ENDOCRINOLOGIA 18-4-98

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ENDOCRINOLOGIA 18-4-98

INSULINA

Una volta secreta dalle cellule, dopo tutta una serie di passaggi a livello epatico, raggiunge il liquido extracellulare ed arriva a contatto con le cellule producendo degli effetti biologici.

EFFETTI BIOLOGICI DELLINSULINA

Sono molto diversi tra loro e pressoch su tutti gli organi del corpo. Gli effetti biologici principali consistono nel mediazione di reazioni biologiche che portano in genere alla sintesi di carboidrati complessi a partire da monosaccaridi, allaumento della sintesi proteica e lipidica. Sono quindi reazioni prevalentemente di tipo anabolico. Assieme a queste azioni cosi dette anaboliche essa in grado anche di inibire le azioni cataboliche cio ha anche un effetto anti catabolico infatti inibisce la glicogenolisi, la gluconeogenesi a partire da substrati non glucidici e la lipolisi (degradazione dei tri gliceridi in acidi grassi e glicerolo. Altri effetti molto importanti dellinsulina riguardano il passaggio trans membrana di alcune sostanze come il glucosio (la pi studiata). Leffetto biologico pi importante dellinsulina quello di facilitare la diffusione trans membrana di glucosio (passaggio del glucosio dallesterno allinterno delle cellule. Accanto a questo effetto che sicuramente quello pi importante c da ricordare che linsulina a livello di alcuni tessuti che costituiscono il bersaglio principale delleffetto ormonale avvengono degli altri fenomeni quali ad esempio a livello delle fibrocellule muscolari il passaggio di alcuni ioni ad esempio il potassio dallesterno allinterno della cellula in questo modo linsulina anche a concentrazioni molto basse in grado di aumentare la polarizzazione delle cellule (effetto polarizzante).

RECETTORI

Come per tutti gli ormoni idro solubili linsulina per iniziare la sua azione deve legarsi a delle strutture ad esempio sulle cellule che sono sensibili alleffetto dellormone delle strutture che sono i recettori insulinici. A livello di alcuni tessuti di alcuni organi lazione di interazione tra insulina e recettore direttamente correlata al suo effetto biologico. I tessuti principali responsabili degli effetti biologici dellormone sono rappresentati dal tessuto muscolare (striato e cardiaco), dal tessuto adiposo e dal fegato che lorgano in grado di produrre il glucosio. Recettori per linsulina sono stati riscontrati anche in altri tessuti: leucociti (sono i pi studiati sono cellule mononucleate del sangue che si ottengono facilmente e quindi molto adatte per lo studio delle interazioni ormone recettore. Abbiamo detto che linsulina facilita lingresso del glucosio nelle cellule ci sono delle eccezioni come il SNC (sistema nervoso centrale) in cui la utilizzazione del glucosio quindi il passaggio del glucosio dentro le cellule non sotto leffetto dellinsulina. Questo un meccanismo di protezione perch altrimenti nel paziente diabetico potrebbe capitare che il SNC ha bisogno di glucosio come sub strato obbligato non lo potrebbe utilizzare perch manca l'insulina. Altri fenomeni che non sono influenzati dallinsulina e che riguardano il glucosio sono il riassorbimento del glucosio nei tubuli renali e lassorbimento del glucosio a livello intestinale.

Per quello che riguarda le caratteristiche del recettore insulinico sappiamo che ha una struttura ?etero? tetramerica essendo costituito da 4 sub unita.

Due sono denominate sub unita e sono quelle a pi elevato peso molecolare e due a peso molecolare pi basso dette . Le sub unita pi grandi sono situate (sporgono) allinfuori della membrana cellulare, le sub unita beta stanno prevalentemente dentro la cellula (sporgono). Queste sub unita sono tenute assieme da ponti disolfuro la cui creazione facilitata da residui di cisteina. Linterazione ormone recettore sembra avvenire sulle sub unita a peso molecolare pi elevato (alfa).Un altro peculiarit del recettore insulinico la attivit tirosinchinasica della sub unita beta cio in grado di fosforilare i residui di tirosina di altre proteine.

I recettori vengono sintetizzati allinterno della cellula nelle membrane ?microsomiali? ad alta densit. Subiscono durante la migrazione verso la superficie cellulare un processo di maturazione dopodich si raggruppano sulla superficie cellulare dove pu avvenire la interazione con lormone stesso. Una volta avvenuta linterazione ormone recettore il complesso che si forma viene internalizzato in vescicole endocitosiche che possono fondersi tra di loro e parte dellormone contenuto esplica i suoi effetti biologici, parte viene inattivato insieme ai recettori a livello delle strutture lisosomiali da parte di enzimi di tipo proteasico. Quindi grossa parte dellazione ormonale avviene allinterno delle cellule una volte che avvenuta linterazione insulina recettore. La maggiore parte dellinsulina viene inattivata nellorganismo con questo meccanismo lisosomiale.

REGOLAZIONE DEI RECETTORI INSULINICI

Il principale regolatore dellinterazione ormone recettore costituito dalla concentrazione ormonale. Allaumentare delle concentrazioni di insulina la affinit dellormone per il recettore si riduce (down regulation). Quando le concentrazioni di insulina si riducono (insulinemia bassa) aumenta la affinit del recettore per lormone. Prendendo una cellula qualunque esistono in superficie un gran numero di recettori cosi detti di riserva questo perch per lesplicazione delleffetto biologico massimo dellormone sufficiente che il 20% dei recettori superficiali venga occupato. In caso di una riduzione del legame insulina-recettore poich ci sono i recettori di riserva normalmente non utilizzati leffetto biologico massimo pu essere conservato ricorrendo ad un aumento della quantit di insulina disponibile che va ad occupare i recettori di riserva. Questa legge vale non solo per linsulina ma per tutti gli altri ormoni cosi detti idrosolubili i cui recettori sono localizzati sulla superficie cellulare. Da un punto di vista della fisiologia esistono delle ?condizioni? che dimostrano la veridicit di queste leggi ad esempio laumento della insulinemia nellobeso causa una down regulation dei recettori insulinici (riduzione di affinit e del numero di recettori). Una condizione opposta alla obesit la magrezza o il digiuno dove ci sono basse concentrazioni di insulina fisiologicamente che provocano un aumento della affinit dei recettori per linsulina quindi aumenta il legame dellormone con i suoi recettori. Pero la entit delleffetto biologico esplicato dallormone non da correlare solamente con lentit del legame recettoriale infatti subito dopo linterazione dellormone con il recettore e linternalizzazione del complesso esiste una grossa serie di fenomeni post recettoriali che sono quelli maggiormente responsabili dellesplicazione delleffetto biologica ormonale. quindi importante linterazione ormone recettore, che pu essere aumentato oppure diminuito ma sulla base del legame ormone recettore non possiamo estrapolare quale sar leffetto biologico finale dellormone. Infatti accanto ai fenomeni cosi detti recettoriali sono importanti i fenomeni post recettoriali.

FENOMENI POST-RECETTORIALI

A differenza della maggior parte degli ormoni di cui conosciamo i secondi messaggeri per linsulina le notizie disponibili sono molto meno sicure. Conosciamo bene le leggi che regolano la interazione ormone recettore e gli effetti biologici finali dellormone sul metabolismo glucidico, lipidico e protidico. Non conosciamo affatto o comunque molto poco quello che avviene nellintervallo tra queste due tappe. Si sono fatte delle ipotesi.

Abbiamo visto che il recettore insulinico formato da 4 subunita due pi grandi che contengono il sito di legame con lormone e due pi piccole con funzione tirosin chinasica. Perch il recettore sia in grado di legare linsulina necessario che durante la sua maturazione subisca un processo di glicosilazione. Questa avviene mediante il legame di residui polisaccaridici in corrispondenza di residui di asparagina. La glicosilazione abilita il recettore che ha raggiunto la superficie cellulare a legare linsulina stessa. Lattivit tirosinchinasica determina la fosforilazione di molecole proteiche a livello dei residui di tirosina.

Perch possa migliorare la interazione dellinsulina con il recettore necessario che questa fosforilazione da parte della tirosinchinasi riguardi anche la molecola dello stesso recettore (autofosforilazione del recettore dellinsulina).

Lautofosforilazione e necessaria perch possa avvenire la internalizzazione del complesso ormone-recettore e perch possa avvenire la down regulation dei recettori. Sugli effetti postrecettoriali sono state fatte diverse ipotesi di cui una delle pi accreditate riguarda la possibilit di fosforilazioni cosi dette a cascata. Uno degli effetti biologici principali dellinsulina su determinate attivit enzimatiche quello di determinare delle defosforilazioni (attivit defosforilante). La fosforilazione a cascata comincia con la fosforilazione da parte delle tirosinchinasi di alcune serinchinasi che determinano la fosforilazione di residui di serina oppure di treonina. Una di queste serinchinasi attivata potrebbe fosforilare, e quindi attivare, una proteinafosfatasi che provoca una defosforilazione di diverse attivit enzimatiche che sono sensibili allazione insulinica. Ci sono diversi esempi di questa attivit defosforilante dellinsulina ad esempio sullacetilCoAcarbossilasi, sulla piruvatodeidrogenasi ecc.

Un altro degli effetti dellinsulina si ha sul sistema di trasporto del glucosio che localizzato sulla membrana. I carrier del glucosio sono delle molecole glicoproteiche che vengono prodotte a livello del reticolo endoplasmico, migrano verso la superficie cellulare maturando. Linsulina agisce su questi carrier sia aumentando il numero di unita trasportatrici dallinterno verso lesterno sia attivandole. Questo e leffetto biologico principale dellinsulina a livello cellulare.

EFFETTI DELLINSULINA SUI DIVERSI ORGANI E TESSUTI

Sono molti i tessuti su cui agisce linsulina. Parleremo soprattutto del tessuto muscolare, adiposo ed epatico. In cui la presenza dei recettori per linsulina pu essere direttamente correlate alleffetto biologico dellormone.

TESSUTO ADIPOSO

La funzione principale del tessuto adiposo quella di fungere da riserva energetica per lorganismo che a seconda delle necessit dellorganismo pu essere o conservata sotto forma di trigliceridi o mobilizzata sotto forma di acidi grassi liberi. In un soggetto di peso normale sono presenti circa 15 Kg di tessuto adiposo, il 90% di questo tessuto adiposo costituito da trigliceridi e il totale calorico contenuto di 120.000 calorie (enorme riserva energetica). Il principale substrato della sintesi dei trigliceridi rappresentato dal glucosio. Affinch il glucosio possa penetrare nella cellula adiposa necessario leffetto dellinsulina che facilita questo ingresso necessaria lefficienza delcarrier. Una volta che il glucosio entra nella cellula viene fosforilato da una esochinasi trasformato in glucosio-6fosfato (G6P). La attivit della esochinasi potenziata dallinsulina. Dal G6P originano due molecole l-glicero fosfato che serve per la sintesi degli acidi grassi e lacetilCoA. Perch si abbia la formazione della catena degli acidi grassi liberi (NEFA) necessari la disponibilit di NADPH che viene fornito dalla ossidazione del glucosio attraverso lo shunt degli esosi monofosfati. Anche nella via metabolica dei pentosi esistono delle attivit enzimatiche come la glucosio 6 fosfato deidrogenasi e la 6 fosfogluconato deidrogenasi che vengono anche loro attivate dallinsulina. Attraverso la disponibilit dell-glicero fosfato e dellacetilCoA di derivazione glicolitica la cellula dispone del necessario per la formazione dei trigliceridi. La cellula adiposa, oltre che produrre trigliceridi a partire da queste molecole, in grado di utilizzare degli acidi grassi liberi che gli arrivano preformati dallesterno. Questi acidi grassi liberi derivano dal catabolismo delle lipoproteine che trasportano trigliceridi: chilomicroni di origine intestinale che trasportano i trigliceridi esogeni e le VLDL di origine epatica che trasportano i trigliceridi endogeni.

Questi trigliceridi endogeni ed esogeni una volta in circolo sono soggetti allazione di un enzima la lipoproteinlipasi che localizzata a livello delle pareti cellulari adiacenti alle cellule adipose che determinano la idrolisi dei trigliceridi trasportati dai chilomicroni o dalle VLDL in acidi grassi liberi e glicerolo. Questa attivit enzimatica viene stimolata dallinsulina che in questo modo facilita il rifornimento della cellula adiposa con gli acidi grassi liberi. DallacetilCoA si giunge alla formazione dei NEFA attraverso la addizione di unit bicarboniose cio dallacetilCoA attraverso la azione della acetilCoA carbossilasi si arriva alla formazione del malonil CoA.

Laddizione di tutte queste unita bicarboniose alla catena dellacido grasso che si va formando, richiede la disponibilit di NADPH che viene dallossidazione del glucosio attraverso lo shunt dei pentosi. A questo livello esiste un controllo metabolico non solo da parte dellinsulina ma anche da parte di altri ormoni come il glucagone. stato dimostrato che il malonil CoA un potente inibitore della carnitina acil transferasi che un enzima responsabile del passaggio del acetil CoA dallo stato extra mitocondriale allo stato intra mitocondriale dove avviene la ossidazione degli acidi grassi. Una volta che la cellula adiposa ha sintetizzato i suoi trigliceridi o gli ha ricevuti dellesterno attraverso le modalit descritte, questi sono soggetti ad un continuo turnover che varia a seconda della disponibilit di sub strati. In condizioni di digiuno quando la quantit di sub strati nutritivi bassa si ha, ad opera di glucagone, catecolamine, glucocorticoidi ecc. lattivazione delladenil ciclasi che forma il cAMP che attiva un'altra lipasi ormono-sensibile endocellulare che determina lidrolisi dei trigliceridi contenuti nella cellula adiposa in acidi grassi liberi e glicerolo. In condizioni di disponibilit di substrati .cambio lato cassetta

CARENTE EFFETTO INSULINICO

Non vuol dire solamente diabete ma molto pi semplicemente pu significare una condizione di digiuno protratto in cui i livelli di insulina sono fisiologicamente bassi. In queste condizioni lingresso del glucosio allinterno delladipocita ostacolato non si giunge alla formazione dellacetilCoA, dell glicero fosfato e dei NEFA (perch manca leffetto insulinico).Vi una inibizione della lipoproteinlipasi, quindi non c ingresso di acidi grassi dallesterno allinterno della cellula ma al contrario ad opera degli ormoni contro-insulari (glucagone, catecolamine, glucocorticoidi ecc.) si ha lattivazione della adenilato ciclasi e della lipasi endocellulare ormono sensibile che determina la lipolisi quindi la scissione dei trigliceridi contenuti nelladipocita in acidi grassi e glicerolo. Il risultato del carente effetto insulinico e del eventuale presenza di ormoni contro insulari determina una lipolisi liberando notevoli quantit di acidi grassi. In corso di digiuno questi acidi grassi vengono utilizzati come sub strati energetici da parte di altre strutture come la cellula muscolare. In corso di diabete quando manca linsulina si ha la inibizione della lipoproteinlipasi, la attivazione della lipasi ormono sensibile e una massiccia liberazione di acidi grassi da parte delle cellule adipose.

TESSUTO MUSCOLARE

La funzione principale del tessuto muscolare quella di assicurare lefficienza della contrazione muscolare stessa, lintegrit delle strutture contrattili e la produzione di energia necessaria alla loro funzione. Anche a livello del tessuto muscolare esiste una riserva energetica formata da poco tessuto adiposo e molto glicogeno che viene sintetizzato e depositato nel muscolo. Linsulina anche qui facilita lingresso del glucosio nel muscolo ma anche di una grossa quota di aminoacidi che stimolano la sintesi proteica muscolare. Attraverso lattivazione della glicogeno sintetasi linsulina stimola la produzione di glicogeno. Dalla contrazione muscolare origina il lattato che viene eliminato dal tessuto muscolare, raggiunge il fegato e pu diventare un substrato per la gluconeogenesi epatica. Il muscolo per le sue necessit metabolico-energetiche pu utilizzare il lattato (le reazioni sono bidirezionali). Un altro substrato che il muscolo in grado di utilizzare costituito dagli acidi grassi liberi che possono derivare dal tessuto adiposo per i processi di lipolisi.

CARENTE EFFETTO INSULINICO

In questa situazione manca la possibilit di utilizzare il glucosio per la sintesi del glicogeno quindi c un impoverimento delle riserve di glicogeno dentro il muscolo. Non c la possibilit che gli aminoacidi vengano utilizzati perch non penetrano nella cellula muscolare anzi le proteine che sono presenti nel muscolo vengono catabolizzate e trasformate in aminoacidi che escono dal muscolo e vengono usati dal fegato per produrre glucosio (soprattutto alanina e glutamina). Quello che succede nel tessuto adiposo in seguito alla carenza di insulina (diabete o digiuno), cio la liberazione di NEFA, influisce sul tessuto muscolare che utilizza questi NEFA a fini energetici quando manca il glucosio. Nel diabete c, rispetto al digiuno, una lipolisi molto pi accentuata. Il muscolo a fini energetici pu anche usare i corpi chetonici che si producono al livello del fegato. Quindi il muscolo risente del comportamento del tessuto adiposo a del tessuto epatico.

FEGATO

lorgano pi importante che pu produrre il glucosio. Una piccola quota pu essere prodotta anche nel rene e nella mucosa intestinale infatti possiedono tutti e tre una glucosio 6 fosfatasi enzima in grado di scindere il G6P a glucosio che pu essere messo in circolo. Il fegato il primo organo che linsulina trova nel suo passaggio dopo essere stata liberata a livello del circolo portale. Questo organo pu intrappolare circa il 50% della quantit totale di insulina liberata dal pancreas e quindi molto importante nella regolazione della omeostasi glicemica. Nel tessuto muscolare e in quello adiposo linsulina necessaria per il passaggio del glucosio dallesterno allinterno della cellula. Nel fegato invece il passaggio del glucosio pu avvenire liberamente cio le cellule epatiche sono liberamente permeate dal glucosio senza effetto insulinico. Leffetto dellinsulina nel fegato si esplica nella tappa successiva che quella della fosforilazione del glucosio che viene trasformato in G6P ad opera di due enzimi la esochinasi (come nel tessuto adiposo e in quello muscolare ma che nel fegato ha poca importanza) e la glucochinasi (caratteristico del fegato). La glucochinasi viene stimolata da un aumento delle concentrazioni di insulina ed stato dimostrato avere una attivit molto carente o assente in condizioni di digiuno o di diabete mellito. La sua attivit ricompare se viene somministrata insulina. Dopo fosforilato il glucosio da il G6P, da esso si pu formare glicogeno che la forma di accumulo di carboidrati nel fegato ad opera dellenzima glicogenosintetasi che pu essere stimolato dallinsulina. Il G6P pu anche essere trasformato in piruvato (glicolisi) oppure pu essere visto come il metabolita terminale o della glicogenolisi o anche della gluconeogenesi. Tramite la glucosio 6 fosfatasi il G6P viene defosforilato e immesso in circolo. Il fegato ha un comportamento particolare per quanto riguarda la capacit di captare il carboidrati (glucosio) che derivano dallassorbimento intestinale e di immetterli in circolo. In generale possiamo dire che il fegato produce e immette glucosio in circolo ogni qualvolta la glicemia scenda al di sotto dei 120mg/dl. Con glicemie al di sopra dei 120mg/dl il fegato non libera glucosio ma cerca di immagazzinarlo sotto forma di glicogeno. Con glicemie stabili intorno a 120mg/dl il flusso bidirezionale del glucosio cessa (non c immissione in circolo). Linsulina pu quindi controllare le capacit del fegato di accumulare glucosio, quando esso presente come ad esempio durante il suo assorbimento intestinale, oppure la capacit di immetterlo in circolo durante il digiuno o durante le ore notturne. In questo ultimo caso il glucosio viene o dalla scissione del glicogeno o, se il digiuno si protrae per pi di 12-16 ore, dalla gluconeogenesi partendo da substrati non glucidici come aminoacidi. Questi vengono liberati dal muscolo in condizioni di digiuno ad esempio la alanina che un caratteristico aminoacido gluconeogenetico. Linsulina esplica una azione di controllo molto fine sulla gluconeogenesi e sulla glicolisi. Molti degli enzimi che partecipano a queste vie metaboliche sono bidirezionali cio lo stesso enzima capace di effettuare le reazioni in entrambi i sensi. Esistono per tre copie di enzimi che non sono bidirezionali cio sono diversi per un verso o per laltro.

Infatti

la trasformazione del glucosio in G6P catalizzata dalla glucochinasi (attivato dallinsulina), il processo inverso catalizzato dalla glucosio 6 fosfatasi (inibito dallinsulina)

la trasformazione del fruttosio 6 fosfato a fruttosio 1-6 bifosfato ad opera della fosfofruttochinasi (attivato dallinsulina), il processo inverso e catalizzato della fruttosio 1-6 bifosfatasi (inibito dallinsulina)

la trasformazione del fosfoenolpiruvato in piruvato catalizzato dalla piruvatochinasi (attivato dallinsulina), il processo inverso diviso in due tappe: la prima trasforma il piruvato in ossalacetato ad opera della piruvatocarbossilasi, la seconda trasforma lossalacetato in fosfoenolpiruvato ad opera della fosfoenolpiruvatocarbossichinasi . Entrambi inibiti dallinsulina.

Gli enzimi glicolitici sono attivati dallinsulina, mentre quelli gluconeogenetici vengono inibiti dalla insulina come in condizioni di disponibilit di substrati nutritivi oppure vengono attivati dalla carenza insulinica o dagli ormoni contro insulari (glucagone, catecolamine, glucocorticoidi, lormone somatotropo e in minor misura anche quelli tiroidei). Questi ormoni possono attivare gli enzimi gluconeogenetici soprattutto se c una carenza di insulina ad esempio succede nel diabete mellito. In corso di diabete mellito non pu avvenire la fosforilazione del glucosio, la sintesi del glicogeno e il fegato usa gli aminoacidi del catabolismo muscolare per produrre glucosio. Inoltre arrivano al fegato, dal tessuto adiposo, grosse quantit di acidi grassi liberi che dovrebbero essere usate per produrre la VLDL; questo avviene nel uomo ma in quantit molto limitate infatti la pi grossa quota di essi viene usata per formare corpi chetonici che una volta in circolo vengono usati dal muscolo. Avevamo detto che il malonil CoA, un metabolita intermedio della sintesi degli acidi grassi, pu inibire la carnitina acil transferasi. Se si verifica un aumento del glucagone o una riduzione dellinsulina il malonil CoA non viene prodotto quindi si attiva la carnitina acil transferasi, dalla degradazione degli acidi grassi si ha la formazione di acetilCoA che viene indirizzato dentro i mitocondri dove avviene la ossidazione e trasformato in corpi chetonici.

FINE