Insulin và bệnh tiểu đường

1.1. Lịch sử nghiên cứu insulin

Bệnh tiểu đường được mô tả lần đầu tiên và được ghi lại trên bia mộ của Thebes (Ai cập) từ khoảng năm 3000-1500 trước công nguyên.

Năm 1893 Hédon đã chứng minh vai trò quan trọng của tuyến tụy trong bệnh tiểu đường.

Năm 1901, Opie chứng minh được mối liên hệ trực tiếp giữa bệnh tiểu đường và sự hư hỏng tiểu đảo Langerhans trên tụy tạng, củng cố giả thuyết cho rằng có sợ tiết nội tiết bởi tiểu phần Langerhans của tụy tạng có chức năng ngăn ngừa bệnh tiểu đường. Từ đó nhiều nhà khoa học đã cố gắng phân lập những hợp chất từ tụy tạng cố khả năng tộ được bệnh tiểu đường.

Năm 1922, Macleod chinh thức công bố sự khám phá ra insulin.

Năm 1955, Fredick Sanger xác định trình tự amino acid của insulin.

Năm 1979, insulin được sản xuất bằng phương pháp tái tổ hợp và được thương mại hóa vào năm 1982, trở thành protein tái tổ hợp đầu tiên được sản xuất bằng phương pháp này và được sử dụng cho mục đích trị liệu

1.2. Cấu tạo Insulin

Insulin là một hormon protein do các tế bào beta của tiểu đảo Langerhans trong tuyến tụy sinh ra.

Hình  1.1 Vị trí và cấu trúc của tuyến tụy [1]

Phân tử protein insulin tương đối nhỏ, có khối lượng khoảng 6000 Dalton (Da), được cấu tạo bởi 2 chuỗi polypeptid A và B. Các chuỗi A và B liên kết với nhau bẳng các cầu disulfua, ngoài ra còn có một cầu disulfua nữa nằm trong chuỗi A. Ở hầu hết các loài, chuỗi A bao gồm 21 acid amin còn chuỗi B có 30 acid amin.

Mặc dù trình tự acid amin của insulin khác nhau giữa các loài nhưng một số đoạn nhất định cùa phân tử lại có tính bảo tồn cao, các đoạn đó có chứa vị trí của 3 cầu disulfua, cả hai đầu của chuỗi A và các nhánh bên của đầu COOH của chuỗi B.

Sự tương đồng trong trình tự acid amin dẫn đến cấu trúc 3 chiều của insulin ớ các loài khác nhau rất giống nhau. Insulin tách chiết từ một động vật có khả năng hoạt động sinh học cao trong nhiều loài khác. Các phân tử insulin có xu hướng tạo thành dạng dime trong dung dịch do hình thành các liên kết hydro giữa các đầu COOH của các chuỗi B. Ngoài ra, khi cỏ mặt các ion kẽm, các dime insulin liên kết tạo thành hexame. Các mối tương tác này có ý nghĩa rất quan trọng trong điều trị. Dạng monome và dạng dime dễ dàng khuếch tán vào máu, trong khi đó dạng hexame khuếch tán rất kém. Do đó, sự hấp thụ các thuốc chứa hàm lượng hexame cao thường bị chậm và ngừng hẳn. Vấn đề này đã thúc đẩy sự ra đời của một sổ loại chất insulin tái tổ hợp. Loại chất đầu tiên như thế được bán trên thị trường là insulin lispro, phân tử chất này có trật tự lysin và prolin trên đầu COOH của chuỗi B bị đảo ngược; sự cải biến đó không làm mất khả năng gắn với thụ thể của insulin nhưng làm giảm tối đa khuynh hướng hình thành dạng dime và hexame.[2]

Hình  1.3 Cấu trúc 3 chiều của Insulin [3]

1.3. Vai trò sinh học của insulin [2]

Insulin là một trong những hormon điều hòa nồng độ glucose trong máu. Chức năng cân bằng nội môi và năng lượng sinh học này cực kỳ quan trọng bởi vì glucose là nguồn nhiên liệu chính của hô hấp tế bào và nguồn khung cacbon quyết định cần cho tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Cân bàng trao đổi chất phụ thuộc vào việc duy trì glucose máu ở gần một điểm ổn định, khoảng 90mg/ml ở người.

1.3.1. Insulin và trao đổi hydratcacbon

Glucose được giải phóng từ tinh bột, saccharose, v.v... nhờ thủy phân khi tiêu hóa thức ân, sau đó được hấp thụ vào máu ở ruột non, Nồng độ glucose cao trong máu kích hoạt sự giải phỏng insulin và insulin hoạt động trong cấc tế bào khắp cơ thể nhằm thúc đẩy sự hấp thụ, sử dụng và dự trữ glucose. Tác động của insulin lên trao đổi glucose thay đôi tùy theo mô đích.

Các phân tử insulin tuần hoàn trong dòng máu cho tới khi chúng gắn với thụ thể của chúng trên màng tế bào. Khi đó, phức hợp thụ thể-insulin khởi phát một chuồi truyền tín hiệu mang thông tin được phát ra bời insulin: chuyển glucose ra khỏi huyết tương. Trong một loạt các đáp ứng tế bào do sự hoạt hóa của insulin gây ra thì bước chìa khóa trong trao đổi chất glucose là bước làm tăng sự hoạt động của protein vận chuyển glucose GLUT4 glucose transporter. Nhờ sự vận chuyển thuận lợi glucose vào trong các tế bào, các GLUT4 đã loại glucose ra khỏi dòng máu một cách hiệu quả. Những thay đổi như vậy kéo dài từ vài phút đến vài giờ. GLUT4 có mặt trên màng tế bào của nhiều loại mô trong cơ thể như mô cơ xương (đốt cháy glucose làm năng lượng), mô mỡ (chuyển glucose thành triglyxerit để dự trữ) và mô gan.

Hình  1.4 Tác động của Insulin với sự vận chuyên glucose vào tế bào [1]

Insulin thúc đẩy gan dự trữ glucose để hình thành glycogen. Phần lớn glucose được hấp thụ ngay từ ruột non vào các tế bào gan, để chuyển hóa thành chất dự trữ glycogen. Insulin có nhiều tác động trong gan thúc đẩy sinh tổng hợp glycogen. Đầu tiên, nó hoạt hóa enzyme hexokinase, chất này phosphoryl hóa glucose, nhờ đó glucose bị bẫy vào trong tế bào. Insulin còn ức .chế hoạt động của glucose-6- phosphatase. Insulin cũng hoạt hóa nhiều enzyme liên quan trực tiếp đến sinh tổng hợp glycogen, bao gồm phosphofructokinase và glycogen syntase. Khi không có mặt insulin, tổng hợp glycogen trong gan bị dừng lại và các enzyme chịu trách nhiệm phân hủy glycogen sẽ hoạt động.

Vì insulin ngăn cản mức độ tăng quá cao của đường máu nên không được phép có quá nhiều insulin. Một bước trong kiểm soát mức độ insulin là enzyme insulinase (được tìm thấy trong gan và thận) phân hủy insulin đang tuần hoàn trong máu, làm cho hormon này phân hủy với thời gian bán rã khoảng 6 phút. Quá trình này bảo đảm mức độ insulin lưu hành trong máu được điều chỉnh và mức độ glucose máu không giảm xuống thấp đến mức nguy hiểm.

1.3.2. Insulin và trao đổi lipid

Insulin có tác động quan trọng lên quá trình trao đổi lipid. Các tác động đó bao gồm:

Insulin thúc đẩy sinh tổng hợp acid béo trong gan

Như đã nói ờ trên, insulin hoạt hóa sinh tổng hợp glycogen trong gan. Tuy nhiên, khi glycogen tích tụ ở mức cao (> 5% khối lượng thô của gan), thì quá trình tổng hợp bị ức chế. Khi gan bão hòa glycogen thì bất kỳ lượng glucose nào được hấp thụ thêm vào tế bào gan dưới đều phải chuyển sang con đường tổng hợp acid béo, sau đó được vận chuyển ra khỏi gan ở dạng lipoprotein. Các lipoprotein này một phần đi vào vòng tuần hoàn, cung cấp các acid béo tự do cho các mô khác, như mô mỡ (tế bào tạo mỡ) để tổng hợp triglyxerit.

Insulin ức chế phân hủy chất béo trong mô mỡ bằng cách ức chế quá trình thuỳ phân triglycerit thành glycerol và acid béo tự đo. Enzyme nhạy cảm với hormon này trờ lên hoạt động khi được phosphoryl hoá. Insulin ngăn cản quá trình này khi nó kết hợp với các thụ thể trên màng tế bào, nhờ đó làm tăng sự tích tụ triglyxerit trong các tế bào mỡ.

1.3.3. Những tác động đáng chú ý khác của insulin

Ngoài tác động lảm tăng glucose đi vào trong các tế bào, nó cũng thúc đẩy sự hấp thụ các acid amin. Insulin cũng làm cho nhiều tế bào tăng tính thấm đối với các ion kali, ion magie và phosphate vô cơ, tạo điều kiện thuận, lợi cho quá trình phosphoryl hóa và sử dụng glucose

1.4. Sinh tổng hợp Insulin ở cơ thể [4]

Nghiên cứu bộ gene người cho thấy gene mã hóa insulin (INS) nằm ở nhiễm sắc thể số 11, trên cánh ngắn (11p) gắn gen IGF và gen b - globin.

Gen mã hóa insulin người gồm 2 phần: phần mang mã di truyền và phần không mang mã di truyền

Vùng không mang mã chia làm 3 cụm gen kí hiệu class I, II, III. Trong vùng không mang mã có các trình tự điều hòa, trình tự tăng cường hoạt động gen (enhancer) và các trình tự lặp lại, vùng mang mã di truyền có 2 intron, intron thứ nhất (In1) nằm giữa đoạn trình tự mã hóa chuỗi peptide tín hiệu và chuỗi peptide B, intron thứ 2 (In2) nằm giữa đoạn gen mang mã di truyền mã hóa chuỗi peptide C

Hình  1.5. Cấu trúc gen mã hóa insulin người

Đoạn gene mang mã di truyền mã hóa 4 chuỗi peptide trong cấu trúc của phân tử Insulin: Chuỗi petide tín hiệu (SP – signal peptide), chuỗi peptide B, chuỗi peptide C và chuỗi peptide A. Trong cơ thể người Insulin được tổng hợp qua một chuỗi biến đổi, đầu tiên là sự tổng hợp phân tử preproinsulin. ARN thông tin tiến hành dịch mã một protein gọi là preproinsulin. Preproinsulin: là chuỗi peptid dài 110 acid amine, tổng hợp trong các tế bào β của đảo Langerhans của tuyến tụy. Preproinsulin bao gồm một trình tự peptide tín hiệu ( 24 acid amin), cần thiết để tiền chất hormon này đi qua được màng lưới nội chất tham gia vào quá trình sau dịch mã. Quá trình sau dịch mã loại đi những phần không cần thiết cho hormon hoạt động sinh học. Khi đã vào mạng lưới nội chất thì trình tự tín hiệu của preproinsulin không còn cần thiết nữa nên nó bị thủy phân để tạo thành dạng proinsulin có 86 acid amin (Hình  1.5) . Ngay sau khi hình thành 3 liên kết disulfide thì Proinsulin  tiếp tục bị phân cắt. Proinsulin được chuyển đến hệ thống Golgi , có các enzyme thích hợp để cắt bỏ đoạn peptide C và hình thành liên kết disulfide.

Sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp này là insulin hoàn chỉnh và hoạt động. Cuối cùng, insulin được đóng gói và chứa trong các hạt tiết tích tụ trong tế bào chất cho đến khi được kích hoạt để giải phóng (Hình  1.5 và Hình  1.6)

Hình  1.6 Cấu trúc phân tử proinsulin

Hình  1.7 Sự sinh tổng hợp insulin trong tế bào

Hình  1.8 Quá trình hình thành insulin từ Preproinsulin

1.5. Insulin và bệnh tiểu đường [2]

1.5.1. Bệnh tiểu đường

Tiểu đường hay đái tháo đường (diabetes) là bệnh rối loạn về chuyển hóa carbohydrate, trong đó đường trong máu không bị oxy hóa để sinh năng lượng mà tích tụ trong máu ở mức cao (> l,2g/l), gọi là tăng đường huyết. Ở Mỹ, hằng năm có khoảng 17 triệu người (6% dân số) mắc bệnh tiểu đường. Hằng năm, khoảng 1 triệu người biết mình mắc bệnh. Tiểu đường gây tử vong cho trên 400000 cư dân Hoa Kỳ và đứng thứ 6 trong các bệnh gây chết người. Ở Canada, hơn 2,2 triệu người mắc tiểu đường, và hằng năm nó gây ra cái chết của hơn 25000 người. Tiểu đường phổ biến nhất ở tuổi trên 45, đối với những người béo phì hoặc ít hoạt động, những người có người thân bị tiểu đường; và những người ở Châu Phi, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha và những người Mỹ bản xứ. Tỷ lệ tiểu đường cao nhất trên thể giới là ở những người Mỹ bản xứ. Phụ nữ thường có tỷ lệ mắc bệnh cao hơn nam giới. Theo một số công trình nghiên cứu ở Việt Nam, tỷ lệ tiểu đường chiếm 1,5 - 3% dân số.

Ờ những bệnh nhân tiểu đường, hàm lượng glucose trong máu cao, lầm tăng áp lực thẩm thấu, tuy nhiên quá trình hấp thụ glucose vào tế bào lại kém. Khi hàm lượng glucose trong máu cao vượt quá ngưỡng hấp thụ của thận thì cơ quan này sẽ đào thải glucose theo nước tiểu, dẫn đến việc nước, các ion cần thiết cho sự trao đổi chất qua màng tể bào bị theo ra ngoài. Bệnh tiểu đường được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) [2] phân loại như sau:

-   Bệnh tiểu đường typee I (BTĐ phụ thuộc insulin): Do cơ thể không thể sản xuất đủ insulin, phần lớn xảy ra ở trẻ em và người trẻ tuổi và thường có yếu tố tự miễn, chiếm từ 5-10% tổng số bệnh nhân mắc BTĐ. ở Việt nam, tỷ lệ này chiếm khoảng 7%.

-   Bệnh tiểu đường typee II (BTĐ không phụ thuộc insulin): Do cơ thể kháng insulin đi kèm với sự thiếu hụt insulin tương đối, thường gặp ở lứa tuổi trên 40, gần đây xuất hiện ở lứa tuổi 30, thậm chí cả ở lứa tuổi thanh thiếu niên, chiếm xấp xỉ 90%-95% trong các trường hợp BTĐ. Ở Việt nam, tỷ lệ này chiếm khoảng 91,2%.

-   Bệnh tiểu đường thai nghén: là trường hợp rối loạn dung nạp glucose được chẩn đoán lần đầu tiên khi có thai. Mặc dù trong đa số các trường hợp khả năng dung nạp glucose có cải thiện sau thời gian mang thai, nhưng vẫn có sự gia tăng đáng kể nguy cơ phát triển thành BTĐ typee II về sau này.

-   Các thể BTĐ khác: nhóm này bao gồm tất cả các nguyên nhân khác hiếm gặp hơn, có thể gây BTĐ bao gồm tiểu đường là triệu chứng do bệnh lý của hệ thống nội tiết, các bệnh về tụy, các hình thái di truyền của BTĐ hoặc tiểu đường do thuốc và hóa chất.

1.5.1.1.Tiểu đường Type I

Tiểu đường type I hay còn gọi là tiểu đường phụ thuộc insulin (IDDM- Insulin Dependent Diabetes Mellitus). Các triệu chứng thường xuất hiện đột ngột, rầm rộ, như: ăn nhiều, uống nhiều, sút cân nhanh, giảm thị lực, nóng tính, mệt mòi,... thường gặp ở tuổi dưới 20 (con gái từ 10 đến 12 tuổi, con trai từ 12 đến 14 tuổi). Loại tiểu đường type I thuờng phát triển trước tuổi 30 và chiếm từ 10 đến 15% số ca tiểu đường.

Nguyên nhân tiểu đường type I là do các tế bào beta ờ tuyến tuỵ bị phá huỷ, dẫn đển thiếu hụt tổng lượng insulin. Các tế bào này bị phá huỷ có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau: do bệnh tự miễn - các nhà khoa học cho ràng sự kết hợp giữa các yếu tố di truyền và các yếu tố môi trường có thể dẫn đến các bệnh tự miễn như phá huỷ các tế bào tuỵ đảo, hoặc do một số cơ chế khác vẫn chưa được biết đến. Gần đây, người ta cho rằng, khí bị nhiễm một loại virus tiềm ẩn nào đó, cơ thể đáp lại bằng cách tạo kháng thể chống virus đó. Tuy nhiên, kháng nguyên virus lại giống với kháng nguyên của tế bào tuyến tụy nên kháng thể được hình thành để chống virus cũng chổng luôn tế bào tuyến tụy. Đây là phản ứng tự miễn. Các nhà khoa học đã xác định được 20 gen đóng vai trò quan trọng trong tiểu đường type I, mặc dù chức năng chính xác của chúng vẫn còn đang được nghiên cứu. Các nhân tổ môi trường như virus cũng có thể làm cho bệnh phát triển ờ một số người có đặc điểm di truyền mẫn cảm với tiểu đường. Để điều trị loại bệnh này, chỉ cần bổ sung thêm insulin là có thể duy trì được sự sống cho người bệnh.

Tiểu đường type I nếu không được điều trị có thể ảnh hưởng đến cơ chế chuyển hoá chất béo. Do cơ thể không thể chuyển hoá glucose thành năng lượng, nên chất béo sẽ được dùng thay thể để cung cấp năng lượng. Điều này dẫn đến việc tăng hàm lượng các hợp chất có tính acid trong máu được gọi là các thể ketone, can thiệp vào quá trình hô hấp nội bào.

1.5.1.2.Tiểu đường type II

Tiểu đường type II, còn gọi là tiểu đường không phụ thuộc insulin (NIDDM-non- insulin-dependent-diabete mellitus). Giải phẫu bệnh lý vi thể ở tụy đảo cho thấy: chỉ có 25% bệnh nhân tiểu đường có giảm tiết insulin, 25% không giảm tiết và 50% còn lại thì hình ảnh tể bào beta cho phép kết luận tăng tiết. Như vậy, tiểu đường type II đặc trưng bời sự thiếu hụt insulin, hoặc phổ biến hơn là giảm tính đáp ứng của các tể bào đích đối với insulin đo một số thay đổi ở thụ thể dành cho nó trên màng tế bào. Triệu chứng của loại tiểu đường này bao gồm cả các triệu chứng của tiểu đường type I, còn có thêm các triệu chứng như viêm da, sự hồi phục vết thương chậm hoặc khó phục hồi. Loại này chiếm khoảng 90% số ca bệnh tiểu đường.

Tiểu đường type II thường xuất hiện nhiều ở lứa tuổi trên 45. Do các triệu chứng của nó xuất hiện chậm nên người bệnh có thể không nhận biết được ngay là họ đang mắc bệnh. Các nhà khoa học thấy rằng, có một số lượng lớn gen cùng hoạt động gây ra bệnh tiểu đường type II. Họ cũng tin ràng có một mối liên quan rất chặt chẽ giữa béo phì và tiểu đường type II. Khoảng 80% số người béo phì bị tiểu đường type II. Việc chữa trị loại bệnh này phải kết hợp giữa tập luyện và chế độ ăn uống để giảm sự kháng insulin và tăng cường việc tiết insulin. Chi dùng đủ lượng hydratcacbon cho nhu cầu cơ thể. Ngoài ra còn sử dụng thuốc hạ đường huyết như sulfamiđ hay biguanid. Trong trường hợp thất bại, cần phải điều trị bằng tiêm insulin đơn thuần hay phối hợp với thuốc viên uống.

Bảng 1.1 Phân biệt 2 dạng tiểu đường [5]

	Type 1	Type 2
Tỉ lệ người mắc	20%	80%
Phụ thuộc Insulin	+	-
Tuổi phát hiện	Trẻ em hoặc người lớn, thường dưới 40	Người lớn, trên 40
Nguyên nhân	Giảm hoặc không sản xuất được Insulin	Kháng Insulin, thiếu hụt Insulin
Hàm lượng Insulin tuyến tụy	0	>5%
Cân nặng	Thường nhẹ cân hoăc bình thường	Quá cân hoặc bình thường
Điều kiện phát hiện	Bệnh từ âm thầm đến trở nặng	Thường không cảm thấy bệnh, hoặc ít triệu chứng
Biến chứng cấp tính	Nhiễm ceton acid	Nonketotic, Hội chứng tăng áp lực thẩm thấu bệnh tiểu đường, Hôn mê tăng thẩm thấu

1.5.2.  Biến chứng

Nếu không được chữa trị, tiểu đường có thể gây ra nhiều biến chứng đe dọa sự sống. Tiểu đường type I có thể dẫn đến hôn mê đường huyết (một trạng thái vô thức gây ra do lượng đường cực kỳ cao trong máu) hoặc tử vong. Cả tiểu đường type I và II đều có các biến chứng mù, thận hư và bệnh tim. Tiểu đường có thể khiến cho các mạch máu nhỏ bị tắc; nếu điều này xảy ra ờ các mạch máu của mắt thì sẽ gây bệnh võng mạc do tiểu đường, dẫn đển mù. Bệnh tiểu đường có thể khiến cho thận mất khả nãng lọc các chất độc. Khoảng 40% trường hợp thận hư có nguyên nhân từ tiểu đường. Tắc các mạch máu lớn ở những bệnh nhân tiểu đường dẫn đến nhiều vấn đề về tim mạch, bao gồm cao huyết áp, nhồi máu cơ tim và đột quỵ. Mặc dù những trường hợp như thế này cùng xuất hiện ở những người không mắc tiểu đường nhưng ở người mắc tiểu đường có nguy cơ mắc các bệnh tim mạch cao gấp 2 đến 4 lần. Tiểu đường còn có thể gây tổn thương thần kinh ngoại biên, mất cảm giác, đặc biệt ở chân, tổn thương thần kinh thực vật và nhiễm trùng.
Tài liệu tham khảo:

[1]       L. Sherwood, Human Physiology: From Cells to Systems: Cengage Learning, 2015.

[2]       Phạm Văn Ty and Vũ Nguyên Thành, Công nghệ sinh học vol. 5: NXB Giáo dục Việt Nam, 2006.

[3]       J.L. Jain, Fundamentals of Biochemistry: S. Chand, 2004.

[4]       Lê Văn Nhương, Cơ sở công nghệ sinh học vol. 4: NXB Giáo dục, 2009.

[5]       J.C. Pommerville, Alcamo's Fundamentals of Microbiology: Jones & Bartlett Learning, 2010.