Bases moleculares de la acción de la insulina


El páncreas es una glándula de función doble que está repartida en dos componentes estructurales distintos: un componente exocrino y uno endocrino. El componente endocrino que está representado por los islotes de Langerhans, son agrupaciones celulares encargadas de la secreción de hormonas que regulan la glicemia.
En respuesta a los niveles elevados de glucosa en sangre, las células beta de los islotes de Langerhans sintetizan y secretan la insulina, una proteína pequeña compuesta por dos cadenas polipeptídicas unidas entre sí por 3 puentes disulfuro. Esta hormona tiene como función principal mantener la concentración de glucosa en sangre en un rango normal, favoreciendo la entrada y almacenamiento de este nutriente. Además, controla funciones energéticas como el metabolismo de los carbohidratos, lípidos y proteínas, y sus principales efectos se ejercen en el hígado, el músculo y el tejido adiposo.

Receptor de insulina


Para ejercer sus acciones, la insulina debe unirse a un receptor de membrana específico en las células diana, lo que conduce a la generación de segundos mensajeros. El receptor de insulina, que pertenece a la familia de receptores para factores de crecimiento con actividad intrínseca tirosina quinasa, es una glicoproteína heterotetramérica compuesta por dos subunidades alfa (α) y dos beta (β) unidas entre si por puentes disulfuro.

Las subunidades α son completamente extracelulares, y en ellas reside la zona de unión de la insulina, mientras que las subunidades β tienen una porción extracelular, una transmembrana y una intracelular. Esta última, representa el dominio catalítico del receptor, ya que posee actividad tirosina quinasa intrínseca que cataliza la trasferencia de un grupo fosforilo del ATP al grupo hidroxilo de la tirosina. Cabe destacar que en el dominio intracelular se reconocen tres regiones estructurales:
  • Una región yuxtamembranal, que es importante en la transmisión de la señal y se encuentra compuesto por tirosinas.
  • Una región reguladora, constituido también por tirosinas.
  • Y una región con sitio de fosforilación en el carboxilo terminal.

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Receptor de insulina [3]
La unión de la insulina al receptor induce cambios conformacionales en las subunidades α generando que las subunidades β se activen y sean capaces de autofosforilarse en residuos de tirosina. Esto da como resultado, la activación de la actividad tirosina quinasa de estas subunidades, que puede fosforilar residuos de tirosina en el citoplasma de las células diana, transmitiendo así la señal al interior de la célula. De esta manera, se desencadena una cascada de señalización que toma principalmente dos vías: la vía de la fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K) o la vía de las quinasas activadas por mitógenos (MAP quinasas).

Vía de las MAP quinasas


La vía de señalización de las MAP quinasas comienza con la unión de una proteína adaptadora clave, llamada Grb-2. La fosforilación en residuos de tirosina del dominio citoplasmático del receptor de insulina, actúa como sitios de anclaje para otros sustratos proteicos que de igual manera poseen residuos de tirosina susceptibles a ser fosforilados. Entre estas proteínas intracelulares se encuentra la proteína denominada sustrato del receptor de insulina (IRS), la cual al ser fosforilada se une al dominio SH2 de la Grb-2, generando un cambio conformacional en su estructura que activa un segundo sitio de unión llamado SH3, que se enlaza con lugares ricos en prolina. A través de SH3, recluta a una proteína llamada Sos que se une a Ras, un componente muy importante en la transducción de señales.
Ras es un miembro de una clase de proteínas llamadas proteínas G pequeñas, que contienen GDP unido en su forma inactiva. Sos recibe el nombre de factor intercambiador de nucleótidos de guanina (GEF) puesto que al unirse a Ras, induce cambios conformacionales en ella que provocan la apertura del bolsillo de nucleótidos, permitiendo así la salida de GDP y la entrada de GTP a su lugar, activándola.
En su forma unida a GTP, Ras se une a otras proteínas, incluida una proteína quinasa llamada Raf-1, quien sufre un cambio conformacional que activa su dominio proteína quinasa. Raf-1 activada fosforila entonces a otras proteínas, incluidas unas proteínas quinasas llamadas MEKs. A su vez, MEKs activan quinasas reguladas por señales extracelulares (ERKs). Las ERKs fosforilan de igual forma numerosos sustratos, incluidos factores de transcripción en el núcleo, así como otras proteínas quinasas, que participan principalmente en la regulación de la expresión genética en tejidos sensibles a la insulina pero no en la regulación del transporte de glucosa. De esta manera, la síntesis de proteínas es mediada por esta vía de señalización.
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Vía de las MAP quinasas [3]

Vía de la PI3K


La vía de señalización de la PI3K es el principal mecanismo por el que la insulina ejerce sus funciones en el metabolismo de la glucosa y lípidos. La transducción de señales a través de esta ruta se inicia cuando el receptor activo y autofosforilado, interacciona con IRS y los fosforila. Luego estos se convierten en sitios de unión y activación de proteínas adaptadoras que poseen dominios SH2, como es el caso de la PI3K. La fosfoinositol 3 quinasa es un heterodimero compuesto por una subunidad reguladora y una subunidad catalítica.
Las subunidades reguladoras son proteínas adaptadoras que contienen dos dominios de SH2, los cuales permiten su unión a las proteínas IRS-1. Su interacción provoca cambios alostéricos en la conformación de la unidad reguladora dando por resultado la activación de la subunidad catalítica de PI3K. Esto trae como consecuencia, que la PI3K localizada cerca de la membrana plasmática pueda acceder fácilmente a sus sustratos, como lo son: el fosfatidilinositol 4-fosfato (PI4-P) y el fosfatidilinositol 4, 5-bifosfato (PI4, 5-P) para fosforilarlos generando como productos PIP2 y PIP3, respectivamente. El PIP3 sirve como sitio de unión para la proteína quinasa PDK1 y Akt o PKB.
Con respecto a Akt, luego de su reclutamiento a la membrana plasmática es fosforilada en dos residuos. En primer lugar, ocurre la fosforilación en la serina por la acción del complejo proteico PDK2. Esta fosforilación promueve la interacción entre el motivo hidrofóbico del carboxilo terminal de Akt y la quinasa PDK1 que la fosforila en la treonina. Estas dos fosforilaciones son importantes para la activación completa de Akt.
La enzima Akt activa difunde a través de la célula para fosforilar dianas que incluyen componentes que controlan el tráfico del receptor de glucosa GLUT4 a la superficie celular, así como enzimas que estimulan la síntesis de glucógeno. Tal es el caso de la enzima glucógeno sintasa (GS) que es activada por Akt, a diferencia de la enzima glucógeno sintasa 3 quinasa (GSK3) que al encontrarse fosforilada esta inactiva, promoviendo de esta manera un aumento en la síntesis de glucógeno.
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Vía de la PI3K [3]

Regulación del transporte de glucosa


Con respecto a la regulación del transporte de glucosa en células del tejido adiposo y muscular, la insulina promueve la translocación del transportador de glucosa GLUT4 desde compartimientos intracelulares hacia la membrana plasmática, por medio de una vía dependiente de la activación de la Akt. Recientemente, se ha descrito que esto depende de varios mecanismos, entre ellos la participación de la AS160. Esta es una proteína que en estado no fosforilado y activo regula negativamente la actividad de las proteínas G pequeñas Rab, que tienen una participación en el trafico vesicular de GLUT4, inhibiendo la exocitosis basal del transportador. Uno de los sustratos de la Akt es la AS160, a quien fosforila inhibiéndola, incrementando el trafico-dependiente de Rab del transportador GLUT4 a la membrana plasmática.
No obstante, existe en adipocitos una vía de transporte de glucosa que comprende a las proteínas adaptadoras APS y CAP, y a la proteína Cbl. Ésta ruta consiste en la formación de un complejo APS/CAP/Cbl, que permite la fosforilación de CAP/Cbl por el receptor de insulina y su posterior disociación de él. Luego, la proteína Cbl interactúa por medio de CAP con la flotilina en microdominios de la membrana plasmática, también llamados balsas lipídicas, en donde recluta al complejo proteico Crk-C3G. Posteriormente C3G activa a la proteína TC10 (proteína G pequeña, miembro de la familia Rho), la cual lleva a la translocación de GLUT4.
Asimismo, la activación de las PKCs atípicas a través de la insulina también involucra favorecer el transporte de glucosa. Se ha puntualizado que la activación de PKC λ y PKC ζ puede tener lugar en las rutas de señalización del PI3K y la proteína G pequeña TC10. Estas PKCs principalmente se asocian a PDK1 cuando esta se ancla a al PIP3 y son fosforilados en su asa de activación. Independientemente de la vía que lleve a su activación, ambas PKCs contribuyen a la translocacion de GLUT4 por medio de la insulina.

Mecanismos de regulación de la señal de insulina


La cascada de reacciones inducida por la insulina está muy bien regulada con la finalidad de asegurar el adecuado funcionamiento metabólico del organismo. Esto se lleva a cabo por medio de mecanismos de desensibilización homóloga y heteoróloga que disminuyen la actividad de proteínas claves de la señalización, como lo son los receptores de insulina o sus sustratos (IRS).
En cuanto a la regulación a nivel de los receptores de insulina (IR), esta ocurre por varios mecanismos, entre ellos los procesos de endocitosis. Cuando la insulina se acopla a su receptor, el complejo es internalizado hacia los endosomas primarios, principalmente por medio de vesículas cubiertas de clatrina, en donde el receptor permanece activo y fosforilado. Posteriormente, el pH ácidode los endosomas contribuye a la disociación de la insulina de su receptor, que luego es degradada por la acción de la enzima insulinasa acida endosomal y su receptor reciclado a la membrana celular. Sin embargo, en condiciones de larga estimulación con elevadas concentraciones de insulina, el IR es transportado a los lisosomas para ser degradado.
También está fundamentado por evidencias experimentales que el grado de activación del IR se determina por acciones opuestas a su fosforilación en residuos de tirosina, es decir, por medio de mecanismos que involucran la desfosforilación de residuos claves de tirosina en el dominio catalítico del receptor, por la activación de fosfatasas de tirosina. Las fosfatasas (PTPs) tanto citosólicas como de membrana regulan la actividad del IR por desfosforilación, pero estudios realizados en la fosfatasa 1B (PTP citosólica) indica que no solo disminuye la señal de la insulina cuando esta sobre expresada, sino que de igual forma se asocia a receptores de insulina en células intactas; lo nos da a entender que la inhibición de esta fosfatasa generaría un aumento en la sensibilidad a la insulina, esto relacionado a un incremento en el estado de fosforilación del receptor.
De igual forma, existe evidencia de que un aumento en la fosforilación del receptor de insulina en residuos de serina y tirosina puede alterar su autofosforilación en respuesta a la insulina. Cabe destacar a PKC como la quinasa clave en la regulación de la actividad del IR, puesto que media la fosforilación del mismo en las regiones yuxtamembranal, reguladora y carboxilo- terminal de su dominio catalítico, suceso que puede alterar la conformación del receptor o el acceso a residuos de tirosinas claves para su activación.
Acerca de la regulación a nivel del sustrato del receptor de insulina (IRS), después del estimulo por parte de la insulina, el IRS-1 se fosforila no únicamente en residuos de tirosina, sino también en residuos de serina y treonina. La fosforilación de estos últimos residuos está implicada en mecanismos de atenuación de la señal de insulina, los cuales desacoplan la unión del IRS tanto con proteínas efectoras de la vía de la insulina (PI3K), como con el receptor de insulina, lo que altera su capacidad de fosforilación en residuos de tirosina.
Por último, los mecanismos de regulación en la cascada de la insulina después de IRS involucra la acción de las fosfatasas de lípidos, quienes desfosforilan los productos de la activación de PI3K. Entre ellas se encuentran SHIP-2 (inositol fosfatasa con dominio SH2) y PTEM (fosfatasa y homologo de tensina removido en el cromosoma 10), proteínas que inducen la desfosforilación del PIP3 para generar fosfatidilinositol 3,4-bifosfato y fosfatidilinositol 4,5-bifosfato.

Bibliografía


  1. Ross, M., Kaye, G. y Pawlina, W. (2004). Histologia. Texto y Atlas Color con Biologia Celular y Molecular. (4ta ed.). Buenos Aires: Editorial Médica Panamericana.
  2. Tresguerres, J. (2005). Fisiologia Humana. (3era ed.). Colombia: Editorial McGraw- Hill.
  3. Olivares, J. y Arellano, A. (2008). Bases Moleculares de las Acciones de la Insulina. [Articulo en linea]. Consultado el 3 de junio de 2011 en: http://computo.sid.unam.mx/Bioquimica/PDF/2008/01/f_Articulo2.pdf
  4. Berg, J., Tymoczko, J. y Stryer, L. (2007). Bioquímica. (6ta ed.) Barcelona: Editorial Reverte.