下降50;血糖升高15min后,出現(xiàn)胰島素分泌的第二次增多,在23h達(dá)高峰,并持續(xù)較長的時間,分泌速率也

6、遠(yuǎn)大于第一相,這主要是激活了B細(xì)胞胰島素合成酶系,促進(jìn)了合成與釋放;倘若高血糖持續(xù)一周左右,胰島素的分泌可進(jìn)一步增加,這是由于長時間的高血糖刺激B細(xì)胞增生而引起的。近年的研究表明,幾乎體內(nèi)所有細(xì)胞的膜上都有胰島素受體4。葡萄糖的跨膜運輸包括兩種方式:其一,依賴于鈉鉀泵所建立的離子勢能所進(jìn)行的繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運,如小腸絨毛上皮細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞。其二,通過葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT)的協(xié)助擴(kuò)散。葡萄糖轉(zhuǎn)運體包含多種類型GLUT1-GLUT7等,而胰島素主要作用于GLUT4,并且不是通過誘導(dǎo)GLUT數(shù)量的增加,而是誘導(dǎo)6-磷酸激酶使磷酸化葡萄糖增加,促使細(xì)胞內(nèi)葡萄糖濃度下降,葡萄糖易通過協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞

7、內(nèi)。當(dāng)胰島素與其受體結(jié)合以后,促進(jìn)組織細(xì)胞對葡萄糖的攝取和利用;加速葡萄糖合成為糖原,貯存于肝臟和肌肉中,并抑制糖異生;促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅?,貯存于脂肪組織,抑制脂肪的分解;促進(jìn)氨基酸主動轉(zhuǎn)運進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),直接作用于核糖體加速蛋白質(zhì)的合成,并抑制蛋白質(zhì)的分解,從而導(dǎo)致血糖水平下降。1.2對血糖降低的調(diào)節(jié)當(dāng)血糖水平降低時,胰高血糖素分泌增加;血液中氨基酸增多,也能促進(jìn)胰高血糖素的分泌。蛋白餐后,血液中吸收大量氨基酸,既促進(jìn)胰島素的釋放,又刺激了胰高血糖素的分泌。胰高血糖素抵消了胰島素的作用,又促進(jìn)了葡萄糖的異生,使血糖水平升高,這對于防止低血糖具有重要的生理意義。胰高血糖素的靶細(xì)胞主要是肝細(xì)胞。

8、胰高血糖素能強(qiáng)烈地促進(jìn)糖原分解和葡萄糖異生,使血糖明顯升高;并且促進(jìn)脂肪分解,加速氨基酸進(jìn)入肝細(xì)胞,脫氨基轉(zhuǎn)化成糖。1.3血糖調(diào)節(jié)異常:糖尿病的發(fā)病機(jī)理關(guān)于糖尿病的發(fā)病機(jī)理仍然存在很多未知領(lǐng)域,基于人們現(xiàn)階段對糖尿病的認(rèn)識將糖尿病劃分為兩種類型(型和型)。型糖尿病主要與自身免疫有關(guān),在自身免疫系統(tǒng)的攻擊下大量的胰島B細(xì)胞被破壞,大大降低了胰島合成和分泌胰島素的能力,胰島素分泌不足,故又被稱為胰島素依賴性糖尿病;型糖尿病的發(fā)病機(jī)理:多年研究表明,胰島素抵抗和B細(xì)胞功能障礙是型糖尿病發(fā)病的兩大機(jī)制5。所謂胰島素抵抗是指組織細(xì)胞對胰島素的敏感性下降,這種異常以胰島素受體后信號傳導(dǎo)障礙為主。盡管胰島素

9、抵抗存在于型糖尿病人群中,但同時也以同樣程度存在于許多并無糖尿病的人群中,該人群可有或無代謝綜合征,因而單獨胰島素抵抗不可能是型糖尿病的決定性致病因素,日益增多的事實表明,胰島特別是胰島B細(xì)胞的異常可能是型糖尿病發(fā)病的中心環(huán)節(jié)。換句話說,胰島素抵抗是型糖尿病發(fā)生的始動因素,而胰島B細(xì)胞功能正常與否則是型糖尿病是否發(fā)生的決定因素;胰島素抵抗的發(fā)生啟動了型糖尿病的發(fā)病歷程,但如果胰島B細(xì)胞能保持其代償能力型糖尿病并不會發(fā)生,然而胰島細(xì)胞因長期過度代償而衰竭,其代償能力逐漸下降,糖代謝進(jìn)一步惡化,血糖升高達(dá)到糖尿病水平,則型糖尿病逐漸發(fā)生。2胰島素和胰高血糖素的相互作用胰島素和胰高血糖素是兩種具有拮

10、抗作用的激素。王玢和左明雪在人體及動物生理學(xué)中認(rèn)為“胰島素抑制胰高血糖素的分泌,胰高血糖素卻可促進(jìn)胰島素的分泌”。例如:血糖升高促進(jìn)胰島素釋放,同時抑制胰高血糖素分泌,而胰島素又可以直接抑制胰高血糖素的分泌,二者相互增強(qiáng),使胰高血糖素分泌顯著受到抑制,這樣胰島素得以更有效的發(fā)揮作用3。舊人教版教材關(guān)于胰島素和胰高血糖素相互作用的論述顯然與上述內(nèi)容相吻合。但是浙科版教材和2013年江蘇高考題生物卷第30題為什么會認(rèn)為胰島素能促進(jìn)胰高血糖素的分泌呢?21胰島素抑制胰高血糖素分泌的機(jī)制圖1:胰高血糖素的分泌機(jī)制1胰高血糖素的分泌需要一個完整的去極化級聯(lián)(如圖1),低血糖時,細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP比值降

11、低,促使ATP敏感性K+通道(KATP channel)打開,K+外流至膜內(nèi)電位達(dá)到-60mV時關(guān)閉,此時刺激T型Ca2+通道打開,Ca2+內(nèi)流使胰島A細(xì)胞去極化,從而啟動Na+通道開放,Na+內(nèi)流導(dǎo)致胰島A細(xì)胞進(jìn)一步去極化,因而激活L型或N型Ca2+通道致使Ca2+持續(xù)內(nèi)流。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增大時,觸發(fā)胰高血糖素通過胞吞作用釋放。最后,電壓門控K+通道(KDR channel)打開,K+外流而復(fù)極化。如圖2所示:胰島素對胰高血糖素的抑制機(jī)制主要通過三個途徑完成的。首先,胰島素能降低胰島A細(xì)胞ATP敏感性K+通道的靈敏度K+持續(xù)外流,從而導(dǎo)致胰島A細(xì)胞超極化(細(xì)胞內(nèi)更負(fù)),這樣使胰島A細(xì)胞

12、的去極化變得十分困難,動作電位停止產(chǎn)生,Ca2+無法內(nèi)流而致使胰高血糖素的分泌受到抑制;其次,胰島素與胰島A細(xì)胞膜表面的受體(IR)結(jié)合促進(jìn)-氨基丁酸的受體(GABAAR)的膜轉(zhuǎn)運,然后在胰島B細(xì)胞分泌的-氨基丁酸(GABA)的作用下,增強(qiáng)了GABAAR介導(dǎo)的氯離子內(nèi)流,負(fù)電荷被帶到膜內(nèi)也能使胰島A細(xì)胞超級化;最后,胰島素能抑制胰高血糖素基因的轉(zhuǎn)錄,這種機(jī)制是一種長效機(jī)制。圖2:胰島素抑制胰高血糖素分泌的三種途徑122胰高血糖素促進(jìn)胰島素的分泌圖3:胰島素分泌的調(diào)控機(jī)制2胰島B細(xì)胞膜上ATP敏感性K+通道(KATP channel)的開啟和關(guān)閉控制著胰島素的分泌。KATP通道的開放維持著B細(xì)胞

13、的靜息電位,進(jìn)食后高血糖使細(xì)胞內(nèi)糖代謝增加,胰島B細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP比例升高,細(xì)胞膜上的KATP通道關(guān)閉,細(xì)胞膜去極化,當(dāng)膜電位達(dá)到一定閾值時,膜上的電壓依賴性鈣通道(L型Ca2+通道)迅速開放,Ca2+內(nèi)流,觸發(fā)胰島素分泌。胰島素的分泌除了受Ca2+濃度影響的同時,也受細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度的限制。如圖3胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)能與A細(xì)胞表面的受體結(jié)合,使腺苷酸環(huán)化酶活性增強(qiáng),細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度升高,從而促進(jìn)胰島素的分泌。而胰高血糖素與胰島B細(xì)胞膜上的受體(GCGR)結(jié)合也能激發(fā)類似的途徑。23關(guān)于“胰島素促進(jìn)胰高血糖素分泌”的討論從以上信號通路分析,胰島素顯然不具有促進(jìn)胰高血糖素分泌

14、的功能。有趣的是當(dāng)攝食以后,正常人的血液胰高血糖素含量先基本不變?nèi)缓蠹眲∠陆?,而糖尿病患者的胰高血糖素在短時間內(nèi)具有很大幅度的升高。如表1所示:正常對照組和糖尿病組進(jìn)食75g葡萄糖后血液中胰高血糖素和胰島素水平的比較,相對于正常對照組而言糖尿病組進(jìn)食后胰高血糖素升高的更為明顯7。這是不是就能夠說明胰島素能促進(jìn)胰高血糖素的分泌呢?糖尿病患者首先出現(xiàn)胰島素抵抗,接著其代償性分泌增多的胰島素本應(yīng)該作為信號抑制胰高血糖素的分泌;然而由于胰島A細(xì)胞的胰島素抵抗6使葡萄糖不能充分進(jìn)入胰島A細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)葡萄糖減少使ATP/ADP比例降低,細(xì)胞膜上的KATP通道打開,引起胰島A細(xì)胞去極化級聯(lián),胰高血糖素分泌增

15、加。另外,可能是由于自身免疫導(dǎo)致的胰島A細(xì)胞上的胰島素受體數(shù)目減少8,致使胰島A細(xì)胞對胰島素的敏感性下降,從而無法啟動胰島素抑制胰高血糖素分泌的三條途徑。這兩方面因素使糖尿病患者餐后血胰高血糖素?zé)o法得到抑制而比正常人更明顯的反常性升高。在大量的胰高血糖素的作用下血糖水平會進(jìn)一步升高,接著刺激胰島B細(xì)胞分泌更多的胰島素,惡性循環(huán)久而久之就會造成胰島B細(xì)胞數(shù)量的減少和胰島功能衰竭,最終胰島素的分泌量達(dá)不到控制血糖的目的。大量實驗證據(jù)表明,胰島素對胰高血糖素分泌的抑制不足是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療和預(yù)防糖尿病的新靶點。綜上所述,在正常個體進(jìn)食后,胰島素水平迅速增加,

16、胰高血糖素水平下降,這些激素改變是為將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,其主要原因是胰島A細(xì)胞的胰島素抵抗使葡萄糖難以進(jìn)入胰島A細(xì)胞,高血糖卻不能使胰島A細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖的水平上升,ATP/ADP下降引起胰高血糖素分泌的去極化級聯(lián);或自身免疫引起的胰島A細(xì)胞表面的胰島素受體減少,無法啟動胰島素抑制胰高血糖素分泌的三條途徑。也就是說胰島素是不能直接促進(jìn)胰高血糖素的分泌的,所以浙科版教材和2013年江蘇高考題生物卷第30題關(guān)于“胰島素濃度的升高和血糖濃度的降低會促進(jìn)胰高血糖素的分泌”的描述是有問題的。舊人教版關(guān)于胰島素和胰高血糖素相互作用的論述是正確的,但沒有展開討論,可

17、能是因為要弄清兩者的信號通路對高中生的認(rèn)知水平來說要求還是過高了。關(guān)于此知識點學(xué)生只能知其然而不能知其所以然,掌握此知識點只能靠記憶意義不大,這可能新版教材刪除此內(nèi)容的原因。主要參考文獻(xiàn)1 Pritpal Bansal and Qinghua Wang. Insulin as a physiological modulator of glucagon secretion, Am J Physiol Endocrinol Metab295:E751-E761, 2008; irstpublishedJuly22,2008;doi:10.1152/ajpendo.90295.2008.2 Jens

18、 Juul Holst , Jesper Gromada. Role of incretin hormones in the regulation of insulin secretion in diabetic and nondiabetic humans, American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism Published1August 2004Vol. 287no. E199-E206DOI: 10.1152/ajpendo.00545.20033 王玢 左明雪人體及動物生理學(xué).北京:高等教育出版社,20017 第二版 :393-395; 4 姚泰 羅自強(qiáng).生理學(xué). 北京:人民衛(wèi)生出版社,2001年第一版:482486;

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