Bases moleculares de la insulina

La insulina es una hormona secretada por las células beta del páncreas en respuesta a niveles elevados de nutrientes en plasma. Al unirse con su receptor en las células blanco desencadena una serie de eventos biológicos a través de vías de señalización. La diabetes mellitus tipo 2 (DM2) se caracteriza porque las células diana no responden a esta hormona, por diferentes defectos ya sea tanto del receptor y otros mecanismo que regulan la acción de la insulina. Aquí veremos las bases moleculares que nos llevaran a dilucidar las causas de la resistencia a la insulina.

La insulina es una hormona peptídica de 5.8 KDa, secretada por las células beta del páncreas cuando los nutrientes en sangre son elevados, y que tiene como función mantener la concentración de glucosa en sangre en un rango normal, entre 80 y 105 mg/dl, a través de la captación de este nutriente por tejidos como el adiposo, musculo y almacenamiento en el hígado. VER VIDEO: InsulinaVER VIDEO 2: Insulina

Receptor de Insulina
El Receptor de Insulina IR es un heterotrámero compuesto por dos subunidades α extracelulares y dos subunidades β con una porción extracelular, una transmembranal y una porción intracelular unidas por puentes disulfuro. Este receptor pertenece a la familia de receptores para factores de crecimiento con actividad intrínseca de cinasas de Tyr (RTK’s) los cuales al ser estimulados por sus ligandos se autofosforilan en residuos de Tyr. Las subunidades alfa contienen las regiones de unión a la insulina y una región rica en cisteínas (Cys). La subunidad β en su porción intracelular se localiza un domino catalítico de cinasa de tirosina con un sitio de unión a ATP y sitios de fosforilación en tirosina que se localizan en las regiones juxtamembranal (Tyr⁹⁶⁵, Tyr⁹⁷²), asa de activación o región reguladora(Tyr¹¹⁵⁸, Tyr¹¹⁶², Tyr¹¹⁶³) y carboxilo terminal (Tyr¹³²⁸, Tyr¹³³⁴). La fosforilación de los tres del asa de activación aumenta 10 o 20 veces la quinasa del receptor.
En condiciones de no estímulo, la subunidades α ejercen un papel regulador sobre las β que no le permiten autofosforilarse. Pero cuando la insulina se une a las subunidades α estas sufren un cambio conformacional el cual permite que las subunidades β se activen y sean capaces de autofosforilarse en residuos de Tyr.

Vías de Señalización de la Insulina
  • Vía de señalización de las MAP cinasas

Los efectos de la insulina en la regulación de la síntesis de proteínas son mediados principalmente a trevés de la señalización de las MAP cinasas. La insulina activa la vía de las MAP por dos mecanismos: en el primero la activación del IR promueve la asociación de la proteína Shc, la cual une al complejo Grb2/SOS; SOS activa a Ras, y Ras inicia el encendido de la cascada de las MAPK. GTP-Ras une y activa a Raf-1 que subsecuentemente lleva a la fosforilación y activación de MEK y de las ERK1/2. Alternativamente existe una vía independiente de Shc pero dependiente de la activación del IRS por la que la insulina es capaz de activar a las MAPKs. En este segundo mecanismo, una vez activo el IRS, se une al complejo Grb/SOS y a partir de aquí, la secuencia es la misma que en el primer mecanismo explicado.

  • Vía de señalización de la PI3K (fosfatidilinositol 3 cinasa)

Esta vía es el principal mecanismo por el cual la insulina ejerce sus funciones en el metabolismo de la glucosa y lípidos. Comienza cuando el IR activo y autofosforilado, activa a la IRS (Sustrato receptor de insulina) la cual contiene varios sitios de fosforilación en residuos de Tyr (Y) que al ser fosforilados por el IR, se convierten en sitios de unión y activación de proteínas que contienen dominios SH2 como PI3K. La PI3K consta de una subunidad reguladora (p85)y de una subunidad catalítica (p110) . La interacción entre la subunidad reguladora y el IRS da por resultado, la activación de la subunidad catalítica, y a consecuencia de ello, p110 tiene acceso a su sustrato PI4.5-P₂ que se localiza en la membrana plasmática, y es fosforilado en la posición 3 del inositol generando PIP3 (Fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato). El PIP3 sirve como sitio de unión para la PKB también llamada Akt y para la PDK1 que son cinasas de Ser. El complejo proteico PDK2 activa a Akt fosforilandola en la Ser, y luego PDK1 induce la fosforilación en la Thr. Akt o PKB regula varios de los efectos metabólicos de la insulina, como por ejemplo la Glucógeno Sintasa 3 quinasa i la Fosfofructoquinasa2, la primera regula la glucógenogenesis y la segunda la glucólisis y neoglucogénesis. También la PKB o Akt activa otros sustratos como mTor, FOXO y caspasa 9.
Mecanismos de Regulación de la Señal de Insulina

  • Regulación a nivel de IR
Por endocitosis, en el cual el ligando que es la insulina y su receptor IR, es internalizado por un endosoma primario en una vesícula de clatrina comúnmente, por el Ph bajo del endosoma el ligando se separa del receptor, la insulina entonces es degradada por la insulinasa ácida endosomal y el IR es reciclado de vuelta a la membrana, pero en situaciones donde las cantidades de insulina son muy elevadas entonces el IR en vez de ser reciclado es degradado por los lisosomas.
Por la acción de proteínas fosfatasas de Tyr. Este mecanismo se da por la acción de las PTPs que son proteínas fosfatasas de Tyr, las cuales desfosforilan el asa activa o asa reguladora del receptor de insulina IR y lo inactivan, de manera que disminuyen la señalización por parte de este receptor. Algunas de estas proteínas disminuyen la entrada de glucosa en tejidos como músculo y tejido adiposo por la inhibición o desfosforilación del IR y resultan ser por esta razón, un atractivo blanco para el diseño que drogas que incrementen la sensibilidad de la insulina.
Fosforilación en residuos de Ser/Thr. La fosforilación en residuos de Ser y Thr ocurre como respuesta a la insulina para modular su señalización intracelular. Esto lo hace la PKC por ejemplo, que al fosforilar el receptor en residuos de Ser y Thr, puede disminuir o alterar la autofosforilación del receptor, y entonces esta PKC rs una enzima clave en la regulación de la actividad del IR.
  • Regulación a nivel del IRS
Por fosforilación en residuos de Ser/Thr La fosforilación del IRS por quinasas del IRS en residuos de Ser y Thr puede llevarlo a desacoplarse del IR lo que lo llevaría alterar su capacidad de fosforilarse en residuos de Tyr, a disociarse de complejos intracelulares que lo mantienen cerca del IR, a su degradación o bien a alterar la actividad cinasa del IR. El IRS fosforilado en residuos de Ser/Thr no puede ser reconocido por las proteínas efectoras de la vía de la insulina como la PI3K. Estas cinasas del IRS son activadas todas por la insulina , y la activación de estas resulta al final en una disminución de la señalización.

Modulación por Interacción con proteínas SOCS La familia de proteínas supresoras de proteínas de señalización de citocinas, juega un papel importante en regular negativamente la activación del IRS, alterando su estructura y así su unión con la PI3K. Su expresión es inducida por el tratamiento con la insulina en varios tejidos y líneas celulares. Estás SOCS en asociación con las IRS promueven su degradación y disminución en el número de células.
  • Mecanismo de Regulación Río Debajo de IRS.
Las fosfatasas de lípidos que desfosforilan los productos de activación de la PI3K como el PIP3, están involucradas en la regulación de la insulina río debajo de IRS. Entre estas se encuentran SH2 (Inositol fosfatasa con dominio SH2) el cual parece incrementar la sensibilidad de la insulina, debido al aumento en la producción de PIP3 y por lo tanto a un aumento en la actividad de proteínas río debajo de PI3K involucradas en procesos relacionados con el trasporte de glucosa. La otra es la PTEN (fosfatasa y homólogo de tensina removido en el cromosoma 10) el cual parece funcionar como supresor de tumores ya que se han observado que mutaciones en ella, llevan al síndrome neoplásico sin tener efectos metabólicos.

Resistencia a la Insulina
La resistencia a la insulina es un estado patológico en el cual las células que normalmente respondían a la insulina dejan de hacerlo. Esto puede llevar a desarrollar Diabetes Mellitus Tipo 2 y además otras enfermedades como hipertensión arterial, obesidad y problemas cardiovasculares.
Esta resistencia se caracteriza por disminución en la captación de glucosa por el tejido adiposo y muscular, que depende de la vía de la insulina. Así como además aumento en la formación de glucosa por el hígado y alteración del metabolismo de los lípidos, en tejido adiposo y hepático. Esta resistencia es una consecuencia de una deficiente señalización de la insulina causada por varios factores, como mutaciones o modificaciones post-traduccionales del IR o de moléculas efectoras río abajo del mismo.
Entre las alteraciones mas comunes se encuentran la disminución de la actividad del Akt y PI3K, defectos en la expresión y función de GLUT4, disminución en la cantidad y actividad de los receptores , y por último la fosforilación en residuos de Ser/Thr en el receptor IR y su sustratos IRS, lo cual trae como consecuencia la alteración de su asociación con otras proteínas, el bloqueo de sitios de fosforilación de Tyr, disminución de su activación y promueve además su degradación. Esta última puede ser una de las más importantes según varios estudios.
Existen muchos agentes y condiciones metabólicas asociadas a la resistencia a insulina, como la cantidad de hormonas metabólicas como la epinefrina, el glucagon, la angiotensina II, y hormonas secretadas por el tejido adiposo como la resistina. También juega un papel importante el incremento en la concentración plasmática de ácidos grasos libres que puede llevar a cambios en la expresión del IR y modificaciones en el estado de fosforilación de su dominio cinasa, así mismo pueden inhibir la activación de la PI3K promoviendo la fosforilación en residuos de Ser/Thr del IRS. Estos ácidos grasos libres también pueden llevar a la inhibición de la Akt por un aumento en la cantidad de ceramida y diacilglicerol. Otro factor es que en humanos el contenido y composición de TAG y fosfolípidos en músculo correlaciona directamente con la resistencia a insulina. El incremento en plasma de ácidos grasos libres induce resistencia a insulina por inhibición del transporte de glucosa, seguido por una disminución en la síntesis de glucógeno y la oxidación de glucosa.