El sistema somatostatina y las hormonas de la hipófisis anterior

La glándula hipófisis está localizada por fuera  de la barrera hematoencefálica y comprende dos entidades  que emergen durante el desarrollo embrionario, los lóbulos anterior e intermedio que asciende del ectodermo oral y el lóbulo posterior que desciende del hipotálamo.  La hipófisis anterior posee células de origen epitelial que secretan las hormonas prolactina (PRL), hormona de crecimiento (GH), adrenocorticotropina (ACTH), tirotropina (TSH), hormona estimulante del folículo (FSH) y hormona luteinizante (LH). El lóbulo intermedio contiene células que secretan α-melanotropina; sin embargo, en los humanos este lóbulo degenera.  El lóbulo posterior contiene axones que  descienden  de neuronas localizadas en núcleos del hipotálamo y libera vasopresina (hormona antidiurética) y oxitocina.  Las células de la hipófisis expresan receptores de somatostatina y se ha observado una variedad de efectos en los diferentes tipos de células.

El sistema somatostatina, el cual  incluye a los ligandos somatostatina (SST) y sus receptores (SSTR), exhibe un rol inhibitorio dominante en la regulación  de la hipófisis anterior.  La SST fue aislada del hipotálamo por primera vez  y posteriormente  se encontró que es secretada por otras estructuras cerebrales y órganos periféricos,  afectando múltiples tejidos. La corticostatina (CST), un ligando que se une a los SSTR con afinidad similar a la de la SST, es expresada en la corteza cerebral y el hipocampo, pero no en el hipotálamo, por lo tanto,  no  es un regulador endocrino importante  de la hipófisis anterior. Los SSTR exhiben actividad constitutiva  in vitro, independientemente  de la  presencia de SST o CST, y regulan la producción de GH y ACTH. La SST y los cinco subtipos de SSTR (SSTR1-SSTR5) regulan la función  de la hipófisis anterior en dos niveles, vía exposición de ligando y potencialmente vía receptores selectivos, independientemente del ligando.  

Los cuerpos celulares de las neuronas  SST se localizan en el núcleo periventricular anterior y comprenden  80%  de las neuronas SST del hipotálamo. El restante 20% de  neuronas que producen SST en el hipotálamo tienen sus cuerpos celulares  en los núcleos paraventricular, arcuato y ventromedial. Las neuronas SST que regulan la hipófisis anterior se encuentran en los núcleos periventricular y paraventricular, pero no el núcleo arcuato. Estas neuronas envían  proyecciones axonales a la eminencia media en la base del hipotálamo. Los axones de las neuronas SST  que descienden de la eminencia media hacia el tallo hipofisiario y terminan en el sistema de vasos sanguíneos porta-hipofisiario, liberan la SST en la sangre que llega a las células  de la hipófisis anterior  o viaja  a través del tallo hipofisiario hacia la hipófisis posterior.

La SST es formada a partir del clivaje  de una prohormona en varios tetradecapéptidos por  enzimas convertasas.  La SST-14, la cual contiene 14 aminoácidos,  es la forma predominante  en el cerebro y por consiguiente, el principal regulador de la adenohipófisis.  Múltiples factores regulan la producción y secreción de SST-14 en el hipotálamo.  La vida media de la SST es muy corta (2 min aproximadamente) y rápidamente es internalizada e inactivada por peptidasas dentro de  las células después de la internalización  y en la circulación.

La SST regula la función de la adenohipófisis a través de receptores acoplados a proteína G, los subtipos SSTR1, 2, 3 y 5. La expresión de SSR4 en la adenohipófisis de adultos normales aún no está muy clara.  En humanos, los cinco genes SSTR se localizan  en cinco cromosoma diferentes y codifican proteínas de 356 a 391 aminoácidos  con 39-57%  de secuencia idéntica (principalmente en el dominio transmembrana)  entre los receptores. Múltiples factores regulan los niveles de expresión de SSTR.

La SST-14 exhibe alta afinidad de unión con los receptores. Una vez activado por el ligando, el receptor  se une a la subunidad G_αi/i/o del tetrámero G_αβγ, liberando G_βγ e iniciando múltiples cascadas de señalización. La mayoría de estudios sobre la regulación de la adenohipófisis por la SST-14 se han enfocado en los receptores SSTR2 y SSTR5; sin embargo, la hipófisis adulta expresa SSTR1 y SSRT3. Aunque se han descrito más de 20 rutas de señalización SST  en células no hipofisiarias, los estudios sobre las rutas de señalización SST en la adenohipófisis se han limitado  a la regulación de canales iónicos, las rutas reguladas por adenil ciclasa/AMPc/PKA y la activación  de proteínas fosfatasas.

La función dominante de la SST en la adenohipófisis es la inhibición aguda  de la secreción de hormonas, específicamente suprimiendo la exocitosis  de las vesículas que contienen la hormona. Las hormonas hipotalámicas estimulan la secreción de hormonas de la adenohipófisis   a través del incremento  de los niveles intracelulares de Ca²⁺, lo cual resulta en la exocitosis  de las vesículas que contienen la hormona.  La señal SST  a través de SSTR2 y SSTR4  activa la entrada de K⁺ mediada por canales de K⁺ activados por voltaje. Este efecto resulta en la hiperpolarización de la membrana  y en el cierre de los canales de Ca²⁺ tipo L y N sensibles a voltaje y por consiguiente en la reducción de la concentración intracelular de Ca²⁺ y de la exocitosis  de las vesículas que contienen la hormona. La SST también inhibe la ruta adenil ciclasa/AMPc/PKA y con ello inhibe la síntesis de hormonas y el crecimiento celular. Los receptores SSTR1, SSTR2, SSTR3 y SSTR5 median la inhibición  de la adenil ciclasa  por la SST en las células de la adenohipófisis. La capacidad  de la SST para inhibir la adenil ciclasa es dependiente  de la G_αi/o. La regulación  de proteínas fosfatasas mediada por la SST en el adenohipófisis  está asociada  con mecanismos que controlan  el crecimiento celular. La SST incrementa la actividad tirosina fosfatasa asociada con la inhibición  del crecimiento celular y la actividad serina/treonina fosfatasa que participa en la regulación de la entrada de Ca²⁺ a través de la desfosforilación   de canales de Ca²⁺ y K⁺ activados por voltaje.  Otras rutas de señalización  que median la acción  de la SST incluyen a MAPK, guanil ciclasa, PKC, óxido nítrico, PI3K/Akt y proteínas morfogenéticas del hueso. La relevancia fisiológica de estas rutas para el crecimiento celular y la secreción de hormonas aún no es muy clara.

La activación de los SSTR por el ligando desencadena un mecanismo de retroalimentación en el cual el receptor es fosforilado e internalizado, iniciándose  de esta manera la desensibilización  del receptor y la atenuación  de la señal relacionada con el receptor.  El único SSTR que se ha descrito que sigue este proceso en las células de la adenohipófisis  es el subtipo SSTR2. El SSTR2 es fosforilado  en cinco residuos serina y treonina  en el extremo C-terminal. La estimulación prolongada con SST provoca la desensibilización del SSTR2. Cualquier célula de la adenohipófisis  puede expresar múltiple subtipos de receptores SSTR, lo cual sugiere que  además de la señal específica de un subtipo de SSTR, se pueden formar heterodímeros que respondan a la SST.

La SST es el inhibidor primario  de la secreción aguda de GH en la adenohipófisis. Múltiples factores  y asas de retroalimentación regulan la liberación  de SST en el hipotálamo y por consiguiente el control de la secreción de GH, incluyendo al eje GH/IGF1 y la glucosa así como la inmovilización y el ejercicio. La SST inhibe la transcripción de GH  inducida por la GHRH y la secreción de GH suprimiendo la exocitosis  de los gránulos que contienen la hormona.  Varios estudios sugieren que la SST tiene un efecto menos significativo en la regulación de la secreción basal de GH.  Los receptores SSTR2, SSTR5 y, en menor extensión,  SSTR1 juegan roles importantes en la inhibición  de la secreción de GH.  Estudios recientes demuestran que mientras las altas concentraciones  de SST inhiben  la secreción de GH, las bajas concentraciones  estimulan su secreción.  Los receptores SSTR1 y SSTR2  median el efecto inhibitorio mientras que el efecto estimulador es mediado por  el SSTR5, todos a través de la ruta adenil ciclasa /AMPc y la regulación de los niveles intracelulares de Ca²⁺.

El control de la secreción de PRL dependiente de SST es modesto comparado con efecto sobre la secreción de GH. Varios estudios sugieren que la regulación de la secreción de PRL por la SST es dependiente de estrógenos. El tratamiento con 17β-estradiol sensibiliza a las células  secretoras  de PRL a la acción de la SST.  El rol de la señal  SST en la regulación  de la secreción  de ACTH por las células corticotropas  de la hipófisis  no es muy claro. La SST no afecta la secreción basal de ACTH o los niveles de cortisol en humanos.  No obstante, algunos estudios sugieren  que la SST regula  la secreción de ACTH y  que este efecto es dependiente de los niveles de cortisol y del medio celular.

La evidencia acumulada en los últimos años sugiere un efecto inhibidor  de la SST sobre la secreción de gonadotropinas en la adenohipófisis. La infusión de SST suprime la liberación de LH y FSH  inducida por la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) en hombres normales e inhibe la amplitud -pero no la frecuencia-  del pulso de LH sin afectar la pulsatilidad de FSH.  La SST no afecta la secreción basal  de LH o FSH.

Aunque la SST inhibe la secreción de TSH, el efecto es menos pronunciado que sobre la secreción  de GH. Los receptores SSTR2 y SSTR5 han sido implicados en la supresión de la secreción  de TSH; sin embargo, la contribución relativa de cada uno de ellos es desconocida.  La SST inhibe la secreción de TSH inducida por TRH en hombres adultos normales.  Asimismo, la SST suprime  la amplitud  y la frecuencia de los pulsos de TSH.

En conclusión, la SST-14 y los receptores SSTR1, SSTR2, SSTR3 y SSTR5  controlan la función de la adenohipófisis, inhibiendo la secreción basal e inducida de hormonas. SST/SSTR2 es el principal mediador  de la secreción de GH mientras que SST/SSTR5 lo hace con la secreción de ACTH y PRL. La activación del SSTR inicia múltiples rutas de señalización como adenil ciclasa/AMPc/PKA, MAPK y regulación de canales iónicos.

Fuente: Eigler T y Ben-Shlomo A (2014). Somatostatin system: molecular mechanisms regulating anterior pituitary hormones.  Journal of Molecular Endocrinology 53: R1-R19. 

Acciones fisiológicas de la hormona de crecimiento

La hormona de crecimiento (GH)  es una proteína de 191 aminoácidos secretada por la hipófisis anterior que estimula diversas acciones anabólicas en el organismo.  Aunque múltiples factores  pueden influir  en su secreción, el control hormonal  primario  es a través de  regulación positiva por la hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH) y regulación negativa  por la somatostatina.  Adicionalmente, se ha descrito un dimorfismo sexual en los patrones de secreción de la GH con secreción pulsátil en los varones  y secreción continua en las hembras.  Como  indica su nombre,  su rol  principal  es la estimulación del crecimiento óseo longitudinal, pero la GH también impacta, a través de acciones coordinadas,  el crecimiento, la diferenciación  y el metabolismo de las células de tejidos como el hígado, el tejido adiposo, el músculo esquelético y el hueso.

El hígado es uno de los principales órganos blanco para la acción  de la GH, en gran parte debido  a que es la mayor fuente de factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF-1) circulante.  Es difícil distinguir las acciones de la GH sobre el crecimiento y el metabolismo  que son dependientes de IGF-1 de las que son independientes  de IGF-1, porque en condiciones fisiológicas  las dos hormonas son interdependientes. El hígado también contribuye con las proteínas transportadoras  que estabilizan  al IGF-1 en la circulación.  En particular, la subunidad ácido lábil  también es estimulada por la GH  a nivel transcripcional.  Además del crecimiento, la GH tiene efectos significativos sobre el metabolismo intermediario en el hígado. La GH actúa como hormona contrarreguladora  para incrementar los niveles de glucosa en una situación de hipoglucemia a través del incremento en la producción hepática de glucosa vía glucogenolisis y gluconeogénesis.  No está claro   cual de estos dos efectos  ejerce el impacto predominante sobre la producción hepática de glucosa,  pero un estudio reciente ha demostrado el efecto de la GH sobre  la expresión de Pepck, el cual codifica  a las enzimas claves de la gluconeogénesis.   La GH también ejerce efectos sobre el metabolismo  de los lípidos en el hígado a través de múltiples mecanismos.  La GH tiene un rol fisiológico  clave en la secreción hepática de triglicéridos. Los genes Cd36, Pparg y Pgc1a han sido implicados  como los principales blancos transcripcionales  responsables de la esteatosis en el hígado. La GH induce la fosforilación  de la proteína ligadora del elemento regulador  de esterol-1a, un factor de transcripción  que dirige la síntesis de lípidos y colesterol y la oxidación de ácidos grasos en el hígado.  Otros blancos  de la GH en el hígado son los genes  de la familia citocromo  P450, como el Cyp2c11, que funcionan en el metabolismo de drogas y esteroides.  El dimorfismo sexual  en los patrones de secreción de GH dirige  un patrón  de expresión  sexualmente dimórfico de genes  que es especialmente notorio en el caso de los genes CYP. Este perfil de expresión puede contribuir a las diferencias en los perfiles de lípidos  que subyacen  a las diferencias sexuales en el riesgo  de enfermedad cardiovascular.  La GH  también es necesaria para la regeneración normal del hígado.

El papel de la GH  sobre la composición del cuerpo se pone de manifiesto en el incremento de la masa grasa, especialmente grasa visceral, en los individuos con deficiencia de GH. Un rol primario de la GH sobre el tejido adiposo es la estimulación de  la lipólisis, con un agudo aumento de ácidos grasos libres.  Este efecto es mediado, en parte,  por el incremento de la actividad  de la lipasa sensible a hormona, pero el mecanismo específico no  ha sido completamente dilucidado.  Además de la lipólisis, la GH tiene roles en la proliferación, la diferenciación y la muerte de los pre-adipocitos. Fos y Jun son dos prominentes genes inducidos por la GH en este proceso.

La GH y el IGF-1 juntos promueven el crecimiento, el mantenimiento, la reparación y la regeneración del músculo esquelético. Los adultos con deficiencia de GH no tratada  tienen disminuida la masa magra corporal.  Las propiedades anabólicas  de estas dos hormonas en el músculo  se  caracterizan por  incremento de la síntesis  -y  disminución de la degradación- de proteínas. El efecto metabólico de la resistencia a la insulina en el músculo  ha sido atribuido  directamente a la GH.

En el hueso, además de las acciones en la placa de crecimiento para promover el crecimiento longitudinal, el eje GH-IGF-1 regula el desarrollo y la mineralización del esqueleto.  Ningún efecto de la GH independiente de IGF-1  ha sido definido en el hueso, lo que indica que el gen Igf1 es también un efector clave de la acción de la GH en el hueso. Por el contrario, la producción local de IGF-1 es regulada por  otros mecanismos independientes  de GH, incluyendo la hormona paratiroidea (PTH).  Los modelos experimentales en ratones han revelado que el IGF-1 derivado de los osteoblastos es un determinante clave de la mineralización ósea.

La GH actúa en las células a través de la unión con su receptor (GHR) localizado en la membrana celular. El GHR es miembro  de la familia de receptores citoquina clase I con un simple dominio transmembrana. En su estado inactivo, el GHR existe como un homodímero  y  sufre un cambio conformacional cuando se une, a través de los sitios de alta afinidad  de cada una de las dos moléculas  de GHR, a una sola molécula de GH. El GHR no tiene actividad tirosina quinasa intrínseca; sin embargo, cuando la GH se une al homodímero, la tirosina quinasa JAK2  se asocia  con el dominio citoplasmático de cada molécula de GHR y se transfosforila.  La JAK2 activada fosforila otros residuos tirosina del dominio citoplasmático del GHR, los cuales funcionan  como sitios de unión para proteínas intracelulares  con dominios Src homología 2 (SH2) o  residuos fosfo-tirosina. Estas proteínas intracelulares son fosforiladas   por la JAK2. Los blancos  de la JAK2 mejor caracterizados  son miembros  de la familia Stat de factores de transcripción. Todos los miembros de la familia Stat exhiben una organización similar que incluye un dominio SH2 y un residuo tirosina  cercano al C terminal.  Las proteínas Stat son fosforiladas  por la JAK2 en los residuos tirosina  y se disocian del complejo GH-GHR para formar dímeros con otras proteínas Stat fosforiladas. Estos dímeros se trasladan al núcleo donde se unen  a secuencias de reconocimiento específicas e intervienen en la transcripción de genes. Las proteínas Stat 1, 3, 5a y 5b pueden ser fosforiladas con la señal  GH, pero la Stat 5b es reconocida como el principal mediador de la acción de la GH. Además de la fosforilación del residuo tirosina, las proteínas Stat pueden tener modificaciones postranslacionales como fosforilación de serina, acetilación, metilación y sumoilación.

La proteína Stat 5b  está directamente implicada en la regulación  de varios genes  estimulados por la GH tales como Igfals, Socs2 y Cish, además del Igf1. Los perfiles sexualmente dimórficos  de expresión de genes en el hígado secundarios a las diferencias de género en los patrones de secreción de GH en la hipófisis también actúan principalmente a través del factor de transcripción. Los perfiles de actividad Stat 5b recapitulan el patrón de secreción de GH específico de sexo y la pérdida genética de Stat 5b esencialmente elimina el dimorfismo sexual  en los perfiles  de expresión  de genes en el hígado.  

Dos rutas de señalización que también son reguladas por la GH  son la MAPK y la fosfatidilinositol 3`quinasa (PI3K). Los modelos convencionales  señalan que estas rutas son activadas por la fosforilación  de tirosina de una molécula  de proteína adaptadora por la JAK2. En la ruta MAPK, la proteína adaptadora Shc es fosforilada por la JAK2 y luego actúa vía Grb2 y SOS para disparar una cascada de fosforilaciones a través de Ras, Raf, MAPK quinasa y ERK.  La ruta PI3K es activada a través de la fosforilación del sustrato de receptor de insulina 1 (IRS1)  través de los mismos  efectores de la señal de transducción  de insulina e IGF-1.  Aunque la ruta clásica de señalización del GHR  requiere la activación  de la JAK2, hay evidencia experimental  de otras rutas independientes de JAK2.  La activación de quinasas  de la familia Src por la GH permite una cascada de señalización  que incluye la activación de ERK. Hay también estudios que sugieren un rol del GHR de localización nuclear en los efectos  de la GH. La traslocación nuclear  de receptores de membrana  ha sido descrita como un hecho asociado con transformación celular. La acumulación de GHR nuclear  ha sido reportada en varios cánceres y en hepatocitos de rápida proliferación.

Varios mecanismos regulan negativamente las rutas de señalización de la GH. Por ejemplo, la unión de GH aumenta la tasa de internalización del GHR en un proceso que es dependiente de ubiquitina. El GHR internalizado es degradado por proteasomas o lisosomas con lo que disminuye la respuesta a la GH en la célula. Por otra parte, varias  fosfatasas de tirosina  han sido implicadas en la regulación  de señal GH. La interacción directa entre JAK2 y la fosfatasa de tirosina 1b constituye un mecanismo  finamente balanceado  de control de la acción de la GH.  Asimismo, se ha observado que miembros  de la familia de supresores de la señal citoquina (SOCS) juegan un rol en la regulación negativa  de la señal JAK/Stat.  Todas las proteínas SOCS tienen un dominio SH2 que permite interacciones con residuos fosfotirosina, pero emplean diversos mecanismos para interrumpir la señal GH incluyendo el enmascaramiento competitivo de los sitios de unión  del complejo GHR-JAK2 que recluta proteínas Stat y adaptadoras, la inhibición  de la actividad JAK2 quinasa y la acción ubiquitina-ligasa que contribuye a la degradación  proteasomal de GHR y JAK2.  Dado que la GH estimula la transcripción  de varios miembros de la familia SOCS vía Stat 5b se desarrolla un mecanismo integrado de retroalimentación.  A nivel de la cromatina, los represores transcripcionales BCL6 y CUX2 reprimen genes dependientes de Stat5b y activados por GH.  El BCL6 es preferencialmente expresado en los varones y el CUX2 es específico de las hembras.

Las hormonas o los estados ambientales  influyen en la regulación de genes por la GH. Los estrógenos atenúan la acción de la GH en el hígado, incluyendo la  producción de IGF-1. El ayuno y la malnutrición producen un estado de resistencia a la GH que puede ser considerado como  adaptación al ayuno.  El incremento en los niveles de FGF21, una hormona  inducida por el ayuno, provoca disminución  del crecimiento. Los estudios moleculares revelan una reducción de la  fosforilación de Stat5 y de la expresión de igf1 en el hígado con un incremento concomitante en la expresión de Socs2. Adicionalmente, el FGF21 también actúa  en los condrocitos de la placa de crecimiento  y ejerce un efecto inhibitorio del crecimiento. El FGF21  bloquea la incorporación de timidina estimulada por GH y la expresión de colágeno X. La desacetilasa de histonas SIRT1 también es activada con el ayuno y se ha demostrado que interactúa con la Stat5.  Los residuos lisina cercanos al sitio  tirosina de fosforilación de la Stat5 pueden ser acetilados y en la interacción con la SIRT1 son desacetilados, lo cual disminuye la actividad transcripcional de la Stata5.  Por otra parte, se ha encontrado que el receptor glucocorticoide puede interactuar directamente con el N-terminal de la Stat5 y, en condiciones   de niveles fisiológicos de glucorticoides,  puede actuar como coactivador  de la Stat5.

Desde la formulación de la hipótesis somatomedina, el gen Igf1 es considerado  el blanco fisiológico primario de la acción de la GH, el cual codifica una proteína  de 70 aminoácidos con estructura similar a la insulina. En roedores y humanos, el Igf1 consiste de dos promotores y seis exones que se extienden sobre 70-80kb de ADN genómico. Se han descrito más de 100 ARNm distintos con especificidad  de tejido y estado de desarrollo. Estos transcriptos primarios provienen  de múltiples sitios de iniciación transcripcional de ambos promotores, “splicing” alternativo y poliadenilación  diferencial, pero todos son trasladados a sólo dos precursores que son procesados  en una hormona peptídica idéntica.  P1, el promotor mayor, es activo en todos los tejidos, mientras que la actividad P2 es restringida primariamente al hígado.  La Stat5b activada  es necesaria y suficiente para manejar la transcripción de Igf1con GH.

El hígado  es el tejido primario en el que la GH regula la transcripción  del gen Igf1y por tanto el más estudiado. La expresión  de Igf1 en el hígado excede a la de cualquier otro tejido y la mayor parte del IGF circulante  se origina en el hígado. El gen Igf1 es expresado  en casi todos los tejidos y la GH estimula su expresión en algunos  de ellos como, por ejemplo, la placa de crecimiento. El consenso actual, sobre la base de modelos roedores, es que en la placa de crecimiento tanto el IGF-1 local como el IGF-1 endocrino impactan el crecimiento. Estudios recientes demuestran que la Stat5 es agudamente fosforilada en respuesta a la GH en los condrocitos de la placa de crecimiento.

En conclusión, la GH tiene prominentes roles en el crecimiento y el metabolismo y el Igf1 es un blanco transcripcional clave  de la señal GH en el hígado y otros tejidos.

Fuente: Chia DJ (2014). Mechanisms of growth hormone-mediated gene regulation.  Molecular Endocrinology 28: 1012-1025.

Función de la proteína que interactúa con tioredoxina  en la célula β del páncreas

El gen que codifica a la proteína que interactúa con tioredoxina (TXNIP) fue clonado en 1994 a partir  de la línea de células promielocíticas humanas HL-60 tratadas con calcitriol, por lo que inicialmente  era conocida como proteína regulada por vitamina D₃. Sin embargo, los análisis posteriores fallaron en confirmar la transcripción inducida por vitamina D en otros sistemas celulares, sugiriendo que el efecto de la diferenciación en la línea de células promielocíticas había sido inducido indirectamente por la vitamina D.  Años más tarde, la proteína TXNIP fue identificada en un sistema híbrido de levadura y designada como proteína ligadora de tioredoxina-2. En el presente, se prefiere la designación  TXNIP, la cual refleja algunas de las acciones de la proteína. La TXNIP se une  –e inhibe- a la tioredoxina 1 y por lo tanto interfiere con  la capacidad de la tioredoxina  de reducir proteínas oxidadas, lo cual resulta  en estrés oxidativo e incremento de la susceptibilidad a la apoptosis. Más específicamente, la TXNIP interfiere con la desnitrosilación de proteínas mediada por tioredoxina.  La tioredoxina es una oxidoreductasa que forma parte de un sistema que protege a la célula contra el estrés oxidativo.  El sistema tioredoxina interviene en la oxidación de proteínas, lo cual resulta en la oxidación  de los residuos  cisteína de la tioredoxina. Para regresar  al estado reducido y activo, la tioredoxina es reducida por una  enzima reductasa dependiente  de NADPH.  El sistema tioredoxina está involucrado en múltiples procesos celulares incluyendo la proliferación celular y la apoptosis.

Sobre la base  de su interacción con la tioredoxina y su función como regulador redox celular,  se ha reportado que la TXNIP está localizada en el citoplasma. Sin embargo, hallazgos recientes han revelado que la TXNIP también  puede entrar a la mitocondria  donde interactúa con  la tioredoxina 2, liberando  la kinasa 1 regulada por la señal de apoptosis (ASK1)  de su inhibición  por tioredoxina 2 , lo cual permite  la fosforilación y activación  de la ASK1. Esto, a su vez, permite la salida de  citocromo C  de la mitocondria, el clivaje de la caspasa 3 y la apoptosis.  La TXNIP también se localiza en el núcleo y modula la expresión  de varios  microARN (ej, miR-204). Estos microARN regulan  la expresión de genes incluyendo factores de transcripción críticos para la producción de insulina como el MafA.

La TXNIP humana es una proteína de 46 kDa que contiene 391 residuos de aminoácidos  y es codificada  en el cromosoma 1q21.1.  La TXNIP pertenece a la familia de proteínas  de las α arrestinas que se caracterizan por dominios SH3 y PPxY, pero de todas ellas solo la TXNIP es capaz  de interactuar con la tioredoxina. La proteína TXNIP  tiene  un enlace disulfuro intramolecular entre dos cisteínas, Cis247 y Cis 63; la Cis247 es además esencial  para la interacción  de la TXNIP con la Cis 32 de la tioredoxina.  Precisamente, la inhibición de la tioredoxina por la TXNIP se debe a un cambio en el mecanismo de enlace disulfuro intermolecular.

En las células β de los islotes pancreáticos, la TXNIP fue descubierta en 2002 como un gen regulado fuertemente por la glucosa. Este hallazgo sugirió  que  la TXNIP podría jugar un rol importante en la biología de la célula β y posiblemente en la diabetes.  Las células β del páncreas son altamente susceptibles  al estrés oxidativo debido a la baja expresión de enzimas antioxidantes y la pérdida  de masa de células β por apoptosis es un componente crucial en la patogénesis de diabetes tipo 1 y tipo 2.

La TXNIP es considerada un gen de respuesta temprana  y su expresión en las células β del páncreas es fuertemente inducida  por la glucosa y es incrementada en la diabetes y en respuesta al estrés oxidativo.  Esta inducción es conferida a nivel transcripcional por  la proteína  de unión  a los carbohidratos de los elementos de respuesta (ChREBP) y a nivel post-transcripcional por una disminución en miR-17 y es modulada por numerosos factores adicionales.  La TXNIP a su vez inhibe la función de la tioredoxina y promueve el estrés oxidativo y la muerte celular. Adicionalmente, a través de la modulación  de la expresión de distintos microARN (miR-204 y miR 124a) y con la expresión de los genes MafA y FoxA2, la TXNIP inhibe la transcripción de insulina  e induce la transcripción del polipéptido amiloide del islote (IAPP). Estos efectos son magnificados por que la TXNIP promueve su propia expresión  vía ChREBP. La expresión  de TXNIP inducida por la glucosa  es inhibida por ácidos grasos  como el palmitato. Por el contrario, los glucocorticoides inducen la expresión de TXNIP en las células β.

En estudios in vitro, la insulina disminuye la expresión  de TXNIP en las células β del páncreas, músculo y tejido adiposo, efecto que no depende de ningún cambio en la glucosa.  Sin embargo, in vivo, la hiperglucemia incrementa dramáticamente los niveles de TXNIP como se ha visto en la diabetes aún en el contexto de severa hiperinsulinemia.  Por otra parte, agonistas del receptor de péptido glucagonoide 1 (GLP-1) como la exenatida, un poderoso secretagogo de insulina,  reducen la expresión de TXNIP en las células β.  Los bloqueadores de canales de calcio como el verapamil reducen la expresión   de TXNIP en las células β, in vitro e in vivo.

La TXNIP estimula su propia expresión  a través de un asa de retroalimentación positiva, efecto mediado por el factor de transcripción ChREBP.  El ChREBP  fue descubierto inicialmente  en el hígado y más tarde se encontró que también juega un rol en las células β. La actividad del ChERBP es regulada primariamente  por su localización celular (nuclear) y por modificación post-translacional como el estatus  de fosforilación.  La glucosa y los nutrientes promueven la desfosforilación  del ChREBP. En el núcleo, el ChREBP se une como heterodímero con Mlx y recluta a la desacetilasa  de histonas  p300, lo cual resulta en la desacetilación  de la histona H4 y la apertura  de la estructura de la cromatina para la progresión  de la polimerasa II. Otro factor de transcripción, Fox01, modula la expresión  de TXNIP en las células β compitiendo con el ChREBP por la unión al ADN  en el promotor de TXNIP y por lo tanto inhibe la expresión de TXNIP inducida por la glucosa. El Fox01 también regula la inducción de MafA y NeuroD, ambos factores de transcripción de la célula β  e involucrados en la activación del gen de la insulina.  Por lo tanto, el Fox01 promueve la función normal de la célula β, lo cual es consistente  con sus efectos inhibidores sobre la TXNIP.  Sin embargo, el Fox01 altera la diferenciación y proliferación  de células β porque interfiere  con el factor de transcripción Pdx1, involucrado en estos procesos.

El estrés del retículo endoplasmático (ER) induce la expresión  de TXNIP en las células β. La acumulación de proteínas no plegadas  en el ER provoca la activación  de una ruta de señalización conocida como respuesta a la proteína no plegada, si el problema no es resuelto se produce el estrés del ER que puede conducir a la apoptosis  a través de  rutas que involucran proteínas kinasas: (a) proteína kinasa del ER (PERK), (B) proteína kinasa serina-treonina/endoribonucleasa (IRE1α) y (c) factor activador de la transcripción (ATF). PERK e IRE1α, pero no el ATF, median la expresión de TXNIP inducida por el estrés del ER.  La señal PERK incrementa la transcripción  de TXNIP  a través del incremento de la expresión  y traslocación nuclear de ChREBP  y también vía ATF5, un miembro de la familia de proteínas ligadoras de elementos de respuestas  de factores de transcripción. La IRE1α activada y fosforilada incrementa la estabilidad del ARNm de la TXNIP. La IRE1α funciona como una kinasa/RNasa y reduce los niveles del microARN miR-17, desestabilizante de  la TXNIP.  Los microARN  son pequeños ARN no codificantes  que se unen predominantemente  a la región 3´UTR del ARNm provocando  la degradación  -o la inhibición de la traslación-  del ARNm.  El miR-17  se une a la región 3´UTR del ARNm de TXNIP para  inhibir  la expresión de la TXNIP. En resumen, la expresión de TXNIP inducida por el estrés del ER se debe  a un incremento de la transcripción  del gen TXNIP y así como también   a la liberación de  los efectos inhibidores del miR-17, lo cual resulta en un incremento  de la estabilidad  y traslación del ARNm de TXNIP.

La mayoría de factores que regulan la TXNIP lo hacen a nivel del ARNm, a través de la transcripción o de la estabilidad del ARNm. Sin embargo, también hay regulación post-tranlacional de la TXNIP. Por ejemplo, la TNXIP es fosforilada por la AMPK, y la TXNIP, a su vez, inhibe a la AMPK. Adicionalmente, la señal GLP-1/AMPc aumenta la degradación  de la TXNIP en las células β. La insulina  también promueve la degradación  de la TXNIP a través de la ruta ubiquitina/proteasoma, pero este efecto es específico de adipocitos y miotubos y no ocurre en las células β. 

La TXNIP ejerce funciones  que tienen un gran impacto sobre la vida  y la muerte de las células β de los islotes pancreáticos. Al inhibir la tioredoxina, la TXNIP induce el estrés oxidativo y su sobreexpresión en las células β promueve la apoptosis. Esto es consistente con la particular susceptibilidad de la célula β  al estrés oxidativo. El efecto pro-apoptosis es mediado primariamente  por la inducción de la muerte mitocondrial e involucra la fosforilación/activación de ASK1, la liberación de citocromo c  y el clivaje de la caspasa 3. Por el contrario, la deficiencia de TXNIP es protectora de la célula β, aumenta la señal Akt/Bcl-xl y promueve la supervivencia  de la célula β aún en el contexto  de altos niveles de glucosa.  En efecto, la TXNIP ha sido identificada como en enlace crítico  entre la toxicidad de glucosa  y la apoptosis de la célula β.

La TXNIP regula el aspecto más crucial  de la función  de la célula β, la producción de insulina. La TXNIP induce la expresión  de un microARN específico, miR-204, a través de la inhibición  de la actividad   del transductor y activador de transcripción 3, un factor  de transcripción involucrado en la regulación  del miR-204. A su vez, el miR-204 se une directamente  con la región 3´UTR de MafA, un factor  de transcripción  de la insulina, y regula su expresión.  Esto resulta  en la disminución  de la transcripción y producción de insulina.  El incremento  de miR-204 y la disminución  de MafA y la producción de insulina  asociados con el incremento en la expresión de TXNIP han sido observados en estudios in vitro e in vivo.  Por otra parte, el IAPP está asociado con la pérdida progresiva  de masa de células β en la diabetes. Aunque el IAPP  es cosecretado  con la insulina  por las células β y hay similitudes entre los promotores  de ambos, la  TXNIP promueve específicamente  la expresión de IAPP.  La TXNIP promueve la expresión de IAPP a través de  la inhibición de la expresión del miR-124a, el cual  a su vez estabiliza  al ARNm del factor de transcripción FoxA2, el cual se une al promotor IAPP e induce la transcripción de IAPP, un proceso que puede ser bloqueado por la sobreexpresión  del miR-124a.

En monocitos y células del sistema inmune, la TXNIP  induce la activación  de la proteína  inflamasoma NLRP3, la cual produce la activación de la caspasa 1 y el clivaje de la proIL-1β a IL-1β  madura que juega un rol importante en la patogénesis de la diabetes tipo 1 y tipo 2.  En músculo esquelético, adipocitos y hepatocitos, la TXNIP inhibe la captación de glucosa, lo cual previene la hipoglucemia y promueve la supervivencia en un contexto de ayuno agudo.  Este efecto se debe a la inhibición del transportador de glucosa1 (GLUT 1), la TXNIP  reduce la expresión del ARNm de GLUT 1 y también se une al  GLUT 1, provocando su internalización.

Dado  los mecanismos bien definidos  de la expresión de TXNIP inducida por glucosa, no hay duda que el incremento observado  en las células β del páncreas  es resultado  de la hiperglucemia diabética.  Sin embargo, varias líneas de evidencias  sugieren que la TXNIP juega un rol causal  en la patogénesis de la diabetes. Considerando que su expresión  es rápidamente y fuertemente  inducida por la glucosa, es concebible  que aún las excursiones de corta duración de la glucosa postprandial puedan provocar  incrementos graduales y acumulativos  de la expresión de TXNIP  antes del inicio de la diabetes.  Es importante tener presente que la expresión de TXNIP en los niveles basales, normales,  no es perjudicial para la biología de la célula β y que solamente los incrementos  patológicos como los observados en la diabetes causan disfunción y muerte  de la célula β.

En conclusión, en las células β del páncreas, la TXNIP controla la expresión  de microARn, la función y la producción de insulina. Los niveles elevados  de TXNIP inducen la apoptosis de células β, mientras que la deficiencia de TXNIP  protege contra la diabetes tipo 1 y tipo 2 promoviendo la supervivencia de la célula β.

Fuente: Shalev A (2014). Thioredoxin-interacting protein: regulation and function in the pancreatic β-cell.  Molecular Endocrinology 28: 1211-1220.

Acciones de los andrógenos en el ovario

Tradicionalmente los andrógenos han sido considerados perjudiciales para la función del ovario y a menudo  asociados con la infertilidad femenina.  Sin embargo, con el desarrollo de modelos  animales y de estudios in vivo e in vitro así como reportes clínicos se ha  establecido un nuevo concepto sobre las acciones de los andrógenos en el desarrollo y la función  de los folículos ováricos. En consecuencia, se acepta actualmente  que existe un balance crítico entre la esencialidad de los andrógenos en el desarrollo folicular normal y los efectos perjudiciales en condiciones de hiper-androgenismo, que regula la fertilidad femenina. Mientras el exceso de andrógenos aumenta el desarrollo folicular y la formación disfuncional de folículos antrales, lo cual   conduce al síndrome de ovarios poliquísticos, los bajos niveles de andrógenos podrían estar asociados  con anormalidades  del crecimiento folicular, baja reserva funcional ovárica  e insuficiencia ovárica primaria.

La idea de que los andrógenos  pueden regular el desarrollo folicular surgió en la década de los años noventa del siglo XX con los estudios sobre la expresión del receptor de andrógenos (AR) en las células foliculares. Los estudios con diversas especies animales reportaron que  el AR  es expresado  en las células tecales, las células granulosas y el oocito del folículo a través de la mayoría de los estadios del desarrollo folicular.  Los patrones de expresión de AR pueden variar entre los diferentes tipos de células del folículo. En la mayoría  de especies, el AR es abundante  en los estadios  pre-antral/antral del desarrollo folicular pero disminuye  cuando el folículo evoluciona  al estadio pre-ovulatorio.  En la mujer, el AR es expresado  en regiones específicas del folículo en todos los estadios de desarrollo a partir de folículo primordial. Sobre la base de los patrones de expresión de AR se ha sugerido  que los andrógenos, a través de un efecto autocrino/paracrino, pueden regular  diferencialmente  todos los estadios del desarrollo folicular. Qué regula  la expresión de AR  en el folículo, es algo que aún no se conoce exactamente.  Los estudios en primates demostraron  que los andrógenos (testosterona) en un asa de retroalimentación positiva incrementan la expresión  de AR en las células tecales y granulosas  de los folículos pre-antrales, mientras que los estudios en ratas demostraron que la expresión de AR es regulada por el desarrollo folicular. En términos generales, se acepta que en la medida que el folículo crece  del estadio pre-antral al estadio antral/pre-ovulatorio, la expresión de AR disminuye y también que el receptor esteroidal dominante en el folículo cambia de AR a receptor de estrógenos (ER).

En roedores, el tratamiento con andrógenos aumenta el desarrollo pre-antral del folículo ovárico incrementando la proliferación  de células granulosas y atenuando la atresia folicular.  Más aún, en  estudios in vitro se demostró que la presencia de andrógenos  incrementa significativamente  el diámetro de los folículos inmaduros y aumenta el desarrollo de los folículos pre-antrales.  Por otra parte, la administración de testosterona estimula la transición  de folículo primario a folículo secundario al tiempo que incrementa  el número de folículos  ovulatorios. En monos, la administración de andrógenos inicia el reclutamiento  de folículos, estimula los estadios iniciales del crecimiento folicular e incrementa el número de folículos en crecimiento. En todos estos estudios  se demostró que los efectos androgénicos observados  podían ser bloqueados  con anti-andrógenos. Sin embargo, a pesar de todos estos datos,  se mantiene la pregunta  acerca de sí las acciones reportadas son la consecuencia de acciones directas de los andrógenos vía AR o si son debidas  a la aromatización de los andrógenos en estrógenos.

Inicialmente, se manejaba el concepto que los andrógenos afectan la función ovárica bien funcionando como precursores  de la esteroidogénesis, específicamente por la aromatización  en estrógenos;  o bien con efectos indirectos mediados por el eje hipotálamo-hipófisis o por tejidos metabólicos. Más tarde, con el desarrollo de modelos de ratones hembras ARKO (AR knockout), se estableció la importancia de la acción directa de los andrógenos a través del AR en la reproducción normal femenina. Específicamente, en las células granulosas, la actividad de los andrógenos  regula la progresión  del folículo del estadio pre-antral al estadio antral. En ausencia de AR funcional, los folículos pre-antrales no progresan a folículos que pueden ovular y producir cuerpo lúteo sino que se vuelven atrésicos. Después de dos décadas de investigaciones, la noción que prevalece es que los andrógenos son esenciales en los estadios  iniciales del desarrollo folicular y no simples precursores de la esteroidogénesis  en los estadios finales  de la foliculogénesis. Los andrógenos  a través del AR regulan directamente el crecimiento  de folículos pre-antrales, previenen  la atresia folicular y están involucrados en la formación de folículos antrales.  Los andrógenos también están involucrados en el reclutamiento de folículos primordiales así como en el proceso de ovulación.  Cómo los andrógenos afectan el reclutamiento de folículos primordiales y si esto es una respuesta primaria o secundaria a los andrógenos son preguntas aún abiertas.

Si bien el conocimiento sobre los efectos fisiológicos de los andrógenos durante el desarrollo folicular ha crecido significativamente, el conocimiento sobre los mecanismos que subyacen a las interacciones andrógeno-AR  es aún limitado. Las funciones  de los andrógenos son mediadas  por acciones nuclear/genómica o extranuclear/no genómica del AR. Recientemente se ha encontrado que los andrógenos pueden promover la señal Erk vía transactivación, mediada por metaloproteinasas de matriz (MMP), del receptor del factor de crecimiento epidermal (EGFR). Este hallazgo ha dado origen al interesante concepto que, fuera del núcleo, las acciones de los andrógenos son muy similares a las de los factores de crecimiento. La proteína paxillina (PXN), tradicionalmente relacionada con la remodelación del citoesqueleto, es un mediador de la activación de Erk inducida por los andrógenos.  Más aún, la PXN sirve como enlace entre la señal extranuclear y la transcripción nuclear en la respuesta a los andrógenos. Otro estudio reciente reporta que los efectos fisiológicos  de los andrógenos  pueden involucrar la interacción sinérgica entre las señales nuclear y extranuclear del AR.  Los andrógenos, a través de las acciones nucleares y extranucleares del AR reguladas por la PXN, inducen la expresión  de un micro ARN (miR-125b) que disminuye las proteínas pro-apoptosis, contribuyendo de esta manera  a la supervivencia folicular inducida por los andrógenos. Sobre la base de estas observaciones, se ha propuesto que en condiciones normales en el ovario, los andrógenos pueden mantener un cierto nivel de expresión de miR-125b, esencial para la preservación de un balance entre la supervivencia folicular y la atresia.

Un estudio reciente con folículos antrales pequeños de mujer  reporta una correlación positiva entre los niveles de ARNm de AR y de receptor  de hormona estimulante del folículo (FSHR) en el líquido folicular. Más aún, se ha encontrado que los andrógenos  inducen la expresión de ARNm de  FSHR durante la progresión de folículo pre-antral a antral  en varios modelos animales, incluyendo primates.  A pesar de algunas diferencias, todos los estudios  sugieren  que la estimulación con andrógenos aumenta la sensibilidad  folicular hacia las acciones de la FSH incrementando los niveles de FSHR, lo cual potencialmente contribuye al crecimiento folicular. A su vez, el incremento en los niveles de FSHR, inducido por AR, modula las acciones fisiológicas  del FSHR. Por ejemplo, la FSH estimula la expresión de aromatasa, una enzima clave en la biosíntesis  de estrógenos a partir de los andrógenos.  Por lo tanto, los andrógenos  pueden modular indirectamente la actividad de la aromatasa de dos maneras: incrementando la expresión de FSHR y por consiguiente aumentando la acción  de la FSH, y también como sustrato de la síntesis de estrógenos.  La actividad  de los andrógenos sobre las acciones inducidas por la FSH puede también aumentar los niveles intracelulares de AMPc, un mediador de la señal FSH necesario para la proliferación y diferenciación  de las células foliculares.

Los andrógenos, a través  del AR, pueden regular la expresión y la acción  de factores de crecimiento durante los diferentes estadios del crecimiento folicular.  En ovarios de primates, el tratamiento con andrógenos aumenta significativamente  la expresión de factor de crecimiento insulinosimil 1 (IGF1) y de IGF1R. Por otra parte, la dihidrotestosterona ha demostrado aumentar la proliferación  de células granulosas inducida por IGF1 potenciando los efectos mitogénicos del GDF9 secretado por el oocito. Adicionalmente, el factor similar a insulina 3 (INSL3), un factor de crecimiento derivado de las células tecales, aumenta la producción de testosterona y promueve el crecimiento folicular, una acción mediada por el GDF9. Estos hallazgos  sugieren que los andrógenos están involucrados  en el crecimiento de folículos pre-antrales inducido por GDF9 e INSL3. Todas estas observaciones indican que el sistema de factores de crecimiento intra-ovárico juega un papel esencial en el desarrollo folicular, regulado por las acciones andrógeno/AR.

En el desarrollo folicular se han identificado varios genes inducidos por AR. 1. El ligando Kit (Kitl), localizado en el oocito, y su receptor Kit, localizado en las células granulosas, representan un blanco directo de la señal de los andrógenos. 2. Como ya se ha mencionado, los andrógenos a través de las acciones nucleares y extranucleares del AR, inducen la expresión  de miR-125b. 3. Un estudio reciente ha demostrado que durante el proceso de la ovulación la ruta andrógeno-AR juega un rol en el último estadio de la foliculogénesis a través de la inducción de los genes de ciclooxigenasa 2 (Cox2) y anfirregulina (Areg). Este  hallazgo sugiere que los andrógenos, producidos por el pico de hormona luteinizante (LH) en el ciclo mentrual  pueden estar involucrados  en el proceso de ovulación regulando directamente la expresión y acción  de  los genes de Cox2 y Areg. 4. La proteína p21  es conocida por su rol en la luteinización de las células granulosas  y también es conocido que el AR regula la expresión de su gen. 5.  El LRH1 (liver receptor homolog) expresado exclusivamente en las células granulosas en todos los estadios del desarrollo folicular, tiene la capacidad  para activar la transcripción  de enzimas esteroidogénicas como la aromatasa. Un estudio reciente ha demostrado que la testosterona estimula la expresión  de un receptor aril hidrocarbonado, el cual  forma un complejo  con el AR en el promotor del gen LHR1.

En los últimos años ha ganado popularidad el uso de andrógenos, específicamente la suplementación con DHEA, en mujeres con  baja reserva  ovárica funcional (LFOR).  Hay evidencia  de que los niveles de andrógenos  son bajos en las mujeres con LFOR, independientemente de la edad o de envejecimiento ovárico prematuro. Al respecto, se ha propuesto la hipótesis que esta disminución del  nivel de andrógenos es, al menos parcialmente, debida a una insuficiencia adrenal en la producción de andrógenos. La posibilidad de que la suplementación con DHEA pueda afectar beneficiosamente a las mujeres con LFOR fue sugerida en una serie de estudios  de fertilización in vitro que reportaron  mejoría en la calidad del embrión  y en la tasa de embarazo.  Sobre la base de estos estudios, se acepta que la DHEA es metabolizada  en testosterona y que los efectos positivos de la suplementación con DHEA  son mediados a través  del AR. La testosterona, a través del AR, promueve el crecimiento y la supervivencia de los folículos pre-antrales e incrementa la sensibilidad hacia las acciones de la  FSH, lo cual  aumenta el número de folículo antrales. Sin embargo, no todas las mujeres responden bien a la suplementación con DHEA. Algunas mujeres no convierten adecuadamente la DHEA en testosterona, un fenómeno aparentemente asociado con la edad avanzada.

En conclusión, el desarrollo de modelos de ratones hembras ARKO conjuntamente con estudios in vivo e vitro han establecido la importancia de los andrógenos, y sus acciones mediadas por el AR, en la fertilidad femenina normal.  Los andrógenos a través del receptor de andrógenos regulan directamente el crecimiento de folículos pre-antrales, previenen la atresia folicular y están involucrados en la formación de folículos antrales. Los andrógenos también juegan un rol en el reclutamiento de folículos primordiales y en el proceso de ovulación.  Adicionalmente, los andrógenos  estimulan la expresión de enzimas esteroidogénicas y sirven como precursores de los estrógenos.

Fuente: Prizant H et al (2014). Androgen actions in the ovary: balance is key.  Journal of Endocrinology 222: R141-R151.

Circuitos sensores de glucosa

La detección de la hipoglucemia por sensores periféricos y del sistema nervioso central  involucra un complejo  circuito  que incorpora señales  tanto periféricas como centrales. Los sensores de glucosa localizados  en cada una de estas regiones  juegan un papel único en la detección  de la hipoglucemia, la cual, al menos en parte,  depende de la tasa  de caída de los niveles sanguíneos de glucosa. Los sensores localizados en el cerebro, particularmente  aquellos localizados  en el hipotálamo ventromedial (HVM) dominan cuando  los niveles de glucosa caen rápidamente. Se piensa  que esto puede servir  como mecanismo de protección para prevenir una depleción súbita y potencialmente catastrófica  de combustible para el cerebro. Por otra parte,   se postula que los sensores de glucosa  localizados en la vena porta mesentérica (VPM)  son más importantes  para la detección   de las disminuciones graduales en los niveles sanguíneos de glucosa. Aparentemente,  los sensores centrales y periféricos  operan independientemente unos de otros de manera que las lesiones de los sensores VPM  no influyen  en la capacidad de los sensores   centrales para detectar la hipoglucemia de inicio rápido. Esto implica que estos dos sensores de hipoglucemia  pueden ejercer  roles diferentes  en la sensación y contrarregulación de glucosa y que ellos no son simples mecanismos redundantes. Las señales de hipoglucemia de los sensores VPM  que son transmitidas al sistema nervioso central usan rutas  centrales que son independientes  de las usadas por los centros hipotalámicos.  En este sentido, desde hace algún tiempo se habla de   un circuito entre  los sensores VPM, el cerebro y el sistema simpatoadrenal.  

Experimental se ha demostrado que la desnervación  de la VPM bloquea las respuestas contrarreguladoras  de la hipoglucemia de inicio lento y esto fue asociado con  una sustancial reducción  en la actividad de los centros del  cerebro anterior incluyendo al área postrema, el núcleo del tracto solitario y el complejo  motor dorsal del vago, los cuales reciben proyecciones  de la VPM. Por otra parte,  las lesiones de las aferentes espinales mediante ganglionectomía  celíaca-mesentérica superior también reducen las respuestas de las hormonas contrarreguladoras de  la hipoglucemia  de inicio lento, y esto fue asociado con una reducción en la actividad de los mismos centros  del cerebro anterior. Por el contrario, la vagotomía subdiafragmática total no afecta las respuestas hormonales. Estos datos sugieren que las señales hipoglucémicas detectadas por los sensores de glucosa de la VPM son conducidas al sistema nervioso central por aferentes espinales y no a través de las rutas  aferentes vagales.  Ninguna de estas lesiones  afectó las respuestas  contrareguladoras de la hipoglucemia de inicio rápido, lo cual apoya  la hipótesis  que propone que  la tasa de caída  de glucosa ejerce efectos diferenciales  sobre la capacidad de los sensores periféricos y centrales para detectar y responder  a la hipoglucemia.  Una vez activados, los centros del cerebro anterior se comunican  a través de neuronas  catecolaminérgicas que  se proyectan a varios  núcleos hipotalámicos, para regular  las respuestas neuroendocrinas, así como  también a  redes del sistema nervioso autónomo  para aumentar la liberación de las  hormonas contrarreguladoras. Estas conexiones  son cruciales  para transmitir las señales  que  disparan la función hipotalámica-hipofisiaria y la regulación de la ingesta de alimentos, pero el rol  de estas proyecciones en promover la contrarregulación  de la hipoglucemia no es muy claro. 

Las proyecciones catecolaminérgicas del cerebro anterior al HVM son aumentadas por la hipoglucemia, pero la necesidad  de estos impulsos neurales para el inicio  de las repuestas contrarreguladoras no ha sido establecida. La pérdida  sustancial de  las neuronas catecolaminérgicas del cerebro anterior no afecta significativamente  las respuestas contrarreguladoras a la hipoglucemia de inicio rápido, lo que sugiere que  la mayoría de los mecanismos sensores requeridos para detectar la hipoglucemia de inicio rápido están localizados en el HVM. Por otra parte, durante las caídas más lentas de la glucemia, el núcleo paraventricular del hipotálamo sirve como centro regulador de las señales  derivadas de los sensores periféricos  de glucosa.   Se especula que las neuronas catecolaminérgicas que se proyectan al HVM pueden proporcionar impulsos facilitadores adicionales para  disminuir la liberación  de GABA durante la hipoglucemia de inicio lento. Sin embargo, esto aun no ha sido establecido definitivamente. 

El establecimiento  de sensores que detectan una caída gradual  en la glucosa sanguínea (como en el ayuno) es importante desde una perspectiva evolucionista, por eso es sorprendente que estos dos sistema operen completamente independientes  uno del otro. Sin embargo, es posible que los sensores de glucosa VPM y HVM se comunique uno con el otro a través de  circuitos centrales y respondan  a la disminución de los niveles de glucosa  dentro de un amplio rango de mecanismos. Los impulsos catecolaminérgicos, por lo tanto, pueden ser un vínculo comunicacional crucial entre los dos sistemas.  Como los niveles circulantes de glucosa caen más rápidamente  que los niveles de glucosa en el sistema nervioso central, es posible  que los sensores  PVM puedan proporcionar el impulso inicial  al cerebro, lo cual ayuda  a prepararlo  para un caída mayor en la glucosa. Si los niveles de glucosa del cerebro continúan disminuyendo, o disminuyen más rápidamente, los centros hipotalámicos pueden proporcionar  impulsos adicionales  a los centros del sistema nervioso autónomo para aumentar las respuestas contrarreguladoras.

En resumen, la hipoglucemia de inicio rápido es detectada  por mecanismos  sensores de glucosa en el hipotálamo ventromedial, el cual a su vez estimula al sistema nervioso autónomo para aumentar la liberación de hormonas contrarreguladoras. La hipoglucemia de inicio lento es detectada por los sensores de glucosa de la vena porta mesentérica, y estas señales son transmitidas  a través de aferentes espinales a los centros catecolaminérgicos del cerebro anterior  donde son integradas. Las neuronas catecolaminérgicas se proyectan núcleo paraventricular del hipotálamo donde activan  centros neuroendocrinos y del sistema nervioso autónomo para estimular las respuestas hormonales contrarreguldoras. Adicionalmente,  las neuronas catecolaminérgicas se pueden proyectar   a los terminales GABAérgicos del hipotálamo ventromedial para proporcionar impulsos adicionales que reducen la liberación de GABA durante  la hipoglucemia de inicio lento.  

Fuente: Chan O y Sherwin RS (2014).  Is there cross talk between portal and hypothalamic glucose-sensig circuits? Diabetes 63: 2617-2619. 

Regulación del metabolismo de la glucosa por el sistema  grelina

La grelina es un péptido de 28 aminoácidos secretado principalmente por las células X/A del estómago y que fue descubierto como ligando endógeno del receptor  de secretagogo de hormona del crecimiento (GSHR). La molécula de grelina posee una modificación post-translacional  donde un ácido n-octanoico  es esterificado en el residuo serina 3 del péptido, la presencia de un ácido graso en la cadena lateral  adherida al péptido  es requerida para el agonismo completo del GSHR. La acilación de la grelina ocurre antes de su secreción y es catalizada por la enzima grelina O-aciltransferasa (GOAT).  La grelina acilada (AG) tiene potentes efectos orexigénicos y adipogénicos que son mediados a través  del GHSR localizado en el sistema nervioso central. Además de su expresión en áreas  que regulan la homeostasis energética,  la grelina y su receptor son expresados en las células de los islotes pancreáticos, lo que sugiere que  puede tener acción paracrina o autocrina en el páncreas.  El rol biológico de la grelina des-acilada (dAG) ha sido cuestionado debido a la carencia de un receptor conocido. Sin embargo, la evidencia acumulada  sugiere  que tanto la dAG como la AG tienen acción glucorreguladora en diferentes especies. El sistema grelina consiste de dAG, AG, GSHR y GOAT. 

La grelina y el GSHR son expresados en los islotes pancreáticos   de humanos, ratas y ratones desde la gestación temprana  hasta la vida adulta. La grelina   es expresada en células α, células β y  células ε. La presencia de un alto número de células ε, que expresan grelina,  en los islotes embrionarios sugiere que podrían  modular la secreción de otras hormonas pancreáticas para prevenir la hipoglucemia en el período fetal. Más aún, la presencia de GOAT en el páncreas fetal  sugiere que la acilación de grelina  puede ocurrir en las células pancreáticas.  En roedores, la expresión pancreática de grelina es más alta antes del nacimiento y disminuye lentamente después del nacimiento, mientras que la expresión gástrica del gen de grelina aumenta rápidamente después del nacimiento y disminuye lentamente  con la edad. Estos datos sugieren  que la grelina  pancreática tiene  un rol más predomínate  en la regulación del metabolismo de la glucosa  en los primeros estadios de la vida. En las células β del páncreas, la AG actúa a través  de la señal Gα12 para reducir la acumulación  de AMPc  y por consiguiente inhibir la secreción de insulina. Por otra parte, las condiciones que alteran  los niveles circulantes de AG,  como el ayuno y la alimentación, pueden modular el efecto  de la AG sobre la secreción de insulina a través de la interacción de la AG  con la somatostatina.  Además de regular la secreción de insulina, la AG incrementa la secreción de glucagón. Este efecto es mediado, en parte,  a través del aumento  intracelular de Ca2+. La dAG fue caracterizada inicialmente  como un producto inactivo de la secreción y degradación de la grelina debido a que no actúa como un agonista completo del GSHR. Sin embargo, a pesar de esta caracterización inicial, varios estudios han reportado acciones de la dAG sobre los islotes pancreáticos independientes de GSHR. Por ejemplo, la dAG promueve la secreción de insulina en células HIT-T15 que carecen  de GHSR. También hay evidencia de que la dAG  sola no regula la función de las células de los islotes pancreáticos sino que actúa  antagonizando  la acción inhibitoria de la AG sobre la secreción de insulina. El receptor que media esta acción de la dAG es aún desconocido y aunque  se acepta mayoritariamente que la dAG  no se une ni activa  al GSHR, hay estudios  que demuestran que la dAG  puede actuar como agonista completo  del GSHR humano en concentraciones del rango nanomolar  a micromolar. 

El efecto de la AG sobre los niveles de glucosa e insulina en ayunas en humanos es aun materia de debate. Algunos investigadores no han encontrado cambios mientras otros  han reportado que la AG incrementa la glucemia y disminuye los niveles plasmáticos de insulina.  La infusión de concentraciones fisiológicas  de AG atenúa la secreción de insulina  sin alterar la sensibilidad de los tejidos a la insulina. En condiciones de clamp hiperinsulinemico-euglucémico, la AG regula la acción de la insulina en los tejidos periféricos. Por otra parte, la administración aguda de dosis fisiológicas y farmacológicas  de AG inhibe la secreción de insulina inducida por glucosa, pero se requieren  dosis suprafisiológicas para disminuir la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad de los tejidos  a la insulina. Los efectos a largo plazo de la AG sobre el metabolismo d ela glucosa no están bien definidos. 

Los efectos de la dAG sobre el metabolismo de la glucosa en humanos  no han sido  estudiados extensamente y la literatura  sobre la acción de la dAG en humanos es muy inconsistente y puede depender de las dosis utilizadas, las poblaciones de sujetos estudiadas y el tiempo de infusión. Durante la infusión i.v. la AG es des-acilada a dAG, lo cual es importante tener presente para entender las posibles acciones de la dAG. También es importante saber que la dAG tiene una tasa de aclaramiento más lenta que la AG. La administración aguda de dAG en sujetos sanos no altera los niveles de glucosa e insulina en ayunas, mientras que cuando es co-administrada con AG, la dAG actúa  aboliendo la acción inhibitoria  de la AG  sobre los niveles de insulina. Los efectos a largo plazo de la dAG y cómo interactúa  con la AG para regular el metabolismo de la glucosa  son temas que requieren más investigación.

Los niveles endógenos de grelina aumentan durante el ayuno o la restricción calórica. Más aún, la grelina exógena estimula la secreción  de las cuatro hormonas contrarreguladoras  de la insulina (hormona de crecimiento, cortisol, adrenalina  y glucagón)  y por lo tanto ha sido implicada  en el mantenimiento  de la glucemia en los estados de balance energético negativo. Por otra parte, la grelina, además  de los efectos directos, puede suprimir indirectamente la secreción de insulina vía señal neural.  El GHSR ha sido identificado  en neuronas parasimpáticas preganglionares  y en el tallo cerebral donde la grelina  activa rutas que controlan  la actividad nerviosa simpática y parasimpática.  Para muchos de los efectos fisiológicos de la AG se requiere de un nervio vago intacto.  En humanos, la administración de AG incrementa los niveles plasmáticos de adrenalina, lo que sugiere que  la AG media  una respuesta simpática que podría afectar  la secreción pancreática de insulina. En contraposición con la administración periférica, la administración i.c.v.  de AG incrementa los niveles de insulina en ayunas en roedores. Los mecanismos centrales  que median la acción estimuladora   de la AG sobre la secreción de insulina no han sido identificados.  Más aún, no está claro porque la AG tiene una acción inhibitoria sobre la secreción de insulina en la periferia, mientras ejerce una acción estimuladora cuando  es administrada centralmente. Con relación a los efectos centrales de la dAG sobre la homeostasis de la glucosa, los datos son muy limitados. Un estudio reciente reporta que la administración i.c.v.  de dAG en ratones incrementa la secreción de insulina a través de un mecanismo dependiente de GHSR. 

La liberación postprandial de péptido glucagonoide 1 (GLP1) estimula la secreción de insulina a través del incremento de los niveles de AMPc y Ca2+ en las células β del páncreas. La AG inhibe la secreción de insulina porque suprime el incremento intracelular de Ca2+  inducido por la glucosa. Por tanto, se ha propuesto  que la AG puede  contrarrestar la acción  estimuladora del GLP1 sobre la secreción de insulina. La relevancia clínica de este hallazgo  fue examinada en un estudio del síndrome de Prader-Willi, una enfermedad congénita  asociada con hiperfagia, diabetes mellitus tipo 2 y niveles elevados de grelina. En sujetos sanos, la administración de grelina acelera el vaciamiento gástrico e incrementa la secreción de GLP1 al ingerir comida. Estos datos sugieren  que el GLP1 y la grelina interactúan entre sí a nivel del páncreas para regular la función de las células de los islotes.

La cirugía bariátrica  es de las maneras más efectivas maneras de reducir peso corporal y mejorar el metabolismo de la glucosa  en sujetos obesos. Los estudios comparativos de los dos procedimientos bariátricos  más comunes: el “bypas” gástrico  y la gastrectomía vertical han proporcionado resultados  similares con ambos procedimientos. Los dos procedimientos producen similares beneficios metabólicos a través de rearreglos muy diferentes de la anatomía gastrointestinal. Los estudios con roedores y humanos han demostrado  que ambos procedimientos quirúrgicos producen una mejoría del control glucémico, la cual ocurre  antes de la reducción significativa en el peso corporal y la adiposidad, lo que sugiere  que además de la pérdida de peso hay otros factores involucrados.  Una característica común de los dos procedimientos  es que previenen  el contacto de los nutrientes con las células productoras de grelina en el estómago. Diversos estudios  han reportado una reducción de 20-30%  en los niveles circulantes de grelina en ayunas en los pacientes con gastrectomía vertical, los cuales,  además de la mejoría  en el metabolismo de la glucosa, tienen reducción del peso corporal y de la adiposidad. 

En conclusión, las dos isoformas de la grelina en la circulación  tienen acciones distintas en el metabolismo d ela glucosa. La mayoría de reportes  demuestran que la AG tiene un efecto inhibitorio  sobre la secreción de insulina y la captación de glucosa cuando es administrada periféricamente. Los efectos de la dAG  sobre la función de las células β  son menos claros. Algunos estudios  sugieren que la dAG  no tiene efecto, mientras otros indican  que la dAG puede estimular la secreción de insulina  y mejorar la tolerancia a la glucosa.  Los principales efectos de la grelina están relacionados  con mecanismos   protectores contra el ayuno: acción orexigénica que promueve la ingesta de alimentos, estimulación de la secreción de hormona de crecimiento para promover la lipólisis y restricción de la captación  periférica de glucosa; así como  inhibición de la secreción de insulina para prevenir la hipoglucemia. 

Fuente: Heppner KM y Tong J (2014). Regulation of glucose metabolism by the ghrelin system: multiple players and multiple actions.  European Journal of Endocrinology 171: R21-R32.  

Regulación metabólica de la secreción de insulina

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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