Control de la secreción de glucagón

Después del descubrimiento de los islotes pancreáticos por Paul Langerhans en 1869, Diamare en 1899 encontró que contienen dos tipos  de células, los cuales fueron designados  `por Lane en 1907 como células α y β  (también conocidas más tarde como células A y B). En 1915 Homans predijo que las células B eran el origen  de “una secreción interna vital para la utilización de la dextrosa”, y esa hormona que disminuye la glucosa  o insulina fue  descubierta  por Banting y Best  en 1921. En 1923 Murlin y Col. observaron  que los extractos de insulina pancreática algunas veces estaban  contaminados con un factor hiperglucemiante que llamaron glucagón y cuya producción  fue relacionada con las células α por Sutherland y De Duve en 1948. En 1931, Blom identificó un nuevo tipo de células (células D) en los islotes humanos y en 1969 Hellman y Lemmark demostraron que esas células secretan un factor que inhibe la secreción de insulina. Este factor de las células D (células δ) fue identificado como somatostatina por Goldsmith y Col. en 1975.

El glucagón  es la principal hormona contra-reguladora de la glucosa y su rol fisiológico más importante  es prevenir la hipoglucemia.  La secreción  de glucagón es estimulada cuando la concentración sanguínea de glucosa cae por debajo del nivel de reposo. Desafortunadamente este mecanismo está comprometido en la diabetes, lo que implica un deterioro de la recuperación de la hipoglucemia que accidentalmente puede ocurrir en los pacientes sometidos  a tratamientos agresivos para reducir las complicaciones de la diabetes.  Como mecanismo esencial  para la supervivencia y el bienestar, la liberación de insulina y glucagón  es controlado por múltiples mecanismos directos e indirectos.  Por ejemplo, la concentración sanguínea de glucosa  es monitoreada por células “sensoras”   de glucosa en la vena porta  y en diferentes regiones del cerebro, lo cual resulta en  estimulación parasimpática de la secreción de insulina en la hiperglucemia y la liberación de glucagón en la hipoglucemia, así como inhibición simpática  de la secreción de insulina y estimulación  de la secreción de glucagón en la hipoglucemia. Sin embargo, la contribución de la influencia neural puede diferir entre las especies pues los islotes humanos son menos inervados que los islotes de roedores.  Más aún, el control de la secreción de insulina y glucagón por la glucosa  persiste en el páncreas perfundido  y en islotes pancreáticos aislados.

Desde hace aproximadamente 30 años hay una teoría unificada sobre cómo las células β  reconocen la glucosa y la consiguiente señal que dispara la liberación de insulina. Los principales aspectos  de la llamada hipótesis consenso  aún son validos e implican que la glucosa  es tomada rápidamente  por las células β y metabolizada para generar  ATP. El incremento resultante  de la relación ATP/ADP cierra  canales  de K⁺ sensibles a ATP (K_ATP), para despolarizar  la célula β, y abre  canales de Ca²⁺ tipo L dependientes de voltaje.  La entrada de Ca²⁺ aumenta la concentración citoplasmática  de Ca²⁺ [Ca²⁺]_i, el disparador más importante de la liberación de insulina. Este modelo implica que las células β tiene una capacidad intrínseca  para “sensar” glucosa  y liberar insulina cuando es requerida, pero la secreción disparada por la [Ca²⁺]_i  también puede ser aumentada o disminuida  por  incremento o disminución  de AMPc, así como por la modulación  de la proteína kinasa C y la proteína fosfatasa calcineurina, mediada por efectos paracrinos de glucagón, somatostatina y neurotransmisores como acetilcolina y noradrenalina.  

El entendimiento de cómo la glucosa regula la secreción de glucagón por las células α ha progresado más lentamente y todavía se proponen diferentes mecanismos. Aunque en general se acepta que el Ca²⁺ y el AMPc tienen funciones similares en la secreción   de insulina y glucagón, los datos recientes indican que algunas veces la liberación de glucagón  puede ser controlada independientemente  de la [Ca²⁺]_i. La carencia  de inhibición paracrina  de las células α es a menudo considerada  como subyacente  a la hipersecreción de glucagón en la hiperglucemia diabética. Por otra parte, los factores paracrinos  han sido implicados  en el control de la secreción de glucagón por la glucosa en la hipoglucemia. Sin embargo, el espectro de factores paracrinos  liberados por las células de los islotes  claramente difiere en hipo- e hiperglucemia debido a las sensibilidades a la glucosa especificas de los diferentes tipos de células  en los islotes.

Los islotes pancreáticos de ratón y humano expuestos a condiciones hipoglucémicas incrementan su liberación  de glucagón con efecto máximo en  ausencia completa de azúcar, aunque hay menos energía disponible para secreción bajo esas condiciones en las células α.  La retroalimentación positiva ha sido propuesta para potenciar la secreción de glucagón en esta situación y para explicar cómo los cambios relativamente modestos en la glucosa sanguínea pueden garantizar la regulación apropiada  de la liberación de glucagón.  Por otra parte, el glucagón amplifica su propia secreción  en las células α aumentando el AMPc,  y el glutamato co-liberado con el glucagón puede promover la secreción de glucagón aumentando la [Ca²⁺]_i después de la activación autocrina de receptores AMPA/kainato.

La insulina liberada por las células β es aún considerada un potencial mediador  de la secreción de glucagón inhibida por glucosa. La insulina puede activar  canales K_ATP para hiperpolarizar  la célula α,  cerrar  canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje, incrementar la expresión  de receptores GABA_A o inducir la degradación de AMPc después de la activación de la fosfodiesterasa 3B. Otros estudios proponen que el Zn²⁺ co-liberado con la insulina media la inhibición de la secreción de glucagón. La liberación de ATP por los gránulos secretorios de la célula β  también ha sido implicada en la inhibición paracrina de la señal Ca²⁺  y la secreción de glucagón por las células α de islotes de ratón. Por otra parte,  esta inhibición  de la secreción de glucagón involucra la activación del receptor de purinas P2Y₁, según algunos estudios. Sin embargo, este hallazgo está en contradicción con la observación en islotes de rata que demuestra que el bloqueo de este receptor inhibe  la liberación de glucagón.  Otros potenciales inhibidores derivados de las células β son el GABA y su metabolito ácido γ-hidroxibutírico (GHB). El GABA, el cual inhibe la liberación de glucagón activando la entrada de Cl^- que hiperpolariza la célula α, está presente  en las microvesículas  y en los  gránulos que contienen insulina. El GHB, cuya liberación es estimulada por la glucosa a través de  un mecanismo desconocido, actúa sobre potenciales receptores inhibidores en las células α.

La máxima inhibición  de la liberación de glucagón  en islote de ratón y humano se alcanza con glucosa 5-7 mM, la cual corresponde  a la glucemia normal en estas especies. Un problema general con la idea que la insulina y los factores co-liberados con la insulina  median la secreción de glucagón  es que en islotes de ratón, la liberación de insulina solamente es estimulada por concentraciones de glucosa  mayores que 5-7 mM. Aunque  el umbral para la secreción  de insulina en humanos  es menor, la liberación de glucagón  es también regulada por concentraciones de glucosa  por debajo de este umbral.

La influencia paracrina de las células β sobre las células α no necesariamente es inhibitoria. La relación dosis-respuesta de la liberación de glucagón regulada por glucosa indica que las concentraciones de glucosa por arriba de 20 nM estimulan la secreción de glucagón  por islote de ratón.  La dependencia  de la concentración de glucosa en forma de U indica efectos estimuladores e inhibidores de la glucosa. El componente  estimulador  ha sido atribuido a la insulina en base a la observación  que esta hormona más que inhibir, estimula la liberación de glucagón  por islotes humanos expuestos a glucosa 6 nM, pero los estudios con antagonistas del receptor de insulina  indican que bajo condiciones hiperglucémicas, la insulina  es inhibidora  o  carece de efecto sobre la liberación de glucagón. El ATP de los gránulos secretores de insulina y la adenosina formada por la degradación extracelular de ATP son otros potenciales  amplificadores de la secreción de glucagón.  El efecto estimulador de la adenosina es mediado por receptores A₂ que aumentan el AMPc, mientras la acción directa del ATP sobre  receptores P2Y₁ que elevan el Ca²⁺, puede ser estimuladora o inhibidora de la liberación de glucagón. Un aspecto particularmente interesante de los receptores P2Y₁  es que pueden mediar  la sincronización de las oscilaciones  de [Ca²⁺]_i generadoras de secreción de insulina entre células β dispersas e islotes pancreáticos que carecen de contacto físico. Es posible que se requiera  más de un mecanismo inhibitorio  para suprimir la secreción de glucagón  bajo condiciones hiperglucémicas.

La somatostatina de las células δ,  un potente inhibidor  de la liberación de insulina y glucagón, ha sido propuesto  como regulador paracrino de la liberación de glucagón a través de la mediación  del efecto inhibidor de la hiperglucemia. La inhibición preferencial de la liberación de glucagón debido a la mayor sensibilidad a la somatostatina  de las células α con relación a las células β, refleja las diferencias entre los subtipos de receptores de somatostatina  (SSTR); es decir, receptores SSTR2 de células α de humanos y roedores  y receptores SSRT1 y SSRT5 de células β de humanos y roedores, respectivamente. La más cercana asociación espacial entre células δ y α que entre células δ y β de islotes de ratón también puede contribuir al efecto preferencial sobre la secreción de glucagón en esta especie.  La somatostatina  actúa reduciendo la producción de AMPc, vía subunidad G_α acoplada al SSRT2, y deprimiendo los gránulos secretores de glucagón después de la activación de la  fosfatasa serina/treonina, calcineurina. En comparación con los factores de las células β, una ventaja de la inhibición de la liberación de glucagón mediada por somatostatina es que puede operar también en hipoglucemia, pues la glucosa estimula la liberación de somatostatina   en concentraciones similares a las que inhiben la secreción de glucagón en islotes de ratón y humano. Otra evidencia del rol de la somatostatina en la regulación de la secreción de glucagón en hiperglucemia se ha obtenido a partir de la cinética de la secreción. En islotes de humano y ratón, la liberación pulsátil de la hormona  generada por la hiperglucemia coincide con los pulsos de insulina y somatostatina  sincronizados en una fase opuesta  a los pulsos de glucagón. Esta relación es consistente  con la posibilidad que los picos de somatostatina  generen el nadir  de la liberación pulsátil de glucagón.  Dado que la liberación pulsátil de glucagón  está paradójicamente sincronizada con las oscilaciones de [Ca²⁺]_i, tal rol requiere que la somatostatina inhiba la liberación de glucagón  cuando la [Ca²⁺]_i alcanza un pico.

Las células en contacto directo  a menudo se comunican por interacciones entre las moléculas efrina y Eph unidas a membrana, las cuales funcionan  como ligandos y receptores, o ambos, y pueden mediar rutas de señalización  bidireccionales para controlar funciones celulares. Las moléculas Eph son receptores tirosina kinasa activados por efrina. En las células β,  la señal “hacia delante” de efrinaA a EphA  inhibe la liberación de insulina promoviendo la polimerización de la red de actina debajo de la membrana plasmática, mientras la señal “reversa” de EphA a efrinaA promueve la secreción de insulina a través de la despolimerización de actina. Un estudio reciente propone que la amplificación por la glucosa de la señal efrinaA de una célula β a receptores EphA4 de una célula α complementa la inhibición paracrina de la liberación de glucagón y explica la hipersecreción de glucagón cuando las células β desaparecen  en la diabetes. El principal argumento  para este control “yuxtacrino” de la liberación de glucagón  es que la activación  de la señal hacia delante  por exposición de células α purificadas a moléculas de efrinaA fusionadas con IgG restaura la inhibición  de la liberación de glucagón   por la glucosa. Además de arrojar luces sobre la regulación de la liberación de glucagón, los mecanismos yuxtacrinos podría ayudar a explicar las diferencias  en la señal [Ca²⁺]_i entre células α aisladas y las células localizadas en su ambiente natural en los islotes pancreáticos.

De acuerdo con la hipotesis consenso para la liberación de insulina inducida por glucosa, el metabolismo de la glucosa  es esencial para el reconocimiento del azúcar como estimulo por la célula β. Considerando que la secreción hormonal es regulada por la glucosa en células α y β y que estos tipos de células  se originan  a partir de un precursor común, es posible que la glucosa pueda ser  “sensada” por mecanismos celulares similares. En las células β de roedores, el transporte de glucosa  es mediado por el GLUT2 de alta km, el cual es apropiado para “sensar” la glucosa sanguínea en la hiperglucemia. Desde este punto de vista, es natural que las células α de roedores, las cuales actúan preferencialmente como “sensoras” de glucosa en la hipoglucemia,  expresen transportadores GLUT1 de baja km. Sin embargo, las células β humanas que “sensan”  concentraciones mayores de glucosa  también expresan GLUT1 de baja km y el transporte de glucosa no es la fase limitante para su metabolismo pues se estima que es 5 a 10 veces mayor que la utilización de glucosa  en células α y β. La glucokinasa de alta Km,  enzima fosforilasa  de glucosa, es la etapa limitante en las células β y puede tener esta función  también en las células α con similar actividad glucokinasa. El flujo glucolítico es comparable  en células β y α, pero la oxidación de la glucosa es considerablemente menor  en las células α y la fosforilación oxidativa  es menos eficiente debido a la alta expresión de la proteína desacopladora 2 (UCP2). Estas diferencias se reflejan en cambios inducidos por glucosa  más pequeños de ATP, FAD y NADPH en las células α. 

Hay diferencias significativas en la electrofisiología entre células β y α. De acuerdo con los patrones secretores, las células β son eléctricamente activas  y muestran oscilaciones de [Ca²⁺]_i con concentraciones altas de glucosa, mientras las células α son activas en ausencia de glucosa. El cierre de los canales K_ATP inducido por glucosa despolariza la célula β para abrir canales de Ca²⁺ tipo L que muestran su máxima actividad con voltajes de -19 mV y esta permeabilidad al Ca²⁺ domina  la tasa de potenciales de acción en la célula β. Esto es más complejo en las células α con canales de Ca²⁺ tipo T que activan potenciales  con voltajes tan bajos como -60 mV y canales de Na⁺ que se abren con voltajes  más positivos que -30 mV. Hay también canales  de Ca²⁺ tipo L  y tipo N en las células α, aunque algunos estudios indican que los canales tipo N  pueden ser de tipo P/Q. Mientras la entrada de Ca²⁺  a través de canales tipo L dispara la liberación de insulina  en las células β, la relación entre  entrada de Ca²⁺ en las células α y liberación de glucagón es más complicada.  En las células α de roedores los canales tipo L son dominantes (80%)  y median la mayor entrada de Ca²⁺ pero su bloqueo tiene poco efecto sobre la secreción de glucagón.  Por el contrario, el bloqueo de canales no tipo L (20%) tiene un efecto modesto sobre la [Ca²⁺]_i pero inhibe la secreción de glucagón  en una extensión similar a la elevación de glucosa  de 1mM a 6 o 7 mM. La mayor importancia  de los canales no tipo L se atribuye a su intima asociación  con los gránulos secretores de glucagón. En presencia  de adrenalina, la cual despolariza células α,  moviliza Ca²⁺ del retículo endoplásmico e incrementa el AMPc, la entrada de Ca²⁺ extracelular  a través de canales tipo L dispara la exocitosis  de los gránulos  de glucagón  que no se co-localizan con estos canales. En las células α humanas, los canales P/Q dominan  sobre los canales tipo L y promueven la mayor parte de la exocitosis, aunque  ellos abren por poco tiempo  y solamente median una fracción de la entrada de Ca²⁺. El hecho que la inhibición de la liberación de glucagón por la glucosa  está asociada con una modesta  reducción de la señal  de [Ca²⁺]_i es consistente  con la idea que son más importantes los canales de Ca²⁺ cercanos a los gránulos de glucagón. Por otra parte, la entrada de Ca²⁺ adicional  puede explicar porque la inhibición de la liberación de glucagón por la glucosa es menos completa y tiene un rango menos dinámico que la estimulación de la liberación de insulina por la glucosa.

De acuerdo con la hipótesis consenso para la liberación de insulina estimulada por glucosa, el ATP actúa bloqueando canales K_ATP para despolarizar la célula β. El modelo más citado para la regulación intrínseca de la célula α asume la misma secuencia de eventos, lo que significa que la glucosa inhibe la liberación de glucagón  por despolarización  de la célula α. El modelo resulta contra-intuitivo pues  incorpora que la entrada de Ca²⁺  inducida por la despolarización  en la célula α dispara la secreción de glucagón. En este modelo solamente una pequeña fracción del Ca²⁺ que entra  a la célula α dispara la liberación de glucagón, y la despolarización sostenida inhibe la secreción por reducción del potencial de acción. Bajo condiciones estimuladoras (baja concentración de glucosa), los  canales de Ca²⁺ tipo T disparan espontáneamente a partir de aproximadamente -60 mV y causan una despolarización que activa canales de Na⁺, los cuales a su vez activan canales de Ca²⁺ tipo L y por poco tiempo canales de Ca²⁺ tipo P/Q. Los canales tipo P/Q son más importantes para la secreción que los canales tipo L pues se localizan más cerca de los gránulos secretores. La repolarización depende de la activación de canales de K dependientes de voltaje (k_i). La glucosa inhibe la secreción de glucagón por una despolarización levemente sostenida  después del cierre de los pocos canales K_ATP que aún siguen abiertos. La despolarización inactiva los canales de bajo umbral  (canales de Ca²⁺ tipo T y canales de Na⁺) y previene la entrada de Ca²⁺ a través de los canales P/Q y por consiguiente la liberación de glucagón. Una implicación de este modelo  es que los potenciales de acción que subyacen a la secreción de glucagón solamente pueden ser generados en un estrecho rango de potencial de membrana, suficientemente despolarizado para activar los canales de Ca²⁺ tipo T y al mismo tiempo suficientemente hiperpolarizado  para prevenir su inactivación así como la de los canales de Na⁺.

En la mayoría de células excitables la despolarización subyace a la entrada de Ca²⁺  dependiente de voltaje que dispara una respuesta celular. Desde este punto de vista  se podría esperar  que la célula α despolarizada  libere glucagón  en ausencia de glucosa y que la elevación de glucosa, contrario al modelo centrado en K_ATP, inhiba la secreción por hiperpolarización de la célula α. Aunque hay opiniones diferentes  acerca del efecto de la glucosa sobre el potencial de membrana  de  la célula α, la hiperpolarización es la observación más común. El modelo centrado en canales K_ATP está basado  en un repertorio especial de canales iónicos  de las células α  diferente del de las células β, pero el compromiso de estos canales en la generación de potencial de acción no excluye que la glucosa inhiba la liberación de glucagón por hiperpolarización de las células α. En las células β, la elevación de glucosa rápidamente genera  ATP y una débil despolarización que coincide con la disminución  de [Ca²⁺]_i pues el ATP  no sólo bloquea  los canales K_ATP sino que también  energiza la Ca²⁺-ATPasa del retículo sarcoplásmico  (SERCA) para secuestrar Ca²⁺  en el retículo endoplásmico(ER). No es sino hasta que la despolarización es suficiente para abrir los canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje que incrementa la [Ca²⁺]_i para disparar la primera fase de la secreción de insulina. Una similar disminución  de la [Ca²⁺]_i inducida por la glucosa  por secuestro en el ER ha sido observada en células α de cobayo. Resulta extraño que el secuestro de Ca²⁺ en el ER explique  la inhibición sostenida  de la liberación de glucagón, pues su capacidad de almacenamiento de Ca²⁺ es limitada. Sin embargo, el llenado de Ca²⁺ del ER controla una corriente despolarizante operada por depósito en la membrana plasmática que es al menos parcialmente impulsada por la entrada de Ca²⁺.  En las células β y α la corriente operada por depósito es pequeña y solamente causa una modesta elevación en la [Ca²⁺]_i. En las células β, la activación  de la corriente operada por depósito por la inhibición de la SERCA eleva marginalmente la [Ca²⁺]_i basal, mientras las células α reaccionan con una pronunciada elevación de la [Ca²⁺]_i e involucra también la entrada de Ca²⁺ dependiente de voltaje que estimula la liberación de glucagón  y previene o reduce  la inhibición por glucosa. La razón para esta diferencia es que la baja conductancia de la membrana de las células α hace  al potencial  de membrana  suficientemente sensible a las pequeñas corrientes despolarizantes  que activan la entrada de Ca²⁺ dependiente  de voltaje. La alta sensibilidad a las pequeñas corrientes  es la base para el control de la liberación de glucagón  operada por depósito en las células α sensoras de glucosa.

La entrada de Ca²⁺ operada por depósito  en las células β está inversamente relacionada con el contenido de Ca²⁺ del ER de una manera graduada. El control operado por depósito de la liberación de glucagón por las células α implica que en la hipoglucemia, con poco ATP como combustible de la bomba SERCA, se producirá una liberación neta  de Ca²⁺ del ER y la activación de la ruta despolarizante operada por depósito que resulta en la entrada de Ca²⁺  dependiente de voltaje y la liberación de glucagón. Durante el retorno a la normoglucemia, la bomba SERCA gradualmente se vuelve más energizada para llenar el ER con Ca²⁺ y desactivar la cascada estimuladora. Algunas diferencias importantes entre las células α y β proporcionan argumentos que apoyan el mecanismo operado por depósito. En las células β se  requiere glucosa 8-20 mM para llenar el ER, mientras en las células α se alcanza un máximo con glucosa 3 mM.  Una diferencia similar se observa cuando se compara la cinética espacio-temporal del sensor de Ca²⁺  del ER, STIM1,  y la proteína del canal de Ca²⁺ de la membrana plasmática, Oral1, los cuales son componentes moleculares de la ruta operada por depósito. El vaciamiento de Ca²⁺ del ER  induce la translocación de STIM1 del ER a la membrana plasmática  donde se asocia con Oral1 para activar la corriente operada por depósito en las células α y β, y la  glucosa revierte  este proceso estimulando la re-translocación  de STIM1  al ER de una manera gradual. En las células β la re-translocación es saturada con glucosa 11-20 mM, mientras en las células α solamente se requiere glucosa 3 mM. Asimismo, concentraciones hipoglucémicas  controlan la liberación de glucagón  y la ruta operada por depósito en las células α, mientras en las células β, concentraciones bastante diferentes controlan  esta ruta.

En conclusión, hay creciente evidencia que la glucosa tiene efectos inhibidores y estimuladores  sobre la secreción de glucagón y que actúa directamente  sobre la célula α o indirectamente vía señal paracrina y/o yuxtacrina de otros tipos de células de los islotes. La mayoría de modelos para la regulación de la liberación de glucagón por la glucosa centran su atención en el Ca²⁺ como disparador de la secreción. Sin embargo, hay que considerar la posibilidad que el Ca²⁺ tenga  un rol más permisivo y que la regulación por la glucosa  en términos de inhibición  y estimulación sea mediada por factores moduladores como el AMPc. Esta alternativa es particularmente atractiva  considerando que la glucosa solo disminuye modestamente la [Ca²⁺]_i en la célula α. En hiperglucemia, los factores paracrinos son más importantes para la regulación de la liberación de glucagón por la glucosa y la estimulación de las células β acopladas eléctricamente determinan la pulsatilidad hormonal en el islote  liberando factores sincronizadores que afectan a las células α y β.. Dado que el componente estimulador  de la glucosa sobre la secreción de glucagón aumenta con la concentración de azúcar, múltiples procesos inhibidores  pueden ser requeridos para determinar la inhibición como el efecto dominante   de la glucosa sobre la secreción de glucagón. Los procesos intrínsecos de la célula α son más importante  para la regulación de la liberación pulsátil de glucagón durante la recuperación de la hipoglucemia y la inhibición paracrina por somatostatina es determinante en la hipoglucemia.

Fuente: Gylfe E (2016). Glucose control of glucagon secretion--“There´s a brand-new gimmick every year” Upsala Journal of Medical Sciences 121: 120-132.