Regulación metabólica de la secreción de insulina

En las células β del páncreas endocrino la exocitosis de insulina es un proceso altamente controlado y muchos factores promueven activamente la liberación de insulina. Normalmente, los carbohidratos son la fuente primaria de combustible en los alimentos y la glucosa es el principal secretagogo  de insulina. Los modelos tradicionales de la exocitosis de insulina se basan en el incremento de la relación ATP/ADP  como consecuencia del elevado metabolismo de glucosa en la célula β del páncreas. El incremento de la glucólisis y del ciclo de Krebs resulta en una elevada generación de ATP en las mitocondrias. La aumentada relación ATP/ADP induce (a) la despolarización  de la membrana plasmática de la célula β por el cierre de  canales de K+ sensibles a ATP (KATP), y (b) la apertura de canales de Ca2+ dependientes de voltaje. La entrada de Ca2+ a la célula β provoca la salida de insulina a través de la fusión con la membrana plasmática del pool de vesículas, de liberación rápida, que contienen la insulina. Este mecanismo de liberación de insulina dependiente de KATP es el responsable  de la primera fase de la respuesta secretora de  insulina que dura entre 5 y 10 minutos, pero la segunda fase de liberación, más sostenida (30-60 minutos), depende  del metabolismo mitocondrial, la generación de factores de acoplamiento y la entrada de Ca2+. Conocido como secreción de insulina independiente de KATP, este mecanismo es iniciado por intermediarios del ciclo de Krebs y sus productos asociados (anaplerosis), la señal fosfolipasa C/proteína quinasa C, alteraciones en los niveles intracelulares de lípidos  y/o elevación de los niveles de AMPc, los cuales, en conjunto, aumentan los niveles citoplasmáticos de Ca2+ y la exocitosis de insulina. 

La célula β está diseñada para liberar insulina  cuando es estimulada por los nutrientes de la dieta, sobre todo por la glucosa. Las adaptaciones en la célula β que permiten el monitoreo continuo de la carga plasmática de glucosa están acopladas al metabolismo oxidativo y anaplerótico, lo cual transduce la elevada señal de los nutrientes  y maximiza la generación de ATP para la exocitosis de insulina.  Esto incluye la capacidad para “sensar” glucosa en el rango fisiológico con transportadores  de glucosa de alta Km y la enzima glucoquinasa, la reducida expresión  de la enzima  lactato deshidrogenasa, la alta expresión de los mecanismos redox para regenerar equivalentes reductores  y la aumentada actividad  de las enzimas  piruvato deshidrogenasa y  piruvato carboxilasa, lo cual asegura un metabolismo oxidativo eficiente  en presencia  de alta concentración de glucosa. 

La entrada de glucosa en la célula β es regulada en la membrana plasmática por proteínas transportadoras (GLUT1 en humanos, GLUT2 en roedores))  independientes  de insulina. La Km de GLUT1 y GLUT2 por la glucosa es alta (6 y 11 mM, respectivamente), lo que indica que ellos son activos sólo con altas concentraciones extracelulares de glucosa, como las observadas en condiciones postprandiales.  Una vez captada la glucosa, su degradación glucolítica a piruvato genera ATP, el cual es un factor importante en el acoplamiento estímulo-secreción. La glucoquinasa es una sofisticada enzima hexoquinasa que también actúa como sensor  de glucosa y tiene una alta Km por la glucosa (6mM). Esta enzima, a diferencia de otras hexoquinasas, no es inhibida por su producto, glucosa -6-fosfato, y mantiene  una alta actividad  en presencia de concentraciones elevadas de glucosa, acoplando el estímulo (carbohidratos)  a la secreción de insulina.  Los intermediarios glucolíticos pueden impactar la secreción de insulina. La formación de glicerol-3-fosfato  a partir de fructosa 1,6-bifosfato puede aumentar  el ciclo glicerolípido/ácido graso esterificado, el cual promueve  la secreción de insulina a través de la generación  de moléculas de señalización  como acilCoA de cadena larga y diacilglicerol. Más aún, el glicerol-3-fosfato puede ser convertido a dihidroacetona fosfato por la enzima mitocondrial glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, lo cual genera FADH2 y contribuye  a la producción de ATP.

Las células β del páncreas expresan bajos niveles de deshidrogenasa láctica por lo que generalmente reciclan NAD+  a través de rutas mitocondriales redox (NADH/NADPH) como piruvato/malato y piruvato/citrato. Un aspecto central de estas operaciones es la producción de oxaloacetato  a partir de piruvato por la enzima piruvato carboxilasa.  En las mitocondrias el oxaloacetato es convertido por la deshidrogenasa málica  en malato, el cual pasa al citosol.  En el citosol, la enzima málica 1 regenera el piruvato a partir  del malato al tiempo que crea NAPDH. El piruvato puede re-entrar a la mitocondria para continuar el proceso, generando más NADH e incrementando los niveles de ATP. Alternativamente, el oxaloacetato puede ser condensado con acetilCoA para formar citrato, el cual es traslocado al citosol. En el citosol el citrato es convertido nuevamente en oxaloacetato y acetil CoA y la enzima málica 1 genera NADPH como se ha descrito anteriormente, mientras tanto la acetil CoA  promueve la acumulación  de ácidos grasos no esterificados,  a través de la formación de malonil CoA por acción  de la acetil CoA carboxilasa, y la secreción de inulina.

Otra ruta redox que regula la regeneración de equivalentes reductores y por consiguiente la producción de ATP en las células β es la malato/aspartato. En el citosol, la enzima malato deshidrogenasa  convierte al oxaloacetato en malato y NAD+, el malato entra a la mitocondria vía malato/2-oxoglutarato y es oxidado  para generar de nuevo oxaloacetato por la enzima malato deshidrogenasa mitocondrial, mientras el NAD+ es reducido a NADH.  El oxaloacetato mitocondrial, en presencia de glutamato, puede ser  transaminado  para generar aspartato, el cual pasa al citosol  a través del transportador aspartato/glutamato, Aralar 1. La ausencia de este transportador  disminuye en un 25% la secreción de insulina. 

Estudios recientes  reportan que las células β expresan receptores de carbohidratos que pueden activar directamente factores que regulan la secreción de insulina. Las células β MIN6 de ratones  expresan receptores gustativos TIR2 (TAS1R2) y TIR3 (TAS1R3), los cuales normalmente son expresados en la lengua y en células neuroendocrinas del tracto gastrointestinal. Las células β MIN6  son capaces de responder  a una variedad  agonistas de receptores de carbohidratos, como la sucralosa,  y aumentar la secreción de insulina. Más aún, existe evidencia que otros edulcorantes artificiales pueden modular la secreción de insulina  en estas células a través de alteraciones  en los niveles de Ca2+ y/o AMPc.  Aunque sin aclararse completamente, estos datos implican  un rol directo  de los receptores acoplados a proteína G y la ruta de señalización disparada por estos receptores  en la regulación de la secreción de insulina en las células β. 

Los aminoácidos como nutrientes son moduladores claves  de la secreción de insulina. Ellos pueden ejercer efectos positivos y/o negativos  sobre la liberación de insulina dependiendo del tipo, la duración  de exposición y la concentración del aminoácido. Sin embargo, administrados solos y en concentraciones fisiológicas, los aminoácidos no modulan la secreción de insulina; pero en combinaciones específicas y en concentraciones fisiológicas, o individualmente en concentraciones elevadas, pueden aumentar la secreción de inulina. Los aminoácidos regulan las rutas de la secreción de insulina: (1) actuando como sustratos para el ciclo de Krebs  y/o rutas redox con la consiguiente generación de ATP, (2)  a través  de la despolarización directa de la membrana plasmática por el transporte de aminoácidos cargados positivamente  mediante  transportadores específicos,  (3) a través de la despolarización de la membrana plasmática como resultado del co-transporte con iones Na+. La glutamina es el aminoácido más abundante en la sangre y los líquidos extracelulares y es consumida rápidamente por muchos tipos de células incluyendo a las células β del páncreas. Sin embargo, la glutamina cuando es administrada sola no incrementa la exocitosis de insulina, lo que sugiere que la alta demanda y captación de glutamina  por las células β es esencial para otros procesos celulares, posiblemente para síntesis de proteínas, pirimidina y purinas. La glutamina cuando es administrada  en combinación con leucina incrementa la exocitosis de insulina  a través de la activación de la enzima glutamato deshidrogenasa y la entrada de carbonos  de la glutamina  en el ciclo de Krebs, lo cual aumenta la formación de equivalentes reductores y la activación de proteínas transportadoras en las mitocondrias. La producción de glutamato a partir de glutamina puede contribuir a la defensa anti-oxidante de la célula β con la entrada en el ciclo γ-glutamil y la consiguiente síntesis de glutation. El glutamato también puede mediar directamente la secreción de insulina, pero los mecanismos exactos  no son suficientemente claros. Por otra parte, el glutamato puede acumularse en las vesículas que contiene insulina y, potencialmente, ser liberado durante la exocitosis de insulina. El glutamato liberado de esta manera puede influir en la activación del receptor de glutamato en la célula β. Adicionalmente, el glutamato puede regular la secreción de glucagón  en las células α del páncreas a través de mecanismos paracrinos.  

Los aminoácidos alanina y arginina también estimulan significativamente la secreción de inulina. El mecanismo  de acción  de la secreción de insulina inducida por alanina es multifactorial e incluye la conversión  a piruvato, glutamato, aspartato y lactato. La secreción de insulina inducida por arginina depende  de cambios en el potencial de la membrana plasmática que permiten la apertura de canales de Ca2+, la entrada del ión a la célula y la exocitosis de insulina. La arginina, un aminoácido cargado positivamente, entra en la célula β a través del transportador electrogénico  mCAT2A causando la despolarización directa  de la membrana plasmática. La arginina, en concentraciones fisiológicas, tiene un rol citoprotector y atenúa  la apoptosis  en las células β. Esto es facilitado por la conversión de arginina en glutamato, lo cual aumenta los niveles de antioxidantes.  Sin embargo, se han reportado efectos negativos  de  la alanina en altas concentraciones por el incremento de la actividad de la sintetasa de óxido nítrico inducible, lo cual puede ser perjudicial para la célula β si las defensas antioxidantes  son bajas.  Los aminoácidos de cadena ramificada como leucina, isoleucina y valina también influyen en la exocitosis de insulina. Sin embargo, los mecanismos precisos  de este efecto positivo no son completamente entendidos, aparentemente involucran síntesis  de proteínas, incremento de la anaplerosis  y, en el caso de la leucina, aumento de la activación alostérica de  la glutamato deshidrogenasa, lo  que permite incrementar la actividad del ciclo de Krebs en la célula β.

Los lípidos y los ácidos grasos no esterificados son cruciales para la función de la célula β y la liberación de insulina. En presencia de suficientes nutrientes, los ácidos grasos no esterificados  pueden influir en la secreción de insulina por tres mecanismos metabólicos: (1) la señal metabólica ciclo de Krebs/ malonil-CoA, (2) el ciclo glicerolípidos/ácidos grasos no esterificados, (3) la activación directa  de receptores acoplados a proteína G. La señal metabólica ciclo de Krebs/ malonil CoA  está  íntimamente relacionada con la regulación de la β-oxidación. En presencia de ácidos grasos no esterificados y exceso de carbohidratos, la actividad  de la carnitina palmitoiltransferasa es inhibida directamente  por la formación de malonil-CoA  a partir de intermediarios del ciclo de Krebs. La posterior acumulación de lípidos en el citosol puede aumentar la secreción de insulina por: (1) alteración de la actividad  de canales iónicos, (2) aumento de la entrada de Ca2+, (3) generación de lípidos insulinotrópicos incluyendo al diacilglicerol y CoA de cadena larga, (4) aumento de la interacción de las vesículas de insulina con la membrana plasmática. El ciclo glicerolípidos/ácidos grasos no esterificados es un punto de convergencia del metabolismo de la glucosa y de los ácidos grasos no esterificados. La formación de glicerol-3-fosfato a partir de la glucosa y la generación de ácidos grasos no esterificados y glicerolípidos por la lipólisis amplifican la respuesta secretoria de insulina  en condiciones de glucosa elevada. Los lípidos también aumentan la secreción de insulina a través de la activación de receptores acoplados a proteína G que son altamente expresados en las células β. Las isoformas GPR40, GPR41, GPR119 y GPR 120 son importantes en la fisiología de la célula β y su deficiencia o la Las isoformas GPR40, GPR41, GPR119 y GPR 120 son importantes en la fisiología de la célula β y su deficiencia o la disminución de sus niveles  disminuyen la secreción de insulina inducida por ácidos grasos no esterificados. 

Los efectos insulinotrópicos de los ácidos grasos no esterificados  dependen del tipo de lípido, el nivel de saturación y la longitud  de la cadena de carbonos.  Los ácidos palmítico y estearico, ácidos grasos no esterificados saturados   pueden disminuir crónicamente la secreción de insulina, mientras que los ácidos grasos no esterificados insaturados como el oleico y el araquidónico aumentan la secreción de insulina.  Sin embargo, la exposición prolongada de la célula β a elevados niveles circulantes  de lípidos altera la oxidación de la glucosa, lo cual provoca   incremento de  la relación AMP/ATP y activación de la AMPK. En este escenario, la AMPK funciona para promover la oxidación de ácidos grasos y evita sus efectos tóxicos pero  con el costo de la disminución de la secreción de insulina.  Esto es particularmente importante cuando están presentes altos niveles de glucosa y de lípidos simultáneamente.  La inhibición de la actividad de la AMPK  produce acumulación  de lípidos en el citosol  y esto puede promover lipotoxicidad   por la inducción de estrés en el retículo endoplasmático y la formación de ceramidas, las cuales tiene  un mecanismo pro-apoptosis en la célula β. La acumulación intracelular crónica de lípidos, particularmente en presencia de altos niveles de glucosa, tiene efectos perjudiciales para las células β a través de la excesiva generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) por el aumentado recambio de los metabolitos del ciclo de Krebs. El exceso de ROS puede activar rutas claves de la inflamación, un mediador importante de la disfunción de las células β. 

En conclusión, los carbohidratos, los lípidos y los aminoácidos juegan un rol importante  en la regulación de la secreción de insulina. La célula β de los islotes pancreáticos es un tipo de célula diseñado para acoplar el metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos  con los mecanismos secretorios de insulina,  de manera que la liberación de insulina ocurra en los tiempos apropiados para asegurar la eficiente captación  y almacenamiento de nutrientes en los tejidos. Sin embargo, la exposición crónica a altas concentraciones de nutrientes resulta en un metabolismo alterado que impacta negativamente sobre la exocitosis y la acción de la insulina y que puede conducir al desarrollo de diabetes mellitus.   

Fuente: Newsholme P et al (2014). Nutrient regulation of insulin secretion and action. Journal of Endocrinology 221: R105-R120.