Capítulo 22: Bases moleculares de la diabetes mellitus

La diabetes mellitus (DM) se define como una enfermedad endocrinometabólica caracterizada por hiperglucemia crónica, con alteraciones en el metabolismo de los carbohidratos, grasas y proteínas, que puede estar producida por una deficiencia en la secreción de insulina, una resistencia a la acción de la misma, o una mezcla de ambas, originada por la destrucción de las células β (beta) de los islotes de Langerhans por un mecanismo autoinmunitario o por una causa desconocida (DM tipo 1, DM1); o bien, por fenómenos de resistencia a la insulina (RI), lo cual ocasiona una dificultad para que esta hormona actúe en los tejidos a causa de trastornos en el número o afinidad de sus receptores (DM tipo 2, DM2).

En el siglo I, el término diabetes se empleaba para referirse a la eliminación de grandes cantidades de orina (poliuria). El término fue acuñado por el filósofo griego Arateus que le denominó diabetes mellitus o diabetes sacarina, debido al olor dulce de la orina, y se suponía que también tenía un sabor dulce como la miel, de ahí su denominación latina: mellitus. En los últimos años, se han eliminado los términos diabetes mellitus insulinodependiente y diabetes mellitus no insulinodependiente, que antes se aplicaban a la diabetes tipos 1 y 2, respectivamente, ya que ambas clases de diabetes pueden necesitar la administración de insulina para su tratamiento.

La DM en la actualidad se reconoce como una verdadera epidemia. Se estima que en el mundo cerca de 200 millones de personas padecen diabetes y se pronostica que esta cifra se elevará a 300 millones para el año 2025.

La Asociación Latinoamericana de Diabetes (ALAD) indica que la prevalencia de la diabetes mellitus en América Latina es de 4 a 16%, y se espera un incremento en los próximos 25 años de 25 a 50%. En Estados Unidos, en pacientes jóvenes con obesidad la prevalencia es de 6.6%; de 4% para los individuos de 20 a 60 años; de 12% para los de 60 a 64, y de 17% para los ancianos.

Se espera un incremento en la prevalencia de ambos tipos de diabetes en todo el mundo, aunque es posible que la de la DM2 aumente con más rapidez a causa de la obesidad creciente, la reducción de la actividad física, el envejecimiento de la población y la urbanización de las sociedades.

En México, la DM2 supone la primera causa de muerte y de incapacidad prematura y definitiva, con una prevalencia de 10.9%; además, una de cada cuatro personas desconoce que sufre de la enfermedad y, aun con tratamiento, cerca de 60% no muestra un control óptimo de la glucemia.

La clasificación etiológica más utilizada es la recomendada por la American Diabetes Association (ADA) en 1997 y por el Comité de Expertos para la Clasificación y Diagnóstico de la Diabetes (Organización Mundial de la Salud —OMS—, 1998). Ambas organizaciones clasifican a la DM en:

DM tipo 1. Puede ser de 2 tipos: autoinmune (DM1a) e idiopática (DM1b). Es conocida también como diabetes juvenil, pues con frecuencia se presenta durante la infancia, aunque también puede ocurrir en adultos.

DM tipo 2. Puede variar entre la insulinorresistente, con deficiencia relativa de insulina, a un defecto preferentemente secretor con o sin RI. Corresponde a la mayoría (90%) de los casos de diabetes. Sin embargo, en la mayoría de los pacientes con DM2, múltiples factores genéticos y ambientales contribuyen tanto al origen como a la progresión y las complicaciones tardías de la enfermedad.

MODY (maturity onset diabetes of the young). Implica defectos genéticos de la función de la célula B pancreática de inicio en la juventud o en la madurez.

DM gestacional. Es aquella que se presenta en el curso del embarazo. Consiste en la presencia de niveles elevados de glucosa en la sangre. Esta condición se desarrolla en cualquier momento durante el embarazo en una mujer sin diabetes.

DM de la infancia. Puede agruparse en varios subtipos principales:

• Diabetes neonatal transitoria o permanente (DMNT y DMNP, respectivamente).

• DM1: DM1a, autoinmune, DM1b, idiopática.

• DM2: este tipo de DM se reporta en niños obesos.

• Diabetes mitocondrial (DMMt).

• Diabetes relacionada con fibrosis quística (DRFQ).

• Diabetes asociada a síndromes como Down y Turner.

Diabetes mellitus tipo 1

Esta enfermedad se caracteriza por la deficiencia absoluta de insulina, ocasionada por un ataque inmunológico en contra de las células beta del páncreas. Los islotes de Langerhans se infiltran con linfocitos T activados y originan insulitis. Este ataque autoinmune conduce a un agotamiento gradual de las células beta del páncreas. Los síntomas aparecen en forma súbita cuando se destruye de 80 a 90% de las células beta del páncreas. El páncreas deja de responder en forma adecuada al estímulo de la glucosa para secretar insulina, por lo que ésta debe ser administrada en forma exógena para restaurar el control metabólico y prevenir la cetoacidosis que puede poner en riesgo la vida del paciente. Para que este ataque autoinmune se presente, es necesario la presencia de un estímulo en el ambiente (en algunos casos es por una infección viral), además de un determinante genético que lleve al sistema inmune a no reconocer a las células beta como propias. Las personas con DM1 deben administrarse insulina exógena para poder vivir.

Diabetes mellitus tipo 2

Es una enfermedad crónica con complicaciones que suponen una importante causa de mortalidad y se asocian con el daño o la falla de varios órganos. La RI con hiperinsulinismo está ya presente en el estadio normoglucémico prediabético. Los factores genéticos de susceptibilidad son poligénicos; sin embargo, factores ambientales contribuyen a exacerbar estas anormalidades. Los individuos con DM2 también se caracterizan por una reducción en la masa de células beta del páncreas y aumento en la apoptosis celular.

La DM2 se caracteriza por la presencia de hiperglucemia en ayuno y posprandial. La hiperglucemia en ayuno es resultado de la resistencia hepática a la acción de la insulina. La hiperglucemia posprandial resulta de la secreción anormal de insulina por las células beta del páncreas al consumir alimentos, y de la toma inadecuada de glucosa por los tejidos periféricos sensibles a la insulina, particularmente en el músculo esquelético.

La falta de respuesta de los tejidos receptores a la insulina mantiene el estímulo de la glucemia elevada, lo que se traduce en incremento en la producción y liberación de insulina por las células beta pancreáticas, con el fin de compensar y mantener los niveles normales de glucemia. Este proceso fisiopatológico de hiperglucemia e hiperinsulinemia y alteración funcional de la célula β pancreática puede durar varios años de vida del individuo (hasta 15 años), hasta volverse insostenible para las células beta, por lo que se presenta intolerancia a la glucosa, con elevación exagerada de la glucosa posprandial, RI y, posteriormente, proceso patológico de la DM2.

Las alteraciones metabólicas en la DM2 son más leves que las descritas para la DM1 (cuadro 22-1), en parte porque la secreción parcial de insulina, aunque insuficiente, limita la presencia de cetogénesis. La aparición de la DM2 depende casi por completo de factores genéticos y ambientales, los cuales se consideran factores de riesgo para esta enfermedad, como son:

• Padres o hermanos diabéticos.

• Obesidad e hipertensión.

• Edad superior a 45 años.

• Pertenecer a ciertos grupos étnicos (afroamericanos, nativos americanos, asiáticos, isleños del Pacífico e hispanoamericanos).

• Diabetes gestacional o parto de un bebé con un peso mayor de 4 kg.

• Niveles elevados de triglicéridos en la sangre.

• Niveles elevados de colesterol en la sangre.

• Falta de ejercicio y vida sedentaria.

La ADA recomienda que adultos mayores de 45 años se evalúen para DM2 al menos cada 3 años y con mayor frecuencia en personas de alto riesgo. El criterio diagnóstico de la ADA define la DM como glucemia en ayuno ≥ 126 mg/dl o una glucemia > 200 mg/dl a las 2 horas de una carga de 75 g de glucosa anhidra (cuadro 22-2).

Criterios diagnósticos para la diabetes mellitus tipo 2

Con independencia de la definición, existen diversos criterios para el diagnóstico de la DM constantemente revisados por la ADA y la OMS. Estos criterios se resumen en el cuadro 22-2.

PRUEBA ALEATORIA DE GLUCOSA

Se sospecha la existencia de diabetes si los niveles son superiores a 200 mg/dl y están acompañados por los síntomas clásicos de aumento de sed, micción y fatiga (esta prueba se debe confirmar con otra de nivel de glucosa en la sangre en ayunas).

PRUEBA DE GLUCOSA DE AYUNO DURANTE POR LO MENOS 8 HORAS

Se diagnostica diabetes si el resultado es mayor de 126 mg/dl en dos ocasiones. Los niveles entre 100 y 126 mg/dl se denominan alteración de la glucosa en ayunas o prediabetes. Dichos niveles se consideran factores de riesgo para la DM2 y sus complicaciones.

PRUEBA DE TOLERANCIA DE GLUCOSA

Inicia con toma de glucosa en ayuno. Después, el paciente toma una cantidad moderada de glucosa en una bebida dulce. La glucosa se mide a intervalos específicos. Se diagnostica diabetes si el nivel de glucosa es superior a 200 mg/dl, luego de 2 horas (esta prueba se usa con más frecuencia para la DM2).

Existen otras pruebas, como la glucosa casual, la glucosa en ayunas, la glucosa posprandial, la curva de tolerancia a la glucosa oral y la hemoglobina glucosilada (GHB). De todas estas pruebas, la GHB o hemoglobina A_1c (HbA_1c) es una excelente medida del control de la glucosa en sangre, sobre todo a largo plazo. La importancia de esta prueba radica en que la HbA_1c tiene memoria e indica al médico el control de la glucosa promedio durante los últimos 2-3 meses de prueba.

Estadios de la diabetes mellitus tipo 2

Estadio I. Normoglucemia compensada por hiperinsulinemia con diferentes grados de resistencia.

Estadio II. Normoglucemia basal con hiperinsulinismo asociada a disminución de la respuesta de la célula beta pancreática a la glucosa, generando hiperglucemia posprandial.

Estadio III. Disminución de la secreción de insulina con hiperglucemia en ayuno.

Tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2

Lograr un buen control metabólico, evitar complicaciones agudas y prevenir las complicaciones crónicas son los objetivos del tratamiento para lograr un automonitoreo y un autocuidado efectivos, junto con un equilibrio emocional adecuado. El tratamiento es muy variable, en función de las características del paciente y el estadio de la enfermedad, pero el esquema general debería incluir desde ejercicio físico y régimen dietético (sin uso de fármacos) hasta estas actividades combinadas con el uso de diferentes tipos de fármacos, administración de insulina y diferentes combinaciones.

Esquema terapéutico general:

1. Después del diagnóstico positivo, se deben ajustar tanto una dieta como una rutina de ejercicio físico.

2. Si las medidas anteriores no funcionan (por lo menos 3 meses), se inicia un tratamiento farmacológico. En sobrepeso: la metformina es el fármaco de primera elección. Inhibe la producción hepática de glucosa y mejora la sensibilidad a la insulina, puede combinarse con sulfonilurea (SU), glitazona, secretagogo o inhibidor de alfaglucosidasa. En personas de peso normal: se recomiendan secretagogos para estimular la secreción de insulina. Se pueden usar SU solas o en combinación con metformina, inhibidores de alfa-glucosidasa o glitazona.

3. Si no funciona el tratamiento farmacológico, debe administrarse insulina sola o combinada con los medicamentos mencionados.

Fisiopatología de la diabetes mellitus tipo 2

La patogenia de la DM2 sigue siendo enigmática. Sin embargo, queda claro que los hábitos de vida desempeñan un papel crítico, como lo demuestra la obesidad como factor de riesgo. No obstante, se considera que los factores genéticos son incluso más importantes que en la DM1. Estudios en gemelos homocigotos demuestran que la incidencia de DM2 en ellos tiene una concordancia de 60 a 80%. En pacientes con antecedentes familiares de DM2 y en gemelos no homocigotos, el riesgo de desarrollar la enfermedad es de 20 a 40%, mientras que la cifra en población general es de 5 a 7%.

La DM2 es un síndrome heterogéneo que tiene, como elemento común, una hiperglucemia crónica por una deficiencia de insulina o una efectividad de su acción insuficiente. La glucorregulación es un proceso fisiológico complejo, en el cual las fallas a diferentes niveles conducen finalmente a hiperglucemia. En la actualidad, se han identificado defectos en células, tejidos o funciones relacionados con la expresión de la enfermedad, o bien la presencia de polimorfismos. Cada uno de estos cambios en las células aporta su propio riesgo, modificado por los factores ambientales; la sumatoria de estos factores es lo que predispone —en mayor o menor medida— al desarrollo de la enfermedad.

La obesidad es un factor desencadenante de la DM2. Alrededor de 80% de los pacientes con DM2 son obesos; la obesidad abdominal (en oposición a la obesidad en depósitos subcutáneos) es la que presenta un riesgo mayor. La acción lipolítica se opone a los efectos lipogénicos de la insulina y moviliza ácidos grasos para su uso como fuente de combustible durante el ayuno.

Los factores de riesgo propuestos para explicar el incremento de complicaciones e incidencia de enfermedad cardiovascular en la diabetes son la presencia de hiperglucemia, la dislipidemia, la formación acelerada de productos finales de glucosilación avanzada (AGE), como la HbA_1c, el incremento del estrés oxidativo y factores genéticos.

Función de la insulina

La insulina es una hormona pancreática liberada por las células beta de los islotes de Langerhans en respuesta a niveles elevados de nutrientes en sangre, que controla funciones energéticas fundamentales, como el metabolismo de la glucosa, lípidos y proteínas. Además, promueve la división y el crecimiento celulares a través de sus efectos mitogénicos.

La insulina es una hormona de 5.8 kDa, y se compone de 51 aminoácidos dispuestos en dos cadenas polipeptídicas A y B, unidas por dos puentes disulfuro (figura 22-1A). La cadena A consta de 21 aminoácidos y la cadena B, de 30. También contiene un puente disulfuro intramolecular entre los residuos 7-7 y 20-19 de aminoácidos de la cadena A y B.

La insulina se libera a la vena porta en respuesta a un aumento de la glucemia, y su principal función es mantener la concentración de glucosa sanguínea en un rango entre 80 y 105 mg/dl, para favorecer la entrada y el almacenamiento de este nutriente en el músculo y el tejido adiposo.

El hígado absorbe alrededor de 50% de la insulina; el resto permanece en la corriente sanguínea, con una vida media de entre 5 y 8 minutos en personas sanas. El resto de la glucosa se almacena en el hígado como glucógeno, lo que inhibe la producción de insulina.

Las acciones de la insulina son mediadas por cascadas de señalización intracelular, en las cuales la fosforilación inicial del receptor en residuos tirosina (Tyr) lleva a una serie de eventos de fosforilación/desfosforilación de cinasas de Tyr y serina/treonina (Ser/Thr), que transmiten la señal para la regulación de eventos metabólicos dentro de la célula.

En la figura 22-1B se observa el procesamiento de la insulina en la célula pancreática, en donde el producto final es la insulina y el péptido C.

La función fisiológica de la insulina es regular el nivel de glucosa en sangre. Sin embargo, tras una comida, y en función del índice glucémico, el nivel de insulina sanguínea puede elevarse de manera espectacular. Una comida compuesta en su mayor parte de proteínas, grasa y muy pocos carbohidratos producirá una respuesta glucémica reducida, mientras que una comida rica en monosacáridos (carbohidratos simples, como el azúcar) ocasionará una gran respuesta glucémica.

Las comidas habituales pueden elevar la concentración de glucosa en sangre a 140 mg/dl. Las células beta del páncreas son capaces de reconocer el incremento de glucosa y liberar insulina en 30 segundos, y la insulina se une a un transportador de proteína de la sangre que conduce los macronutrientes y los micronutrientes a los miocitos, los hepatocitos y los adipocitos. En los miocitos existen dos transportadores de glucosa: Glut 1 y Glut 4. Se considera que las proteínas Glut 1 son los transportadores básales de la glucosa, porque su presencia en la membrana celular no varía. Sin embargo, las proteínas Glut 4 reciben el nombre de transportadores inducibles de glucosa, pues se desplazan a la superficie de la célula en respuesta a la insulina o a la contracción muscular. El ejercicio físico aumenta el número de proteínas Glut 4 de la membrana celular y, por consiguiente, la sensibilidad a la insulina. Tanto es así, que al introducir la glucosa en esas células, la insulina logra restablecer el nivel de glucosa en la sangre en 2 horas.

Tanto la obesidad como la lipoatrofia ocasionan RI y una predisposición a la DM2, lo que demuestra que el tejido adiposo es crucial para la regulación del metabolismo de los carbohidratos, más allá de su capacidad para captar glucosa. Aunque la insulina no estimula la captación de glucosa en el hígado, bloquea la glucogenólisis y la gluconeogénesis, y estimula la síntesis de glucógeno; de esta manera regula los niveles de glucosa en ayuno. La acción de la insulina en tejidos que normalmente no se consideran sensibles a la insulina, incluyendo el cerebro y las células beta pancreáticas, también son importantes en la homeostasis de glucosa.

Resistencia a la insulina

La RI puede definirse como la incapacidad de las células blanco de responder a la insulina, debido a defectos en su señalización. Esta RI es una de las principales características en las manifestaciones patológicas asociadas con la DM2.

Se han identificado múltiples anormalidades en las reacciones de señalización de la insulina que contribuyen a esta resistencia:

• Reducción del nivel de expresión de receptores de insulina.

• Reducción del nivel de actividad de la tirosina cinasa intrínseca, lo que resulta en una fosforilación del sustrato del receptor de la insulina inadecuada.

Entre las causas potenciales para la disfunción de las células beta del páncreas se encuentran:

• Anormalidades metabólicas reversibles como la glucotoxicidad y la lipotoxicidad.

• Cambios hormonales como la acción inadecuada de la incretina y la secreción aumentada de glucagón (las hormonas incretinas se producen en el tracto gastrointestinal y se liberan cuando los nutrientes ingresan al intestino y, tras su liberación, se estimula la secreción de insulina; el principal mecanismo regulador para la secreción de glucagón es el nivel de glucosa en sangre).

• Anormalidades genéticas de las proteínas de las células beta del páncreas, como la glucocinasa, el complejo formado por el receptor de las sulfonilureas y el canal de potasio, el factor promotor 1 de la insulina, el factor nuclear de los hepatocitos y el sustrato 1 del receptor de la insulina.

• Reducción de la masa de las células beta del páncreas causada, principalmente, por apoptosis.

La resistencia a la insulina aumenta con el incremento de peso y, por el contrario, se reduce con la disminución. Esto sugiere que la acumulación de grasa es importante en el desarrollo de la resistencia a la insulina. El tejido adiposo no es tan sólo un órgano que almacena energía, sino que también es un órgano secretor. Las sustancias reguladoras que producen los adipocitos incluyen leptina, resistina y adiponectina, las cuales contribuyen al desarrollo de resistencia a la insulina. Los niveles altos de ácidos grasos que se presentan en la obesidad también participan en el desarrollo de resistencia a la insulina.

El efecto nocivo de los ácidos grasos en la señalización de la insulina se lleva a cabo a través de la activación de diferentes proteínas serina cinasa (JNK, IKK, PKC θ y PKC ζ), que fosforilan al sustrato del receptor de la insulina (IRS) 1 (IRS-1). Por ello, la fosforilación en serinas del IRS-1 desempeña un papel crucial en la resistencia a la insulina inducida por ácidos grasos. Al impedir esta fosforilación se protege el músculo contra la resistencia a la insulina.

Las células adiposas expresan y liberan al factor de necrosis tumoral alfa (TNFα), factor cuya participación se reconoce en la inducción de la RI. Esta molécula ejerce múltiples efectos sobre la función del adipocito, como inhibición de la lipogénesis y aumento de la lipólisis. El TNFα interfiere en la señalización de insulina y causa resistencia a insulina en la obesidad (figura 22-2).

Señalización de la insulina

La insulina ejerce varios efectos pleiotrópicos en las células: incrementa la replicación y supervivencia celular, disminuye la apoptosis, participa en el ciclo celular y regula la homeostasis del metabolismo energético. La resistencia a la insulina puede deberse a múltiples defectos en la transducción de las señales como, por ejemplo, la activación defectuosa del receptor insulínico y la activación disminuida de la cinasa de fosfatidilinositol trifosfato (PI3K) estimulada por insulina.

Se investigan varias moléculas como estrategia para intervenir en la transducción de señales mediadas por la insulina. Los nuevos enfoques se dirigen a inhibir las vías enzimáticas que desactivan el receptor de insulina, o a sus efectores intracitosólicos subyacentes, como las proteínas IRS. De esta manera, se han podido identificar proteínas de tirosin-fosfatasas específicas (PTP), entre otras, como objetivos terapéuticos.

Receptor de insulina

Una vez en la sangre, la insulina llega a los dos órganos blanco principales: las células del tejido adiposo y las de los músculos; estas últimas son las grandes consumidoras de glucosa. Las células del músculo tienen receptores específicos para la insulina en su superficie.

Las acciones de la insulina inician con su acoplamiento al receptor de insulina (InsR), el cual es una proteína transmembranal heterotetramérica, compuesta de dos subunidades extracelulares alfa y dos subunidades beta transmembranales con actividad tirosina cinasa. La insulina se une a dos sitios asimétricos de las subunidades extracelulares alfa, con lo que se inducen cambios conformacionales que dan lugar a la autofosforilación de las subunidades beta insertadas a través de la membrana y producen la activación de la tirosina cinasa intrínseca del receptor (enzima fosforilante). En ese momento, la porción intracelular del receptor adquiere la capacidad de cinasa, y hace que una molécula de fosfato ($H3PO3−$) se combine con el aminoácido tirosina en cada subunidad, como se describe en la figura 22-3.

La subunidad beta tiene tres sitios de autofosforilación: uno cerca de la membrana; otro dentro del asa de regulación, y el tercero en el extremo carboxilo terminal. La autofosforilación es el inicio de una cascada de respuestas de señalización celular que incluyen la fosforilación de la familia de proteínas IRS, de las cuales se han identificado al menos cuatro, con estructuras químicas similares, pero que se distribuyen en forma distinta en los tejidos corporales. El efecto insulínico se da por la activación de la cadena fosforilativa intracelular, mediante un intercambio de fósforos entre diversas moléculas dentro de la célula. Como consecuencia de la unión de la insulina a las subunidades alfa, la subunidad beta, con propiedades de proteína cinasa, se autofosforila en los residuos de tirosina, serina y treonina. Posteriormente, se inicia una cascada de reacciones de fosforilación y desfosforilación de un gran número de sustratos intracelulares, intermediarios de muchas acciones metabólicas. De este modo, la insulina alcanza sus efectos finales mediante un conjunto de acontecimientos celulares que involucran reacciones muy diversas.

El IRS-1 fosforilado, a su vez, se une a varias proteínas llamadas proteínas SH2, que contienen dominios SH2, por homología al dominio 2 de la proteína Src.

Una vez fosforilado, el InsR atrae proteínas adaptadoras que contienen dominios de unión a fosfotirosinas (PTB), como el IRS y la proteína homóloga de Src (Shc). Las proteínas adaptadoras que se unen al receptor fosforilado pueden activar la vía de la proteína cinasa activadora de la mitogénesis (MAPK) o la vía de señalización de la PI3K, como se describe en la figura 22-3.

En la vía de señalización de la fosfatidilinositol-3-cinasa (PI3K), las proteínas sustrato del InsR, como la IRS1 e IRS2, se unen a las tirosinas fosforiladas del InsR y se activan de manera que pueden unir el dominio SH2 de la PI3K de la clase IA, que se une a residuos de fosfotirosina en los receptores activados y proteínas adaptadoras.

La unión de PI3K a fosfotirosinas en las proteínas sustrato del InsR permite la liberación de la subunidad p85 de la PI3K que se encuentra inhibida por la subunidad p110 de PI3K. Así, el heterodímero p85-p110 se puede unir a su sustrato fosfatidil inositol -4, 5-bifosfato (PIP2) en la membrana plasmática y producir fosfatidil inositol -3, 4, 5-trifosfato (PIP3), como se muestra en la vía descrita en la figura 22-4. La síntesis de PIP3 lleva al reclutamiento de cinasas de serina/treonina, como Akt (también denominada proteína cinasa B o PKB), la cual se puede unir a lípidos de fosfatidil inositol en las membranas celulares. Akt es miembro de una familia de proteínas (existen tres genes: Akt1, Akt2 y Akt3) y se fosforila por PDK1 (complejo proteico mTor/Rictor), en el residuo de treonina 308 y serina 473, que la activan. Akt actúa sobre varias proteínas regulando procesos como la síntesis proteica, el crecimiento y metabolismo celular, la plasticidad neuronal y la apoptosis. Akt también puede actuar sobre la cinasa glucógeno-sintetasa 3 (GSK3) regulando la progresión del ciclo celular.

Sustratos del receptor de insulina

Se han identificado al menos nueve sustratos intracelulares de las cinasas del receptor de insulina/IGF-1. Cuatro de ellos pertenecen a la familia de las proteínas IRS del receptor de insulina. Otros incluyen a las proteínas Gab-1, p60dok, Cbl, APS e isoformas de Shc. Las tirosinas fosforiladas en estos sustratos actúan como zonas de acoplamiento para proteínas que contienen dominios de SH2.

Inhibición de la señalización del receptor de insulina

En adición a la fosforilación de tirosina, tanto el receptor de insulina como las proteínas IRS son susceptibles a las fosforilaciones en sus residuos de serina, que pueden atenuar o abolir la vía de señalización intracitosólica de la insulina, al disminuir o interrumpir la fosforilación de tirosina mediada por la insulina y promover también interacciones con las proteínas 14-3-3. La familia de proteínas 14-3-3 se caracteriza por estar implicada en la transducción de señales mediante su unión a proteínas que contienen fosfoserina. Las proteínas 14-3-3 actúan como moduladoras de la fosforilación. Esto significa que, luego que una proteína es fosforilada, se genera un sitio de unión para 14-3-3, y esta interacción realmente modifica el estado de activación de la proteína (figura 22-5).

Estas fosforilaciones retroalimentan de forma negativa la señalización de insulina, y sirven como mecanismo molecular puente para la comunicación cruzada de otras vías intracitosólicas involucradas en la resistencia a la insulina. En este proceso se han implicado varias cinasas, incluyendo la PI-3K, Akt, la cinasa glucógeno-sintetasa GSK-3 y el receptor en mamíferos de rapamicina (mTOR, mammalian target of rapamycin). Por otro lado, la atenuación de la señalización de insulina inducida por tejido adiposo podría desencadenarse a través de otras vías moleculares y genómicas que ocasionan la activación secuencial de la proteína cinasa C (PKC) y la cinasa del inhibidor del factor nuclear-kappa beta.

La acción de la insulina también es atenuada por proteínas fosfatasas de tirosina (PTPasas), que catalizan una desfosforilación rápida del receptor y sus sustratos.

Cascadas de fosforilación estimuladas por la insulina

Como en otros factores de crecimiento, la insulina estimula la MAPK, para a su vez estimular la cinasa regulada por señales extracelulares (ERK). Esta vía involucra la fosforilación de tirosinas en las proteínas IRS y/o Shc, que a su vez interactúan con la proteína adaptadora Grb2, reclutando la proteína de intercambio Son-of-sevenless (SOS) hacia la membrana plasmática para activar la proteína Ras. La activación de Ras requiere también la estimulación de la tirosina fosfatasa SHP2, a través de su interacción con sustratos del receptor como Gab-1 o IRS1/2. Una vez activada, la proteína Ras opera como un interruptor molecular, estimulando a su vez una cascada de serinas-cinasas a través de la activación secuencial de las proteínas Raf, MEK y ERK. La activación de ERK la transloca al interior del núcleo en donde cataliza la fosforilación de factores de transcripción, que dan lugar a la proliferación y diferenciación celulares, como se aprecia en la figura 22-6.

Los transportadores de difusión facilitada para hexosas(Glut) son una gran familia de proteínas y sus miembros poseen características comunes con secuencias extremadamente conservadas que determinan estructuras secundarias y terciarias (dominios o motifs). Estos dominios les dan especificidad a los transportadores por uno o más carbohidratos, determinan su distribución tisular, la ubicación celular y la regulación de su actividad por hormonas.

En los últimos cuatro años se han identificado nuevos genes que codifican proteínas transportadoras tipo TDFH para la glucosa y que pertenecen a la familia SLC2A (del inglés SoLute Carrier 2A). Sobre la base de la homología de la secuencia primaria, la familia de los Glut puede dividirse en tres subfamilias:

1. Familia de clase I: se encuentra formada por los Glut 1, 2, 3 y 4.

2. Familia de clase II: constituida por los Glut 5, 7, 9 y 11.

3. Familia de clase III: formada por los Glut 6, 8, 10, 12, el Glut 13, o transportador para mioinositol (HMIT -1), y el Glut 14.

Glut 1 (SLC2A1): transportador con alta afinidad

Se encuentra en los tejidos que emplean glucosa como combustible principal. A Glut 1 también se le conoce como transportador de glucosa eritrocito/cerebro. Se encuentra ampliamente distribuido en el ser humano y se expresa en numerosos tejidos fetales y adultos, como los eritrocitos, las células endoteliales, las células nerviosas, la placenta, los glóbulos blancos, las células de la retina, el riñón (mesangio), el tejido adiposo, etc. Glut 1 tiene una alta afinidad por la glucosa (Km* = 1 a 2 mM), por lo que puede transportarla al interior de las células a cualquier concentración de ésta. Se le considera un transportador basal, lo que es importante para el tejido nervioso y el eritrocito (los tejidos donde se encuentra).

Glut 2 (SLC2A2): función glucosensora

Glut 2 es un transportador de glucosa con baja afinidad (Km = 15-20 mM), se expresa en el hígado humano adulto, el riñón, las células beta de los islotes de Langerhans y la membrana basolateral de las células epiteliales del intestino delgado. Se le atribuye la propiedad de glucosensor porque, con una baja concentración de glucosa en plasma, no es capaz de transportar glucosa al interior de la célula beta y la secreción de insulina es muy baja. En cambio, después de una comida, cuando se incrementa la concentración plasmática de glucosa, el ATP generado por el metabolismo puede estimular la liberación de insulina. Glut 2 es un transportador de tipo bidireccional, que puede transportar glucosa desde la sangre al tejido o bien desde el tejido hacia la sangre, lo que es muy útil para el hígado y el riñón.

Glut 3 (SLC2A3): Glut de más alta afinidad por la glucosa

Glut 3 es un transportador de glucosa de alta afinidad (Km = 1 a 2 mM) que primero fue caracterizado en el cerebro. Es un transportador coagregado con Glut 1 en el tejido nervioso y la placenta. Este transportador participa en el desarrollo embrionario.

Glut 4 (SLC2A4): Glut con gran movilidad

Glut 4 es un transportador de alta afinidad para la glucosa (Km = 5 mM) que se expresa fundamentalmente en el tejido muscular estriado, el tejido muscular cardiaco y el adipocito. Glut 4 representa un mecanismo muy fino de regulación del metabolismo de la glucosa, que sólo permite la entrada de glucosa al tejido muscular cuando es lo suficientemente elevada como para estimular la secreción de insulina que favorecerá la entrada del excedente de glucosa al interior muscular. El mecanismo de Glut 4 es a través de la unión de vesículas con la membrana plasmática figura 22-7. Este complicado sistema requiere el concurso de una serie de proteínas de las vesículas y de la membrana, que se denominan en conjunto proteínas Snare. La translocación de Glut 4 a la membrana también requiere de la activación de la enzima fosfatidilinisitol-3-cinasa (PI-3K), por intermedio del IRS-1 fosforilado, que forma un complejo con dicha enzima que produce un incremento de su actividad unas 20 veces.

Glut 5 (SLC2A5): transportador específico para fructosa

Se expresa fundamentalmente en las células del ribete en el cepillo del intestino delgado, donde media el paso de la fructosa desde el lumen hasta la célula epitelial intestinal (Km = 10 a 13 mM). Niveles bajos de este transportador también se encuentran en los eritrocitos, el riñón, los espermatozoides, el músculo esquelético y el tejido adiposo de humanos y ratas.

Glut 6 (SLC2A6): Glut 6 de baja afinidad, como en el caso del Glut 23

La proteína más similar Glut 6 es el transportador Glut 8 (44.8% de homología).

Glut 7 (SLC2A7): un número fallido

Después de analizar las secuencias de Glut 7 de ratas, se concluyó que ni los hepatocitos de rata ni los de humanos contenían el ARNm equivalente al que se clonó en los experimentos iniciales, por lo que se infiere que el hallazgo inicial de Glut 7 fue un artefacto de las técnicas de clonaje usadas en la época. Más adelante se detectó un gen con características similares a la de los Glut adyacentes al gen de Glut 5, con el cual tiene gran similitud (58% de homología). Este gen se ha denominado provisionalmente SLC2A7, aunque aún no se conoce el patrón de expresión de este gen ni la especificidad de su tránscrito por sustratos.

Glut 8 (SLC2A8): se inicia la carrera por descubrir nuevos Glut

Al encontrar niveles muy bajos de ARNm de las isoformas conocidas de estos transportadores, surge la idea de la existencia de nuevos transportadores. Experimentos en ratones que no expresan Glut 4 (Glut 4 knockout mice) mostraron que la capacidad de transporte de glucosa en el músculo es casi normal, sin que se observe un incremento compensatorio en la expresión de Glut 1 o 3. Este abordaje llevó a la identificación y la caracterización de Glut 8 y Glut 9 (en la actualidad reclasificado como Glut 6).

Glut 9 (SLC2A9): el verdadero Glut 9

Glut 9 es un transportador perteneciente a la clase II, con una homología de 55% con Glut 5. Se expresa de manera importante en el riñón y el hígado, y a bajos niveles en el intestino delgado, la placenta, el pulmón y los leucocitos.

Glut 10 (SLC2A10): hace pareja con el Glut 2

El Km de Glut 10 es de 0.3 mM. El gen del transportador se localiza en una región asociada fuertemente con posibles diabetogenes. La localización del gen y sus propiedades funcionales sugieren que Glut 10 puede llevar a cabo funciones metabólicas de gran importancia y ser un elemento clave en el desarrollo de la DM2. Este transportador se encuentra en mayor concentración en el hígado (adulto y fetal), así como en el páncreas, el músculo cardiaco, el pulmón, el cerebro (adulto y fetal), el músculo esquelético, la placenta y el riñón.

Glut 11 (SLC2A11): un transportador más de fructosa

Sólo se han conseguido productos del gen de Glut 11 humano en el músculo esquelético y cardiaco; de éste se han descrito 3 tipos de variantes: la primera es causada por la existencia de tres exones de inicio diferentes. A diferencia de Glut 4, la actividad del transporte de glucosa de Glut 11 es inhibida en gran medida por la fructosa, lo que lleva a pensar que éste es un transportador para fructosa con baja afinidad para la glucosa.

Glut 12 (SLC2A12): hermano menor del Glut 4

El ADNc de este Glut codifica para una proteína de 617 aminoácidos que posee las características esenciales de los Glut. El grado de homología de este transportador con Glut 4 es de 29% y con Glut 10 de 40%. Glut 12 presenta un asa extracelular de gran tamaño entre las α hélices transmembrana 9 y 10. El inmunoblot ha puesto en evidencia la expresión de Glut 12 en el músculo esquelético, el tejido adiposo y el intestino delgado. Este hecho ha planteado la hipótesis de que este transportador representa el elusivo segundo sistema de transporte sensible a la insulina que se encuentra en células musculares, ya que su ARNm se ha encontrado en el músculo y en la próstata.

Glut 13 (SLC2A13): transportador de mioinositol dentro de la clasificación de los Glut

Glut 13, o transportador de H⁺/inositol, codifica para una proteína transportadora de membrana de 629 aminoácidos con una analogía de 35% con Glut 6 y que se expresa fuertemente en células de la glía y en algunas neuronas, con la capacidad de transportar mioinositol y glucosa cuando se encuentra a una alta concentración. El inositol y sus derivados fosforilados (fosfoinositósidos) tienen una función importante como osmolitos y como segundos mensajeros en la regulación de la exo y la endocitosis de vesículas. La expresión de este transportador en ovocitos de Xenopus laevis ha demostrado que la actividad de transporte es casi exclusiva para el mioinositol y algunos de sus isómeros, con una Km de 100 mM. Su expresión preferencial en el sistema nervioso central hace pensar que su principal papel está en la regulación de estos metabolitos en el cerebro.

Glut 14 (SLC2A14): una codificación lejana

Este Glut está codificado unas 10 Mb corriente arriba del gen del Glut 3, con el cual comparte un importante parecido. Hasta ahora se había creído que Glut 14 era un seudogen (como el Glut 6, en sus principios), resultado de la duplicación del gen de Glut 3. El gen de Glut 14 posee dos formas: una corta, que consiste en un tránscrito de 497 aminoácidos, similar al Glut 3 en un 94.5%. La segunda forma, llamada forma larga, codifica para una proteína de 520 aminoácidos que difiere de la anterior en el extremo aminoterminal. Sin embargo, en contraste con Glut 3 este transportador se expresa fundamentalmente en los testículos, donde su ARNm se encuentra en una concentración cuatro veces mayor que Glut 3.

La aplicación de técnicas de biología molecular ha avanzado en la búsqueda de marcadores genéticos asociados a diversas enfermedades, para su diagnóstico y tratamiento oportunos.

En contraste con la DM1, en donde se ha encontrado una estrecha relación con los genes del sistema HLA, en la DM2 no ha sido posible establecer un solo gen involucrado con esta enfermedad. Sin embargo, se han descrito varios genes relacionados con esta afección, entre los que destacan los genes que codifican para las proteínas involucradas en la vía de señalización de la insulina, el transporte de la glucosa, la síntesis de glucógeno, la síntesis y absorción de ácidos grasos y la diferenciación de los adipositos (cuadro 22-3).

Formas menos comunes de DM2 como las MODY presentan herencia autosómica dominante (formas mendelianas). Este subtipo de diabetes, generalmente de inicio temprano, al igual que la diabetes de herencia compleja, es genéticamente heterogénea. A la fecha se han descrito seis genes causales de MODY distintos: el gen que codifica para la enzima glucocinasa, regulador importante de la secreción de insulina por el páncreas, y cinco genes más que codifican para factores transcripcionales involucrados en la expresión del gen de la insulina y otros genes pancreáticos, como el factor nuclear de los hepatocitos (HNF) 4 alfa, (HNF-4α), HNF-1α, HNF-1β, IPF-1 y beta2/neuroDl.

Los efectos beneficiosos de la actividad física para el tratamiento de la DM2 son reconocidos. En varias investigaciones se ha demostrado que el ejercicio aeróbico es una forma muy conveniente de entrenamiento, aunque hoy en día en pacientes con DM2, también se recomienda el ejercicio de sobrecarga como un componente importante de los programas de acondicionamiento físico.

En los miocitos, existen dos transportadores de glucosa, Glut 1 y Glut 4. Se considera a las proteínas Glut 1 los transportadores basales de la glucosa, porque su presencia en la membrana celular no varía. En otras palabras, las células musculares poseen un número determinado de proteínas Glut 1 en la membrana celular para transportar glucosa. Sin embargo, los transportadores Glut 4 se desplazan a la superficie de la célula en respuesta a la insulina o a la contracción muscular inducida por la actividad física (figura 22-8). Así, el ejercicio físico aumenta el número de proteínas Glut 4 en la membrana celular y, por consiguiente, la sensibilidad a la insulina, ya que es translocado hacia la membrana de la célula muscular, sin intervención de la insulina. Una simple caminata permite la entrada de 100 g de glucosa/hora a los músculos; mientras que el ejercicio intenso permite la entrada, como máximo, de 200 g de glucosa/hora.

AMPK y consumo de glucosa del músculo

La proteína cinasa activada por AMP (AMPK) es una enzima que se activa cuando se produce un cambio en los depósitos energéticos de la célula, debido a mecanismos de contracción. También se ha visto que cuando el músculo se ejercita se activa por hipoxia. Su papel crucial en el consumo de glucosa se ha demostrado fisiológica y farmacológicamente. Este mecanismo, observado in vitro, se presenta de manera independiente de los mecanismos inducidos por la insulina. En la medida que AMPK activa el consumo de glucosa en el músculo, los niveles de glucosa sanguínea descienden. La magnitud de este fenómeno es dependiente del contenido de glucógeno muscular, del grado de entrenamiento del músculo y del tipo de fibras musculares que lo componen. Otro fenómeno implicado en el consumo de glucosa por AMPK es la acción de ésta sobre la sensibilidad del receptor de insulina, asociada a la disminución de triglicéridos (TG) intracelulares. Dichos TG entorpecen la señalización de insulina y junto con la disminución de Malonil CoA están implicados en la patogenia de la RI.

El AMPK también estimula la translocación de los transportadores de glucosa, Glut 4. La presencia de óxido nítrico estimula el AMPK, y éste, a su vez, el metabolismo de glucosa.

Señales hacia el transporte de glucosa durante el ejercicio

El ejercicio induce, de manera independiente del mecanismo de la insulina, la incorporación y el consumo de glucosa por parte del músculo. Al parecer, uno de los mecanismos esenciales está mediado por las variaciones en las concentraciones del Ca²⁺ por medio de la activación de la PKC que involucra al AMPK y otras proteínas que corresponden a la cascada de señales de insulina, como la p38 y la familia de las MAPK.

Durante el consumo de glucosa por parte del músculo, están involucrados los procesos de aumento del aporte de glucosa a la membrana celular, debido al incremento de la capilaridad y perfusión que supone el ejercicio, y seguidamente por una mayor capacidad de transporte de la membrana obtenida por la vía de translocación de los Glut 4 y por los microtúbulos que los trasladan desde el espacio intracelular a la membrana. En la contracción repetida del músculo se incorporan diacilgliceroles, que inhiben la cascada de señales de insulina y, por lo tanto, funcionan como proteínas moderadoras de la entrada de glucosa al citoplasma celular.

Aspectos ligados al entrenamiento físico

El entrenamiento físico incrementa la posibilidad de metabolizar u oxidar ácidos grasos, gracias al aumento de la capilaridad que posee el tejido muscular entrenado. Éste es capaz de modificar el umbral oxidativo y, ante una misma carga, el músculo entrenado puede cambiar la proporción oxidativa de grasas y glucógeno. Por otro lado, se ha observado que el exceso de glucosa plasmática, acompañado de elevaciones de insulina, inhibe la oxidación de ácidos grasos en el músculo. Este efecto no sucede a la inversa, es decir, ante un aumento de ácidos grasos circulantes no aumenta la capacidad oxidativa de grasas por parte del músculo durante el ejercicio. Esto es muy importante ante los diferentes estados fisiopatológicos relacionados con la RI.