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Función de la insulina
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Resistencia a la insulina
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Señalización de la insulina
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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.
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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.
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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.
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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 () se combine con el aminoácido tirosina en cada subunidad, como se describe en la figura 22-3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sustratos del receptor de insulina
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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.
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Inhibición de la señalización del receptor de insulina
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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).
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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.
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La acción de la insulina también es atenuada por proteínas fosfatasas de tirosina (PTPasas), que catalizan una desfosforilación rápida del receptor y sus sustratos.
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Cascadas de fosforilación estimuladas por la insulina
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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.
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