FISIOLOGIA DA INSULINA (estrutura, síntese, secreção e mecanismo de ação)

Prévia do material em texto

FISIOLOGIA DA INSULINA 
A insulina é um hormônio anabólico essencial na manutenção da homeostase de glicose e do crescimento e diferenciação celular. Esse hormônio é secretado pelas células β das ilhotas pancreáticas após as refeições em resposta a elevação da concentração dos níveis circulantes de glicose e aminoácidos.
É importante compreender a ação da insulina devido a prevalência da resistência à insulina, presente na patogenia de diversas doenças como obesidade, diabetes mellitus e associada a outras enfermidades endócrinas como hipercortisolismo e acromegalia. Como também compreender suas correlações com a caquexia e processos neoplásicos, evolução da doença de Alzheimer, aspectos nutricionais com macro e microminerais e outras diferentes rotas de pesquisas.
Um dos efeitos mais notório desse hormônio é a atuação na homeostase de glicose, atuando em vários níveis. Uma das vias é na redução da produção hepática de glicose e aumentando a captação de glicose pelas células, principalmente nos tecidos muscular e adiposo.
O mecanismo de ação da insulina é uma área de conhecimento em constante expansão. Tal ação envolve um grande número de proteínas intracelulares responsáveis pela da sinalização e efeito metabólico, logo o objetivo foi descrever as principais etapas de ação da insulina, assim como destacar a importância nos diferentes processos metabólicas do organismo.
ESTRUTURA DA INSULINA 
É um hormônio proteico relativamente pequeno, formado por duas cadeias polipeptídicas: a cadeia α, com 21 resíduos de aminoácidos, ligada por duas pontes de dissulfetos à cadeia β, constituída de 30 resíduos de aminoácidos.
SINTESE DA INSULINA 
A síntese ocorre através do processo de tradução. A insulina secretada contém 51 aminoácidos com um peso molecular de 5.8kDa. Porém, o gene da insulina codifica 110 aminoácidos precursores, conhecidos como pré-pró-insulina. Assim como outras proteínas secretadas, a pré-pró-insulina contém, na terminação N, um peptídeo sinalizador hidrofóbico, também chamado de sequência sinalizadora, que interage com as partículas de reconhecimento de sinal (SRP) das ribonucleoproteínas citosólicas. As SRPs facilitam a translocação da pré-pró-insulina através da membrana do retículo endoplasmático rugoso (RER) para o lúmen. Esse processo ocorre através do canal condutor de peptídeo, onde a sequência sinalizadora é clivada da pré-pró-insulina por uma peptidase, formando a próinsulina. A pró-insulina, então, se submete a dobragem e formação de três pontes de dissulfetos, ainda no RER. Após a maturação da conformação tridimensional, a insulina dobrada é transportada para o complexo de Golgi (CG), onde a próinsulina imatura entra nas vesículas secretórias e é clivada em insulina e peptídeo-C o pe ptídeo C, que se liga proteínas de m embrana como a Na +/K+ ATPase e ENOS (síntese de óxido nítrico endotelial) que se ativam a proteína G (segundo mensageiro). A insulina é então liberada no sangue, possuindo uma meia vida de cerca de 6 minutos, e após 10-15 minutos na corrente sanguínea ela é degrada pela enzima insulinase (evitar hipoglicemia). A insulina e o peptídeo-C são armazenados nesses grânulos junto com o peptídeo amilina e outros produtos das células β, menos abundantes. A insulina é, então, liberada na circulação sanguínea por exocitose. A secreção desse hormônio é regulada pelos níveis de concentração de glicose no plasma, respondendo também positivamente aos aminoácidos, ácidos graxos e corpos cetônicos. Outros hormônios, como por exemplo, a gastrina e secretina, também controlam sua secreção, atuando após as refeições. A secreção também é estimulada pelo sistema nervoso, via receptores colinérgicos, assim como a estimulação adrenérgica inibe. Sua atuação é destacada principalmente por via de sistema endócrino, autócrino e parácrino.
A estrutura monomérica tridimensional da insulina foi descoberta em 1926; mais de 40 anos depois, a estrutura do hexâmero de insulina, contendo zinco, foi decifrada. Hoje sabe-se que a insulina armazenada nas células β está empacotada em grânulos densos agrupados de hexâmeros cristalinos de insulina insolúvel. A forma hexamérica da insulina consiste de seis moléculas de peptídeos de insulina organizadas em três dímeros. Conforme a concentração de insulina aumenta, os monômeros tendem a formar dímeros que, na presença de zinco e pH favorável, se juntam em conformações de ordem superior, chamadas hexâmeros. Uma vez que os hexâmeros são secretados das células β e se difundem no sangue por meio do gradiente de concentração, uma combinação de repulsão eletrostática e redução no gradiente de concentração de insulina favorece sua dissociação na forma monomérica. Estes monômeros são a forma ativa da insulina, enquanto os hexâmeros são sua forma de armazenamento.
SECREÇÃO DA INSULINA 
As células β-pancreáticas respondem a diversos nutrientes na circulação sanguínea. A glicose é, evolutivamente, o primeiro estímulo para a liberação de insulina porque é o principal componente alimentar e pode ser acumulada imediatamente depois da ingesta. As células β-pancreáticas não contêm receptores de membrana para glicose, mas estão equipadas com diversos dispositivos de detecção que percebem sua elevação sérica. O GLUT-2, constitutivamente expresso nas células β, são os primeiros sensores de glicose encontrados. Esse transportador é o único expresso na membrana das células β e realiza o processo através de difusão facilitada. Também está presente em outros tecidos, como fígado, rins e intestino. Diferente do GLUT-4, presente no músculo e nos adipócitos, a mobilização do GLUT-2 na membrana plasmática é insulinoindependente, garantindo alto influxo de glicose para a célula. Depois de entrar na célula β, a glicose é fosforilada pela enzima limitadora de velocidade glicoquinase, um subtipo da hexoquinase. Essa enzima está expressa em somente quatro tipos de células dos mamíferos: células hepáticas, células β-pancreáticas, enterócitos e neurônios sensíveis à glicose. A glicoquinase não é inibida pelo seu produto, a glicose-6-fosfato, o que garante sua atividade contínua e intensa em momentos de altas concentrações séricas de glicose. Dessa forma, a enzima glicoquinase aparece como principal recurso limitador de velocidade nas células β para síntese de insulina. Ao final da via glicolítica, o piruvato é oxidado por meio do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) na mitocôndria, para produzir ATP. Em outros tecidos, o piruvato pode ser convertido em lactato pela enzima piruvato desidrogenase, porém, como as células β não possuem esta enzima, o piruvato é, principalmente, metabolizado a acetil-coA e oxidado a ATP. A oxidação do piruvato por meio do TCA na mitocôndria é a principal via de sinalização acoplada aos canais de potássio sensíveis ao ATP (KATP). O aumento da razão ATP/ ADP intracelular leva a fechamento dos canais KATP, despolarização da membrana plasmática, abertura dos canais de Ca2+ voltagem-dependentes, influxo de Ca2+ e futura ativação da exocitose dos grânulos de insulina na corrente sanguínea.
A secreção de insulina demonstra um padrão bifásico, ou seja, quando a glicose plasmática atinge aproximadamente 126mg/dL a secreção de insulina sobe a 1.4nmol/min.
Esta fase intensa dura aproximadamente 10 minutos e é seguida pela fase de sustentabilidade, que possui uma taxa de secreção insulínica menor e mais prolongada. Apesar de o aumento do Ca2+ ser o sinal prioritário para a exocitose da insulina, outros mecanismos também desempenham papéis no processo. Por volta de 50 anos atrás foi descoberto que uma carga glicêmica oral provoca uma secreção insulínica maior do que a carga glicêmica intravenosa. A secreção insulínica potencializada pela ingestão oral de glicose se deve à ativação de polipeptídeo inibitório gástrico (GIP) e peptídeo semelhante ao glucagon-1 (GLP-1), hormônios incretínicos secretados pelas células enteroendócrinas K e L, respectivamente, em decorrência da ingestão de glicose.
A estimulação das células β pela glicose leva à ativaçãode isoformas da fosfolipase C (PLC), promovendo a hidrólise de fosfolípides de membrana e gerando inositol 1-4-5-trifosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG). O IP3 ativa os canais de cálcio localizados na membrana do retículo endoplasmático com a saída de cálcio da organela e aumento da concentração desse íon no citossol. O DAG, por sua vez, também produz o mesmo efeito sobre a concentração de cálcio intracelular, ao ativar os canais de cálcio sensíveis à voltagem da membrana plasmática, permitindo a passagem do cátion do meio extracelular para o intracelular. O DAG também ativa a proteína quinase C (PKC), que ativa proteínas dos grânulos secretórios de insulina que, juntamente com o Ca2+, promoverão a ativação do sistema de microtúbulos e microfilamentos, responsável pela translocação desses grânulos para as proximidades da membrana plasmática e consequente exocitose. Outra função proposta para a PKC é de ativação da adenilato ciclase (que também ocorre por outros mecanismos, durante a glicólise) com o consequente aumento do conteúdo intracelular de AMPc.
A indução da produção de AMPc ativa a proteína quinase A (PKA), que parece agir nos processos de síntese protéica da célula. A PKA pode, ainda, estimular a secreção de insulina por duas maneiras distintas: 
1) pela fosforilação do canal de Ca2+, sensível à voltagem, permitindo a entrada do íon na célula; 
2) pela fosforilação de alguns componentes não tão específicos da maquinaria secretória, mas que garantem a sua eficiência.
MECANISMO DE AÇÃO DA INSULINA
A ação da insulina na célula inicia-se pela sua ligação ao receptor de membrana plasmática, ligação que ocorre com alta especificidade e afinidade, provocando mudanças conformacionais que desencadeiam reações modificadoras do metabolismo da célula-alvo, constituindo assim uma resposta celular. Os receptores não são componentes fixos, podendo variar o número de receptores para cada tipo de célula, com isso variando o grau de resposta. A ligação do complexo hormônio-receptor é forte, mas não covalente, sendo equivalente à união de um efetor alostérico com a enzima que o regula. A ativação do receptor gera um sinal que, eventualmente, resulta na ação da insulina sobre a glicose, lipídeos, o metabolismo de proteínas, garantindo diferentes efeitos metabólicos. Os efeitos promotores do crescimento de insulina aparentemente ocorrem através da ativação de receptores da família de fatores de crescimento semelhantes à insulina. Anormalidades no número de receptores de insulina, falha na atividade quinase do receptor e os vários passos de sinalização pós-receptor na ação da insulina ocorrem em estados de doença que conduzem a resistência dos tecidos.
Receptor de insulina 
O receptor de insulina é formado por uma proteína heterotetramérica, composta por duas subunidades α e duas subunidades β, que atua como uma enzima alostérica na qual a subunidade α inibe a atividade tirosina-quinase da subunidade β. 
Este receptor está presente em praticamente todos os tecidos dos mamíferos, mas suas concentrações variam desde 40 receptores nos eritrócitos circulantes até mais de 200.000 nas células adiposas e hepáticas. A ligação da insulina à subunidade α, localizada no meio extracelular, permite que a subunidade β adquira atividade quinase levando a alteração conformacional e autofosforilação, que aumenta ainda mais a atividade quinase do receptor.
Via de sinalização da insulina
O primeiro passo para a ativação da via de sinalização da insulina é a ligação da insulina com o seu receptor de membrana, o receptor de insulina (IR). O IR é um complexo heterotetramérico de duas subunidades: subunidade α e subunidade β. Possui um domínio transmembrana e uma parte intracelular. A ligação com a subunidade α do IR induz uma rápida mudança na conformação do receptor, estimulando a atividade intrínseca da tirosina quinase da subunidade β, resultando em sua autofosforilação em resíduos de tirosina na região intracelular da subunidade β. Como resultado dessa autofosforilação, o IR torna-se cataliticamente ativo e promove a fosforilação da tirosina em uma variedade de proteínas celulares, incluindo as proteínas dos substratos dos receptores de insulina (IRS). As proteínas IRSs são os maiores alvos fisiológicos dos receptores de insulina quinase ativados. Seis isoformas de IRS foram identificadas até o momento. No músculo esquelético e no tecido adiposo o IRS1 é a isoforma que media a sinalização da insulina. Na sequência, as IRSs ativam uma molécula chave para a cascata de sinalização da insulina, a fosfoinositol-3- fosfato (PI3K). A PI3K é uma quinase lipídica que fosforila a posição 3D do anel de inositol, resultando na geração de 3-fosfoinositóis (PI-3P, PI-3,4P2 e PI3,4,5P3). Seguindo a ativação do PI3K, o PI3,4,5P3 é gerado do substrato PI-3,4P2. PI3,4,5P3 se liga a uma proteína chamada proteína quinase dependente de 3-fosfoinositol 1 (PDK1). A PDK1 ativada dispara alvos a jusantes como as proteínas quinase B (PKB/Akt). A Akt tem um papel central e importante na absorção de glicose estimulada pela insulina, pois ela é o maior alvo da atividade da PI3K, diretamente associada à sinalização da insulina com a translocação do GLUT-4 de seu compartimento intracelular para a membrana plasmática, com o objetivo de captar glicose extracelular.