Insulina e Glucagone

Glucagone

 Il glucagone è un ormone peptidico di 29 amminoacidi, prodotto dalle cellule α del pancreas. Esso viene prodotto dalle cellule come pre-pro-ormone, in quanto contiene una sequenza leader di 20 amminoacidi che ne permette l’ingresso nel reticolo endoplasmatico. La sequenza leader viene poi persa, nel reticolo endoplasmtico rimane il pro-ormone, il quale verrà trasformato nell’ormone definitivo, nell’apparato di Golgi e liberato per esocitosi, sotto il controllo del Ca e dei bassi livelli di glicemia. Si tratta di un ormone abbastanza coservato nelle varie specie. Esso ha una attivazione comune a quella dell’insulina. L’ormone è inizialmente riversato nel reticolo endoplasmatico grazie alla sequenza leader, all’interno del reticolo è progressivamente trasformato, viene poi trasferito nell’apparato del Golgi dove si accumula in vescicole secretorie, le vescicole saranno poi liberate in seguito ad uno stimolo. Anche in questo caso la concentrazione di ioni Ca2+ risulta essere importante in quanto la esocitosi è sempre accompagnata da un aumento di ioni Ca2+ .

Il fenomeno che scatena la liberazione, assieme alla concentrazione di Ca2+, è dato dai livelli di glicemia nell’organismo. L’abbassamento della glicemia determina la liberazione dell’ormone.

Si tratta dell’ormone del digiuno, di conseguenza esso svolge una azione iperglicemizzante, cioè riporta a livelli normali la concentrazione di glucosio nel sangue. Il compito è svolto tramite un aumento della produzione del glucosio principalmente a livello del fegato, l’organo deputato al mantenimento della glicemia. Il fegato è l’organo che possiede l’enzima glucosio-6-fosfatasi, l’unico in grado di formare glucosio libero che legandosi ai rispettivi trasportatori può tornare nel sangue.

Quando ci troviamo in uno stato di digiuno il glucagone prevale sulla insulina, promuovendo la glicogenolisi epatica (tramite la PKAè fosforilasi chinasi è glicogeno fosforilasi) e la gluconeogenesi (per ripristinare le scorte di glucosio epatico). I livelli di glicemia devono essere mantenuti a livelli normali per evitare il coma ipoglicemico e perché alcuni tessuti, in particolare le cellule sprovviste di mitocondri (ad esempio i globuli rossi, retina e cristallino) necessitano di un costante apporto di glucosio.

La gluconeogenesi è un processo che richiede energia per avvenire. Nella fase di digiuno la energia necessaria per far avvenire la gluconeogenesi viene ottenuta a livello del tessuto adiposo, tramite l’azione di glucagone e catecolamine, dove la trigliceride lipasi libera glicerolo ed acidi grassi.

Gli acidi grassi liberati vengono utilizzati da vari tessuti, ciò causa una diminuzione della richiesta di glucosio da parte dei tessuti. Gli acidi grassi che arrivano al fegato entrano nel processo di β-ossidazione il quale fornisce una grande quantità di potere riducente sotto forma di NADH(H+) e FADH2. Questi entrando nella catena respiratoria che produce una grande quantità di ATP, necessario al sostentamento della gluconeogenesi. Il processo di gluconeogenesi richiede infatti 6 ATP e 2 NADH.

La chetogenesi si svolge nel fegato. Essa rappresenta una forma di risparmio di glucosio, infatti i corpi chetonici sono mandati in circolo e sono utilizzati anche dal sistema nervoso, che consuma meno glucosio.

 

Insulina

È un ormone proteico prodotto dalle cellule β delle isole di Langerhans del pancreas endocrino. Prima si forma come pro-ormone che è formato dalle catene A,B e C, poi, una volta staccato il peptide C (di connessione) da enzimi proteinasi, nelle vescicole del Golgi, ci ritroviamo con l’ormone maturo formato dalle catene A e B (la prima formata da 21 amminoacidi, la seconda da 30). L’insulina è tenuta assieme da due ponti disolfuro intercatena, dati dall’ossidazione di due cisteine, e in più ne abbiamo uno intracatena, sul peptide A. Dopo il taglio, il peptide C viene depositato anch’esso nelle vescicole di secrezione all’interno del citoplasma delle cellule b, nelle quali a questo punto, abbiamo un rapporto 1:1 con l‘ormone maturo: questa equimolarità fra peptide C e insulina matura è molto importante a livello di diagnostica clinica perché in individui diabetici a cui viene somministrata insulina esogena, per capire se sono in grado di produrre un po’ di insulina endogena, si ricerca e si misura la quantità di peptide C (non essendo possibile distinguere i due tipi di insulina).

Nelle isole di Langerhans le cellule α producono glucagone e le cellule γ somatostatina e le cellule β, che rappresentano circa il 70-80% di tutta la popolazione cellulare, insulina. Come sappiamo l’insulina viene liberata in condizioni di iperglicemia, nel pancreas è presente il Glut 2, che è lo stesso trasportatore che abbiamo nel fegato e che ha un’alta capacità di trasporto: in poco tempo la concentrazione di glucosio nelle cellule b è uguale a quella del sangue. Una volta entrato il glucosio, esso prende la via della glicolisi, produce ATP e questo chiude i canali del potassio, si ha depolarizzazione di membrana e questo fa si che determini l’apertura dei canali del calcio voltaggio dipendenti, entrato all’interno delle cellule, il calcio agisce sui granuli citoplasmatici e fa si che vengano liberate le vescicole contenenti insulina e peptide C, che vengono quindi secreti all’interno della cellula e può viaggiare nel torrente circolatorio senza trasportatori. L’emivita dell’insulina è molto breve, tra i 7 e i 15 minuti, viene incamerata all’interno delle cellule attraverso il legame ormone-recettore, a questo punto vengono ridotti i ponti disolfuro tra le catene, queste quindi si distaccano, e sono degradate completamente da proteasi.

Per quanto riguarda la genesi, una sequenza segnale di circa 20-23 amminoacidi invia la proteina nascente al reticolo endoplasmatico, si tratta di una catena ricca di amminoacidi idrofobici, che gli permettono di attraversare la membrana. Una volta terminata la trascrizione, la pro-insulina viene inviata al Golgi, all’interno del quale avviene il ripiegamento, la formazione dei ponti disolfuro fra i residui di cisteina, e la scissione del peptide C.

La secrezione dell’insulina ha andamento bifasico: un primo picco si ha dopo 10-15 minuti, a cui segue un picco più prolungato.

Il recettore dell’insulina è una proteina di membrana costituita da due catene α rivolte verso lo spazio extracellulare e tenute insieme da un ponte disolfuro, e due catene β che hanno un dominio extracellulare che si lega alle catene α mediante un ponte disolfuro, un dominio transmembrana e uno intermembrana in cui è presente un’attività enzimatica di tipo tirosin-cinasica. Una volta avvenuto il legame ormone-recettore partono una serie di segnali che rappresentano la risposta della cellula al legame con l’insulina e queste riguardano modificazioni sia di proteine di membrana, principalmente i trasportatori del glucosio, sia di strutture citoplasmatiche, e sia modificazioni a livello nucleare con ampliamento o diminuzione della trascrizione di un determinato gene.

Le risposte dell’insulina si possono dividere in rapidissime (che avvengono in pochi secondi), rapide (che avvengono in qualche minuto) e a lungo termine (alcune ore). A queste possiamo aggiungere risposte ancora più a lungo termine che si attuano nel giro di qualche giorno e che riguardano meccanismi di proliferazione cellulare.

Nelle risposte veloci abbiamo il legame ormone-recettore che attiva il processo di autofosforilazione: la tirosina-cinasi del dominio citoplasmatico, attivata dal legame ormone-recettore, in un primo momento fosforila residui di tirosina sul dominio citoplasmatico del recettore (che sono 7, 2 all’estremità carbossiterminale, 3 nel nucleo di attivazione e 2 vicino alla membrana) e questo aumenta l’attività catalitica dell’enzima stesso che può andare a fosforilare altre proteine citoplasmatiche. Dopo qualche minuto si osserva un aumento dell’entrata degli zuccheri all’interno delle cellule, dell’attività di enzimi citoplasmatici, inizia la regolazione a livello genico e inizia la down regulation delle proteine transmembrana recettrici per l’ormone insulina sulla membrana che vengono internalizzate. Dopo alcune ore è visibile la modulazione dalle trascrizione a livello genico che porta alla formazione di specifici mRNA che, migrando nel citoplasma, determinano la sintesi proteica, viene inoltre avviata la sintesi lipidica e si arriva al massimo della down regulation per i recettori per l’insulina. Si ha quindi la risposta vera e propria con accrescimento cellulare nei tessuti interessati.

Abbiamo visto che per i processi metabolici è molto importante il rapporto glucagone/insulina: quando siamo in uno stato di buona alimentazione, l’ormone prevalente è l’insulina : viene aumentata l’ossidazione degli zuccheri e attivata la glicogenosintesi. L’insulina viene considerata un ormone ipoglicemizzante e anabolizzante: questo significa che attiva tutti i processi biosintetici, compresi la sintesi degli acidi grassi e la sintesi proteica. L’azione principale è a livello epatico, dove una volta che il glucosio è entrato negli epatociti, prende una delle due strade canoniche che può subire:

  • il glucosio viene ossidato ma non completamente, e quando le riserve energetiche sono state rifornite, l’acetilCoA si accumula nel mitocondrio e poi esce sottoforma di citrato, il quale permette la formazione dei Questi non rimangono nel fegato, ma con le VLDL vengono trasportarti ai vari tessuti dove vengono depositate, in particolare nel tessuto adiposo e nel tessuto muscolare.
  • L’altra via che viene attivata nel fegato consiste nel deposito degli zuccheri sottoforma di glicogeno che servirà a mantenere i livelli di glicemia anche in condizioni di digiuno. Gli amminoacidi che raggiungono il fegato verranno in parte catalizzati e in parte entreranno nella sintesi proteica, sempre promossa dall’insulina.

Sono 7 le tirosine presenti nella parte citoplasmatica del recettore che subiscono la fosforilazione: due si trovano vicino alla membrana, due all’estremità carbossi-terminale e tre nel loop di attivazione, che è quella zona che in condizioni di riposo copre il sito catalitico. Una volta che le tirosine sono state autofosforilate dall’attività cinasica del recettore, l’enzima viene ulteriormente attivato e può andare a fosforilare altre proteine presenti a livello citoplasmatico, modulandone l’attività.

Una volta avvenuta l’autofosforilazione di una delle due catene β, questa può fosforilare se stessa ma può anche fosforilare l’altra catena: questo perché una volta avvenuto il legame ormone-recettore, si ha una modificazione del recettore che avvicina le due catene β. Una volta avvenuta l’autofosforilazione parte l’attività cinasica vera e propria del recettore che si rivolge verso proteine citoplasmatiche che vengono indicate con IRS, substrati recettore insulina, (ce ne sono di vari tipi, 1,2,3).
Anche questi IRS vengono fosforilati su tirosina: prima però riconoscono con un loro dominio PTD (dominio che lega la tirosina fosforilata) le due tirosine fosforilate vicino alla membrana e qui vi si legano, se quest’ultime non sono presenti, le IRS normalmente libere nel citoplasma non possono attaccarsi al recettore e quindi essere fosforilate sui diversi residui di Tyr e attivate. Una volta a contatto con il recettore, questo viene fosforilato su diverse tirosine dal suo sito catalitico. Dall’attivazione del complesso ormone-recettore partono una serie di segnali che rappresentano la risposta cellulare all’aggancio dell’ insulina.

Le vie che partono portano a regolazioni diverse: a livello genico, covalente e allosterico:

  • l’attivazione di una cinasi, la cui via viene attivata dal fosfatidil-inositolo-3-chinasi , che attiva una cinasi che si chiama AKT o PKB, la quale è responsabile della regolazione covalente.
  • L’attivazione di RAS darà origine a una cascata di cinasi, le MAP-CINASI, le quali saranno responsabili della regolazione a livello genico
  • L’attivazione di una fosfolipasi C di tipo γ (le fosfolipasi le abbiamo già viste quando le catecolamine si legavano ai recettori α che stimolano la via del fosfatidil-inositolo, ma erano di tipo β) permette la sintesi di un secondo messaggero e dà il via alla regolazione di tipo allosterico

Le tirosine fosforilate dell’IRS vengono riconosciute da un dominio SH2 presente su proteine adattatrici Grb2: si forma quindi un nucleo centrale formato dall’IRS fosforilato. Questo deve richiamare altre molecole proteiche per avvicinarle e poter dare inizio a una serie di eventi che caratterizzano la risposta della cellula al legame con insulina, questo avviene grazie alle proteine adattatrici presenti sui vari enzimi che si attaccano al IRS.

COVALENTE

IRS viene fosforilato in tirosina. Le tirosine fosforilate sono riconosciute dai domini SH2 che si trovano sul fosfatidil-inositolo-3-cinasi (PI-3K): questo enzima è una proteina costituita da due subunità, una regolatoria P85, che contiene il dominio SH2, e una catalitica P110. Quando la P85 si lega ad IRS fosforilato, attiva la subunità catalitica dello stesso enzima che ha un’attività cinasica e va quindi a fosforilare in posizione 3 (dell’inositolo) il fosfatidil-inositolo-4,5-bisfosfato, che è un fosfolipide di membrana, si forma così il fosfatidil-inositolo-3,4,5-trifosfato (PIP3), forma attiva del fosfatide di membrana, che va ad attivare la PDK1(cinasi dipendente dal PIP3 ), insieme alla PDK2 (di cui ancora non si capisce bene l’origine). PDK1 e PDK2 fosforilano in serina e in treonina la PKB, una proteina cinasi che viene attivata e va a fosforilare una serie di proteine che poi controllano varie attività cellulari:

  • aumentano sulla membrana cellulare i trasportatori per il glucosio GLUT4 (che vengono appunto portati sulla membrana) nel tessuto muscolare e adiposo, e di conseguenza l’ingresso del glucosio all’interno della cellula
  • vengono attivate le fosfodiesterasi a bassa KM PDE3b, che hanno alta affinità per l’AMPc e lo distruggono trasformandolo in AMP, la pKa risulta allora meno attiva e quindi la trigliceride-lipasi viene fosforilata ed è inattiva: l’azione finale è anti-lipolitica. Questa è un’azione, come la maggior parte, antagonista al glucagone
  • vengono attivate le fosfoproteine fosfatasi PIP che fosforilate, quindi attivate, agiscono sulla glicogeno-sintasi rimuovendo i gruppi fosforici che il glucagone vi aveva introdotto
  • viene fosforilato l’enzima GSK3 (glicogeno sintasi cinasi) e dunque reso inattivo, così che questo non può più fosforilare la glicogeno sintasi, sulla quale quindi viene svolta in definitiva una doppia azione (la glicogeno sintasi ha 9 siti di regolazione, può essere fosforilato da PKA, fosforilasi-cinasi, cinasi-calmodulina dipendenti, fosforilasi sotto controllo dell’insulina).
  • Regolano infine mTOR (altro substrato di PKT) il quale, attivato, attiva alcuni fattori di trascrizione avviando la sintesi proteica.

GENICO

Le tirosine fosforilate di IRS vengono riconosciute dal dominio SH2 della proteina adattatrice GRB2, la quale ha anche un dominio SH3 che riconosce residui ricchi di prolina delle proteine citoplasmatiche di connessione SOS. GRB2 si lega quindi a IRS da una parte e a SOS dall’altra, facendo da ponte di connessione fra le due. A questo punto SOS lega RAS, una proteina G monometrica di membrana che è in grado di scambiare GDP con GTP attivandosi. Una volta che RAS è attivata, va ad attivare una cinasi libera nel citoplasma in forma inattiva, RAF-1, e questa è la prima delle cinasi implicate nella cascata delle MAP cinasi, da qui se ne attivano una serie, ognuna impegnata nel fosforilarne una più a valle. La prima, come già detto è RAF-1 (MAPKKK), questa, una volta fosforilata va a sua volta a fosforilare MEP (MAPKK), e questo va a fosforilare ERK (MAPK), quest’ultima, una volta attiva, va nel nucleo a fosforilare dei fattori di trascrizione attivandoli, e questi si andranno a legare a promotori di geni che sono sotto controllo dell’insulina. Come ogni cascata di cinasi, anche questa è caratterizzata dal fenomeno dell’amplificazione del segnale.

ALLOSTERICO

Attraverso l’attivazione della fosfolipasi Cγ per fosforilazione in serina e treonina, questa è in grado di determinare l’attivazione del secondo messagero. Il suo substrato è il fosfatidil-inositolo glicano (dato cioè da una serie di zuccheri – glicano- legati al fosfatidil-inositolo): la fosfolipasi C stacca per idrolisi il gruppo fosfato dal diacil-glicerolo formando due secondi messaggeri: l’inositolofosfato-glicano, che si rende responsabile di diversi effetti entrando nel citosol, e dall’altra parte il diacilglicerolo che esercita la sua azione rimanendo all’interno della membrana cellulare.

I meccanismi di trasduzione del segnale che vengono innescati dall’insulina possono portare ad azioni contrastanti a prima vista. Una volta che si è legata al recettore

  • vengono fosforilate le tirosine del recettore stesso e da una parte vengono attivate le vie delle MAPcinasi, quindi il controllo genico, che si compone di fosforilazioni che portano in ultima analisi alla fosforilazione all’interno della cellula di alcune proteine che promuovono la crescita cellulare.
  • Dall’altra parte però, attraverso l’IPG, vengono attivate le serina-treonina fosfatasi, che determinano la defosforilazione di proteine all’interno della cellula e vanno a regolare il metabolismo.

Ciò ovviamente non si traduce in caos, ma è perfettamente funzionale all’interno della cellula: queste due operazioni opposte infatti avvengono su vie metaboliche differenti, quindi possono coesistere.

L’insulina compie un’ azione di contrasto al glucagone, ed in effetti essa è un ormone ipoglicemizzante e anabolizzante. Agisce anche attivando la piruvato-deidrogenasi, che è l’enzima che da acido piruvico porta ad acetil-CoA, e quindi promuove l’utilizzo dei prodotti della glicolisi, e anche la acetil-CoA-carbossilasi, e quindi promuove anche la sintesi degli acidi grassi a partire da glucosio. Gli enzimi inibiti sono invece quelli nominati prima, che sono sotto il controllo del glucagone.

Per quanto riguarda il metabolismo del glicogeno, viene attivata la glicogeno-sintasi, e viceversa la glicogeno-fosforilasi e la fosforilasi-cinasi, una volta defosforilate, diventano inattive. In questo modo viene quindi promossa la glicogenosintesi e inibita la glicogenolisi.

Per quanto riguarda invece la glicolisi, essa viene attivata, dalla attivazione della piruvato-cinasi.

Per quanto riguarda il metabolismo lipidico, l’insulina come visto promuove la sintesi degli acidi grassi: essa infatti attiva la acetil-CoA-carbossilasi, mentre inbisce la trigliceride-lipasi a livello del tessuto adiposo. Gli acidi grassi quindi non vengono più mobilizzati dai depositi, mentre è favorita la deposizione di nuovi trigliceridi, aumentando le scorte.

Attraverso la modulazione genica invece l’insulina modifica la concentrazione dei seguenti enzimi:

  • Fosfoenolpiruvico carbossicinasi (enzima malico)
  • Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (piruvico cinasi)
  • Glucosio 6-fosfato deidrogenasi (glucocinasi)
  • Acido grasso sintasi (carboamilofosfato sintetasi I)

Per quanto riguarda la glicolisi, nel fegato viene aumentata la concentrazione di piruvato-cinasi e di glucocinasi, viene inibita invece la fosfoenolpiruvato-carbossicinasi, che è l’enzima della gluconeogenesi.

Per quanto riguarda gli acidi grassi, aumenta la concentrazione dell’acido grasso-sintasi e anche l’enzima malico viene aumentato per lo stesso motivo, in quanto è importante perché fornisce NADPH.