19.6.3 Insulina

A regulação da secreção de glucagon durante a hipoglicemia é complexa, envolvendo a participação de diversos fatores. É estimulada por adrenalina, também liberada nessa condição, e que inibe a secreção de insulina; a glicose, direta ou indiretamente, por ação mediada por insulina, inibe a secreção de glucagon. Estes fenômenos ilustram a oposição funcional entre glucagon (e adrenalina) e insulina. No diabetes, estes mecanismos de controle estão alterados: a secreção de glucagon diminui na hipoglicemia e permanece elevada na hiperglicemia.

 

19.6.3 Insulina

A insulina é uma proteína pequena, formada por 51 aminoácidos organizados em duas cadeias polipeptídicas ligadas por pontes dissulfeto

(Figura 19.10). É secretada pelas células β das ilhotas de Langerhans do pâncreas, em resposta à hiperglicemia, e tem efeitos metabólicos

antagônicos aos do glucagon e da adrenalina (Tabela 19.3). Os níveis de insulina e glucagon sofrem uma alternância periódica estritamente regulada

(Figura 21.1). Na deficiência de insulina, como no diabetes tipo 1, os níveis de glucagon aparecem sempre muito elevados.

A insulina liga-se a seu receptor na superfície celular, desencadeando cascatas de sinais que regulam muitos processos celulares.

 

Níveis altos de insulina provocam diminuição do número de seus receptores

Há uma relação inversa entre a concentração plasmática de insulina e o número de seus receptores. Como acontece com outros hormônios que se

ligam a receptores na superfície celular (Seção 19.4), esta regulação é mantida por endocitose do complexo insulina-receptor, seguida por proteólise da insulina e de parte dos receptores, e pelo retorno do restante deles para a membrana. Na ausência do hormônio, os receptores são sintetizados, restabelecendo a sua quantidade normal. Quando o nível de insulina é mantido alto, a recomposição dos receptores não se completa e, a longo prazo, verifica-se uma diminuição do número de receptores. É o que ocorre no diabetes tipo 2, em que há uma diminuição da resposta celular à insulina, frente aos níveis aumentados do hormônio.

 

Figura 19.10 Estrutura da insulina humana. A insulina é sintetizada como única cadeia polipeptídica, contendo mais 24 aminoácidos ligados ao resíduo B1 e 35 aminoácidos ligando B30 a A1. Por ação de enzimas hidrolíticas, estes segmentos são eliminados, restando as duas cadeias unidas por pontes dissulfeto que constituem a forma funcional do hormônio.

 

O receptor da insulina tem atividade de proteína quinase

O receptor de insulina está presente na membrana plasmática de todas as células de mamíferos, em quantidades que variam de algumas poucas dezenas em hemácias até milhares em hepatócitos e adipócitos. É uma glicoproteína constituída por duas subunidades α e duas β, ligadas por

pontes dissulfeto (Figura 19.11).

Figura 19.11 O receptor de insulina é uma proteína transmembrana formada por quatro subunidades (α 2β2), unidas por pontes dissulfeto (cada uma representada por duas pequenas esferas unidas). A ligação do hormônio se dá nas subunidades α; os segmentos internos das subunidades βcontêm diversos resíduos de tirosina (Tyr) passíveis de autofosforilação (a figura mostra somente um destes resíduos em cada subunidade β).

 

As subunidades α situam-se extracelularmente e as subunidades β atravessam a membrana plasmática. A porção citoplasmática das subunidades β apresenta atividade de proteína quinase, específica para resíduos de tirosina — tirosina quinase — e contém resíduos de tirosina suscetíveis à fosforilação. A ligação da insulina às subunidades α ativa as subunidades β, que catalisam a fosforilação cruzada daqueles resíduos, ou seja, uma subunidade β fosforila tirosinas da outra subunidade β — ο

receptor de insulina funciona como a glicogenina (Seção 13.1), por constituir-se em enzima e substrato.

A autofosforilação do receptor faz aumentar sua atividade intrínseca de tirosina quinase, o que desencadeia a fosforilação em cascata de uma série de proteínas sinalizadoras, muitas das quais são também proteína quinases — são acionadas diferentes vias de transdução de sinal, responsáveis pelos múltiplos efeitos da insulina, que incidem em processos tão diversos quanto o transporte de metabólitos, a regulação do metabolismo e a proliferação e a diferenciação celulares; em relação à homeostase de glicose, promove a tomada de glicose pelos tecidos periféricos (músculos e tecido adiposo) e suprime a síntese de glicose no fígado.

 

A via da PI3K é uma das principais vias de sinalização da insulina

Na via da fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K, de Phosphatidylinositol 3-

Kinase) (Figura 19.12), o receptor, na presença de insulina, sofre autofosforilação e liga-se a proteínas denominadas IRS (de Insulin Receptor Substrates). IRS pertencem à família das chamadas proteínas adaptadoras, que apresentam a propriedade de se ligar aos resíduos fosforilados de tirosina do receptor. O receptor, então com a atividade de tirosina quinase estimulada, fosforila IRS. As proteínas adaptadoras, quando fosforiladas, funcionam como adesivos moleculares, recrutando os demais componentes intracelulares da cascata de sinalização e conectando-os ao receptor ativado na superfície celular. Um destes efetores é a lipídio quinase que empresta seu nome à via — fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K) —, que se associa aos resíduos fosforilados de tirosina de IRS e se torna estimulada. A enzima introduz um grupo fosfato no carbono 3 do anel inositol do fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP 2), o fosfolipídio da membrana plasmática mostrado na

Figura 19.7 a, convertendo-o em fosfatidilinositol 3,4,5-trisfosfato (PIP 3).

O aumento da concentração de PIP3 cria, em regiões restritas da membrana, ancoradouros moleculares para proteínas que, na ausência da insulina, encontram-se dispersas no citosol. Várias proteínas sinalizadoras têm domínios que se ligam especificamente a este fosfoinositídio. Da união com PIP , resultam a ativação e a aproximação dessas proteínas, que se 3

organizam em complexos sinalizadores que atuam coordenada e sequencialmente.

Figura 19.12 Via de transdução de sinal da fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K). Na presença de insulina, o receptor é estimulado e adiciona grupos fosfato ( ℗) a resíduos de tirosina de suas subunidades β. A proteína adaptadora IRS liga-se a estes resíduos e é fosforilada pelo receptor. Uma vez nesta forma, IRS associa-se a PI3K, que se torna ativa e converte PIP2 em PIP3. Duas proteína quinases citosólicas ancoram-se nas moléculas de PIP3: PDK e PKB. A união a PIP 3aproxima as quinases e estimula PDK, que fosforila PKB, ativando-a. PKB, então, passa a atuar sobre os diversos processos celulares controlados por insulina: o metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas, a expressão gênica e o transporte de glicose.

 

Uma proteína importante estimulada por ligação a PIP é a proteína 3 quinase dependente de fosfoinositídio (PDK, de Phosphoinositide-dependent Kinase). PDK fosforila, e estimula, algumas proteína quinases, das quais se destaca a proteína quinase B (PKB). PKB é uma proteína quinase específica para resíduos de serina e treonina, assim denominada por guardar semelhanças com a proteína quinase A (PKA) e a proteína quinase

C (PKC) em mamíferos; é também chamada de Akt2. PKB tem atuação ampla e diversificada: além de ser ativada em diversos cânceres humanos, efetua o acoplamento de sinais extracelulares e o metabolismo.

 

A insulina interfere na fosforilação e na síntese de enzimas

A insulina foi purificada em 1922 e, a despeito de intensa investigação ao longo de 90 anos, o mecanismo da sua atuação permanece controverso. As respostas fisiológicas à insulina, tais como o controle do metabolismo, da transcrição gênica e da síntese proteica, além do transporte de glicose e aminoácidos, poderiam ser devidas a modificações no estado de fosforilação e, consequentemente, no funcionamento de proteínas efetoras. Admite-se que a proteína quinase B (PKB), o componente final da via da

PI3K (Figura 19.12), seja capaz de mediar a maioria dos efeitos metabólicos da insulina.

Os eventos de fosforilação catalisados pela PKB convergem para a predominância das formas desfosforiladas de enzimas, porque alguns de seus substratos são:

 

1. fosfoproteína fosfatases, a principal sendo a fosfoproteína

fosfatase-1 (PP-1), que se tornam estimuladas e passam a remover os grupos fosfato de enzimas;

2. fosfodiesterase de cAMP, que é ativada, levando à diminuição do

nível de cAMP e à desativação da proteína quinase dele dependente, a PKA;

3. proteína quinases, como a proteína quinase dependente de AMP

(AMPK — Seção 19.7) e a glicogênio sintase quinase (GSK-3), que são inativadas e deixam de fosforilar enzimas.

 

A glicogênio sintase quinase (GSK-3), em células não estimuladas, é

ativa e catalisa a adição de grupos fosfato a várias enzimas3, inclusive a glicogênio sintase, inibindo-as. Com insulina, PKB fosforila e inativa GSK-3, suspendendo o bloqueio exercido sobre certas vias metabólicas, como a

síntese de glicogênio (Seção 20.1).

Tais ações da insulina fariam prevalecer as formas desfosforiladas de enzimas e explicariam seu antagonismo ao glucagon e à adrenalina. Na realidade, o mecanismo das respostas à insulina é mais complexo e não completamente compreendido.

Além de modificar a atividade enzimática, a insulina determina alterações na concentração de enzimas nos seus tecidos-alvo, em especial nos músculos esqueléticos e cardíaco, tecido adiposo e fígado, por intervenção na transcrição dos genes que as codificam. Conhecem-se, atualmente, mais de uma centena de RNAs mensageiros cuja síntese é regulada por insulina. Um exemplo importante ocorre na interrupção da síntese de glicose no fígado: PKB, a proteína quinase ativada na via da PI3K, fosforila e inativa fatores de transcrição, impedindo a transcrição dos genes de enzimas da gliconeogênese, como fosfoenolpiruvato carboxiquinase e glicose 6-fosfatase; a insulina, então, inibe a gliconeogênese, por desligar a expressão desses genes. Outro nível de atuação da insulina é a tradução de RNAs mensageiros: ela modula a síntese proteica por meio da fosforilação de proteínas ribossomais e de fatores de iniciação e de alongamento. A modulação da expressão gênica por insulina envolve a participação de outras vias de transdução de sinal, além da via da PI3K.

 

A insulina aumenta o transporte de glicose para o interior das células

O transporte de glicose através da membrana plasmática das células de mamíferos é um processo passivo, catalisado por uma família de permeases, denominadas GLUT (de Glucose Transporter) 1 a 14, segundo a ordem de sua descoberta. Estes transportadores diferem quanto à distribuição pelos tecidos, às propriedades cinéticas e à especificidade em relação ao substrato (alguns transferem também outros açúcares); diferem ainda quanto à sensibilidade à insulina.

O grupo mais bem caracterizado de GLUTs compreende GLUT 1 a 4

(Tabela 19.4). GLUT 1, 3 e 4 são proteínas com alta afinidade por glicose. Por exibirem valores de KM menores que a concentração normal de glicose

sanguínea (5 a 8 mM — Figura 21.1 A), são responsáveis pela captação basal do açúcar. GLUT 2 tem baixa afinidade por glicose, contribuindo para a captação de glicose apenas quando a glicemia aumenta, como após as refeições. Das quatro permeases referidas, somente GLUT 4 é dependente de insulina.

GLUT 1 tem distribuição ubíqua, sendo mais abundante em células que obtêm energia exclusivamente a partir de glicose, como hemácias e cérebro; ocorre também em quantidades moderadas no tecido adiposo, músculos e fígado.

GLUT 2 é expresso primariamente nas células β do pâncreas e no fígado. Em hiperglicemia, a velocidade do transporte de glicose por GLUT 2 é diretamente proporcional à concentração do substrato (K muito acima M da glicemia normal), ao passo que os outros transportadores do grupo estão saturados, funcionando em velocidades constantes. Por esta razão, GLUT 2 atua como um sensor de glicose nas células β do pâncreas: no estado pós-prandial, quando a glicemia aumenta, essas células respondem com liberação de insulina. O fígado tem uma situação especial no que se refere à dependência de insulina: embora GLUT 2, que medeia a entrada de glicose, seja insensível ao hormônio, o fígado depende da insulina para a síntese de glicoquinase, sem a qual não pode utilizar a glicose. GLUT 2 transporta também frutose em rins e intestino delgado.

Tabela 19.4 Transportadores de glicose em mamíferos.

Transportador Localização K para glicose (mM) Dependência de insulina M

GLUT 1 Todos os tecidos, abundante 1-5 Não

em cérebro e hemácias

GLUT 2 Fígado, células β do pâncreas, 15-25 Não

rins, intestino delgado

GLUT 3 Cérebro 1-5 Não

GLUT 4 Tecido adiposo, músculos 1-5 Sim

esqueléticos e cardíaco

Concentração normal de glicose sanguínea = 5 a 8 mM.

GLUT 3 é o principal transportador dos neurônios do cérebro. Sua alta afinidade pelo substrato (tem o menor K para glicose) é coerente com a M necessidade de glicose pelo cérebro, garantindo a utilização mesmo quando a glicemia é baixa.

GLUT 4 catalisa o transporte de glicose nos tecidos adiposo e muscular (esquelético e cardíaco), que pode ser aumentado por insulina de 10 a 20 vezes, em poucos segundos. A transferência de glicose para o interior dessas células resulta em diminuição do aumento pós-prandial do nível de glicose plasmática, o efeito mais rápido e marcante da insulina.

A insulina facilita ainda o transporte de aminoácidos para as células, particularmente as musculares.

 

A estimulação do transporte de glicose por insulina é mediada pela via da PI3K

As bases moleculares das atuações da insulina são tão complexas que o conhecimento disponível sobre o seu efeito de aumentar a permeabilidade da membrana plasmática à glicose, descrito há mais de 50 anos, permanece incipiente.

GLUT 4, o transportador de glicose em músculos e tecido adiposo, fica armazenado em vesículas citosólicas que, na presença de insulina, são deslocadas para a membrana plasmática, com a qual se fundem por

exocitose, posicionando GLUT 4 na membrana (Figura 19.12). O estímulo da entrada de glicose deve-se ao maior número de moléculas de GLUT presentes na superfície celular.