Wie Insulin an seinen Rezeptor bindet

Dass ein Insulin-Rezeptor bis zu vier Insulin Monomere binden kann ist schon länger bekannt. Doch erst neuere qualitativ gute Cryo-EM Strukturen des Insulin-Rezeptors bringen neue Erkenntnisse zur Bindung von Insulin an seinen Rezeptor. Dabei sind bei der Bindung der vier Insulin Monomere jeweils unterschiedliche Aminosäuren beteiligt. Dieser Artikel ist ein biochemischer Exkurs in die Insulin-Insulin-Rezeptor-Wechselwirkung.

Strukturmodel des Insulin-Rezeptors. Im inaktiven Zustand besitzt das Insulin-Rezeptor Dimer eine umgekehrte V Form. Bindet Insulin an den Rezeptor, wird dieser aktiviert und ändert seine Gestalt zu einem T. Es können bis zu vier Insulin-Monomere an ein Insulin-Rezeptor Dimer binden.
Bindet Insulin an den Insulin-Rezeptor ändert der Rezeptor seine Form und wird aktiviert (PDB: 6sof, 2mfr, 4xlv). Der Insulin-Rezeptor kann bis zu vier Insulin Monomere binden.

In dem letzten Blog-Beitrag „Der Insulinrezeptor hilft dem Inuslin den Blutzuckerspiegel zu senken“ haben wir gesehen, wie genau Insulin wirkt. Zur Erinnerung, wenn Insulin an den Insulin-Rezeptor der Zielzelle bindet, ändert er seine Form. Aus einem umgedrehten V wird ein T. Der aktivierte Rezeptor wiederrum aktiviert über mehrere Zwischenschritte einen Glukosetransporter, der daraufhin den Zucker in die Zelle schleust. Der Blutzuckerspiegel sinkt.

Wenn zwei Proteine, wie hier das Insulin mit dem Insulin-Rezeptor, miteinander wechselwirken, müssen die beteiligten Proteine rundum intakt sein. Für die Bindung sind meist die Seitenketten der einzelnen Aminosäuren in den Proteinen verantwortlich, die sich an der richtigen Position befinden und zugänglich sein müssen. Die Bindung von Proteinen wird oft auch als Schlüssel-Schloss-Prinzip beschrieben, weil die Moleküle wie ein Schlüssel und ein Schloss zueinander passen müssen.

Beim Insulin und seinem Rezeptor ist es ähnlich. Einige Seitenketten bestimmter Aminosäuren im Insulin treten mit Aminosäuren des Insulin-Rezeptors in Kontakt. Bereits Ende der 1990er Jahre konnten Forschende die an der Bindung beteiligten Aminosäuren identifizieren. Obwohl sie noch keine atomgenaue Kristallstruktur des Insulin-gebundenen Insulin-Rezeptor hatten, konnten sie mit einer anderen biochemischen Methode, dem Alaninscan, die beteiligten Aminosäuren bereits ermitteln. Dabei fiel ihnen auf, dass es vermutlich zwei verschiedene Bindestellen geben muss, bei denen jeweils unterschiedliche Sets an Aminosäuren beteiligt sind.

Neuere Cryo-EM Strukturen aus den letzten drei Jahren bestätigten das Vorhandensein der verschiedenen Bindestellen. Die Forschenden beobachteten, dass ein Insulin-Rezeptor bis zu vier Insulin Monomere binden kann. Wenn das Insulin an die Bindestellen 1 oder 3 bindet sind unterschiedliche Aminosäuren im Insulin beteiligt, wie wenn es an Bindestellen 2 oder 4 bindet. Es gibt auch minimale Unterschiede innerhalb der Bindestellen 1 und 3 und Bindestellen 2 und 4, auf die ich hier allerdings nicht weiter eingehen werde.

 

Insulin-Bindestellen 1 und 3

Die Insulin Bindestellen 1 und 3 liegen etwas weiter „oben“, quasi am Kopf des Insulin-Rezeptors. Wie ein fehlendes Puzzleteil fügt sich das Insulin dort in eine Tasche am Insulin-Rezeptor ein. Wenn Insulin bindet, ändert es seine Form. Dann klappt das Ende der B-Kette nach unten und schmiegt sich an den Insulin-Rezeptor an. Durch die Formänderung und das Anschmiegen des Insulins an seinen Rezeptor, wird die Bindung zwischen Insulin und Rezeptor verstärkt. In der Biochemie spricht man davon, dass das Insulin mit einer hohen Affinität an seinen Rezeptor bindet.

Detaillierte Darstellung der Insulin-Bindestellen 1 und 3 des Insulin-Rezeptors.
Der Insulin-Rezeptor (IR) hat eine Einbuchtung an den Bindestellen 1 und 3, in die sich das Insulin wie ein fehlendes Puzzleteil einfügt (PDB: 6pxv). Die Aminosäuren im Insulin, die an der Bindung beteiligt sind, sind grau eingefärbt. Wenn das Insulin an den Insulin-Rezeptor bindet, ändert es seine Form und das Ende der B-Kette klappt nach unten (rechts).

Die folgende Abbildung zeigt die Reihenfolge der Aminosäuren im Insulin. Die an der Bindung beteiligten Aminosäuren sind grau eingefärbt.

Details zu Insulin-Insulin-Rezeptor (IR) Bindung an Bindestellen 1 und 3
Die Aminosäuren im Insulin, die an den Bindestellen 1 und 3 des Insulin-Rezeptors (IR) binden, sind hier grau markiert (oben). Neben vielen weiteren Wechselwirkungen tritt das Insulin mit Valin (V) an der 12. Stelle und mit Phenylalanin (F) an der 24. Position der B-Kette des Insulins mit Phenylalanin (F) an Position 39 des Insulin-Rezeptors in Kontakt (links). Dasselbe Insulin Monomer bindet auch noch an die andere Insulin-Rezeptor Hälfte.  Isoleucin (I) an Position 2 der A-Kette, Leucin (L) an Position 11 und Valin (V) an Position 12 der B-Kette des Insulins treten mit Phenylalanin (F) an Position 714 des IR in Kontakt (PDB: 6pxv).

Der untere Teil der Abbildung zeigt exemplarisch zwei der Insulin-Insulin-Rezeptor Wechselwirkungen. Zum Beispiel treten die Aminosäuren Valin und Phenylalanin an den Positionen 12 und 24 der B-Kette (grau) mit der Aminosäure Phenylalanin an Position 39 des Insulin-Rezeptors (orange) in Kontakt.

Ein Insulin Monomer bindet gleichzeitig an beide Insulin-Rezeptor Hälften.  So binden zum Beispiel auch die Aminosäuren Isoleucin an Position 2 der A-Kette sowie Leucin und Valin an den Stellen 11 und 12 der B-Kette im Insulin an die Aminosäure Phenylalanin an Position 714 der anderen Insulin-Rezeptor Hälfte (blau).

Ein Grundsatz der Chemie ist, dass sich vornehmlich Gleiches mit Gleichem verbindet. Die Aminosäuren Valin, Phenylalanin, Isoleucin und Leucin besitzen aufgrund ihrer Seitenketten hydrophobe (also wasserabweisende) Eigenschaften. Weil die hier gezeigten hydrophoben Aminosäuren gegenseitig in Kontakten treten, spricht man hier von hydrophoben Wechselwirkungen.

 

Insulin-Bindestellen 2 und 4

Die Insulin-Bindestellen 2 und 4 befinden sich unterhalb des Kopfes des Insulin-Rezeptors. Mit welchen Aminosäuren das Insulin an die Bindestellen 2 und 4 bindet, ist schon seit den 1990er Jahren bekannt, aber strukturelle Details zu dieser Bindestelle gibt es erst seit wenigen Jahren. An den Bindestellen 2 und 4 sind andere Aminosäuren beteiligt als an 1 und 3.

Forschende haben in biochemischen Experimenten messen können, dass der Insulin-Insulin-Rezeptor Kontakt an Bindestellen 2 und 4 nicht so stark ist, wie an 1 und 3. Biochemisch ausgedrückt bindet das Insulin bei 2 und 4 mit einer geringeren Affinität an seinen Rezeptor als bei 1 und 3.

Detaillierte Darstellung der Insulin-Bindestellen 2 und 4 des Insulin-Rezeptors.
Die Insulin-Bindestellen 2 und 4 befinden sich unter dem Kopf des Insulin-Rezeptors (PDB: 6pxv). Die Aminosäuren im Insulin, die an der Bindung beteiligt sind, sind gelb eingefärbt.

In der nachfolgenden Abbildung sind die beteiligten Aminosäuren bei Bindestellen 2 und 4 gelb gekennzeichnet. Auch hier gibt es hydrophobe Wechselwirkungen, zum Beispiel wechselwirken die Aminosäuren Alanin, Leucin und nochmal Leucin an den Positionen 14, 17 und 18 der B-Kette des Insulins mit einem Leucin an Positon 522 im Insulin-Rezeptor.

Neben hydrophoben Wechselwirkungen finden sich auch hydrophile (also wasserliebende) Wechselwirkungen. Zum Beispiel interagiert die Aminosäure Glutaminsäure an Position 17 der A-Kette im Insulin mit den Aminosäuren Arginin und Asparagin an den Positionen 488 und 547 im Insulin-Rezeptor. Diese Aminosäuren sind alle polar und einige auch geladen. So gehört Glutaminsäure zu den sauren Aminosäuren und ist negativ geladen, währenddessen Arginin zu den basischen Aminosäuren gehört und positiv geladen ist. Wie bei Magneten ziehen sich die gegenseitigen Ladungen an.

Details zu Insulin-Insulin-Rezeptor (IR) Bindung an Bindestellen 2 und 4.
Die Aminosäuren im Insulin, die an die Bindestellen 2 und 4 des Insulins an den Insulin-Rezeptor (IR) binden, sind hier gelb markiert (oben). Ein Beispiel für eine unpolare, hydrophobe Wechselwirkung ist die Bindung des Leucin (L) 522 im Insulin-Rezeptor, welches mit zwei Leucinen und einem Alanin an den Positionen 14, 17 und 18 der B-Kette im Insulin interagiert (links). Ein Beispiel für eine polare Wechselwirkung ist Bindung von Glutaminsäure (E) an Position 17 der A-Kette im Insulin, das mit den Aminosäuren Arginin (R) und Asparagin (N) an den Positionen 488 und 547 des Insulin-Rezeptors interagiert (rechts). Positiv (blau) und negativ (rot) geladene Atome ziehen sich gegenseitig an und verstärken die Bindung (PDB: 6pxv).

Die hier gezeigten Kontakte zwischen den Aminsosäuren sind Beispiele für typische Protein-Protein Interaktionen. Bei solchen Interaktionen ist es wichtig, dass alle an der Bindung beteiligten Aminosäuren intakt und zugänglich sind.

Denn nur, wenn das Insulin an seinen Rezeptor binden kann, wird der Blutzuckerspiegel gesenkt (Der Insulinrezeptor hilft dem Inuslin den Blutzuckerspiegel zu senken). Sind die entsprechenden Aminosäuren nicht zugänglich, kann Insulin nicht an seinen Rezeptor binden und senkt folglich auch den Blutzuckerspiegel nicht.

 

Quellen:

De Meyts, P.: Insulin/receptor binding: The last piece of the puzzle? Bioessays 37, 2015

Gutmann, T. et al.: Cryo-EM structure of the complete and ligand-saturated insulin receptor ectodomain. J Cell Biol 219, 2020

Kristensen, C. et al.: Alanine Scanning Mutagenesis of Insulin. JBC 272, 1997

Menting, J. et al.: How insulin engages ist primary binding site on the insulin receptor. Nature 493, 2013

Nielsen, J. et al.: Structural Investigations of Full-Length Insulin Receptor Dynamics and Signalling. JMB 434, 2022

Uchikawa, E. et al.: Activation mechanism of the insulin receptor revealed by cryo-EM structure of the fully liganded receptor-ligand complex. eLife 8, 2019

 

 

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Willkommen auf meinem Blog Insulin and more – Geschichten über Insulin und mehr!

Ich bin Biochemikerin, Studienkoordinatorin und Wissenschaftskommunikatorin. In diesem Blog vereine ich zwei Herzensthemen von mir: (Typ 1) Diabetes und Strukturbiologie. So gehe ich zahlreichen Aspekten rund um die Erkrankung Diabetes wissenschaftlich geprüft auf den Grund und veranschauliche sie mit Proteinstrukturen.  Dieser Blog ist für Menschen mit Diabetes und alle Interessierte!

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