Bases_moleculares_de_la_accion_de_la_insulina.jpg
a insulina es una proteína pequeña; la humana tiene un peso molecular de 5.8 KDa. Se compone de dos cadenas de aminoácidos, unidas entre sí por enlaces disulfuro. Se sintetiza en las células β de los islotes de Langerhans del páncreas, y es secretada en respuesta a elevados niveles de nutrientes, esencialmente hidratos de carbono, en la sangre. La mayor parte de la insulina liberada hacia la sangre circula de forma no ligada; su semivida plasmática es de unos 6 minutos por término medio y desaparece de la circulación en unos 10 a 15 minutos.

La insulina regula tanto el metabolismo como la expresión génica: la señal de la insulina pasa desde el receptor de la membrana plasmática a enzimas metabólicos sensibles a dicha hormona y al núcleo, donde estimula la transcripción de genes específicos.
Para que la insulina inicie sus efectos en las células efectoras, ha de unirse primero y activar una proteína receptora de la membrana. Este receptor activado, y no la insulina, es el que desencadena los efectos posteriores. El receptor de insulina es un heterotetrámero compuesto por dos cadenas α idénticas que sobresalen de la cara externa de la membrana plasmática y dos subunidades β transmembrana con su extremo carboxilo sobresaliendo del citosol, enlazadas por puentes disulfuro. Las cadenas α contienen el domino de unión a insulina y los dominios β contienen la actividad tirosina quinasa.
La señalización a través del receptor de insulina empieza cuando la unión de insulina a las cadenas α promueve un cambio conformacional que activa la actividad tirosina quinasa de las cadenas β y cada monómero αβ fosforila residuos de tirosina de la cadena β de su pareja en el dímero. Esta autofosforilación cruzada abre el sitio activo, permitiendo que el enzima fosforile residuos de tirosinas de otras proteínas diana.
Una de las proteínas diana es el sustrato-1 del receptor de insulina (IRS-1), que una vez fosforilado pasa a ser el punto de nucleación de un complejo de proteínas que transportan el mensaje desde el receptor de insulina a dianas finales en el citosol y el núcleo, a través de largas series de proteínas intermediarias.
Dos vías principales de transducción son activadas por la acción de la insulina: la vía de las proteínas quinasa activadas por mitógeno (MAPK; los mitógenos son señales que actúan desde el exterior de la célula induciendo la mitosis y la división celular) y la vía de la enzima fosfatidilinositol 3-quinasa (PI-3K).

Vía de señalización de las MAPK.
Primero, un residuo de P-Tyr de IRS-1 es unido por el dominio SH2 de la proteína Grb2. Varias proteínas de señalización contienen dominios SH2, todos los cales unen residuos de P-Tyr de otra proteína. Grb2 también contiene un segundo dominio de unión de proteína, SH3, que se une a regiones ricas en residuos de Pro. Grb2 se une a una región rica en prolina se Sos y recluta Sos al complejo proteico. Cuando Sos se una a Grb2, cataliza la sustitución del GDP unido por GTP en Ras, una proteína de la familia de las proteínas G que intervienen en una amplia variedad de transducciones de señal. Cuando GTP está unido, Ras puede activar una proteína quinasa, Raf-1, la primera de tres proteínas quinasas (Raf-1, MEK y ERK), pertenecientes a la familia MAPK, que forman una cascada en la que cada quinasa activa la siguiente por fosforilación. El resultado es una cascada de reacciones que amplifica la señal inicial en muchos órdenes de magnitud. Cuando ERK se activa, interviene en algunos de los efectos biológicos de la insulina al entrar en el núcleo y fosforilar proteínas tales como Elk1, que modula la transcripción de unos 100 genes regulados por insulina.

Vía de señalización de la PI-3K.
Además de Grb2, la enzima fosfoinositol 3-quinasa (PI-3K) se une a IRS-1 a través del dominio SH2 de PI-3K. Activada de esta manera, PI-3K se localiza cerca de la membrana plasmática donde tiene acceso a sus sustratos, así convierte los lípidos de membrana fosfatidilinositol 4-fosfato y fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP₂) en fosfatidilinositol 3,4-bisfosfato (PIP₂) y fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP₃). Cuando está unida a PIP₃, la proteína quinasa B (PKB) o Akt es fosforilada y activada por otra proteína quinasa, la PDK1. La Akt activada fosforila entonces residuos de Ser o de Thr de sus proteínas diana, entre las cuales se encuentran es la glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK3) y la fosfofructoquinasa-2 (PFK-2). GSK3, en su forma activa no fosforilada, fosforila la glucógeno sintasa, inactivándola y disminuyendo la síntesis de glucógeno. Cuando es fosforilada por la Akt, la GSK3 se inactiva, impidiendo así la inactivación de la glucógeno sintasa en hígado y músculo que, junto a la cascada de fosforilaciones de proteínas iniciada por la insulina, estimula la síntesis de glucógeno.
Pocos segundos después de la unión de la insulina a sus receptores de membrana, se produce un notable incremento de la captación de glucosa por las membranas de casi el 80% de las células, sobre todo de las células musculares y adiposas. En el músculo y tejido adiposo, la Akt provoca el movimiento de los transportadores de glucosa (GLUT4) desde vesículas internas a la membrana plasmática, estimulando la captación de glucosa desde la sangre. Sin embargo, ha sido descritas vías para el transporte de glucosa independientes de PI-3K, e involucra a la proteína Cbl y a las proteínas adaptadoras APS y CAP, que activan a la proteína TC10, proteína G pequeña, la cual al parecer lleva a la translocación de GLUT4.
Por otra parte, la activación de las PKCs atípicastambién las involucra en favorecer el transporte de glucosa inducido por la insulina. La activación de PKC- λ/ζ podría darse río abajo de PI’3K y de TC10, es decir, podrían ser proteínas en donde convergen ambas vías de señalización involucradas en el trasporte de glucosa.

MECANISMOS DE REGULACIÓN DE LA SEÑAL DE INSULINA.
La duración y extensión de las señales inducidas por acción de la insulina son altamente reguladas para promover el adecuado funcionamiento metabólico, el balance energético y el mantenimiento del peso corporal. El control de las acciones de la insulina se lleva a cabo gracias a mecanismos muy finos de autorregulación (desensibilización homóloga), en donde enzimas de la misma vía que fueron activadas por acción de la insulina inhiben la actividad de proteínas claves de la señalización, como lo son el IR o sus sustratos IRS. Alternativamente, señales de vías no relacionadas a la de la insulina pueden inhibir su señalización a través de mecanismos de desensibilización heteróloga. De esta forma, tanto el IR como su principal sustrato, el IRS, se encuentran sujetos a una combinación de mecanismos de desensibilización homóloga y heteróloga. A continuación se describen los principales puntos de regulación a nivel del IR y de IRS por acción de la insulina.

a) Regulación a nivel del IR

Endocitosis. Una vez que la insulina se une con el IR, el complejo insulinareceptor es internalizado hacia los endosomas primarios, principalmente mediante su inclusión en vesículas recubiertas de clatrina, en donde el IR permanece activo y completamente fosforilado. El pH ácido de los endosomas induce la disociación de la insulina del IR; una vez que la insulina se disocia, ésta es degradada por acción de la enzima insulinasa ácida endosomal y el IR es reciclado a la membrana celular. Sin embargo, en condiciones de estimulación prolongada con niveles saturantes de insulina, el IR es transportado a los lisosomas para su degradación. De esta forma la internalización, el reciclamiento y la degradación del IR determinan el número de receptores presentes en la superficie celular disponibles para la unión de la insulina.
Este fino mecanismo de regulación del número y de la activación del IR en la membrana plasmática es crucial para determinar la sensibilidad celular a la insulina, no únicamente en condiciones fisiológicas sino también en condiciones patológicas incluyendo a la resistencia a la insulina.
  • Acción de Proteínas fosfatasas de Tyr. Involucra la desfosforilación de residuos claves de Tyr en el asa de activación del receptor por la activación de proteínas fosfatasas de Tyr (PTPs). Las PTPs se clasifican en dos categorías: PTPs citosólicas y PTPs de membrana y ambos grupos han sido identificados como reguladores de la actividad del IR. Con respecto a las PTPs localizadas en la membrana al parecer juegan un papel importante en la regulación de la fosforilación del IR. Las PTPs citosólicas, no únicamente disminuye la señal de la insulina cuando ésta es sobre expresada, sino también se asocia al IR en células intactas, lo que sugiere que puede funcionar como un regulador de las acciones de la insulina in vivo.
  • Fosforilación en residuos de Ser/ Thr. Un aumento en la fosforilación del IR en residuos de Ser/Thr altera su autofosforilación en respuesta a la insulina. La PKC es la quinasa clave en la regulación de la actividad del IR, ya que media su fosforilación en las regiones yuxtamembranal, catalítica y carboxilo terminal. Varios de estos sitios se encuentran en cercana proximidad a los sitios de autofosforilación del IR o se encuentran dentro del sitio catalítico y podrían, por tanto, alterar la conformación del IR o el acceso a residuos de Tyr clave en su activación.

b) Regulación a nivel del IRS.

Fosforilación en residuos de Ser/Thr. Después del estímulo con insulina, el IRS-1 se fosforila de manera notable, no únicamente en residuos de Tyr sino también en residuos de Ser/Thr (Fig. 5). En la mayoría de los casos, la fosforilación de estos residuos está implicada en mecanismos de atenuación de la señal de insulina que desacopla la unión del IRS de proteínas efectoras de la vía de insulina como lo es la PI3K. La fosforilación en residuos de Ser/Thr de IRS puede llevarlo a: a) desacoplarse del IR lo que altera su capacidad de experimentar fosforilación en residuos de Tyr; b) su disociación de complejos intracelulares que lo mantienen en cercanía con el IR; c) su degradación o bien, d) convertirlas en proteínas inhibidoras de la actividad de quinasa del IR.
  • Modulación por interacción con proteínas SOCS. La familia de proteínas supresoras de proteínas de señalización de citocinas (SOCS) juega un papel importante en regular negativamente la activación del IRS, ya sea por interacciones directas o indirectas. Su expresión es inducida por el tratamiento con la insulina en varios tejidos y líneas celulares. Cuando se induce la síntesis de las proteínas SOCS estas son capaces de asociarse con las proteínas IRS, alterando su estructura y su unión tanto al IR como a proteínas efectoras como lo es la PI3K. Además, se ha observado que la asociación de SOCS con IRS promueve su degradación y disminución en el número de células.

c) Mecanismos de regulación río abajo de IRS.
Las fosfatasas de lípidos que desfosforilan los productos de la activación de PI3K están involucradas en la regulación de la vía de insulina río abajo de IRS. Entre estas se encuentran SHIP-2 (inositol fosfatasa con dominio SH2), y PTEN (fosfatasa y homólogo de tensina removido en el cromosoma 10), proteínas fosfatasas que inducen la desfosforilación del PIP3 generando fosfatidilinositol 3,4 bisfosfato, o fosfatidilinositol 4,5 bisfosfato.

RESISTENCIA A LA INSULINA.
La resistencia a la insulina es un estado patológico en el que las células que ordinariamente responden a la insulina dejan de hacerlo. Los individuos con resistencia a la insulina están predispuestos al desarrollo de diabetes mellitus tipo 2, además de asociárseles frecuentemente con un número importante de desordenes de la salud entre los que se encuentran la obesidad, la hipertensión, infección crónica y enfermedades de tipo cardiovascular.
La resistencia a la insulina se manifiesta por una disminución en el transporte de glucosa inducido por la insulina en adipocitos y músculo esquelético, un aumento de la producción de glucosa hepática y alteraciones en el metabolismo de lípidos en tejido adiposo y hepático. A nivel molecular, los mecanismos por los que se genera pueden ser múltiples y variar de un individuo a otro. Sin embargo, la resistencia a la insulina es la consecuencia de una deficiente señalización de la insulina causada por mutaciones o modificaciones post-traduccionales del IR o de moléculas efectoras río abajo del mismo. En algunos casos la resistencia a la insulina se debe a un defecto en la unión de la insulina a su receptor, pero más a menudo se atribuye a alteraciones posteriores a la unión de la insulina, que alteran desde la funcionalidad de su receptor hasta la actividad de proteínas localizadas río abajo del mismo y que desempeñan funciones importantes en la señalización de la insulina.
Entre las alteraciones más comunes se encuentran la disminución en el número de receptores y de su actividad quinasa; un aumento en el estado de fosforilación en residuos de Ser/Thr de proteínas clave como el receptor y su sustrato; la disminución de la actividad de las quinasas PI3K y Akt, y defectos en la expresión y función del transportador GLUT4. De estas alteraciones el aumento en la fosforilación en residuos de Ser/Thr a nivel del IR y de IRS, ha sido considerado como uno de los mecanismos clave en el desarrollo de la resistencia a la insulina. Un aumento en el estado de fosforilación de ambas proteínas puede alterar su asociación a otras proteínas, bloquear sitios de fosforilación en Tyr, disminuir su activación e inducir su degradación.
Diversos agentes y condiciones metabólicas han sido implicados como inductores de la resistencia a la insulina. Los más comunes son los ácidos grasos libres y sus metabolitos; el factor de necrosis tumoral-α (TNF- α) y otras citocinas; hormonas catabólicas como la epinefrina, el glucagón y la angiotensina II y hormonas secretadas por el tejido adiposo como la resistina. De esta forma parece que la resistencia a la insulina es consecuencia de la acción de una multitud de diferentes inductores.
Inicialmente, el incremento en la concentración plasmática de ácidos grasos libres, induce resistencia a la insulina por la inhibición del transporte de glucosa estimulado por la insulina, que es seguido por una reducción en la síntesis de glucógeno en músculo y la oxidación de la glucosa. El incremento en la concentración de ácidos grasos libres puede llevar a cambios en la expresión del IR y alterar, tanto la unión de la insulina con el receptor como el estado de fosforilación de su dominio de quinasa. Así mismo, pueden inhibir la activación de la enzima PI3K dependiente de IRS-1.

Mecanismo de Senalizacion de la Insulina
Resistencia a la Insulina

insulina_(2).jpg
insulina_(2).jpg
Jose Javier Rodríguez Irausquín.

Fuentes:
(2006) Nelson, D., Cox, M. Lehninger Principios de Bioquímica. 4.ª Editorial Omega. España.
(2007) Guyton, A., Hall, J. Tratado de Fisiología Médica. 11.ª ed. Editorial Elsevier. España.
(2008) Olivares Reyes, J., Arellano Plancarte, A. Bases Moleculares de las Acciones de la Insulina.