Insulina y metabolismo cardiaco

En comparación con otros tejidos, el corazón es único en el sentido que consume aproximadamente 10% del gasto energético del cuerpo para la contracción  cardiaca y es capaz de utilizar toda clase de sustratos  como fuentes de energía, incluyendo carbohidratos, lípidos, aminoácidos y cuerpos cetónicos. Los cardiomiocitos pueden generar  ATP a través de la fosforilación de sustratos en el citoplasma, lo cual tiene un rol clave en el corazón bajo isquemia. Sin embargo, los cardiomiocitos generan la mayor cantidad de ATP vía fosforilación oxidativa en la mitocondria que mantiene la función cardiaca en presencia de oxígeno. El corazón humano produce y consume 3,5-6 kg de ATP cada día con un proceso miocárdico dependiente de fosforilación oxidativa en las mitocondrias.

   La insulina es un regulador de la energética celular y el metabolismo en los cardiomiocitos. Durante el estado postprandial, la secreción de insulina estimula la captación  y utilización de glucosa y la síntesis de macromoléculas en el corazón. La glucosa genera 60-70%  de ATP, mientras la oxidación de ácidos grasos proporciona solamente 20%  de ATP en el corazón. Durante el estado de ayuno cuando los niveles de insulina disminuyen, hormonas como el glucagón aumentan y activan el metabolismo catabólico, incluyendo aumento de la lipólisis en el tejido adiposo y la entrada de ácidos grasos en el corazón. En estas condiciones, la oxidación de ácidos grasos actúa como un sustrato para la producción de ATP generando 60-70% de ATP en el corazón por arriba de la glucosa (20%) y el lactato (10%). En condiciones de ayuno prolongado, los cuerpos cetónicos  y los aminoácidos  contribuyen a la generación de ATP  a través de su conversión en intermediarios del ciclo de Krebs y acetil-CoA. Las preferencias de sustratos para la producción de ATP durante la transición entre el estado postprandial y el ayuno son controladas por la disponibilidad de nutrientes  y las hormonas.  De acuerdo con el ciclo de Randle, la utilización de glucosa suprime la oxidación de ácidos grasos y viceversa, un proceso mediado por la presencia de insulina y su sensibilidad para aumentar la utilización de glucosa  y suprimir la oxidación de ácidos grasos. Entonces, la tasa de oxidación de ácidos grasos aumenta en el ayuno cuando los niveles de insulina son bajos. Sin embargo, esta flexibilidad metabólica o transición adaptativa en condiciones normales es alterada cuando el corazón es expuesto a estrés metabólico y mecánico, particularmente en condiciones como resistencia a la insulina y diabetes tipo 2.

   El control metabólico por insulina esta acoplado a su cascada de señalización. Los ratones que carecen de receptor de insulina (IR) en el corazón nacen con reducción de tamaño del corazón  y disfunción mitocondrial, lo cual refleja el rol clave de la señal insulina en la regulación del tamaño cardíaco postnatal y la utilización de sustratos. La insulina activa las cascadas de señalización Raf-MAPK y PI3K-Akt similar a lo que ocurre con el IGF-1 y su receptor (IGF-1R), el cual exhibe alta homología con el IR. El IR (o el IGF-1R) activado fosforila directamente residuos tirosina  de varios sustratos incluyendo IRS-1.-2, -3, -4, Shc, proteína asociada a Grb-2, Dock1, Cb1 y proteínas adaptadoras APS, proporcionando sitios de alojamiento específicos para otras proteínas en la activación de proteínas quinasas.  Los ratones que carecen de IR e IGF-1R en el corazón  no tienen actividad  PI3K y Akt en los cardiomiocitos, lo cual contribuye a  la insuficiencia cardiaca y a la muerte del animal. Estos hallazgos revelan un mecanismo fundamental para la activación de PI3K y Akt  que es dependiente  de las proteínas  sustratos  del receptor de insulina 1 y 2 (IRS-1, IRS-2) o insulina e IGF-1 en el corazón. Otros factores de crecimiento, como VEGF y PDGE son capaces de activar PI3K y Akt en las células. Por ejemplo, el PDGF activa la Akt de una manera independiente de IRS en fibroblastos  de embrión de ratón. Los cardiomiocitos son más dependientes de IRS-1 e IRS-2 que los hepatocitos en función mitocondrial, captación y utilización de glucosa estimulada por insulina y mantenimiento estructural para homeostasis cardiaca.

   La proteína Akt tiene varios efectores, incluyendo el complejo mTOR1 (mTORC1) para síntesis de proteínas y supresión de la autofagia, el transportador de glucosa tipo 4 (Glut-4) para la captación de glucosa y la proteína Foxo1 para el control  de transcripción de genes. La ruta Akt-TORC1 gobierna el crecimiento, el metabolismo y la supervivencia cardiaca. La activación de Akt no solo estimula la síntesis de proteínas y el crecimiento,  también integra señales intracelulares en el metabolismo de nutrientes, como oxidación de glucosa y síntesis de ácidos grasos, a través de la promoción de la translocación a la membrana de Glut-4 y la expresión de los genes de glucoquinasa y sintetasa de ácidos grasos. En los cardiomiocitos, el IGF-1aumenta la función contráctil  en una ruta dependiente de PI3K/Akt que promueve la expresión del gen Serca 2a y el manejo de Ca²⁺. La Akt tiene un rol importante en la supervivencia porque promueve el metabolismo anabólico y suprime la autofagia  y la apoptosis. Sin embargo, una activación constitutivamente prolongada  de la Akt es perjudicial para la remodelación cardiaca. El metabolismo catabólico y su contra regulación por insulina y Akt son requeridos para el mantenimiento de la función y homeostasis cardiacas. A nivel fisiológico, los metabolismos anabólico y catabólico  son controlados por condiciones de alimentación y ayuno, respectivamente, por regulación nutricional y hormonal. El desbalance entre anabolismo y catabolismo promueve enfermedades como hipertrofia cardiaca o caquexia.

   La regulación del metabolismo y la supervivencia por la Akt puede depender parcialmente  de la programación transcripcional de genes mediada por Foxo1. La proteína Foxo1 actúa como regulador  de la supresión de la expresión del gen  de la glucoquinasa, limitando la oxidación y utilización de la glucosa en el corazón  e incrementando la autofagia. Por otra parte, Foxo1  estimula la apoptosis celular promoviendo la expresión  de genes  de miembros de la familia Bcl2, como Blm1 para la activación de caspasas. La sobre expresión de Foxo1 en el corazón resulta en muerte prematura en animales y la expresión aberrante de Foxo1  está asociada con insuficiencia cardiaca en humanos. La disminución de la actividad de Akt en el corazón de animales  con diabetes mellitus tipo 2 puede aumentar la expresión dependiente de Foxo1 de genes  responsables de atrofia, autofagia y apoptosis en muchas células, lo cual contribuye a organopatías, mientras la apropiada expresión de Foxo1 promueve la autofagia y la expresión de genes  de antioxidantes, lo cual es beneficioso para el corazón. Sin embargo, la hiperactivación de Foxo1 bajo condiciones patológicas es perjudicial para la salud debido a la estimulación de la apoptosis celular. IRS-1 e IRS-2 son críticos para la homeostasis y función del corazón adulto, a través de la supresión de Foxo1 o la activación de mTORC1. En este contexto, la evidencia acumulada sugiere que las señales IRS y Foxo1 son mecanismos claves para el metabolismo energético y la supervivencia en corazones adultos  y son reguladas por nutrientes y hormonas como insulina e IGF-1.

   El músculo cardiaco  requiere IRS-1 o IRS-2 para el mantenimiento  de la activación de Akt y la inactivación de Foxo1. El estrés metabólico -y mecánico-  activa proteínas quinasas intracelulares  que disparan la fosforilación de residuos serina o treonina  de las proteínas IRS, lo cual está acoplado con la ubiquitinización  y degradación de IRS. Por ejemplo, la activación de mTORC1 dispara y promueve la ubiquitinización  y degradación de IRS-2 en fibroblastos. La p38α es otra proteína quinasa capaz de promover la degradación de IRS-1 y la ubiquitinización de IRS-2 en cardiomiocitos. En condiciones de estrés metabólico inducido por hiperinsulinemia, la activación de la p38α es necesaria y suficiente para la inducción de resistencia a la insulina a través de la supresión de IRS-1 e IRS-2 en los cardiomiocitos. La p38α es una enzima responsable de la señal del factor proinflamatorio TNFα y el estiramiento mecánico. Por lo tanto, la p38α puede servir como un enlace molecular entre resistencia a la insulina e inflamación y/o estiramiento mecánico.

   La insulina protege al corazón y reduce la presión arterial a través de la supresión de la expresión, mediada por Foxo1, del gen de angiotensinógeno y la producción de angiotensina II. El angiotensinógeno es ampliamente expresado en el hígado y en el tejido adiposo, particularmente en personas obesas. Los componentes de la señal renina-angiotensina también son expresados en el corazón y son aumentados por la hiperglucemia, lo cual promueve la cardiomiopatía diabética.  Por otra parte, la insulina  a través de IRS-1 e IRS-2 suprime  la elevación de AMP cíclico (cAMP) y la activación de PKA inducidas por catecolaminas en los cardiomiocitos. La insulina también inhibe la contractilidad cardiaca. Más aún, la insulina promueve la degradación de cAMP induciendo la expresión del gen que codifica a la fosfodiesterasa 4D (PDE-4D), un proceso que requiere la activación de la MAPK e involucra la estimulación de la quinasa receptor 2 acoplada a proteína G (GRK-2) y la interacción  del receptor adrenérgico β2 (β2AR) y la arrestina 2, la cual es activa en el corazón con resistencia a la insulina inducida por dieta rica en grasa. Estudios recientes demuestran que la diabetes tratada con insulina está asociada con un marcado incremento en mortalidad en pacientes con insuficiencia cardiaca avanzada, en quienes la hiperinsulinemia puede promover disfunción cardiaca e insuficiencia. El exceso de insulina desensibiliza la señal insulina para activación de Akt  a través de la supresión de IRS-1 e IRS-2, lo cual comúnmente ocurre  en el corazón con resistencia  a la  insulina  inducida por dieta rica en grasa vía activación de p38.

   Los estudios en humanos y modelos animales revelan que la insuficiencia cardiaca está altamente asociada con resistencia generalizada a la insulina. Sin embargo, estudios recientes reportan un incremento significativo en la tasa de supervivencia de individuos obesos en el contexto  de insuficiencia cardiaca, provocando el fenómeno conocido como  “paradoja de la obesidad”.  Una razón subyacente involucra a la caquexia cardiaca con insuficiencia cardiaca de pobre pronóstico y la promoción del metabolismo catabólico. Esta condición es contrarrestada por el efecto de la obesidad que podría afectar adversamente  la caquexia  y promover el metabolismo anabólico y la supervivencia a pesar del rol  del corazón en el estrés metabólico. Más aún, hormonas y citoquinas secretadas por la expansión del tejido adiposo en individuos obesos pueden ofrecer acciones cardio-protectoras. En condiciones de resistencia a la insulina, la hiperinsulinemia  activa la ruta MAPK que suprime la señal cAMP y PKA promoviendo un rol dual en el control de la contractilidad cardiaca  y la apoptosis, en alguna extensión, dependiendo del contexto celular, explicando por tanto la paradoja de hiperinsulinemia y obesidad sobre la función cardiaca. La insuficiencia cardiaca ocurre a través  de la supresión gradual  de la señal Akt y el incremento de la producción de cAMP y la activación de PKA para inducción de apoptosis  durante el desarrollo de la insuficiencia cardiaca. Eventualmente, la activación de PKA inducida por el cAMP puede ser grandemente suprimida en la fase tardía  de la insuficiencia cardiaca, indicativa de una disfunción contráctil cardiaca y desensibilización de la función  del βAR.

   En conclusión, el corazón es un órgano dependiente de insulina y consumidor de energía en el cual la insulina y la señal nutricional se integran  para  la regulación del metabolismo, el crecimiento y la supervivencia  del corazón. La insuficiencia cardiaca está altamente asociada  con resistencia a la insulina y los pacientes con insuficiencia cardiaca sufren de una deficiencia energética en el corazón  y disfunción estructural y funcional. Condiciones patológicas crónicas como obesidad y diabetes tipo 2, involucran varios mecanismos en la promoción de insuficiencia cardiaca a través de rutas metabólicas que modulan la energética cardiaca y el mejoramiento de la contractilidad cardiaca. IRS-1 e IRS-2 son mediadores de las señales insulina e IGF-1 responsables de la energética, estructura, función y supervivencia del corazón.  Las proteínas IRS juegan un rol importante en la activación  de la PI3K que controla las cascadas de señalización Akt y Foxo1, regulando la función miocárdica, el metabolismo energético cardiaco y el sistema renina-angiotensina. La desregulación de esta rama en las cascadas de señalización  por la resistencia la insulina en el corazón a través del sistema endocrino promueve la insuficiencia cardiaca, proporcionando un novedoso mecanismo para la cardiomiopatía diabética. La inactivación de Akt y la activación de Foxo1 después de la supresión de IRS-1 e IRS-2 proporcionan un mecanismo fundamental para la resistencia cardiaca a la insulina, la activación de AMPK y la elevación de la cascada de señalización renina-angiotensina, las cuales están presentes  en muchas condiciones patológicas.

Fuente: Guo CA, Guo S (2017). Insulin receptor substrate signaling controls cardiac metabolism and heart failure. Journal of Endocrinology 233: R131-R143.

Melatonina, galanina y células beta

La secreción pancreática, exocrina y endocrina,  es parcialmente controlada por proyecciones neuronales del nervio vago, así como también por muchas hormonas producidas en tejidos periféricos incluyendo el tracto gastrointestinal. La liberación de insulina por las células β del páncreas es también controlada por señales no hormonales, como proteínas pequeñas, aminoácidos, lípidos y citoquinas. Más aún, estudios recientes  indican que diferentes neuropéptidos están implicados en la regulación de la homeostasis de la glucosa y la función de las células β, proporcionando un enlace entre el cerebro y el páncreas endocrino. En este contexto, es conocido que la melatonina  y la galanina exhiben funciones inhibitorias sobre la secreción de insulina.

   La melatonina, una hormona producida principalmente por la glándula pineal, es sintetizada y secretada en la circulación  de manera circadiana en la noche y funciona como agente cronobiótico, regulando ritmos circadianos y estacionales. Por lo tanto, es un “dador de tiempo” en el entrenamiento del ritmo circadiano e indica el tiempo del día a varios órganos y tejidos en el cuerpo. La melatonina, además de la glándula pineal, es producida por células neuroendocrinas en retina, tracto gastrointestinal, páncreas, células inmunes y piel. En efecto, debido a su amplia producción, la melatonina actúa de manera endocrina y autocrina/paracrina. Más aún, sus efectos han sido identificados en el sistema cardiovascular, el sistema inmune y en la regulación  de funciones metabólicas. A nivel celular, la melatonina a través de receptores MT1 y MT2,  activa la proteína G inhibitoria (Gi), lo cual resulta en inhibición de la producción de AMP cíclico (AMPc) y GMP cíclico (GMPc), respectivamente. Los receptores MT están ampliamente distribuidos en el cerebro y los tejidos periféricos, incluyendo el páncreas. La melatonina también tiene sitios de unión en el núcleo como el receptor orfan relacionado con retinoides, el cual  media los efectos genómicos de la hormona. Adicionalmente, la melatonina interactúa con proteínas citoplasmáticas, incluyendo a la calmodulina y la calreticulina, implicadas en la regulación del citoesqueleto y el control de receptores nucleares.

   Una variante  del gen del receptor de melatonina 1b (MTRB1) ha sido asociada con altos niveles  de glucosa plasmática, reducción de la respuesta de la insulina a la glucosa e incremento en el riesgo  de diabetes tipo 2. Sin embargo, el rol de la melatonina sobre la secreción de insulina no ha sido claramente dilucidado y hay reportes  de acciones inhibidoras y estimuladoras. Muchos estudios sugieren que la melatonina inhibe la secreción de insulina, mientras hay reportes  que demuestran que carece de efecto. En las células β del páncreas, el receptor MT1  activa diferentes rutas de señalización con efectos opuestos  sobre la secreción de insulina. Los islotes pancreáticos humanos expresan MT1 y MT2 y la melatonina promueve la secreción de insulina en claro contraste con  los efectos sobre células β e islotes de roedores, posiblemente a través de una acción indirecta que involucra la estimulación de la secreción de glucagón.

   Con relación a la homeostasis de la glucosa, altos niveles de melatonina resultan en un incremento de los niveles de glucosa sanguínea. Más aún, los niveles de glucosa disminuyen y los niveles de insulina aumentan después de la pinealectomía. Sin embargo, la mayoría de estudios sugieren que la glándula pineal tiene un efecto inhibitorio sobre la función de las células β del páncreas y la melatonina reduce los niveles de insulina y la tolerancia a la glucosa en animales y humanos. Por otra parte, la elevación de insulina inhibe la síntesis de melatonina en la glándula pineal. Colectivamente, estos hallazgos sugieren un antagonismo entre las funciones de la insulina y la melatonina. Esto es sostenido por el hecho que en el hombre los niveles de insulina son elevados durante el día y bajos en la noche, mientras lo opuesto ocurre con la melatonina. Más aún, la reducción de la liberación de insulina en la noche, mediada por los altos niveles de melatonina, cuando las demandas metabólicas son bajas debido a la disminución de la ingesta de alimentos, puede ser un mecanismo fisiológico protector para prevenir la hipoglucemia nocturna. Los pacientes diabéticos presentan un ritmo circadiano de melatonina anormal. Adicionalmente, la melatonina promueve la liberación de hormona de crecimiento y prolactina a través de receptores MT1 en primates hembras y la secreción de prolactina en humanos. Por lo tanto, algunas de las acciones  de la melatonina sobre el metabolismo de la glucosa pueden ser mediadas por sus efectos sobre la secreción de hormonas hipofisarias.

   La galanina, un neuropéptido de 29 a 30 aminoácidos descubierto en intestino porcino, es expresada en los sistemas nerviosos central y periférico y en el sistema neuroendocrino intestinal. La galanina se colocaliza  y coexpresa  con varios neurotransmisores y exhibe un fuerte efecto inhibitorio sobre la trasmisión sináptica. Dada su amplia expresión, la galanina regula  muchas funciones neuronales, como memoria, aprendizaje, dolor neuropático, neuroprotección y actividad neuroendocrina. Tres receptores acoplados a proteína G (GalR1, GalR2 y GalR3) están involucrados en los efectos del neuropéptido. GalR1 y GalR3  están acoplados a la proteína G inhibidora Gi, mientras el GalR2 está asociado con Gi o Gq/11, exhibiendo respuesta inhibidora o estimuladora. Fibras nerviosas que expresan galanina han sido identificadas en el páncreas de diferentes especies, incluyendo rata, ratón y humanos. Más aún, numerosos estudios en animales indican que la galanina exhibe fuertes efectos inhibidores sobre la secreción de insulina. En efecto, la administración  de galanina reduce los niveles de insulina en muchas especies. Más aún, la infusión de galanina en animales a través de la arteria pancreática, en una concentración similar a la liberada por los terminales nerviosos del páncreas, resulta en inhibición de la secreción de insulina. Sin embargo, en humanos, varios estudios reportan resultados conflictivos. En algunos de esos estudios, la galanina suprime los niveles de insulina o no tienen ningún efecto. Por otra parte, un estudio reciente indica que los niveles de galanina se correlacionan inversamente  con los niveles plasmáticos de insulina en mujeres postmenopáusicas.

   La galanina y los análogos de galanina  reducen la secreción de insulina inducida por glucosa en islotes pancreáticos aislados de rata y cerdo. La acción inhibidora sobre la secreción de insulina involucra a la proteína G_αi a través de la regulación de canales de Ca²⁺ y K_ATP. En línea con estos efectos inhibidores, la infusión de galanina incrementa los niveles de glucosa sanguínea en perros pero no en humanos. Más aún, los niveles de glucagón son regulados al alta por la galanina, lo cual sugiere que el glucagón podría mediar los efectos  de la galanina en el incremento de glucosa. Por otra parte, ratones transgénicos que sobre-expresan  galanina exhiben adiposidad visceral, incremento en el peso corporal, incremento en los niveles plasmáticos de triglicéridos y colesterol, hiperinsulinemia y tolerancia a la glucosa alterada, lo cual indica que los elevados niveles circulantes de galanina contribuyen al desarrollo de síndrome metabólico. El fenotipo obeso ha sido observado en estos ratones  en ausencia de incremento en la ingesta de alimentos, lo que sugiere defectos en el gasto de energía. Sorprendentemente, los ratones con mutación en el gen galanina mostraron reducción de la secreción de insulina  en respuesta a la glucosa y las células β mostraron reducción de la sensibilidad a la glucosa. Colectivamente, estos hallazgos sugieren que la galanina, además de regular el gasto energético, puede estar involucrada en la regulación de la función de las células β. Por el contrario, la infusión de galanina no afecta la tolerancia a la glucosa en humanos y no influye en el incremento postprandial de los niveles plasmáticos de glucosa.

   En ratones obesos hiperinsulinémicos disminuyen los niveles pancreáticos de galanina y las células que expresan galanina se encuentran significativamente disminuidas en islotes de ratas diabéticas. En los islotes pancreáticos de rata y bovino, la galanina se co-localiza con insulina, lo cual sugiere que la galanina puede influir en la secreción de insulina de una manera autocrina/paracrina. Sin embargo, un estudio con modelos animales de diabetes reporta un efecto beneficioso  de la galanina. Por otra parte, la administración intranasal de péptido similar a galanina (GALP), cuya secuencia de aminoácidos 9-21 es idéntica a la secuencia 1-13 de la galanina, reduce el peso corporal, la ingesta de alimentos, la ingesta de agua y la actividad locomotora en ratones ob/ob deficiente en leptina y en ratones con obesidad inducida por dieta. La disminución en el peso corporal es mayor en ratones hiperglucémicos, lo que sugiere que el GALP exhibe su mejor efecto en ratones obesos con altos niveles de glucosa. Otros estudios han demostrado que el GALP intra cerebroventricular (icv) reduce la ingesta de alimentos y estimula el gasto de energía.  Sin embargo, estos efectos no persisten en el tiempo, lo cual sugiere que los ratones se vuelven insensibles al tratamiento repetido con GALP. Por el contrario, la administración intranasal repetida  disminuye de manera sostenida la ingesta de alimentos y la actividad locomotora en comparación con la inyección icv repetida, lo que sugiere que la sensibilidad al GALP se mantiene y la administración intranasal  es la mejor vía para que el GALP ejerza sus efectos contra la obesidad.

   En conclusión, la homeostasis de la glucosa en finamente regulada por hormonas y péptidos  liberados principalmente por el cerebro y tracto gastrointestinal, los cuales regulan la secreción pancreática a través de receptores celulares y sus cascadas de señalización intracelular. Las funciones exocrina y endocrina del páncreas son reguladas por una variedad de hormonas y mecanismos neurales.  En este contexto, la melatonina y la galanina son consideradas actualmente como reguladores claves de la homeostasis de la glucosa, representando potenciales blancos terapéuticos para el tratamiento de la diabetes y la obesidad. En las células β del páncreas de roedores, la melatonina reduce la secreción de insulina a través de receptores MT1 y MT2, los cuales al acoplarse a proteínas G_αi inhiben la producción de AMPc y GMPc, respectivamente. La galanina exhibe efectos inhibidores en el páncreas endocrino y reduce la secreción de insulina a través de su unión a receptores acoplados a proteína G.

Fuente: Gesmundo I et al. (2017) Role of melatonin, galanin and RFamide neuropeptides QRFP26 and QRFP43 in the neuroendocrine control of pancreatic β-cell function. Frontiers in Endocrinology 8:143.

Esteroidogénesis en células de Leydig

La esteroidogénesis es un proceso  de múltiples etapas que convierte el colesterol en hormonas esteroides y comprende la movilización de colesterol de gotas de lípidos y/o la membrana plasmática, el transporte del colesterol en la mitocondria, la formación de pregnenolona en la mitocondria y la conversión de pregnenolona en esteroides por enzimas del retículo endoplásmico liso. En el testículo adulto, la producción de testosterona (TS) en las células de Leydig depende de la secreción pulsátil de hormona luteinizante (LH) por la hipófisis en la circulación periférica.

   La LH tiene dos roles esenciales en la esteroidogénesis de las células de Leydig: (1) mantenimiento de niveles óptimos de enzimas esteroidogénicas (regulación trófica) y (2) movilización y transporte de colesterol en la membrana mitocondrial interna (regulación aguda). Los dos efectos de la LH son mediados por rutas de señalización que comienzan con la producción de AMP cíclico (AMPc). La LH se une a –y activa- receptores acoplados a proteína G, lo cual resulta en activación de la adenil ciclasa, incremento en la formación intracelular de AMPc y fosforilación dependiente de AMPc de proteínas a través  de la proteína quinasa A (PKA). La estimulación aguda de las células de Leydig por la LH resulta en transferencia de colesterol en la mitocondria en parte a través de las acciones de la proteína reguladora aguda de la esteroidogénesis (STAR), la proteína translocadora (TSPO) y otras proteínas del transduceosoma. El transporte de colesterol en la mitocondria, etapa limitante en la biosíntesis de esteroides, es seguido por la conversión  de colesterol en pregnenolona por la enzima citocromo p450 CYP11A1 localizada en la membrana mitocondrial interna. La pregnenolona es metabolizada  en TS en el retículo endoplásmico liso por las enzimas 3β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (3β-HSD), 17α-hidroxilasa/20 liasa (CYP17A1) y 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 3 (17β-HSD3).

   Los niveles plasmáticos de TS disminuyen con la edad en los machos de muchas especies, incluyendo humanos y roedores. Los estudios en hombres demuestran una reducida capacidad de las células de Leydig para producir TS en respuesta a la estimulación con LH. En muchas cepas de ratas, incluyendo Sprague-Dawley, la disminución de los niveles de LH por cambios en el eje hipotálamo-hipófisis  es responsable  de la disminución de la formación  de TS por células de Leydig envejecidas y, por tanto, de la disminución de TS plasmática. Esto es referido  como hipogonadismo secundario. Sin embargo, en ratas Brown Norway, como en el hombre, la disminución de los niveles de TS con la edad  ocurre con niveles inalterados de LH y niveles aumentados de la hormona estimulante del folículo (FSH).

   El recambio de células de Leydig en el testículo adulto ocurre raras veces y su número no cambia ni se incrementa con la edad. Por lo tanto, la reducción de los niveles de TS en ratas envejecidas resulta de la relativa falta de respuesta de las células de Leydig a la LH. Entre los cambios en la ruta esteroidogénica que han sido implicados en la reducción de la producción de TS  que caracteriza a las células de Leydig envejecidas están la disminución de la producción de AMPc y de la actividad de la PKA. La LH se une a receptores acoplados a proteína G e inicia una cascada de eventos que incluye la activación de la adenil ciclasa, el incremento en la producción de AMPc y la activación dependiente de AMPc de la PKA. La señalización a través de AMPc/PKA  es esencial para la expresión de proteínas esteroidogénicas y enzimas de las mitocondrias y el retículo endoplásmico liso. La reducción en el número de receptores de LH o su eficiencia en el acoplamiento a proteína G afecta la producción de AMPc, pero también afecta otras cascadas de señalización, incluyendo las rutas ácido araquidónico/ciclooxigenasa-2 (COX-2) y proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK).

   ¿Cuál es el mecanismo molecular por el cual la producción de AMPc  es reducida con el envejecimiento? La estimulación  de la adenil ciclasa en células de Leydig envejecidas con forskolin, el cual activa directamente la adenil ciclasa, resulta en una producción de AMPc equivalente a la de células jóvenes. Por otra parte, en ausencia de LH, la activación directa  de la proteína Gs por toxina de Vibrio cólera estimula la síntesis de AMPc en células envejecidas en niveles de células jóvenes, y la inhibición  de la proteína G inhibidora (Gi) por toxina pertussis no restaura la capacidad de las células de Leydig envejecidas para producir AMPc en niveles altos en respuesta a la LH. Estas observaciones  sugieren que las deficiencias de proteína G y adenil ciclasa son diferentes causas de disminución de producción de AMPc en las células de Leydig envejecidas. Otros estudios demuestran que el número de sitios de unión a LH  disminuye significativamente con la edad. Sin embargo, es conocido que solamente se requiere la ocupación de 10% de receptores para la respuesta biológica de la LH. Estos resultados, en conjunto, sugieren que la deficiencia de acoplamiento receptor de LH-proteína G es responsable, al menos en parte, de la reducción de la producción de AMPc en células de Leydig envejecidas. Algunos investigadores también sugieren que el incremento en la degradación de AMPc puede jugar un rol. En roedores, el AMPc de las células de Leydig es metabolizado por fosfodiesterasas (PDE4a, PDE4b y PDE2a), las cuales aumentan en células de Leydig envejecidas. La extensión en la cual estos incrementos pueden reducir los niveles de AMPc en las células viejas aún no está clara.

   La acción de la LH sobre las células de Leydig, además de sus efectos en la producción de AMPc, resulta en liberación de ácido araquidónico, el cual es metabolizado por lipoxigenasas, epoxigenasas o COX. Los metabolitos resultantes son capaces de modular la esteroidogénesis en parte afectando la expresión de la proteína STAR. En este contexto, el tratamiento de larga duración de ratas envejecidas con antagonistas de la COX-2 puede revertir parcialmente la reducción en los niveles plasmáticos de TS. Este hallazgo, sugiere la posibilidad que la COX-2 también puede estar involucrada en la disminución de la producción de TS relacionada con la edad. Asimismo, miembros de la señal AMPK, incluyendo ERK y p38, han sido implicados  en la reducción de la esteroidogénesis relacionada con la edad. La LH incrementa la fosforilación de la ERK1/2. La inhibición de esta fosforilación puede bloquear significativamente el efecto de la estimulación  por la LH, lo cual sugiere que la ERK 1/2  media en parte la función de la LH. Un estudio reciente reporta que la proteína p38 puede inhibir la esteroidogénesis  inducida por AMPc a través de la represión de la proteína STAR. Entonces, la disfunción de las células de Leydig relacionada con la edad puede estar relacionada con cambios  en las señales MAPK y AMPc.

   En las células de Leydig envejecidas, además de la reducción en la producción de AMPc, hay reducciones en STAR, TSPO, CYP11A1 y enzimas esteroidogénicas del retículo endoplásmico liso. Aunque los niveles de las enzimas están reducidos, son suficientes para apoyar la producción de altos niveles de esteroides si el colesterol es translocado en la mitocondria. Esto sugiere que defectos en  la importación de colesterol en las mitocondrias pueden ser responsables de la reducción de la formación de TS que caracteriza a las células de Leydig viejas.  La translocación de colesterol en la mitocondria  involucra su movilización y transporte desde la membrana externa a la membrana interna donde reside la enzima CYP11A1. La localización precisa del colesterol intracelular utilizado para la formación de esteroides es incierta. Algunos estudios demuestran que el colesterol utilizado en la esteroidogénesis deriva en parte de las lipoproteínas circulantes y es importado  por el receptor de lipoproteínas o sintetizado de novo en la célula a partir de acetil-CoA. El colesterol puede ser almacenado en gotas de lípidos en el citoplasma en la forma de esteres de colesterol. Un estudio reciente reporta que la membrana plasmática es una fuente importante de colesterol para la esteroidogénesis. En respuesta a la estimulación hormonal, los esteres de colesterol son convertidos en colesterol libre por la enzima colesterol esterasa y luego transferido  a la membrana mitocondrial externa. Componentes importantes de este proceso, incluyendo SRB1, carboxiesterasa (ES-10) y lipasa sensible a hormona (HSL) son regulados a la baja en las células de Leydig envejecidas, lo cual sugiere que la importación, la síntesis y la movilización  de colesterol son afectadas por el envejecimiento.

   La translocación  de colesterol en la mitocondria  es mediada por AMPc a través de proteínas del transduceosoma. La TSPO, una de tales proteína, comprende 2% de las proteínas de la membrana mitocondrial externa de células de Leydig jóvenes. La TSPO disminuye significativamente en células de Leydig envejecidas. Varias proteínas citoplasmáticas, incluyendo PKA, proteína con dominio de unión a acil-CoA 3 y STAR pueden estar involucradas en la importación de colesterol en la membrana mitocondrial interna. La STAR, por ejemplo, juega un rol significativo en la esteroidogénesis, cuando las células de Leydig son estimuladas por la LH, los niveles de STAR aumentan rápidamente. Aunque la importancia de la STAR en la transferencia de colesterol es clara, el mecanismo por el cual funciona permanece incierto. La localización de la STAR en la membrana mitocondrial externa sugiere un rol crítico en la translocación de colesterol. Más aún, reportes recientes  de la interacción funcional entre TSPO y STAR han permitido proponer  que tal interacción  puede ser una parte integral de la translocación de colesterol en la mitocondria. Otra proteína del transduceosoma, la 14-3-3, se une a la STAR y actúa como regulador negativo de la formación de esteroides.

   El envejecimiento celular puede resultar de cambios en factores internos y/o externos. Los factores intrínsecos incluyen especies reactivas de oxigeno (ROS). Los factores extrínsecos incluyen hormonas, factores de crecimiento, oxidantes y antioxidantes  producidos por las células o transportados a través de la circulación. La esteroidogenesis de las células de Leydig  es afectada por factores producidos localmente y también por factores extrínsecos. En el testículo, productos de las células de Sertoli y los macrófagos tienen efectos estimuladores sobre la esteroidogénesis de las células de Leydig. Sin embargo, también se han observados efectos negativos. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno producido por los macrófagos puede impactar negativamente a las células de Leydig vecinas. Factores producidos por la hipófisis (gonadotropinas), el hígado (IGF-1), la tiroides (T3), las células β del páncreas (insulina), el hueso (osteocalcina) y el sistema inmune alcanzan las células de Leydig  a través del sistema circulatorio.

   El desbalance entre prooxidantes y antioxidantes  a menudo ocurre en las células. Este desbalance puede resultar  en un estado redox alterado y daño oxidativo de las macromoléculas intracelulares, lo cual contribuye al déficit funcional  relacionado con la edad. Las células de Leydig producen ROS a partir de varias fuentes, incluyendo la cadena transportadora de electrones en la mitocondria y las reacciones catalizadas por el citocromo p450 microsomal. Estudios recientes indican que la producción de ROS puede ser en respuesta a la LH. Las células de Leydig de ratas envejecidas producen significativamente más ROS que las células de ratas jóvenes, y esto ocurre a pesar del volumen mitocondrial reducido. El envejecimiento de las células de Leydig también se acompaña con expresión reducida de Cu-Zn-SOD, Mn-SOD, glutatión peroxidasa, glutatión S-transferasa y glutatión (GSH), lo cual incrementa el estrés oxidativo y el daño oxidativo (por ejemplo, peroxidación de lípidos). La disminución relacionada con la edad de las actividades antioxidantes, la expresión de genes y los niveles de proteínas es consistente con la hipótesis que la pérdida de la función esteroidogénica que acompaña a las células de Leydig envejecidas puede resultar en parte  a partir de un sistema de defensa antioxidante alterado. El GSH  está entre los antioxidantes con mayor reducción en las células de Leydig envejecidas. Con el envejecimiento, el GSH y las enzimas antioxidantes disminuyen  a pesar  de los niveles elevados de estrés oxidativo. Esto es cierto en muchos tipos de células, incluyendo células de Leydig, y provoca un estado prooxidante en células envejecidas.

   Los elementos de la ruta esteroidogénica son afectados por numerosos disruptores endocrinos químicos (EDC), provocando reducción de la formación de TS. Los EDC son definidos como “sustancias en nuestro ambiente, alimentos y productos de consumo que interfieren con la biosíntesis de hormonas, el metabolismo o acciones que resultan en una desviación del control homeostático normal”. En este contexto, la exposición de células de Leydig  de rata al 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD) inhibe la esteroidogénesis a través sus efectos sobre el AMPc y la CYP11A1. El permetrin, un insecticida, altera la formación de TS en ratones a través de la disminución de los niveles de STAR y CYP11A1. El atrazine, un herbicida ampliamente usado, tiene efectos similares. El triclosan, un compuesto usado en preparaciones antimicrobianas, disminuye significativamente la actividad  de la adenil ciclasa, la síntesis de AMPc y la actividad de p450, 3β-HSD, 17β-HSD y STAR. El insecticida lindane afecta al AMPc, la STAR y la esteroidogénesis. Los phtalatos exhiben propiedades antiandrógenos y tiene diferentes efectos dependiendo del momento del ciclo de vida en que son administrados. Aunque los EDC son capaces de afectar la esteroidogénesis son diversos en naturaleza, las consecuencias de la exposición comúnmente se manifiestan a través de un ambiente redox alterado que reduce la esteroidogénesis.  Estos cambios pueden ser parcialmente prevenidos con antioxidantes como las vitaminas C y E.

   En el ambiente, hay metales que también afectan la esteroidogénesis de las células de Leydig a través de un incremento en el estrés oxidativo. Por ejemplo, el mercurio afecta el sistema de defensa antioxidante. La vitamina E protege contra la toxicidad inducida por mercurio y reduce la peroxidacion de lípidos incrementando las actividades de la superóxido dismutasa, la catalasa y la glutatión peroxidasa.  El plomo y el cadmio, solos o combinados,  alteran la esteroidogénesis testicular  y los mecanismos de defensa antioxidante. La administración de agentes antioxidantes reduce el estrés oxidativo inducido por metales y proporciona protección contra la toxicidad del plomo y el cadmio.

   Algunos compuestos ambientales, además de modificar el estatus oxidativo intracelular, afectan la COX-2, el metabolismo del ácido araquidónico y la MAPK. Por ejemplo, el bisfenol A (BPA) induce una disminución en la producción  de TS en células de Leydig de ratas, asociada con un incremento en la actividad de la COX-2 y la señal MAPK.  El dimetoato, un organofosforado ampliamente usado, reduce la esteroidogenesis de las células de Leydig  en asociación con una disminución de ácido araquidónico y un incremento en la actividad de la COX-2.

   En conclusión, la producción  de TS de las células de Leydig disminuye con la edad y la exposición a contaminantes ambientales. La reducción en los niveles de TS no se debe a pérdida de células de Leydig sino a su reducida capacidad para producir TS en respuesta a la LH. Aunque los mecanismos exactos responsables de los cambios en la esteroidogénesis aún son inciertos, hay algunas características comunes. El envejecimiento y la exposición a EDC tienen efectos sobre la producción de AMPc  y el transporte de colesterol estimulados por LH. El incremento en el estrés oxidativo es responsable, al menos en parte, de algunos de los cambios en la ruta esteroidogénica. La COX-2 y la MAPK también pueden estar involucradas.

Fuente: Wang Y et al. (2017). Steroidogenesis in Leydig cells: effects of aging and environmental factors. Reproduction 154: R111-R122. 

El tracto gastrointestinal y la ingesta de nutrientes

La secreción de insulina conjuntamente con la inhibición recíproca de la secreción  de glucagón es importante para el mantenimiento de la tolerancia a la glucosa. Sin embargo, otros factores también requieren consideración, incluyendo la capacidad de la glucosa y de la insulina para estimular la captación de glucosa y suprimir la producción de glucosa (efectividad de la glucosa y acción de la insulina, respectivamente). Dado que el tracto gastrointestinal (TGI) es el primer sistema de órganos  en hacer contacto con los nutrientes ingeridos, es necesario considerar su rol en la determinación de la tasa  sistémica de nutrientes ingeridos  y las contribuciones directas e indirectas del TGI al metabolismo postprandial. El rol del TGI superior en el mantenimiento de la tolerancia a la glucosa ha recibido particular atención con el advenimiento de las terapias antidiabetes que alteran la motilidad gastrointestinal (con efectos secundarios sobre la saciedad y el peso corporal) o tienen un efecto combinado sobre la motilidad gastrointestinal  y la función de las células β del páncreas. Adicionalmente, el renovado interés en la cirugía bariátrica dado sus efectos sobre la diabetes tipo 2, sugiere que el TGI produce mediadores diabetógenos y/o antidiabetógenos cuya secreción es respectivamente inhibida o estimulada por la cirugía.

   La fibra dietética está compuesta  predominantemente  de polímeros de carbohidratos no digeribles  y su composición confiere beneficios en la prevención de enfermedad cardiaca isquémica, cáncer colorectal y diabetes tipo 2. Al disminuir la densidad energética de los alimentos ingeridos, mejora la absorción de algunos nutrientes a través de interacciones físicas, y estimula la saciedad. En estudios epidemiológicos, la ingesta de fibra se correlaciona inversamente con la adiposidad y el índice de masa corporal. Múltiples estudios sugieren que el incremento en el consumo de fibra tiene efectos a corto plazo que son positivos en términos  de la glucemia postprandial y el apetito. La fibra insoluble tiene la asociación más fuerte con la disminución del riesgo de diabetes, mientras la fibra soluble ejerce efectos fisiológicos sobre el estómago y el intestino delgado  que modulan respuestas glucémicas postprandiales  a través del retardo del vaciamiento gástrico, modificación de la actividad mioeléctrica gastrointestinal, retardo del tránsito en el intestino delgado, reducción de la difusión de glucosa y disminución de la accesibilidad de la α-amilasa a sus sustratos debida a un incremento en la viscosidad del contenido intestinal. 

   El contenido de nutrientes  de la suspensión que atraviesa el píloro influye en la tasa de vaciamiento gástrico. La diferencia de presión entre el estómago y el intestino delgado así como también el volumen de la comida ingerida gobiernan la vida media del vaciamiento gástrico. El volumen de la comida, su densidad de energía (kcal/ml) y las proporciones de grasa, carbohidrato y proteína en la comida tienen efectos menores sobre la tasa de vaciamiento gástrico de energía. La regulación es activada  a través del efecto osmótico (incluyendo contenido calórico) y la unión de calcio de los productos de la digestión en el duodeno. El incremento en el contenido calórico retarda el vaciamiento gástrico independientemente  del volumen de la comida ingerida. Una serie de estudios reportan  enlentecimiento del vaciamiento gástrico por disacáridos a través de la estimulación de osmoreceptores duodenales después de ser hidrolizados a monosacáridos. En esta línea, otros estudios sugieren enlentecimiento del vaciamiento gástrico por cantidades isocalóricas  de grasa, proteína y carbohidrato. Adicionalmente, un estudio reciente sugiere que las propiedades osmóticas del contenido estomacal que ingresa  al duodeno así como también la saponificación de triglicéridos parcialmente hidrolizados determinan la tasa de vaciamiento gástrico. La presencia de grasa (oleato, por ejemplo) en el duodeno estimula la secreción de colecistoquinina (CCK), la cual a su vez inhibe la motilidad antral, estimula el tono pilórico y, por lo tanto, retarda el vaciamiento gástrico.

   El estómago, además de la trituración de alimentos sólidos, facilita la absorción de nutrientes a través de la desnaturalización por su medio ácido y la secreción de pepsinas y lipasa gástrica. Las pepsinas son secretadas por la mucosa gástrica y son activadas por el ambiente ácido del estómago. La lipasa gástrica es secretada por las células principales en el fundus gástrico  en respuesta a estímulos, como la gastrina y la acetilcolina, que son provocados por la ingesta de alimentos. La lipasa gástrica inicia la digestión de lípidos y los ácidos grasos libres derivados de los triglicéridos por su acción en el duodeno estimulan la secreción de CCK, la cual conjuntamente con el péptido glucagonoide 1(GLP-1), inhibe la secreción de lipasa gástrica. Por el contrario, la digestión de carbohidratos comienza con la amilasa salival, la cual es inactivada por un pH<4, condiciones que típicamente se encuentran en el estómago. La digestión de carbohidratos continúa en la mucosa intestinal en presencia de amilasa pancreática en el duodeno y el intestino delgado proximal. La grasa agregada a las  comidas que contienen carbohidratos estimula las hormonas incretinas  y retarda el vaciamiento gástrico.

   La ingesta de comida estimula la acomodación gástrica, el proceso activo donde el volumen gástrico (proximal>distal) aumenta para acomodar la comida ingerida  sin incremento en la tensión de la pared  o la presión intragástrica. Esto permite ingerir alimentos sin el disconfort que podría limitar la ingesta de nutrientes. La acomodación gástrica es mediada a través del nervio vago y la desnervación está asociada con saciedad y disminución de la ingesta calórica. Las concentraciones farmacológicas  de GLP-1 incrementan el volumen gástrico, pero requiere un vago intacto. La inhibición del GLP-1 por exendina (un antagonista competitivo de GLP-1 por su receptor) produce disminución de la “compliance” gástrica. Estos datos sugieren que, al menos en presencia de un nervio vago intacto, el GLP-1 endógeno contribuye a la “compliance” gástrica.

   A diferencia de los alimentos sólidos, los líquidos ingeridos tienden a distribuirse pasivamente y uniformemente a través del estómago. La tasa de vaciamiento líquido difiere significativamente de la de los sólidos  y es mucho más rápida. Sin embargo, un estudio reciente demuestra que el vaciamiento liquido no es completamente pasivo y que la tasa de vaciamiento disminuye cuando aumenta el contenido calórico, lo cual sugiere una capacidad activa para regular el manejo calórico que no es completamente dependiente del tamaño de las partículas y la capacidad para pasar a través del píloro. Las partículas de los alimentos sólidos son sometidas a trituración por las contracciones circulares del antro gástrico que impulsan el alimento hacia el píloro cerrado. Estas fuerzas junto a la digestión ácida y péptica (la cual comienza en el estómago), degrada el alimento en partículas de tamaño suficientemente pequeño (2mm) para que puedan atravesar el píloro. El corolario de esto es que el vaciamiento sólido  es precedido por una fase donde no ocurre vaciamiento seguida por una fase de vaciamiento lineal. Típicamente, el vaciamiento sólido ocurre en periodo de 3-4 horas. Sin embargo, el volumen, la consistencia y el contenido de grasa afectan la tasa de vaciamiento y las comidas grandes y ricas en grasas pueden vaciarse en  períodos mayores que 4 horas. El vaciamiento gástrico más que la acomodación gástrica parece ser la principal función gástrica determinante de la saciedad postprandial.

   La tasa de vaciamiento gástrico está sometida a modulación  por varios factores circulantes. Las concentraciones sanguíneas de glucosa alteran el vaciamiento gástrico; la hiperglucemia retarda el vaciamiento gástrico mientras la hipoglucemia lo acelera. Sin embargo, las concentraciones elevadas de glucosa sanguínea  en el rango observado en la mayoría de personas con diabetes  tienen efectos relativamente menores sobre el vaciamiento gástrico. Por ejemplo, el incremento de glucosa sanguínea de 4 a 8 mmol/L retarda el vaciamiento de una comida líquida 10 a 12 minutos  en pacientes con diabetes tipo 1. Por lo tanto, la contribución  de la hiperglucemia per se a los cambios en el vaciamiento gástrico tiende a ser pequeño.

   La gastrina, secretada por las células G en el antro gástrico y por las células parietales  del fundus gástrico, es responsable  de una significativa  proporción de la liberación postprandial de ácido a través de la activación directa de receptores CCK₂ en las células parietales y a través de la liberación de histamina por las células enterocromafines. Por otra parte, la CCK es liberada por la mucosa duodenal en respuesta a nutrientes, particularmente ácidos grasos de al menos 12 carbonos. La CCK activa directamente fibras aferentes vagales provocando relajación del estómago proximal (incrementa su capacitancia) e inhibición del vaciamiento gástrico. La CCK también estimula la contracción de la vesícula biliar y la secreción pancreática exocrina. Los receptores CCK, centrales y periféricos, median la saciedad después de la ingesta de una comida. Aunque CCK y gastrina exhiben estructura similar así como afinidad por receptores CCK₂, la CCK induce la secreción de somatostatina que a su vez inhibe la secreción de gastrina, la motilidad gastrointestinal y la secreción gástrica de ácido.

   El polipéptido inhibidor gástrico (GIP), también conocido como polipéptido insulinotrópico dependiente de glucosa, es una hormona peptídica secretada por las células K en duodeno y yeyuno proximal. El GIP actúa a través de un receptor específico (GIPR). En animales, los niveles de GIP aumentan inmediatamente  después de la ingesta de nutrientes para inhibir la secreción de ácido en el estómago y el vaciamiento gástrico. En humanos estos efectos son observados con concentraciones farmacológicas  y, por  lo tanto, la acción del GIP en humanos es incierta. El GIP también estimula la secreción de insulina en condiciones de hiperglucemia, respuesta que alterada en diabetes.

   El GLP-1, secretado por las células L del duodeno, es la hormona incretina más importante. El GLP-1 proviene del procesamiento posttranslacional del proglucagón (el cual también da origen al GLP-2, un factor trófico  de la mucosa intestinal) y, además sus efectos sobre la función gastrointestinal, estimula la secreción de insulina mientras inhibe la secreción de glucagón de una manera dependiente de glucosa. La terapia con GLP-1 ha sido usada para el tratamiento de la diabetes tipo 2 y la obesidad.

   La grelina funciona como una hormona orexigénica en humanos, su concentración aumenta  durante el ayuno  y disminuye después de ingerir alimentos. La gastrectomía en manga (SG) disminuye la concentración de acil-grelina, presumiblemente debido a la escisión de una parte del estómago secretora de grelina, lo cual debe disminuir el apetito. Después de una SG, el ayuno no está asociado con aumento en la concentración de grelina en contraste con lo que ocurre después del “bypass” gástrico en Y de Roux (RYGB). No está claro si la restauración de la concentración prequirúrgica de acil-grelina en ayunas altera la función gastrointestinal y restaura el apetito después de la SG. Además de su efecto  central directo sobre la regulación del apetito, la grelina también puede acelerar el vaciamiento gástrico de líquidos y sólidos. Sin embargo, en concentraciones fisiológicas, la grelina no contribuye a la función gástrica en humanos.

   La amilina es una hormona peptídica cosecretada con insulina por las células β del páncreas. Consecuentemente, la amilina es deficiente en la diabetes tipo1, mientras los niveles plasmáticos incrementan en obesidad, tolerancia a la glucosa alterada y diabetes tipo 2. Un análogo sintético, pramlintide, retarda el vaciamiento gástrico, a través del nervio vago, de una manera dosis-dependiente. El pramlintide es usado para el tratamiento de la hiperglucemia postprandial  en pacientes con terapia intensiva con insulina. Sin embargo, a pesar de sus efectos farmacológicos, la contribución fisiológica  de la amilina a la regulación  del metabolismo a la glucosa es incierto.

   Los ácidos biliares son sintetizados a partir del colesterol en los hepatocitos y excretados en la bilis. Posteriormente, los ácidos biliares son reabsorbidos  en el intestino delgado distal y solamente 5% se pierde en las heces. La conjugación con glicina o taurina hace a los ácidos biliares impermeables a las membranas celulares y les confiere propiedades detergentes que ayudan a solubilizar las micelas de  lípidos al tiempo que  facilitan la absorción de grasa en el intestino delgado. Los ácidos biliares son almacenados en la vesícula biliar durante los periodos interdigestivos, pero la activación  de la CCK por el vaciamiento de grasa en el duodeno estimula la contracción de la vesícula biliar y la relajación del esfínter de Oddi, permitiendo la llegada de bilis al intestino delgado. Los ácidos biliares actúan como ligandos naturales  del factor de transcripción receptor farnesoid X (FXR). La activación de este receptor nuclear  estimula la expresión de genes que codifican proteínas involucradas en la síntesis, transporte y metabolismo de ácidos biliares. La activación del FXR por la unión del ligando causa la heterodimerización con el receptor retinoico X α  y la posterior unión a las regiones promotoras del ADN. Los ácidos biliares difieren  en su capacidad  para activar al FXR, lo cual sugiere que  cambios en la composición de los ácidos biliares pueden alterar los efectos metabólicos  de la activación del FXR. Los ácidos biliares también pueden influir en el metabolismo  a través del receptor de ácidos biliares 1 acoplado a proteína G (también conocido como TGR5). El TGR5 es un receptor de membrana  expresado en el tejido adiposo, el sistema nervioso entérico y las células enteroendocrinas L que producen GLP-1. Una vez activado, el TGR5 provoca la activación  de la proteína quinasa A  y la fosforilación de proteínas. Después de la cirugía bariátrica, aumenta la secreción de GLP-1, lo cual ha sido atribuido al incremento  en la llegada de ácidos biliares al intestino delgado.

   La producción de FGF19 es casi exclusivamente restringida  al ileum terminal, el sitio donde los ácidos biliares son activamente tomados por el cotransportador sodio/ácido biliar. La expresión de FGF19 es incrementada por la señal FXR y es secretado en la circulación porta donde suprime la enzima que controla la síntesis de ácidos biliares. El FGF19 también estimula la captación hepática de glucosa y la síntesis de glucógeno de una manera independiente de insulina.

   Los cambios en la composición de ácidos biliares  (y en la circulación enterohepática) pueden contribuir a los beneficios metabólicos de la cirugía bariátrica. Por ejemplo, la concentración plasmática de ácidos biliares es alta después de la RYGB. Sin embargo, estos cambios no son aparentes inmediatamente después de la cirugía (el momento en el cual ocurren la mayoría de los cambios metabólicos) y se observan aproximadamente un año después del procedimiento. Por el contrario, el secuestro de ácidos biliares con resinas disminuye su reabsorción en el ileum terminal, provocando un incremento en la pérdida fecal  de ácidos biliares. Esto es acompañado por una disminución de la concentración de FGF19 y un incremento en la síntesis de ácidos biliares. En humanos, la disminución de FGF19 se acompaña con una disminución de la concentración  de glucosa en ayunas.

   La cirugía bariátrica es la intervención más efectiva para pérdida de peso y los estudios retrospectivos sugieren  que la tasa de remisión  está asociada con la longitud  del bypass intestinal. Por otra parte, la remisión de la diabetes  después de la cirugía bariátrica depende de la duración  y severidad  de la enfermedad antes del procedimiento. Esto podría sugerir que los efectos de la cirugía bariátrica sobre la capacidad  para sintetizar y secretar insulina son limitados. La secreción de insulina  en respuesta a la hiperglucemia con GLP-1 o GIP, una prueba de función de células β, no cambia después de la intervención quirúrgica. Los procedimientos que resultan en una llegada más rápida de calorías al intestino proximal  incrementan la secreción de GLP-1. La extensión en la cual esto contribuye a la remisión de la diabetes ha sido debatida con algunas divergencias en la literatura. El GLP-1 también tiene efectos sobre núcleos hipotalámicos  y el GLP-1 o agonistas del receptor de GLP-1  disminuyen la ingesta de alimentos y causan pérdida de peso. Sin embargo, el efecto de la concentración postprandial de GLP-1 sobre la saciedad  después de la RYGB o la SG es hasta ahora incierto.

   El epitelio gastrointestinal proporciona una barrera selectiva que limita la permeabilidad a toxinas mientras permite el paso de nutrientes y agua. La disrupción de la barrera puede jugar un rol en la patogénesis  de múltiples desordenes del tracto gastrointestinal. La selectividad es atribuida a las uniones estrechas, las cuales responden a estímulos extracelulares y alteran la permeabilidad paracelular  a través de cambios  en las proteínas que forman el complejo. Los factores que influyen en la permeabilidad intestinal incluyen ácidos grasos en la luz intestinal (ingeridos directamente o productos de la fermentación bacteriana) y ácidos biliares como ácido deoxicólico y ácido quenodeoxicólico. Los ácidos biliares alteran tanto la permeabilidad intestinal como la secreción de GLP-1 a través del receptor TGR5. Algunos estudios sugieren que la permeabilidad intestinal es incrementada en la diabetes, lo cual contribuye  a la hiperglucemia postprandial y la inflamación sistémica a través de mediadores como los lipopolisacáridos.

   En conclusión, el tracto gastrointestinal superior integra nutrientes intraluminales y mecanismos neurales, mecánicos y hormonales para modular la respuesta a la ingesta calórica. La absorción de los nutrientes ingeridos  y consiguiente la tasa de aparecimiento de los nutrientes en la circulación periférica depende grandemente de la tasa de manejo de nutrientes por el intestino delgado proximal. A su vez, esto está  determinado por las respuestas integradas del tracto gastrointestinal superior a una comida. El vaciamiento gástrico es probablemente el componente más significativo, pero otros factores también deben ser considerados.  

Fuente: Vella A y Camilleri M (2017). The gastrointestinal tract as an integrator of mechanical and hormonal response to nutrient ingestion. Diabetes 66: 2729-2737.

Las taquikininas y el control neuroendocrino de la reproducción

   La reproducción está bajo el control  de una compleja red reguladora, la cual involucra al eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG). Las neuronas que producen hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), localizadas en el hipotálamo, son un componente importante  del eje HHG y regulan la función reproductiva, incluyendo la conducta sexual. La liberación de GnRH es pulsátil  y aunque las neuronas GnRH pueden exhibir actividad autónoma con descargas espontáneas, tal actividad no se correlaciona con pulsos GnRH/LH in vivo. Más aún, las neuronas GnRH carecen de la capacidad para “sensar” muchos factores que influyen en la función reproductiva, incluyendo señales endógena (Ej: esteroides sexuales) y factores ambientales (Ej: estresores). Las gonadotropinas hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante del folículo (FSH), secretadas por la hipófisis anterior en la circulación periférica, alcanzan las gónadas para estimular la gametogénesis y la producción de esteroides sexuales. A su vez, los esteroides sexuales ejercen efectos de retroalimentación negativa sobre células de la hipófisis y el hipotálamo.

    Los resultados de estudios anatómicos y funcionales sugieren que las kisspeptinas, codificadas por el gen Kiss1, son los más potentes secretagogos  de GnRH en todos los mamíferos estudiados hasta ahora. Las neuronas kiss1, las cuales establecen contacto directo con las neuronas GnRH, reciben impulsos reguladores centrales y periféricos que modulan la secreción de kisspeptinas para el inicio de la pubertad y el mantenimiento de la fertilidad en el adulto. Las neuronas Kiss1 también juegan un rol crítico en la transmisión de información acerca de los niveles de esteroides sexuales a las neuronas GnRH.  La acción de las kisspeptinas sobre las neuronas GnRH es necesaria pero no suficiente para la adecuada activación  de las neuronas GnRH. En este contexto, un creciente número de factores parecen ser críticos para el  inicio de la pubertad  y el mantenimiento de la fertilidad  a través de la regulación  de la liberación de kisspeptinas y/o GnRH/LH. En esta constelación de sistemas neuroendocrinos  hay uno que comprende a la neuroquinina B (NKB) y su receptor (NK3R) codificados en humanos por los genes TAC3 y TAC3R, respectivamente. Este sistema ha recibido sustancial atención con la identificación en 2009 de mutaciones en estos genes asociadas con hipogonadismo hipogonadotrópico y carencia del inicio de la pubertad. Adicionalmente, numerosos estudios en animales han confirmado que la NKB es un estimulador crítico  de la red GnRH en varias especies, aunque este efecto estimulador no ha sido observado  en hombres sanos probablemente debido a sus niveles circulantes de esteroides sexuales. Sin embargo, a diferencia de la deficiencia de kisspeptinas, el fenotipo de los pacientes que carecen de la señal NKB es menos severo  y se han documentado varios casos  de recuperación  de la función reproductiva  y la fertilidad después de la pubertad retardada.

   La NBK pertenece a la familia taquikinina, cuyos miembros tiene en común la secuencia C-terminal Fen-X-Gli- Leu-Met-NH₂. Esta familia también incluye  a la sustancia P (SP), la neurokinina A (NKA), el neuropéptido K (NPK) y el neuropéptido γ (NPγ). La mayor parte de la investigación se ha enfocado en SP, NKA y NKB, las cuales se unen preferencialmente  a los receptores acoplados a proteína G NK1R, NK2R y NK3R, respectivamente. Sin embargo, cada uno de estos neuropéptidos es capaz de provocar respuestas en los tres tipos de receptores de neurokininas. Los estudios iniciales demostraron  una acción  estimuladora de la liberación de LH por la SP en ratas, conejos y humanos. Por otra parte, estudios electrofisiológicos recientes describen potentes efectos despolarizantes  de SP y NKA  sobre las neuronas Kiss1  en el ratón. Estos hallazgos indican que la estimulación de la liberación de LH por estas taquikininas  involucra, al menos en parte, un mecanismo dependiente de kisspeptinas.

   Las neuronas Kiss1 están localizadas principalmente en dos núcleos hipotalámicos: el núcleo arcuato (ARC) y el núcleo anteroventral periventricular (AVPV) en roedores o el área preóptica (APO) en rumiantes, monos y humanos. Las neuronas Kiss1 en el ARC median la retroalimentación negativa de los esteroides sexuales y la expresión de Kiss1 es inhibida por estradiol (E₂) y testosterona (T). Por el contrario, la expresión de Kiss1 en el AVPV/APO es regulada hacia arriba por E₂  y media la retroalimentación que provoca el pico preovulatorio de GnRH/LH específico de las hembras. Los estudios in vivo e in vitro destacan la importancia de una población de neuronas localizadas en el ARC en el pulso generador de GnRH. La noción prevalente se originó  en estudios en monas Rhesus ovariectomizadas (OVX) en las cuales la secreción de LH fue abolida por lesiones selectivas en el ARC y los hallazgos de la actividad eléctrica en la vecindad de las neuronas Kiss1 acoplada con pulsos de LH.   En este contexto, las neuronas Kiss1 en el ARC co-expresan  NKB y dinorfina (referidas como neuronas KNDy), las cuales actúan de una manera coordinada en la liberación de kisspeptinas en la eminencia media (EM) que a su vez induce la descarga intermitente  de GnRH en este sitio. Esto ha sido demostrado en varias especies de mamíferos. En este modelo, a través de asas autosinápticas, la NKB estimula la liberación de kisspeptinas mientras  la dinorfina inhibe la liberación  de kisspeptinas. Esto es apoyado por el hallazgo anatómico  que virtualmente todas las neuronas  KNDy expresan NK3R y >90% expresan el receptor opioide kappa (KOR). Más aún, las células NKDy están interconectadas con fibras NKB en el ARC formando una red finamente regulada. Estos hallazgos colocan las neuronas KNDy como los candidatos ideales para el rol de inductor del pulso generador de GnRH. Sin embargo, estudios recientes proporcionan evidencia que otras taquikininas como SP y NKA, son componentes adicionales fundamentales en el modelo del pulso generador de GnRH dominado por las neuronas KNDy. SP y NKA estimulan al eje gonadotrópico en varias especies, incluyendo humanos. Es por lo tanto, plausible especular que estas taquikininas están involucradas en la regulación central  de la liberación de GnRH y pueden ser elementos adicionales  en el modelo del pulso generador  de GnRH.

   La identificación topográfica de las taquikininas y sus receptores ha sido de gran ayuda en los mecanismos de acción  de estos sistemas para el control de la secreción de GnRH/LH. La población más grande de células NKB ha sido detectada en el ARC (y específicamente en las regiones media y caudal) del hipotálamo con poblaciones más pequeñas en la EM, el APO, el septum lateral, el núcleo del lecho de la estría terminal, la amígdala y el núcleo paraventricular (NPV). En el ARC, kisspeptinas y NKB  residen en la misma célula (KNDy), mientras ningún caso de colocalización de GnRH y NKB ha sido reportado. Por otra parte, estudios inmunohistoquímicos reportan la detección de SP en fibras que inervan al ARC y la EM, así como también en las fibras que rodean los capilares  del sistema porta hipofisario, lo cual indica que la SP puede tener la capacidad para actuar directamente en la hipófisis anterior. Por lo tanto, la SP puede regular  la secreción  de GnRH no solo indirectamente  a través de su acción sobre las neuronas Kiss1 sino también directamente actuando sobre las neuronas GnRH. El análisis de la expresión de los 3 receptores taquikininas (Tacr1, Tacr2 y Tacr3) en las neuronas Kiss1 y GnRH  demuestra que casi la mitad (49%) de neuronas Kiss1 en el ARC y aproximadamente 27% de neuronas Kiss1 en el AVPV expresan Tacr1, el cual también está presente en 23% de las neuronas GnRH. El Tacr2 está ausente en las poblaciones de neuronas Kiss1y GnRH de ratón. El Tacr3 está presente en todas las neuronas Kiss1 del ARC, pero solamente en 10% de las neuronas Kiss1 del AVPV de ratón. El Tacr3 también ha sido detectado en una pequeña (11%) población  de neuronas GnRH. En humanos, donde SP y kisspeptinas son colocalizadas, las acciones autocrinas/paracrinas  de la SP sobre las neuronas KNDy también son probables.

   En el ARC, las neuronas KNDy son inhibidas por esteroides sexuales como parte de su rol en la retroalimentación negativa sobre la liberación de GnRH. Esto también parece ser cierto  para SP y NKA. La regulación hacia abajo de SP y NKA en neuronas hipotalámicas puede mediar, al menos en parte la retroalimentación negativa de los esteroides gonadales sobre la secreción de gonadotropinas. El efecto estimulador de la NKB sobre la liberación de LH es menos potente que el de las kisspeptinas, y acciones inhibidoras sobre la secreción de LH también han sido documentadas, dependiendo de la especie y los niveles de esteroides sexuales. Por ejemplo, la NKB induce respuestas estimuladoras de la liberación de LH en ratas y ratones hembras adultas en condiciones de niveles fisiológicos  de esteroides sexuales, mientras los ratones machos adultos (pero no las ratas) también exhiben  respuesta estimuladora de la liberación de LH en las mismas condiciones. La acción inhibidora de la NKB sobre la liberación de LH parece ser mediado por opioides.

   La SP, identificada en década de 1930, ha sido asociada con procesos no relacionados con la reproducción como percepción del dolor, inflamación y desordenes psiquiátricos. Sin embargo, actualmente es también involucrada en la regulación del eje reproductivo. Los estudios conducidos en conejas intactas y ovariectomizadas reportan que el efecto estimulador de la SP sobre la liberación de LH es independiente de esteroides sexuales, pero en ausencia de esteroides ováricos, la SP es estimuladora solamente durante la fase elevada de un pulso de LH. Más aún, un estudio en cerdos reporta que la SP estimula la secreción de LH en la hipófisis como resultado de una acción directa sobre las células gonadotropas. Esta acción de la SP depende de los niveles extracelulares  e intracelulares de Ca²⁺. Sin embargo, en un estudio en ratas con gónadas intactas, la administración i.c.v. de un agonista específico de NK1R (GR73632) no alteró los niveles de LH, indicando una potencial diferencia de especies en la acción de la SP sobre el eje reproductivo.

   A nivel neuroendocrino, el enfoque prevaleciente es que durante los periodos infantil y juvenil, las neuronas que secretan GnRH son sometidas a una persistente inhibición sináptica. Cuando esta inhibición es removida, aumenta la secreción de GnRH, lo cual provoca la pubertad. Sin embargo, se reconoce que también es indispensable un incremento de impulsos excitadores en las neuronas GnRH. Numerosos estudios han demostrado que la carencia o el retardo de la maduración puberal en humanos y ratones están asociados con mutaciones en los genes KISS1/KISS1R o TAC3/TACR3. Por lo tanto, las kisspeptinas son señales reguladoras  de la liberación de GnRH indispensables durante la pubertad. En la misma línea, la taquikinina NKB ha sido involucrada como estimuladora prepuberal  de Kisspeptinas y la expresión de Tac2 incrementa antes que Kiss1, lo cual sugiere un rol de la NKB en la activación puberal de la secreción de kisspeptina-GnRH. El rol equivalente de SP y NKA en el incremento prepuberal  de la liberación de LH y su contribución al inicio de la pubertad recién comienza a recibir atención. Una serie de pruebas funcionales y estudios genéticos en ratones hembras han demostrado que la señal SP/NK1R y NKA/NK2R participan en el inicio de la pubertad. Esta conclusión deriva de hallazgos que indican que: (1) un agonista NK1R selectivo induce liberación de LH en hembras prepuberales; (2) la expresión de Tac1 y Tacr1 en el ARC incrementa antes de la pubertad, (3) la exposición repetida a agonistas de NK1R en la pre-pubertad adelanta el inicio de la pubertad, lo cual sugiere que el NK1Restá presente y es funcional durante este período del desarrollo; (4) ratones hembras Tac1KO exhiben un significativo retardo en la abertura vaginal, un evento que ocurre con el incremento de la secreción de estrógenos y es considerado un marcador indirecto del inicio de la pubertad. Esto sugiere que aunque los estrógenos son  producidos por los ovarios en estos ratones no es suficiente para disparar el pico de LH durante la fase inicial post-abertura vaginal y la retroalimentación positiva que ejercen los estrógenos también puede estar comprometida durante la adultez. Otro hallazgo que apoya el rol de la SP en el control central del inicio de la pubertad es el hecho que los mayores niveles de SP detectados en el cerebro de pacientes después de un traumatismo cerebral se correlacionan significativamente con una mayor cantidad de niños con pubertad precoz después de traumatismo cerebral. Estos datos sugieren una mayor sensibilidad a la SP (y posiblemente NKA) hipotalámica en el tiempo del inicio de la pubertad, y que presumiblemente contribuye a un incremento de pulsos  de GnRH y la activación del eje gonadotrópico.

   En conclusión, existe evidencia sustancial en apoyo de la hipótesis que las taquikininas están involucradas en el control de la liberación de GnRH a través de la modulación de la descarga de las neuronas KNDy en el ARC, directamente (NKB y SP) o indirectamente (NKA), para regular los pulsos de kisspeptinas. Adicionalmente, las taquikininas, particularmente la SP, también pueden actuar directamente sobre las neuronas GnRH y/o Kiss1 para contribuir a: (a) los pulsos de GnRH y/o (b) la generación del pico preovulatorio de LH.

Fuente: Fergani C y Navarro VM (2017). Expanding the role of tachykinins in the neuroendocrine control of reproduction. Reproduction 153: R1-R14.

El canal Catsper y la fertilidad masculina

   El espermatozoide maduro ejecuta importantes procesos fisiológicos, como hiperactivación, quimiotaxis y capacitación antes de entrar en contacto con el oocito para la fertilización. Estos procesos fisiológicos están relacionados con cambios en la concentración intracelular de calcio ([Ca²⁺]i) en el espermatozoide. Hay dos fuentes principales de iones calcio en el espermatozoide: (1) algunos iones son almacenados en una bomba de calcio localizada en la cabeza del espermatozoide, (2) otros iones son empacados en las mitocondrias de la pieza media. Algunos procesos del espermatozoide dependen de canales de calcio en la membrana celular. Varios canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje son expresados en el testículo, pero la mayoría también se encuentran en otros órganos, como cerebro y corazón. Solamente el canal Catsper es expresado exclusivamente en espermatozoides. La proteína Catsper es un canal permeable a Ca²⁺, sensible a pH y débilmente dependiente de voltaje que está localizado en la membrana de la pieza principal del espermatozoide flagelar. El canal Catsper, identificado en espermatozoides de ratón en el año 2001, es esencial para la fertilización masculina, especialmente para algunos procesos físicos como la hipermotilidad de los espermatozoides, la penetración del espermatozoide en el oocito y la reacción acrosómica. La presencia de un canal Catsper inactivo en ratones machos induce infertilidad. 

   El canal Catsper es activado por el pH alcalino intracelular. Este canal no solo permite la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide bajo condiciones fisiológicas sino también la entrada de cationes monovalentes (Na⁺, Cs⁺) o  divalentes (Ba²⁺) en el espermatozoide si no hay Ca²⁺ extracelular. El canal Catsper contiene cuatro subunidades α (Catsper1-4) y al menos tres subunidades auxiliares (Catsper β, Catsper γ y Catsper δ). La subunidad Catsper1 fue descubierta en 2001 y juega un rol vital en la motilidad del espermatozoide. La expresión estable de Catsper1 requiere la expresión de Catsper 2 y viceversa. Sin embargo, las proteínas Catsper3 y Catsper4 son expresadas en ratones con alteraciones en la subunidad Catsper1, lo cual sugiere que la expresión estable de Catsper3 y Catsper4 no depende de la expresión de Catsper1 y Catsper2. El fenotipo de ratones Catsper2^-/-, Catsper3^-/- y Catsper4^-/- es indistinguible del fenotipo  Catsper1^-/- y sus espermatozoides carecen de la motilidad hiperactiva necesaria para la fertilización. En años recientes, varios estudios han investigado activadores e inhibidores del canal Catsper. En este contexto, el cadmio (Cd), un metal pesado y disruptor endocrino, causa infertilidad masculina  a través de la reducción  de la expresión de proteínas Catsper. Por otra parte, el sulfato de pregnenolona actúa como activador Catsper. Sin embargo, pristimerina y lupeol, moléculas similares a esteroides, pueden actuar como anticonceptivos a través de afectar la hiperactivación de los espermatozoides. Por lo tanto, el canal Catsper ha sido propuesto como un potencial blanco  para la anti-concepción y el tratamiento de la infertilidad masculina.

   El canal Catsper es codificado por al menos siete genes. La estructura y distribución de las subunidades Catsper son esenciales para la función del canal. Las subunidades Catsper1-3 son expresadas específicamente en el testículo, mientras la subunidad Catsper4 es expresada predominantemente en el testículo  y también, aunque en menor expresión, en la placenta y los pulmones. La familia Catsper está confinada a la pieza principal del espermatozoide flagelar maduro en humanos y animales. No hay organelos en la pieza principal del espermatozoide y los investigadores especulan que las subunidades Catsper1-4 están localizadas  en la membrana plasmática de la pieza principal  e involucradas en la regulación flagelar. Seis segmentos transmembrana  (S1-S6) son detectados  en las subunidades α que forman dos sitios fisiológicamente  activos: el dominio sensor de voltaje (S1-S4) y el dominio que forma el poro (S1-asaP-S6). Los segmentos S1-S4 están conectados a una corta estructura cíclica y hay varios residuos de aminoácidos cargados positivamente  (lisina/argina) en el cuarto segmento transmembrana (S4) funcionando como un sensor de voltaje. Los segmentos S5 y S6 están conectados a una corta e hidrofóbica estructura cíclica y esta región permite selectivamente la entrada de Ca²⁺ a través de la membrana celular. La subunidad Catsper1 contiene seis aminoácidos neutros en canales sensibles a voltaje, mientras la subunidad Catsper2 contiene cuatro de esos aminoácidos y las subunidades Catsper3 y Catsper4  solo contienen dos residuos de aminoácidos. Las cuatro subunidades α tienen proteínas enrolladas en sus extremos C-terminal formando un tetrámero funcional. La subunidad Catsper β es la primera proteína auxiliar  identificada en el canal Catsper y es expresada predominantemente en el testículo y la cola del espermatozoide.

   Dos canales de Ca²⁺ regulan la fertilidad masculina. El canal Orail, el cual regula la entrada de calcio operada por depósito y el canal Catsper que es el más extensamente estudiado de los canales de Ca²⁺ en espermatozoides de mamíferos. El canal Catsper controla la concentración intracelular  de Ca²⁺. En la mayoría de mamíferos, la motilidad hiperactiva del espermatozoide depende del flujo de calcio en el citoplasma desde el espacio extracelular  o liberado por organelos intracelulares. Por lo tanto, el canal Catsper controla, al menos, la conducta nadadora del espermatozoide. El canal Catsper es sensible a pH y para la hiperactivación del espermatozoide es necesario un pH alto. Entonces, los factores que regulan las propiedades acido-base también afectan  el grado de apertura del canal Catsper en el espermatozoide. En este contexto, algunos estudios demuestran que la progesterona,  las prostaglandinas y la glucoproteína de la zona pelúcida 3 (ZP3) pueden inducir la capacitación  y la reacción acrosómica en el espermatozoide a través de un  incremento en la [Ca²⁺]i. Sin embargo, un trabajo reciente  demuestra que el incremento de Ca²⁺ disparado por estas moléculas bioactivas es influenciado por el pH del microambiente en el espermatozoide.  No está completamente claro como la alcalinización influye en el canal Catsper. El H⁺ es el principal regulador del microambiente ácido-base, mientras los intercambiadores Na⁺/H⁺ (NHE) y el canal de H⁺ dependiente de voltaje 1 (Hv1) son canales H⁺-relativos. Los NHE importan Na⁺ en la membrana plasmática y exportan H⁺ fuera del espermatozoide  mientras el Hv1 remueve H⁺ intracelulares para mantener el valor de pH en el espermatozoide. Adicionalmente, las bombas Ca²⁺-adenosina trifosfatasa (Ca²⁺ATPasa) remueven Ca²⁺ intracelular del espermatozoide mientras permiten la entrada de H⁺ a través de la membrana plasmática. Por su parte, el canal Catsper importa Ca²⁺ para mantener la homeostasis de Ca²⁺ en el espermatozoide. El intercambiador Na⁺/Ca²⁺ (NCX) y la Na,K-ATPasa (NKA) también influyen en el medio iónico del espermatozoide humano. En efecto, altos niveles intracelulares de Ca²⁺ y  bajos niveles intracelulares de H⁺ contribuyen a la hiperactivación  del espermatozoide.

   Los NHE, responsables del intercambio de Na⁺ e H⁺, son proteínas integrales de la membrana que se encuentran ampliamente distribuidos  en organismos procariotes y eucariotes. Los NHE incluyen 13 isoformas codificadas por la familia de genes SLC9, pero solo tres subtipos (NHE1, NHE5 y sNHE) existen el espermatozoide. El sNHE es una isoforma crucial para la fertilidad. El sNHE está localizado en la pieza principal del espermatozoide flagelar y ayuda a mantener el ambiente alcalino que permite al canal Catsper  regular la hiperpolarización. Adicionalmente, el sNHE también regula la maduración del espermatozoide y promueve la absorción de sal y agua en células epiteliales. El Hv1 también está localizado en la pieza principal del espermatozoide flagelar. En término de sus funciones, la principal diferencia con el sNHE es que mantiene la alcalinización intracelular solamente removiendo H⁺. El Hv1 está asociado con la capacitación del espermatozoide humano.

   La hiperpolarización de la membrana celular se correlaciona con la capacitación del espermatozoide. El K⁺ ayuda a mantener el balance del potencial de membrana en el espermatozoide. Los canales de K⁺ que intervienen en este balance son SLO3 y Kir. Entre ellos, el SLO3 es un canal sensible a pH, específico del espermatozoide y al igual que el canal Catsper, está relacionado con la hiperactividad y la motilidad del espermatozoide. Otra función crucial del SLO3 que afecta al canal Catsper  es mantener el balance de corriente en el espermosporo del flagelo. El potencial transmembrana del espermatozoide en reposo es aproximadamente de -35 a -45 mV, pero cuando el K⁺ se mueve hacia afuera de la célula e inicia la hiperpolarización, el potencial transmembrana disminuye a -70 mV y se dispara una serie de procesos fisiológicos, incluyendo la activación del intercambiador Na+/H+, la capacitación del espermatozoide y la unión del espermatozoide a la proteína ZP3.

   En el espermatozoide hay tres canales relacionados con Ca²⁺ (canal Catsper, Ca²⁺ATPasa e intercambiador Na⁺/Ca²⁺). El canal Catsper es responsable de la entrada de Ca²⁺ en el espermosporo, lo cual promueve la motilidad del espermatozoide. La Ca²⁺ATPasa es un intercambiador Ca²⁺/H⁺ que remueve Ca²⁺ intracelular y permite la entrada de H⁺ en el espermatozoide. La Ca²⁺ATPasa puede regular negativamente al canal Catsper y por consiguiente la fertilización masculina. El intercambiador Na⁺/Ca²⁺ exporta un ion Ca²⁺ fuera del espermatozoide y permite la entrada de tres iones Na⁺, lo cual es esencial para mantener el balance  de Ca²⁺ del ambiente intracelular.

   El HCO₃ es indispensable para la capacitación, a menudo considerada como el inicio  de la activación de la motilidad del espermatozoide. El transporte de HCO₃ afecta la motilidad del espermatozoide incrementando el pH intracelular. Más aún, el HCO₃ activa a la adenilato ciclasa soluble (sAC), lo cual incrementa los niveles de AMP cíclico (cAMP) y las rutas mediadas por cAMP que aumentan la frecuencia de latidos flagelares. Los transportadores de HCO₃ son codificados por las familias de genes SLC4, SLC26 y CFTR en el espermatozoide y constituyen las  principales familias  de proteínas transmembrana asociadas con la regulación del pH en las células de los mamíferos. El CFTR es un transportador transmembrana de Cl^- y HCO₃ que está asociado con la capacitación del espermatozoide humano. El CFTR controla muchos procesos de transporte de proteínas modulando rutas de señalización activadas por cAMP. La supresión del transportador CFTR afecta el incremento de cAMP inducido por HCO₃, provocando disminución de la actividad de la proteína quinasa A (PKA). La disminución de la actividad del CFTR también causa disminución de la fosforilación de tirosinas y de la motilidad hiperactivada. El CFTR y los transportadores de HCO₃ se localizan en la pieza media del flagelo, pero no se co-localizan con el canal Catsper. La generación de HCO₃ la llevan a cabo las anhidrasas carbónicas (AC), las cuales son esenciales para el espermatozoide durante la fertilización. Las AC participan directamente en el mantenimiento del balance de iones durante la motilidad del espermatozoide. Los estudios demuestran que las AC funcionan de tres maneras: (1) catalizando la producción de HCO₃, (2) regulando el pH intracelular en el espermatozoide, y (3) regulando la reacción acrosómica del espermatozoide. Es concebible que las AC puedan afectar la reacción acrosómica del espermatozoide modulando al canal Catsper. Las subunidades ACII y ACIV son las que tienen actividad catalítica. La ACII  se localiza en la membrana de la pieza principal del espermatozoide flagelar donde también se localiza el canal Catsper, mientras la ACIV se localiza en la membrana plasmática de la cola del espermatozoide.

   La ruta de señalización cAMP/PKA es usada en los mamíferos para regular la transcripción de genes. En efecto, la capacitación del espermatozoide es un proceso dependiente de cAMP que regula hacia arriba la concentración de Ca²⁺ y los niveles de fosforilación de tirosinas. El cAMP es sintetizado por AC que comúnmente se dividen en  dos grupos: adenilil ciclasas transmembrana  (tmAC) y sAC. La cascada de señalización cAMP/PKA mediada por sAC es esencial para la capacitación del espermatozoide. La sAC no solo juega un rol en la producción de cAMP, también participa en otros mecanismos involucrados en el proceso de fertilización. Específicamente, la sAC tiene tres roles en la fertilización: (1) La sAC trabaja como sensor de HCO₃. (2) La sAC actúa como sensor de pH. (3) La sAC funciona como sensor de Ca²⁺ o calmodulina. El cAMP está involucrado en la quimiotaxis del espermatozoide hacia el oocito y la capacitación.

   La proteína ZP rodea al oocito en el tracto reproductor femenino y es importante en el proceso de fertilización porque el espermatozoide, solamente cuando pasa a través  de la ZP para completar la reacción acrosómica,  puede participar en la fertilización. Las glucoproteínas ZP consisten de cuatro subunidades (ZP1, ZP2, ZP3, ZP4) en el espermatozoide humano. El espermatozoide necesita la capacitación (la cual es activada por un incremento en la [Ca²⁺]i)  para pasar a través de la ZP cuando contacta al oocito. En seguida, ocurre la exocitosis  de vesículas secretoras y se lleva a cabo la reacción acrosómica. En humanos, el espermatozoide requiere la unión a ZP3 y ZP4. Por otra parte, las proteínas receptor transitorio potencial de mamíferos (Trp) son receptores canal de Ca²⁺ esenciales para la regulación de la entrada de Ca²⁺ en espermatozoides de ratón. El Trp es activado por proteína G y fosfolipasa C dependientes de ZP3. La entrada de Ca²⁺ inducida por ZP en el espermatozoide ayuda a generar la reacción acrosómica y cambia la motilidad del espermatozoide. Ambas funciones se llevan a cabo con la ayuda de proteínas beta-defensinas expresadas en el epidídimo. Estudios recientes demuestran que el canal Catsper juega un rol crítico en la entrada de Ca²⁺ inducida por ZP en espermatozoides de ratón. El incremento en [Ca²⁺]i inducido por ZP comienza en la cola y se propaga hacia la cabeza del espermatozoide.

   La progesterona rodea al oocito en el tracto reproductor femenino, es liberada por las células del cumulus e induce la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide  a través del canal Catsper y por lo tanto promueve la reacción acrosómica. La entrada de Ca²⁺ inducida por progesterona es mediada por la liberación de Ca²⁺ almacenado en el espermatozoide. Un mecanismo del canal Catsper para incrementar la [Ca2+]i es liberar Ca²⁺ almacenado. El canal Catsper es sensible a la progesterona tempranamente en el desarrollo del espermatozoide  y la sensibilidad incrementa gradualmente hasta alcanzar un pico cuando los espermatozoides son eyaculados. Hay evidencia que las proteínas quinasas y las fosfatasas participan en el incremento de Ca²⁺ inducido por progesterona. Por ejemplo, la adición de inhibidores de la PKA o de la tirosina fosfatasa reducen la entrada de Ca²⁺ y la reacción acrosómica. En 2010, dos grupos de investigadores propusieron que el canal Catsper funciona como receptor de progesterona en espermatozoides de pez para incrementar la concentración intracelular de Ca²⁺. Adicionalmente, en 2011, un estudio demostró que la progesterona activa al canal Catsper en espermatozoides humanos regulando la expresión del gen Catsper a través de receptores nucleares de progesterona. De acuerdo con este estudio, la proteína Catsper es un receptor no genómico de la progesterona y la entrada de Ca²⁺ es estimulada por pH alcalino y progesterona, pero bloqueada por los inhibidores Catsper NNC55-0396 y mibefradil.

   El canal Catsper es esencial para la fertilidad en humanos y roedores. Los pacientes con astenozoospermia carecen del gen Catsper2. Varios estudios demuestran que las cuatro subunidades Catsper son esenciales para la motilidad hiperactiva y la fertilidad masculina, pero la carencia de las subunidades Catsper3 y Catsper4 no influye en la espermatogénesis o la motilidad inicial del espermatozoide. Más aún, el número de espermatozoides con motilidad progresiva y reacción acrosómica inducida por progesterona es significativamente bajo en los individuos con supresión de la subunidad Catsper1. La expresión normal del canal Catsper está asociada con motilidad progresiva y reacción acrosómica, mientras la expresión anormal puede estar involucrada en la patogénesis  de la astenozoospermia. Específicamente la disrupción de la sNHE o de los genes Catsper2 en ratones causa infertilidad masculina con hallazgos de espermatozoides inmóviles y falla en la motilidad hiperactiva, pero sin otras anormalidades aparentes. Estos hallazgos sugieren que las subunidades Catsper1 y Catsper2 son esenciales para la fertilidad normal en humanos o roedores. Aunque las subunidades Catsper3 y Catsper4 juegan un importante rol en la reacción acrosómica  y la fertilidad masculina, las subunidades Catsper1 y Catsper2 son más importantes en el espermatozoide.

   El canal Catsper es un quimiosensor polimodal que puede ser blanco de anticonceptivos. La incubación de espermatozoides con IgG anti-Catsper1 produce disminución de la motilidad progresiva, lo cual demuestra que la subunidad Catsper1 puede ser un potencial blanco para inmunocontracepción. Un estudio reciente evalúa las capacidades anticonceptivas de dos epitopes de células B en los dominios transmembrana y la región del poro de Catsper1 en ratones. En estos ratones se observó una significativa reducción de la fertilidad, sin enfermedad sistémica evidente o anormalidades de la conducta. Esta observación sugiere que los miembros Catsper pueden ser blancos efectivos y viables para la inmunocontracepción. Los dos epitopes en Catsper1 exhibieron alta identidad entre ratón y humano y por lo tanto pueden ser efectivos para regular la fertilidad en humanos.

   En conclusión, el canal Catsper es específico de espermatozoides, permeable a Ca²⁺, dependiente de pH y dependiente de bajo voltaje que es esencial para la hiperactividad del flagelo del espermatozoide, la quimiotaxis  hacia el oocito, la capacitación y la reacción acrosómica. Todos estos eventos fisiológicos requieren la entrada de calcio en el espermatozoide. El canal Catsper juega un rol crítico en la fertilidad masculina  controlando la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide. Los genes Catsper son expresados exclusivamente en los testículos durante la espermatogénesis y son sensibles a cambios en el pH inducidos por canales iónicos, incluyendo NHE, Ca²⁺-ATPasa, canal de K⁺, canal Hv1 y transportadores de HCO₃. Estos canales alteran el pH del espermatozoide cambiando la concentración de iones H⁺. El canal Catsper es regulado por algunos estimulantes fisiológicos, como progesterona, nucleótidos cíclicos y glucoproteínas de la zona pelúcida. Estos factores normalmente estimulan la entrada de Ca²⁺ en el espermatozoide a través del canal Catsper. El canal Catsper puede ser un potencial blanco para anticonceptivos y el tratamiento de la infertilidad masculina.

Fuente: Sun XH et al (2017). The Catsper channel and its roles in male fertility: a systematic review. Reproductive Biology and Endocrinology 15: 65.