La insulina y su señalización: mecanismos de transducción de la señal y efectos metabólicos

ÍNDICE

1. RECEPTOR DE LA INSULINA

2. TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL

3. VÍAS DE SEÑALIZACIÓN Y EFECTOS METABÓLICOS

3.1 VÍA DE SEÑALIZACIÓN DE FOSFATIDILINOSITOL 3-QUINASA (PI3K).

3.1.1 APOPTOSIS

3.1.2 SÍNTESIS DE GLUCÓGENO

3.1.3. TRANSLOCACIÓN DE GLUT4 A LA MEMBRANA PLASMÁTICA

3.1.4 SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

3.1.5 SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS

3.1.6 ACTIVACIÓN DE LA GLUCÓLISIS E INHIBICIÓN DE LA GLUCONEOGÉNESIS

3.2 VÍA DE SEÑALIZACIÓN DE LAS MAP QUINASAS

1. RECEPTOR DE LA INSULINA

El receptor de la insulina es un receptor extracelular acoplado a enzima con actividad tirosina quinasa.

El receptor está formado por dos subunidades α y dos unidades β.Ambos tipos de subunidades son sintetizadas de un pro-receptor único codificado por un gen localizado en el cromosoma 19. La proteína sintetizada es rota en dos partes formando una subunidad alfa y una subunidad β. Dos subunidades β se insertan en la membrana celular y están unidas a las subunidades alfa mediante enlaces de disulfuro. Las subunidades alfa se encuentran en el lado extracelular de la membrana. Las subunidades alfa se unen entre sí mediante puentes disulfuro, pero, también están a su vez unidas a las subunidades β por enlaces disulfuro, de modo que la molécula forma un solo complejo heterotetramérico. Las unidades β son las que poseen la actividad quinasa.

2. TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL

Cuando la insulina llega al torrente sanguíneo, viaja por todo el cuerpo hasta llegar a las células diana que contienen receptores especiales para la insulina. La insulina es captada por las subunidades α uniéndose al extremo N-terminal y produce un cambio conformacional en la proteína, lo cual hace que las subunidades β tengan mayor afinidad por el ATP (actividad quinasa).

Una vez que la insulina interacciona con su receptor y éste es activado, una molécula de fosfato se combinará con el aminoácido tirosina. Esto va a poder seguir diferentes cascadas de señalización. Principalmente hay dos vías de transducción activadas por la acción de la insulina:

- Vía de la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K): metabolismo de la glucosa y de los lípidos.

- Vía de las quinasas activadas por mitógenos (MAP quinasas): regulación en la síntesis de proteínas.

3. VÍAS DE SEÑALIZACIÓN Y EFECTOS METABÓLICOS
VÍA DE SEÑALIZACIÓN DE FOSFATIDILINOSITOL 3-QUINASA (PI3K)

La vía de la PI3K es el principal mecanismo por el que la insulina ejerce sus funciones en el metabolismo de la glucosa y de lípidos.

El receptor fosforilado hace que se incorpore fosfato a otra molécula llamada IRS-1 (sustrato 1 del receptor de insulina). El IRS-1 fosforilado, a su vez, se une a varias proteínas llamadas ‘Proteínas SH2’. Una de las proteínas SH2 es la Fosfatidil-Inositol-3 Kinasa (PI3K) a la cual fosforila y se forma el complejo [IRS-1 PI3K] .


3.1.1 APOPTOSIS

La activación de Akt controla la supervivencia celular a través de la fosforilación de las dianas que dependen de ella, con el resultado neto del incremento en la supervivencia celular, proliferación, crecimiento у metabolismo. Las dianas para la activación de Akt pueden ser clasificadas en tres grupos distintos: proteínas apoptóticas, factores de transcripción у proteínas-quinasas. Akt fosforila directamente dos proteínas apoptóticas, BAD у caspasa 9, inhibiendo su actividad apoptótica у promoviendo por tanto la supervivencia celular.

3.1.2 SÍNTESIS DE GLUCÓGENO

Cuando llega la insulina a las células del hígado y se une a su receptor se activa la vía de la PI3K que producirá la translocación de GLUT2 y como consecuencia la entrada de glucosa al interior de la célula. Esta glucosa va a entrar en la vía de la glucólisis pero va a ser catalizada por la glucoquinasa fosforilándola y produciendo glucosa-1-fosfato que mediante la activación por UTP va a poder unirse al extremo de una cadena de glucógeno gracias a la acción catalítica de la glucógeno sintetasa (previamente fosforilada por la GSK3). De este modo se va a producir la glucogenogénesis, es decir, el almacenamiento de la glucosa en exceso en forma de glucógeno en el interior de las células hepáticas.

3.1.3 TRANSLOCACIÓN DE GLUT4 A LA MEMBRANA PLASMÁTICA

En el tejido adiposo y muscular, la insulina promueve la translocación del transportador de glucosa GLUT4 de compartimentos intracelulares a la membrana plasmática, por una vía que depende de la activación de PI3K y de la quinasa Akt. Evidencias recientes indican que el tráfico de GLUT4 a la membrana plasmática depende de varios mecanismos entre los que se encuentra la participación de la AS160 (la cual contiene un dominio Rab/GAP). AS160 (sustrato de Akt de 160 KDa) es una proteína que en su estado no fosforilado y activo regula negativamente la actividad de las proteínas G pequeñas Rab, las cuales participan en el tráfico vesicular de GLUT4, inhibiendo la exocitosis basal del transportador. AS160 es sustrato de Akt, y cuando es fosforilada por Akt, AS160 se inhibe, por lo que se incrementa el tráfico-dependiente de Rab del transportador GLUT4 a la membrana plasmática.

En años recientes fue descrita en adipocitos una vía de transporte de glucosa independiente de PI3K, e involucra a la proteína Cbl y a las proteínas adaptadoras APS y CAP. La formación de un complejo proteico entre APS/CAP/Cbl, permite la fosforilación de ésta última proteína por el IR. El complejo CAP/Cbl fosforilado se disocia del IR y a través de CAP interactúa con la flotilina en microdominios de la membrana plasmática conocidos como balsas lipídicas (lipid rafts), en donde Cbl recluta al complejo proteico CrkII-C3G. C3G activa a la proteína TC10, proteína G pequeña, miembro de la familia de Rho, la cual al parecer lleva a la translocación de GLUT4.

Por otra parte, la activación de las PKCs atípicas λ y ζ inducida por la insulina también las involucra en favorecer el transporte de glucosa inducido por la insulina. Se ha descrito que la activación de PKC- λ/ζ podría darse río abajo de PI3K y de TC10, es decir, podrían ser proteínas en donde convergen ambas vías de señalización involucradas en el trasporte de glucosa. Por un lado, se ha sugerido que ambas PKCs pueden asociarse con PDK1 cuando ésta se ancla al PIP3 generado por la acción de PI3K, induciendo la fosforilación en los residuos de Thr402/Thr410 en el asa de activación de PKC. Por otra parte, cuando TC10 es activado interacciona con el complejo PKC atípica/Par6/ Par3, lo que induce el reclutamiento de ambas PKCs en la membrana plasmática donde son activadas. Par3/Par6 son dos proteínas de andamiaje recientemente descritas como proteínas que interaccionan con PKC-λ/ζ, y que en complejo participan en mediar varias de las funciones celulares de la PKC. Finalmente, podemos decir que independientemente de la vía que lleve a la activación de PKC-λ/ζ, ambas contribuyen de manera significativa a la translocación de GLUT4 inducida por la insulina.

3.1.4 SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

La cascada de la PI3K incluye a quinasas de serina que median la respuesta de la insulina, incluyendo a mTOR la cual regula la síntesis proteica a través de las vías de p70S6K/S6 y 4EBP1/eIF4.

La 4E-BP1 es una inhibidora del factor de iniciación de la traducción proteica conocida como eIF4E y cuando la 4E-BP1 es fosforilada, la eIF4E es liberada y puede unirse a la eIF4G, la cual está también bajo el control de la mTOR y combinada a la eIF4A, forma el complejo eIF4F; y la fabricación de este complejo es necesario para continuar la etapa de iniciación de la traducción del mRNA en proteína.

La mTOR también activa al p70S6k, que estimula la iniciación de la traducción así como la elongación de la síntesis proteica por diferentes mecanismos; la p70S6k cuando es activada, fosforila e inactiva la enzima quinasa del factor de elongación 2 (eEF2K), lo que permite que el eEF2 sea activado promoviendo la elongación. Por lo tanto, la hiperfosforilación de la p70S6k y estimula la síntesis proteica.

3.1.5 SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS

La síntesis de ácidos grasos se produce cuando ya se han satisfecho las necesidades energéticas de la célula y la concentración de sustratos oxidables es elevada. La insulina es la que interviene en este proceso puesto que es gracias a ella que entra la glucosa a las células para que se produzca la glucólisis y así conseguir energía y otros sustratos oxidables como acetil-CoA.

Casi toda la síntesis de ácidos grasos tiene lugar en las células hepáticas mientras que una mínima parte se realiza en los propios adipocitos. En el hígado, una vez sintetizados son transportados a las células del tejido adiposo.

Las grandes cantidades de acetil-CoA van a favorecer que se active la enzima acetil-CoA carboxilasa la cual conlleva a la producción de malonil-CoA, quien va a estar encargada de inhibir a la enzima acil-carnitin-transferasa 1 y como consecuencia inhibir la β-oxidación. Esto hace que no se liberen ácidos grasos hacia la sangre.

La síntesis se produce en el citosol a partir de acetil-CoA (2 carbonos) de origen mitocondrial. Esta molécula procede del catabolismo de los glúcidos, de la β-oxidación de los ácidos grasos y del catabolismo de los aminoácidos. Este primer acetil-CoA sirve de iniciador. Los demás acetil-CoA no pueden añadirse directamente, sino que deben activarse transformándose en una molécula de malonil-CoA (3 carbonos). El nuevo carbono añadido procede de un ión bicarbonato disuelto (HCO3-). La unión de malonil-CoA al acetil-CoA origina una molécula de cuatro átomos de carbono y la liberación de un CO2. Después se producen dos hidrogenaciones mediante gasto de NADPH. Se obtiene así un ácido graso activado de cuatro átomos de carbono.

Todo este proceso está catalizado por un conjunto de enzimas unidas, que forman el complejo ácido graso sintetasa (SAG). La unión repetida de moléculas de malonil-CoA permite que se añadan dos carbonos en cada ocasión, formándose una larga cadena con un número par de carbonos. El ácido graso así formado generalmente es el ácido palmítico, de 16 átomos de carbono.

3.1.6 ACTIVACIÓN DE LA GLUCÓLISIS E INHIBICIÓN DE LA GLUCONEOGÉNESIS

La insulina una vez que se une a su receptor va a poder hacer que entre glucosa a la célula mediante la translocación de un transportador de glucosa. En el hígado, el transportador es GLUT2. Dado que en el hígado se da principalmente la gluconeogénesis va a existir una pequeña vía de activación de la glucolisis e inhibición de la gluconeogénesis ya que ambos procesos metabólicos no pueden darse al mismo tiempo. La glucosa que entra a la célula lo que va a hacer al llegar al segundo punto de control de la glucólisis ya convertida en fructosa-6-fosfato, es ser catalizada por la fosfofructo quinasa fosfatasa, que al estar desfosforilada actúa como quinasa transformando la fructosa-6-fosfato en fructosa-2,6-bifosfato. Esta molécula activa a la enzima fosfofructoquinasa 1 que produce la fosforilación de fructosa-6-fosfato produciendo fructosa-1,6-bifosfato. La presencia de fructosa-1,6-bifosfato inhibe a la fructosa-1,6-bifosfatasa. De este modo se inhibe la gluconeogénesis y se activa la glucólisis.

3.2 VÍA DE SEÑALIZACIÓN DE LAS MAP QUINASAS

Esta vía interviene en la regulación de la síntesis de proteínas y enzimas que principalmente van a regular el metabolismo. La fosforilación en residuos de Tyr del dominio citoplasmático del IR, promueve la asociación de la proteína Shc, la cual une al complejo Grb2/SOS; SOS es un factor recambiador de nucleótidos de guanina (GEF), capaz de activar a Ras. La activación de Ras (GTP-Ras) inicia el encendido de la cascada de las map quinasas. GTP-Ras se une y activa a Raf-1 que subsecuentemente lleva a la fosforilación y activación de la vía, que involucra el reclutamiento y activación de MEK (también llamada quinasa de MAP quinasa) y de las ERK1 (quinasa regulada extracelularmente 1) y ERK2. Alternativamente a esta vía de señalización que lleva a la activación de las ERK1 y ERK2 (conocidas genéricamente como MAP quinasas), la insulina es capaz de activar a estas proteínas por una vía independiente de Shc, pero que depende de la activación del IRS (sustrato del receptor de insulina). Una vez activo IRS, une al complejo Grb2/SOS y a partir de este punto la secuencia de activación de proteínas es la misma que se describió para Shc. Las MAP quinasas tienen una amplia gama de sustratos potenciales, incluyendo factores de transcripción y otras 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.