La insulina: de la biología a la patología molecular

RAIMUNDO GOBERNA ORTIZ Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Sevilla LECCIÓN INAUGURAL EN LA SOLEMNE APERTURA DEL CURSO ACADÉMICO 1995-96 EN LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA LA INSULINA De la Biología a la Patología Molecular SEVILLA 2015 RAIMUNDO GOBERNA ORTIZ Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Sevilla LA INSULINA De la Biología a la Patología Molecular LECCIÓN INAUGURAL EN LA SOLEMNE APERTURA DEL CURSO ACADÉMICO 1995-96 EN LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Comité editorial: Antonio Caballos Rufino (Director de la Editorial Universidad de Sevilla) Eduardo Ferrer Albelda (Subdirector) Manuel Espejo y Lerdo de Tejada Juan José Iglesias Rodríguez Juan Jiménez-Castellanos Ballesteros Isabel López Calderón Juan Montero Delgado Lourdes Munduate Jaca Jaime Navarro Casas Mª del Pópulo Pablo-Romero Gil-Delgado Adoración Rueda Rueda Rosario Villegas Sánchez © EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA 2015 C/. Porvenir, 27 - 41013 Sevilla. Tlfs.: 954 487 447; 954 487 451; Fax: 954 487 443 Correo electrónico: [email protected] Web: <http://www.editorial.us.es> © RAIMUNDO GOBERNA ORTIZ 2015 ISBNe: 978-84-472-1714-4 Digitalización y realización interactiva: Fernando Fernández. ed-Libros Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información y sistema de recuperación, sin permiso escrito de la Editorial Universidad de Sevilla. Edición digital de la primera edición impresa de 1995 6 11) EL DESCUBRIMIENTO DE LA INSULINA 17 111) EL PÁNCREAS ENDOCRINO. LOS ISLOTES DE LANGERHANS 33 IV) BIOSÍNTESIS DE LA INSULINA 37 IV.1 El gen de la insulina 37 IV.2 La síntesis de la insulina 38 15 INDICE INTRODUCCIÓN 1) V) SECREC IÓN DE LA INSULINA ........................................ 41 V.1 Metabolismo de la célula (3 43 V.2 Actividad bioeléctrica 43 V.3 Mecanismo de la exocitosis 45 7 VI) ACCIÓN DE LA INSULINA 47 VI.1 Efectos sobre el metabolismo 48 VI.l.l Efectos sobre el metabolismo de los glúcidos 48 VI.l.2 Efectos sobre el metabolismo de los lípidos ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 VI.l.3 Acciones sobre el metabolismo de las proteínas 50 VI.2 El receptor de la insulina 51 VI.3 Regulación de la glucemia 54 VII) PATOLOGÍA PRODUCIDA POR LA DEFICIENCIA DE LA INSULINA 63 VII.l Diabetes Tipo 165 VII.l.l Antigeno 64K. Acido glutámico decarboxilasa 67 VII.2 Diabetes Tipo 11 ............................................. 68 VII.2.1 Criterios diagnósticos de la diabetes yla intolerancia a la glucosa 70 VII.3 Hiperinsulinemia y enfermedad cardiovascular 72 VIII) EPíLOGO........ 79 IX) BIBLIOGRAFÍA................................................................ 83 X) AGRADECIMIENTOS....................................................... 93 8 DEDICATORIA AD. Raimundo Goberna Martínez, Casas Ibánez (1909) Médico rural (1940-1979) en Ayelo de Malferit (Valencia) al que debo, enire otras muchas cosas, el haber despertado desde mi infancia la ilusión por la Medicina. A mifamilia. 9 EXCMO. SR. RECTOR MAGNIFICO DE LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA EXCMAS. E ILUSTRISIMAS AUTORIDADES PROFESORES ALUMNOS SEÑORAS Y SEÑORES Con arreglo a venerables, antiguos yarraigados usos de nuestra Comunidad Universitaria y de conformidad con el turno marcado, le corresponde a la Facultad de Odontología llevar la voz en este Acto Solemne de apertura de Curso. El hecho de ser el Catedrático más antiguo que imparte docencia en esta Licenciatura me permite el honor de dirigirme a Vds. desde esta cátedra, regalo de un Ilustrado el Conde de Campomanes a la Universidad de Sevilla en el 2º tercio del siglo XVIII, para pronunciar la Lección Inaugural del Curso 1995/96. 11 La Facultad de Odontología de la Universidad de Sevilla comenzó aimpartir los estudios de la Licenciatura en Octubre de 1989. Al finalizar el Curso que hoy inauguramos egresarán los alumnos de la tercera promoción. Se trata por lo . tanto de una Facultad joven que se ha desgajado de un tronco común, la Facultad de Medicina, que pertenece al grupo de las cuatro más antiguas de nuestra Universidad. Con Departamentos Interfacultativos como eje de la docencia, administrativamente es nueva, pero en realidad los Estudios y Profesores tienen la tradición y la experiencia de los cerca de cinco siglos de historia de la Facultad de Medicina. Es en gran parte del segundo ciclo donde la Licenciatura de Odontología alcanza identidad propia pero incluso aquí tampoco es esencialmente nueva ya que procede de Especialidades Médicas como la Estomatología y la Cirugía Maxilofacial, La Especialidad Médica de Estomatología se materializó en la Universidad de Sevilla como la Escuela de Estomatología desde 1978. Por lo tanto se trata más de una reorganización de estudios existentes que de la creación de .. una Facultad nueva. Esta circunstancia explicaría el alto nivel de su Profesorado y el hecho, para algunos sorprendente, que de una Facultad nueva surjan permanentemente candidatos a los concursos de plazas de Catedrático que convocan otras Universidades. Es precisamente aquí donde la Universidad de Sevilla debería ser consciente, como sin duda me consta lo son las Autoridades Académicas, de que la dotación de Profesorado y la inversión en infraestructura como el Proyecto ya en marcha de la Clínica Odontológica,son las piezas esenciales que pueden convertir la actual Odontología en una Facultad moderna yeficaz que nuestra Comunidad necesita. Finalmente, quiero citar a los Departamentos del Area de la Salud responsables del primer ciclo y parcialmente del segundo, por el interés en la puesta en marcha de esta Licenciatura, al equipo actual de la Facultad de Medicina que favoreció la transición de los estudios, al Profesor Manuel López López como 12 Director de la Escuela de Estomatología, al Profesor Rafael Llamas Cadaval primer Director del Departamento de Estomatología y por último y en gran medida al primer Decano de la Facultad de Odontología Profesor Pedro Bullón Fernández. De todos ellos y de su buen hacer, ha dependido y depende junto a los órganos colegiados que presiden, el impulso que la Facultad de Odontología necesita. 13 Obstetrics" y como es lógico le llamó la atención un artículo firmado por Mases Barran titulado "The relation of the Islets of Langerhans to Diabetes with Special Reference to Cases of Pancreatic Lithiasis". En el trabajo se describía que cuando un calculo obstruye el conducto principal pancreático, el estudio histológico mostraba una desaparición de las células acinares pancreáticas productoras de las enzimas proteolíticas. Por el contrario los islotes parecían intactos. El trabajo publicado en una Revista de Cirugía (posiblemente por el problema de la litiasis descrita) llegó a las manos de Banting, un cirujano general que se había preparado una clase sobre el metabolismo de la glucosa y de esta conjunción de factores apareció la idea. En efecto como relató Banting "Era una de esas noches de Domingo que resulta difícil conciliar el sueño y decidí leer el artículo en cuestión. Antes de dormir escribí en un pequeño cuaderno que tenía en la mesita de noche: "Diabetes. Ligar conductos pancreáticos del perro. Esperar hasta que los acinis degeneren. Intentar aislar la sustancia de la secreción interna". El segundo factor importante fue la recomendación del Profesor Miller, un neurofisiólogo de la Facultad de Western, de ponerse en contacto con el Profesor Macleod de la Facultad de Medicina de Taranta, experto en metabolismo de la glucosa y que ya en 1913 había escrito un capítulo en un libro titulado "Diabetes: Its Pathological Physiology" Macleod yBanting se reunieron en el despacho del primero el 7 de Noviembre. Macleod era un Profesor de prestigio que dedicó unos minutos de cortesía a un cirujano al que no conocía de nada. Pero en los meses siguientes planearon el trabajo, las técnicas quirúgicas para extirpar páncreas, la ... stécnicas bioquímicas para medir glucosa en orina. Macleod presentó a Banting la posibilidad de tener un ayudante en la persona de Charles Best, estudiante de Medicina que recibiría un pequeño sueldo por dedicar su tiempo de verano en algún proyecto de Fisiología. En Mayo Banting examina a los estudiantes de Western, cierra su consulta y se traslada a Taranta. En junio de 1921 comienza los primeros experimentos. 21 Los EXPERIMENTOS DEL VERANO DE 1921 Banting comenzó su trabajo familiarizandose con la técnica de la pancreatectomia yla ligadura de los conductos excretores del páncreas. Utilizaron como animal de experimentación el perro ylos primeros protocolos de fecha 9y 14 de Junio tienen instrucciones directas de Macleod. En Julio alguno de los perros tenía los conductos pancreáticos ligados desde hacía cinco semanas. Banting laparotomiza uno de los perros el día 5 y observa que el páncreas está marcadamente atrofiado. El día siguiente 6 de Julio, abre los siete perros restantes con el conducto ligado y observa que sólo dos tienen la esperada degeneración acinar. El Sábado 30 de Julio deciden hacer los primeros ensayos. Banting extrae el páncreas aparentemente atrofiado del perro 391 que había sido ligado el 7 de Junio y comienza la preparación del extracto utilizando una solución de Ringer fría. El páncreas es homogenizado yfiltrado. Banting yBest inyectan cuatromililitros del extracto vía intravenosa a un terrier blanco y una hora más tarde la glucosa en sangre había . descendido un 400/0. Banting escribe aMacleod que estaba de vacaciones "el extracto tiene un efecto marcado". El experimento se reprodujo el 3 de Agosto. El día 8 de Agosto Banting escribe nuevamente aMacleod "el extracto invariablemente causa reducción de la glucosa". En sus cartas Banting informa sobre Best "su trabajo es excelente, es absolutamente honesto, cuidadoso, imparcial y tiene un gran interés. Me ayuda en las intervenciones quirúrgicas y en. los trabajos de laboratorio". En esos momentos comienza a ser necesario denominar a la sustancia que estaban intentando aislar. El primer nombre fue "isletina" pensando en los islotes de Paul Langerhans. 22 En Septiembre los resultados son claros yMacleod aconseja ser cauto, comprobar los experimentos para evitar posibles errores. Aconseja tomar pequeñas porciones del homogenizado y ,comprobar la ausencia de acinis exocrinas yla presencia de islotes intactos. El 21 de Septiembre el Prof. Macleod regresó a Taranta dando por terminadas sus vacaciones. A mediados de Septiembre comienzan los problemas de tipo laboral para Banting. No tiene puesto en la Universidad de Taranta y queda una plaza vacante por un traslado. Aprincipios de Octubre se reune con Macleod. Este parece tener ciertas dudas con los experimentos, Banting recuerda que tiene que volver a su consulta y que es necesario publicar los resultados. Macleod estudia la posibilidad de asignarle un sueldo y un laboratorio independiente . La entrevista debió de ser dura y desde ese momento las relaciones Banting-Macleod fueron tirantes. Banting siempre recordó las palabras de Macleod "su investigación no es más importante que las otras líneas de trabajo del Departamento". Lo cierto es que con todos los problemas, incluidos los personales, Banting fue contratado como Ayudante de Farmacología con un sueldo de 250 $al mes. En el mes de Octubre aparece por primera vez el cuarto miembro del equipo Collip. Estaba en la Universidad de Taranta en su año sabático dentro del Departamento de Química Patológica. Era bioquímico yse ocupó del aislamiento de la hormona Banting yBest finalizan su primer manuscrito en Noviembre. Macleod lee el trabajo y hace algunas sugerencias. Banting pregunta aMacleod si desea firmar el manuscrito yMacleod rechazaesa posiblilidad. El trabajo es aceptado en el "[ournal of Laboratory and Clinical Medicine", publicado en St Louis bajo el título "The Internal Secretion of the Pancreas". El trabajo fue aceptado y publicado en el número de Febrero de 1922. Antes de aparecer esta publicación Macleod propone asistir al Meeting de la American Physiological Societyque tendría lugar 23 en las Navidades de 1921 en New Haven, Connecticut y presentar los resultados.Banting pregunta aMacleod si está de acuerdo en que aparezca su nombre yeste responde positivamente "siempre que Banting yBest asistan a la reunión y que ellos mismos presenten el trabajo". Este acuerdo fue definitivo para la presentación en el mundo científico del trabajo realizado en Taranta. En la sesión de la tarde del viernes 30 de Diciembre de 1921 de la American Physiological Society que tuvo lugar en la Universidad de Yale en New Haven se presentó el trabajo titulado como "The Benefical Influences of Certain Pancreatic Extracts on Pancreatic Diabetes" por J.R. Macleod, F.G. Banting (por invitación) y C.M. Best (por invitación). Habló Banting muy nervioso, siendo la primera vez que presentaba un trabajo ante un Congreso. El mismo reconoce que no fue muy convincente. joslin el gran diabetólogo escribió "recibieron la enhorabuena y muchas críticas por su trabajo". Mi opinión es que desde ese momento el descubrimiento fue conocido por todo el mundo y que había sido presentado en el mejor de los foros posibles. Durante el mismo congreso la firma "Lilly" contactó con el grupo para colaborar en el aislamiento y purificación de la hormona con el fin de ser utilizada en humanos. Desde Mayo a Diciembre de 1921 habían realizado los experimentos y habían dado a conocer los resultados a la comunidad científica. El descubrimiento del verano de 1921 en Taranta ya era una de las partes más importantes de la Historia de la Medicina. Habían hecho mucho en muy poco tiempo. EL AISLAMIENTO DE LA INSULINA Pensando en el aislamiento y la utilización de la hormona por los miles de pacientes que sufren la enfermedad, la técnicauti- 24 lizada hasta Diciembre de 1921, era muy complicada y poco eficaz. Ligar los conductos pancreáticos, esperar la atrofia del páncreas exocrino yextraer aposteriori era demasiado. Había que buscar otra vía sin perdida de tiempo. Entre 20.000 y 50.000 enfermos por millón de habitantes era una razón de peso para no perder el tiempo. El 6de Diciembre de 1921 Macleod sugiere la idea de utilizar la técnica de Scott y Zuelzer usando alcohol en la preparación del extracto. La evaporación del alcohol en la preparación a más baja temperatura que el agua permitía concentrar sin la ebullición que necesariamente hidrolizaba las proteínas. Macleod mostró la utilización de una corriente de aire caliente sobre cápsulas de porcelana. El residuo seco era redisuelto en solución salina einyectado a los perros pancreatectomizados. El 8 de Diciembre cortan el páncreas lo homogenizan con ácido yalcohol, esperan cuarenta y ocho horas, evaporan y redisuelven. En la mañana del 11 de Diciembre el perro 35 recibe 6 ml y la glucosa en sangre desciende un 60%. Este fue sin duda el avance más importante y menos valorado. Se acabaron las ligaduras de conductos pancreáticos, ahora era posible obtener de páncreas procedente de los mataderos (terneras ycerdos), mediante una técnica relativamente barata y fácil, cantidades de hormonas importantes. En esta fase el trabajo de Collip fue esencial. Tenía 29 años era bioquímico einvestigador con una lista de 23 publicaciones y estaba becado por la Fundación Rockefeller como Profesor Asistente en Toronto. Era un joven científico bien formado y con ganas de trabajar. El 12 de Diciembre de 1921 ya estaba trabajando en el proyecto aunque es cierto que antes de su incorporación el grupo ya había realizado experimentos con el extracto obtenido con ácido-alcohol. Collip midió cuerpos cetónicos y glucogeno hepático. Describió con claridad que los perros diabéticos tras pancreatectomía incrementaban el glucogeno hepático después de la administración del extracto. 25 ADMINISTRACION DE LA HORMONA A PACIENTES DIABÉTICOS El paciente elegido para recibir el extracto fue Leonard Thompson, un diabético de 14 años diagnosticado dos años antes. En Diciembre de 1921 estaba reducido a piel y huesos. Pesaba 32 Kg en el momento de la admisión al Hospital. La inyección la efectuó un joven médico llamado E. Jeffrey en la tarde del 11 de Enero de 1922. La glucosa descendió de 440 a 320 mg%. Los cuerpos cetónicos continuaban fuertemente positivos y los médicos comunicaron que "no había beneficios clínicos evidentes". El día 23 de Enero repiten la experiencia clínica con Leonard Thompson con mayor dosis y dos inyecciones diarías. El éxito es rotundo la glucosa en sangre descendió de 520 a 120 mg%, la glucosuría desapareció así como los cuerpos cetónicos. El muchacho mejora clinicamente en todos los aspectos. En Febrero de 1922 el tratamiento se extiende aotros seis pacientes. En Febrero de 1922 aparece un resumen de tres páginas en los "Proceedings of the American Physiological Society" correspondiente al trabajo presentado en Diciembre en New Haven. El artículo estaba escrito por Macleod, se titula "The internal secretion of the pancreas" yfirmado como autores por F.G. Banting, e.H. Best y J.J.R. Macleod. DENOMINACIÓN DE INSULINA PARA EL PRINCIPIO ACTIVO QUE DESCIENDE LA GLUCOSA EN SANGRE En Abril de 1922 el grupo decide abandonar el término isletina (de islote) ysustituirlo por insulina basándose en que el extracto que estaban inyectando a pacientes era distinto (ácidoalcohol) al obtenido meses antes (ligadura de conducto pancreático). La denominación insulina es propuesta para describir a la hipotética sustancia secretada por el páncreas endocrino. La 26 palabra fue utilizada previamente por Meyer en 1909 y por Chafer en 1916. EXTENSIÓN DEL TRATAMIENTO CON INSULINA El descubrimiento de la insulina fue una de las grandes contribuciones de los americanos a las Ciencias Médicas. Su uso se extendió gradualmente en todo el mundo. El primer europeo que usó la insulina en Octubre de 1922 fue el Dr. Rosendo Carrasco-Formiguera, interno del Instituto de Fisiología de Barcelona bajo la dirección del Profesor Augusto Pi y Sunyer. Carrasco-Formiguera era un joven español nacido en Barcelona en 1892 que dedicó el curso 1921-22 para ampliar estudios en USA. Médico recién licenciado, pasó un año becado en Boston. Estaba presente en New Haven el 30 de Diciembre de 1921 cuando Banting hizo su presentación oral en el Congreso Americano de Fisiología. En Junio de 1921 Carrasco-Formiguera escribió a Macleod preguntando detalles del aislamiento de la insulina y hablando de un paciente diabético con una situación desesperada en Barcelona. En Agosto de 1922 regresó a España y en colaboración con el Farmacéutico Pedro González comenzaron la tarea de aislar la insulina. Ambos acudían al matadero a las cuatro de la madrugada, obtenían el páncreas de los bueyes y se trasladaban al laboratorio para comenzar la extracción. El primer diabético europeo que recibió la insulina fue un joven de 20 años llamado Francisco Pons. El tratamiento comenzó en Barcelona el 3 de Octubre de 1922 con éxito. Lo extraordinario de la iniciativa practicamente desconocida del Dr. Carrasco-Formiguera fue por una parte haber comprendido la importancia de la comunicación .de unos canadienses, desconocidos hasta ese momento, en el citado Congreso durante las Navidades de 1921. En segundo lugar haber escrito a 27 Macleod para tener la información necesaria, no conocida hasta ese momento y haber montado las técnicas en el Instituto de Fisiología de Barcelona. Finalmente el hecho más importante fue que publicó sus resultados en el "British Medical Journal" en Diciembre de 1922. Fue precisamente el hallazgo por mi parte de la cita bibliográfica durante la preparación de esta Lección lo que me animó ainteresarme por el tema en los archivos de la Facultad de Medicina de Barcelona. El trabajo, titulado "Insulin and Diabetes" yfirmado sólo por Carrasco-Formiguera fue conocido por todo el mundo y de este modo reconocido por la comunidad científica internacional. En 1934 obtuvo D. Rosendo una plaza de Profesor Agregado en la Universidad de Barcelona y en 1939 se exilió en América con toda la Escuela del Instituto de Fisiología de Barcelona. Se trasladó a Méjico siendo Profesor en Puebla y la UNAM, terminando su carrera como catedrático de Fisiología en la Universidad Central de Venezuela. El 19 de Diciembre de 1922 el método del aislamiento de la insulina fue patentado por Banting, Best y Collip, cediendo todos los posibles derechos de obtención de patentes a la Universidad de Taranta por el precio de un dolar. La Universidad de Taranta recibió en los años siguientes por royalties de la insulina un total de 8 millones de dolares. El dinero fue utilizado en investigación científica con algunas excepciones, por ejemplo ayudar atrasladar a Oscar Minkowski de Alemania a la Argentina huyendo del nazismo. El descubrimiento de la insulina tuvo un capítulo poco conocido en Rumanía en los años 1921-22. En Bucarest, el Profesor de Medicina Experimental Paulescu logró obtener un extracto que descendía la glucemia en los perros. Utilizaba extractos salinos no concentrados yla dosis necesaria oscilaba entre 125 y 1000 ml que administraba por diversas vías. Sus trabajos fueron publicados en francés entre 1921 a 1924 y tuvieron escasa repercusión ·en el mundo científico. No existieron contactos conocidos con el grupo de Taranta. 28 EpÍLOGO PARA UN DESCUBRIMIENTO En '1922 el Instituto Karolinska comienza arecibir nominaciones para los Nobel. El comité recibió y seleccionó un total de 57 científicos. El premio podía ser recibido por más de uno pero no más de dos. Banting fue nominado por Crile un Profesor de Cirugía de Cleveland. Macleod por el Profesor Stewart de Western University. En Abril el comité reduce la lista a nueve. Finalmente el 25 de Octubre de 1922 una votación secreta concede el Nobel compartido a Banting yMacleod. Banting inmediatamente comunicó que compartiría su premio con Best y Macleod hizó lo mismo con Collip. En los años siguientes el grupo se separó por diversas razones: Macleod fue nombrado en 1928 Profesor de la Universidad de Aberdeen y murió en 1935 a los 59 años. Best terminó sus estudios de Medicina en 1925 y en 1929 sustituyó a Macleod como Profesor de Fisiología. Murió en 1978 a los 79 años de edad. Banting comenzó en Taranta una serie de trabajos relacionados con el cancer, estudiando estimular resistencias al sarcoma de Rous, producido por un virus. El 20 de Febrero de 1941 murió en un accidente aéreo. Viajaba en el bombardero Hudson camino de Inglaterra. Tenía 50 años. Collip trabajó en el aislamiento .de la hormona paratiroidea. En 1927 fue contratado por la Mayo Clinic. En 1947 fue Decano de la Facultad de Medicina de Western, Ontario. Murió en 1965 a la edad de 72 años. 29 F. G. B antin g (189 1- 1941),].]. Macleod (1 87 6-19 35 ), c. H. Best (18 99 - 1978 )yB. Collip (J 892 -1 96 5). De iz quierda a derecha yde arriba abajo. I 30 IV. BIOSINTESIS DE LA INSULINA La insulina es una pequeña proteína con un peso molecular de alrededor de 6000. Consiste en dos cadenas peptídicas. La cadena A contiene 21 aminoácidos y la B 30 aminoácidos. Las cadenas están unidas por dos puentes disulfuro. El gen de la insulina provoca finalmente la síntesis de una sola cadena, precursor de la insulina, la preproinsulina consistente secuencialmente en un péptido de 24 aminoácidos seguido de la cadena B de la insulina, el péptido de conexión o péptido C de unos treinta aminoácidos y como terminal la cadena A de la insulina. IV.1. El gen de la insulina La estructura del gen de la insulina está muy conservada entre las especies yconsiste en tres exones y dos intrones yestá localizado en el brazo corto del cromosoma 11. 37 IV.2. La síntesis de la insulina E3 eA U IVS·2 E2 P B e u E 1 En la figura 1 podemos observar el esquema del gen de la insulina con los exones El, E2 YE3 Ylos intrones IVS-l yIVS-2. El gen tiene 1430 pares de bases. P representa el prepéptido, B la cadena B de la insulina, C el péptido de conexión yAla cadena A de la insulina. El primer exón contiene secuencias responsables de la iniciación de la transcripción. El segundo exon contiene la secuencia que codifica el péptido señal, la cadena beta y una fracción del péptido C. El tercer exon codifica el resto de péptido Cyla . Cadena A de la insulina. FIGURA 1. Estructura del gen de la insulina. El gen de la insulina humana tiene 1.430 pares de bases. P es elprepéptido, Bla cadena Bde la insulina) eel péptido eyAla cadena Ade la insulina. La insulina es sintetizada inicialmente como una única cadena, la preproinsulina. La preproinsulina pierde un péptido terminal yse transforma en proinsulina en el retículo endoplasmático. La proinsulina tiene la estructura tridimensional de la insulina con el péptido de conexión o péptido C. Las moléculas de insulina yproinsulina se agregan en forma de hexámeros con Zn+ 2. La pro insulina es más soluble que la insulina ya que contiene residuos cargados en el péptido C. Pasa del retículo endo- 38 plasmático al aparato de Golgi mediante vesículas transportado-o ras que requieren GTP ycalcio. En el Golgi se forma la vesícula con clatrina y aparece el granulo beta inmaduro que pasa a maduro, formándose un núcleo denso de cristales de insulina yproinsulina con el zinc en forma de hexámeros. En la figura 2 podemos ver el viaje de la preproinsulina desde el retículo endoplasmático por el Golgi hasta la formación del Gránulos Insulina ...... -+----+--..~;;.., FIGURA 2. Esquema de la célula fl de los islotes de Langerhans mostrando la formacion del granulo fl yla exocitosis. 39 gránulo beta maduro que quedará depositado hasta que su fusión a la membrana permita verter el contenido al espacio intersticial y posteriormente a los capilares cuando las necesidades de insulina así lo requieran. Teniendo en cuenta que ante un estímulo la secrecion de insulina es inmediata, la célula beta necesita sintetizar la hormona en un proceso que requiere unos 60 minutos y almacenarla en forma de betagránulos hasta su utilización. 40 v. LA SECRECIüN DE LA INSULINA El hecho fundamental que determina la tasa de secreción de insulina son los niveles circulantes de glucosa. Las hormonas y los neurotransmisores modulan la secreción provocada por la glucosa. Esta respuesta a concentraciones crecientes de glucosa en sangre es inmediata. La célula beta se comporta como un glucostato, al elevarse la glucosa en sangre aumenta la secreción. Además de la glucosa hay otras sustancias que incrementan la secreción y que las podemos dividir en iniciadores y potenciadores. Entre las primeras la citada glucosa, los ácidos grasos y algunos aminoácidos y entre los segundos un número de hormonas como glucagón, hormonas gastrointestinales, el péptido intestinal vasoactivo, el polipéptido pancreático etc..Algunos de estos últimos se les considera como moduladores junto a la somatostatina y la pancreastatina. La célula beta es electricamente excitable, siendo esta actividad eléctrica asociada al flujo de Ca2+el iniciador de la secre- 41 clono Hoy está comprobado que se inhibe el canal del potasio en la membrana plasmática de la célula beta y que el ATP bloquea el canal de K dependiente del ATP. Los elementos claves serían el canal K-ATP que provoca la despolarización. La despolarización desencadena la apertura de canales de calcio voltajedependientes y la entrada de calcio provoca la secreción de la insulina. El metabolismo de la glucosa y otros nutrientes es una etapa esencial en el acoplamiento estímulo-secreción de la célula beta. En el citosol la glucosa pasa apiruvato que se óxida finalmente en la mitocondria pasando de acetil coA a COZ y HZO en el ciclo del ácido cítrico. El NADH + H+ producido en estas reacciones de la cadena respiratoria determinan la síntesis de ATP Por otra parte los ácidos grasos son convertidos en acetil coA y pasan a las mitocondrias para ser oxidados como en el caso anterior. Los aminoácidos producen cetoácidos que son también oxidados. La célula beta está preparada para responder a los incrementos de glucosa en sangre mediante transportadores de la glucosa (GLUT~2), glucoquinasa yglucosa 6fosfatasa. Un incremento en el metabolismo de la .glucosa incrementa el ATP intracelular y se inhibe el canal K-ATP. La secreción se produce mediante la exocitosis como consecuencia del incremento intracelular del calcio iónico. El betagranulo emigra hasta la membrana celular, se fusiona con la misma ydescarga su contenido al espacio extracelular. Una proteína dependiente de calcio inicia la exocitosis mediante fosforilaciones por efecto de una proteinquinasa. 42 V.l. Metabolismo en la célula beta La principal ruta metabólica de la glucosa es la glucolisis. La vía pentosafosfato es lenta y no sustancial con la concentración de glucosa. Sólo la glucolisis yla oxidación del piruvato yel ciclo de Krebs son importantes en el control de la secreción. La entrada de la glucosa en la célula ocurre por difusión facilitada. Los niveles intracelulares en la célula beta son similares a los extracelulares. Tanto la célula hepática como la célula beta expresan la isoforma GLUT-2 del transportador de la glucosa. En el hombre, el gen de GLUT-2 está localizado en el cromosoma 3 y codifica una proteína de 524 aminoácidos. La célula beta contiene glucoquinasa yglucosa-6 fosfatasa que regulan la primera etapa de la fosforilación de la glucosa. V.2. Actividad bioeléctrica de la célula beta Existen al menos cinco canales iónicos diferentes para el potasio: canal K regulado por el ATP, canal Kactivado por el calcio, el canal Kactivado por inhibidores (K-I canal), el K-DR canal y el canal A. Del mimo modo existen dos tipos de canales para el calcio: el tipo Tyel tipo L. Por el contrario hay un solo canal para el sodio (Na-canal). La regulación de estos canales es compleja pero sabemos que el canal del K regulado por el ATP es inhibido cuando se incrementan las concentraciones intracelulares del ATP, causando una depolarización y como consecuencia la apertura de los canales de calcio sensibles a los cambios de voltaje. La resultante es una entrada de Ca2+ como disparador de la secreción de insulina. En resumen, un incremento de la concentración de glucosa en sangre producirá un aumento de los niveles de glucosa en el interior de la célula beta. La entrada sería facilitada por el transportador de la glucosa GLUT-2. La glucosa sería rapidamente 43 GLUCOSA ----+--- ....... INSULINA K+ ~ATP ........... ----GLUCOSA metabolizada por la vía glucolítica yciclo de Krebs produciendo la formación de ATP. El ATP inhibiría el canal del K dependiente del ATP, causando una depolarización de la célula beta y produciendo la apertura de los canales de calcio dependientes del voltaje. La entrada del calcio masivamente a la célula aumentaría los niveles citosólicos del calcio y ésta sería la señal final o el disparador de la secreción de insulina. El calcio estimularía una proteinquinasa que fosforilaría proteínas que iniciarían el proceso de la exocitosis (Figura 3). FIGURA 3. Esquema de la célula fi mostrando la entrada de glucosa en la célula ysu metabolismo con laformación de ArP. El incremento del ATP inhibe el canal del r(canales K-A TP). Se produce una depolarización de la célula fi con la subsiguiente apertura de los canales de Ca2+voltaje dependientes. 44 Todo este mecanismo es rápido. La insulina está sintetizada previamente y depositada en el granulo beta. La inyección intravenosa de glucosa provoca un pico de secreción de insulina en sangre periferica entre 1y 5 minutos después de su administración. Es posible que en la Diabetes tipo JI, la alteración del meta- . bolismo de la glucosa diese como resultado que el canal de K dependiente de ATP no se cerrase en respuesta a los cambios de la glucosa en plasma. V.3. Mecanismo de la exocitosis Durante la exocitosis el granulo beta se mueve hacía la membrana plasmática, se fusiona con ella y aparece un poro a través del cual la insulina es secretada al espacio extracelular. En el hombre, se ha estimado que alrededor de 1.8 x 108 gránulos son secretados por segundo. El movimiento del gránulo hacia la membrana sería producido por la contracción de un filamento conteniendo actina. 45 VI. ACCION DE LA INSULINA La importancia de la insulina estriba en que es la única hormona capaz de reducir la concentración de glucosa en sangre. Por esta razón, una deficiencia en su secreción o en su acción provoca alteraciones metabólicas graves como es el caso de la diabetes mellitus no compensada. Los tejidos diana principales son el tejido adiposo, el músculo yel hígado. En todos ellos la insulina juega un papel anabólico consistente en promover la síntesis de carbohidratos, grasas yproteínas reduciendo al mismo tiempo su degradación. El cerebro del hombre necesita unos 180 g de glucosa al día. Las necesidades son permanentes, de modo que necesitamos mantener la glucosa en sangre con independencia de que si hemos comido o no en las últimas horas o días. Necesitamos mecanismos de regulación que permitan movilizar glucosa de los depósitos de glucógeno. Por el contrario, la grasa depositada en nuestro organismo no puede ser utilizada para la síntesis 47 Defectos en el receptor están claramente asociados con síndromes de resistencia a la insulina y al desarrollo de diabetes no insulin dependientes. VI.3 Regulación de la glucemia "Sábeis que en efecto la sangre, como medio interno en el que viven todos los elementos anatómicos del organismo, presenta y debe presentar normalmente, una composición más o menos constante. Entre sus elementos de composición constante se encuentra el azúcar. Ya que esta substancia es superabundante, su exceso es tan sensible al organismo, que elfiltro renal la elimina inmediatamente; pero si la fuente hepática continúa produciéndola más de lo normal, los tejidos, a pesar de esta eliminación incesante, están siempre bañados por una sangre demasiado azucarada. Este contacto puede producir en ellos problemasy lesiones materiales. Todavía no sabemos nada sobre el mecanismo patológico de la acción de este exceso de azúcar en la sangre". Claude Bernard Lecons sur la Diabeto, 1855 La homeostasis de la glucosa requiere unos mecanismos apropiados que respondan a la provisión intermitente de nutrientes exógenos. Tras la ingestión de alimentos se activan procesos de almacenamiento, mientras que durante los períodos de ayuno se activan procesos requeridos para la liberación de energía. Así pues la regulación de la homeostasis de la glucosa determina la capacidad del organismo de sobrevivir a los cambios imprevisibles de aporte y demanda de energía. La concentración normal de glucosa en sangre en un individuo en ayunas oscila entre 80 y 120 mg/dl. Después de una 54 comida que contenga carbohidratos, esta cifra se incrementa para volver en unas horas a los niveles basales. Si el período de ayuno se prolonga, la glucosa desciende pero nunca por debajo de SOc-60 mg/ dI. En el hombre, los niveles de glucosa se mantienen dentro de ciertos límites, aún en las condiciones más adversas. La razón fundamental es que el sistema nervioso requiere un aporte continuo de glucosa, siendo en condiciones normales, la única fuente energética. Sólo después de períodos de ayuno prolongado, el sistema nervioso comienza autilizar los cuerpos cetónicos. Una parte fundamental de esta regulación se debe al sistema endocrino donde intervienen las catecolaminas, las hormonas gastrointestinales y fundamentalmente, la insulina y el glucagón. En efecto, después de incrementar la glucosa en sangre por encima de 120 rng/dl comienza aestimularse la célula B de los islotes de Langerhans. En segundos, esta célula B segrega insulina. La relación entre concentración de glucosa circulante y secreción de insulina no es lineal. Se trata de un sigmoide, donde la rama ascendente comienza entre los 120 y140 mg/dl. La célula está preparada para responder cuando la glucosa sobrepasa los 120 mg/dl. Por debajo de esta cantidad la secreción de insulina se mantiene baja. Globalmente, puede decirse que después de una comida rica en carbohidratos, la concentración de insulina en sangre aumenta 4 ó S veces sobre los niveles basales. El sistema es muy sensible, y los incrementos, tanto de la glucosa como del subsiguiente de la insulina, pueden ser moderados si la absorción de la glucosa en el tubo digestivo es más lenta. En efecto, los alimentos naturales deben ser degradados en el tubo digestivo antes de su absorción, lo que enlentece el transporte de monómeros como la glucosa. Los carbohidratos en forma de sacarosa o glucosa necesitan una mínima o ninguna degradación y son rápidamente transportados a la sangre. La hiperglucemia resultante es compensada por una secreción de insulina que es capaz de normalizar la glucemia. Pero la insuli- 55 na tiene otros efectos, como por ejemplo la acción lipogenética einhibidora de la lipolisis. Puede comenzar así un círculo hiperglucemia ~ hiperinsulinemia ~ obesidad ~ resistencia a la insulina ~ hiperglucemia, que puede conducir a un deterioro de la asimilación de la glucosa con hiperinsulinismo. En algunos casos esta situación conduce a una diabetes. Este es uno de los motivos de la recomendación de tomar carbohidratos no purificados en la dieta, así como el añadir fibra a los alimentos, con el fin de retardar la absorción de la glucosa ydisminuir la respuesta insulínica. Por el contrario, el ayuno provoca un descenso de la glucosa sólo hasta ciertos límites gracias a la acción del glucagón que aumenta la glucémia y de este modo permite que el sistema nervioso siempre tenga el aporte necesario de glucosa. Otras hormonas, cuyas acciones son complejas, intervienen en la regulación. Así, la somatostatina inhibe la secreción de insulina y glucagón con independencia de la glucosa. El polipéptido pancreático aumenta su secreción ante un estímulo vagal o tras una comida rica en proteínas inhibiendo la secreción de insulina, sin que sepamos su significado fisiológico. Por otra parte, las hormonas gastrointestinales están relacionadas con el páncreas endocrino. La pancreocimina, el péptido inhibidor gástrico (GIP) o el péptido intestinal vasoactivo (VIP) son estimuladores de la secreción de insulina, incluso antes de aumentar la glucemia, probablemente por las relaciones entre la mucosa intestinal y los islotes, el llamado eje enteroinsular. La insulina es el principal modulador de la homeostasis de la glucosa (Figura 6). El incremento en la concentración de glucosa que sigue a la ingestión de alimentos, estimula la secreción de insulina. La insulina suprime la producción de glucosa hepática yestimula la 56 N° DE CÉLULAS ~ CAPACIDAD DE SEcrClóN I NSULIN A C IRCULANTE ESTíMULO OTROS SECR ETAGOGOS ADIPOClTOS CEREBRO HORMONAS CONTRARREGUlADORAS FIGURA 6. Regulación de la glucemia. El organismo necesita mantener unos niveles mínimos de glucosa en sangre ya que algunos tejidos como el cerebro necesita permanentemente del aporte de glucosa. Cuando se incrementan los niveles de glucosa en sangre se estimula la secreción de insulina. La insulina circulante estimula la síntesis de glucógeno, la lipogénesis y la utilización periférica de la glucosa como ocurre en el músculo. 57 utilización de la glucosa. Estudios isotópicos de producción de glucosa han mostrado que el 900/0 de la glucosa ingerida alcanza la circulación periférica. La elevación postprandial de los níveles plasmáticos de insulina por un lado, favorece la formación de glucógeno al activar la glucógeno sintasa y suprimir a la fosforilasa, y por otro disminuye la concentración de precursores gluconeogénicos, aminoácidos de cadena ramificada, ácidos grasos libres y cuerpos cetónicos. La supresión de la producción hepática de glucosa y la inhibición de la glucogenolisis son más sensibles a incrementos de la concentración plasmática de insulina que la estimulación de la utilización de la glucosa yla inhibición de la gluconeogénesis. Al ir disminuyendo la absorción de la glucosa del tracto intestinal, y con el predominio de la utilización de la glucosa sobre su producción, al final del período postprandial, la concentración plasmática de glucosa cae y consecuentemente la concentración de insulina plasmática disminuye. Alrededor de las 2a 4 horas tras la ingestión de la comida, la concentración plasmática de glucosa es de 80 a 90 mg/dl y los valores de utilización y producción de glucosa son aproximadamente de 2 mg/kg.min. La producción de glucosa es principalmente (70-80%) a partir de la glucogenolisis hepática, con una contribución menor (20-25%) de la gluconeogénesis. Tras una noche de ayuno el hígado contiene 40-50 g de glucosa en forma de glucógeno. Si se supone una utiliación obligatoria de 1-1.5 mg/kg.min, las reservas de glucógeno se terminarían tras 24-36 h de ayuno. En el estado postabsortivo, el glucagón estimula la producción de glucosa incrementando la glucogenolisis yla gluconeogénesis e inhibiendo la glucolisis. El glucagón activa la glucogéno-fosforilasa einactiva la glucógeno sintasa. El glucógeno es un polímero que sirve como reservorio para la glucosa. Aunque el glucógeno se almacena en el hígado y el músculo esquelético, sólo el hígado posee el enzima (glucosa 6- 58 fosfatasa) capaz de producir glucosa libre. En el músculo, el metabolismo del glucógeno produce finalmente lactato, el cual puede ser transportado al hígado y de este modo entrar en la vía gluconeogénica (ciclo de Cori). La glucogenolisis afecta la actividad de varias enzimas. La fosforilasa, que es estimulada por el glucagón y la adrenalina pero inhibida por la insulina, libera glucosa-l-fosfato que se transforma en glucosa 6-fosfato yfinalmente en glucosa libre por la acción de la glucosa 6-fosfatasa presente en el hígado pero no el músculo. . En el estado postabsortivo, el consumo diario de glucosa por una persona de 70 kg es aproximadamente de 30 g por los músculos, 120 g por el cerebro, 34 g por los elementos formes de la sangre y 2 g por la médula adrenal. Tras varios días de ayuno, la concentración de glucosa cae hasta 50-60 mg/dl; estos niveles se pueden mantener durante varias semanas. La tasa de utilización de glucosa disminuye hasta aproximadamente 1 mg/Kg.min en la que permanece constante . . Durante este período, las concentraciones de ácidos libres y' cuerpos cetónicos se incrementan ysirven como fuente de energía para el músculo. Es más, los cuerpos cetónicos sustituyen parcialmente a la glucosa como el combustible predominante para los tejidos neurales, reduciéndose así la captación obligada de glucosa por el cerebro. Se trata de un mecanismo de adaptación. La gluconeogénesis es el proceso por el cual se sintetiza nueva glucosa apartir de precursores no carbohidratos. Puesto que este proceso mantiene la producción de glucosa después de la depleción del glucógeno, la hipoglucemia que se alcanza tras fallar la gluconeogénesis, sólo será evidente después de un ayu- 59 no prolongado. El lactato, el piruvato, el glicerol y los aminoácidos son los posibles sustratos gluconeogénicos. Puesto que no todas las enzimas glucolíticas son reversibles, otra serie de enzimas (piruvato-carboxilasa, fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, fructosa-1-6-difosfatasa yglucosa 6-fosfatasa) son necesarias para la conversión de substratos gluconeogénicos en glucosa libre. La contribución relativa a la gluconeogénesis es la siguiente: lactato ypiruvato, 60%; glicerol, 130/0; yaminoácidos, 29%. La disponibilidad de sustrato puede ser un importante modulador de la gluconeogénesis, ya que las concentraciones de estos precursores en el estado postabsortivo están por debajo de las necesarias para los niveles máximos de la gluconeogénesis. El lactato proviene fundamentalmente de los eritrocitos, músculo esquelético, cerebro y piel. El tejido adiposo es la fuente de glicerol. El músculo esquelético es la fuente principal de alanina yglutamina, los sustratos aminoácidos más importantes para la gluconeogénesis. La alanina se forma fundamentalmente de la transaminación del piruvato apartir de aminoácidos de cadena ramificada (leucina, isoleucina yvalina). La importancia de los aminoácidos en la homeostasis de la glucosa durante el ayuno queda ilustrada por la hipoglucemia que ocurre cuando se reduce la disponibilidad de alanina por una alteración en el metabolismo de la leucina en la enfermedad del jarabe de Arce. La gluconeogénesis apartir de alanina está incrementada en un 100% tras 48 horas de ayuno. En ayuno más prolongado la contribución de la alanina a la gluconeogénesis disminuye. En cambio, la concentración de lactato no disminuye durante el ayuno prolongado, y su contribución a la gluconeogénesis permanece constante. ¿,Como regula la insulina la glucosa en sangre? Se basa en tres mecanismos: 1.- Estimular el transporte de glucosa en el músculo. 60 FIGURA 7. Cuando existe un deterioro en la secreción de insulina) el hígado incrementa la producción de glucosa. La falta de insulina produce una menor utilizaciónperiférica de la glucosa) como es el caso del músculo. El aumento de la producción hepática de glucosa y la menor utilización de la misma nos da la hiperglucemia. HíGADO RECEPTOR \ + \~ DEFECTO . h~\:\\ '\ ~ TEJIDOS POSTRECEPTOR \' \ J ~ \ \ \\ GLUjOSA------f3-_. \~\ , \\~ ~ DETERIORO SECRECiÓN DE INSULINA PERIFÉRICOS 61 2.- Incrementar la tasa de utilización y oxidación de la glucosa en muchos tejidos. 3.~ Disminuir la producción hepática de glucosa. Los niveles de glucosa en sangre dependen de la sensibilidad de ·los tejidos a la acción de la insulina. Si los tejidos no responden o responden menos a la acción de la insulina decimos que el paciente tiene una resistencia a la acción de la insulina o que está perdiendo sensibilidad a la misma. La intolerancia a la glucosa sería ocasionada, en muchos casos, por una resistencia de los tejidos a la acción de la insulina (Figura 7). La Diabetes tipo 11, la edad, la obesidad yla diabetes gestacional tiene disminuidad la sensibilidad a la insulina mientras que el ejercicio físico incrementa la tasa de utilización de glucosa por el músculo aumentando la sensibilidad a la hormona. 62 VII. PATOLOGIA PRODUCIDA POR LA DEFICIENCIA DE INSULINA "Hay dos tipos de desórdenes urinarios) uno) natural debido afactores genéticos yel otro debido a un modo de vida imprudente oa excesos dietéticos. En el primer caso) elpaciente es delgado) pálido) come menosy bebe demasiado. En el segundo caso) el paciente es usualmente obeso) come mucho) es pletórico) de hábitos sedentariosyduerme demasiado". Charaka Samhita y Sushmita Ayurveda (100-200 a.C.) La diabetes mellitus es un síndrome clínico caracterizado por la elevación de la glucosa en sangre. Cuando la glucosa en sangre es superior a 180 mg% aparece también glucosa en orina. Aproximadamente un 5% de la población sufre la enfermedad. Una parte considerable sin saberlo durante bastante tiempo lo que provoca la aparición de complicaciones. Se trata por lo tanto de uno de los mayores problemas de la salud. 63 Para conocer el grado de obesidad utilizamos en primer lugar el índice de masa corporal que se calcula dividiendo el peso en Kg por la altura en metros con dos decimales elevada al cuadrado. Por encima de 25-30 se considera patológico y debe recomendarse una dieta hipocalórica (hay diabetologos que consideran 27 el límite máximo aceptable). El análisis anatomopatológico de los islotes no muestra descenso significativo del número de células beta. Sólo aparece un deposito de sustancia amiloide (polipéptido) entre las células g ylos capilares. La amilina osustancia amiloide es un producto normal de la célula beta yse segrega con la insulina, péptido C, pancreastatina etc. En la hiperinsulinemia también se incrementa la secreción de amilina. No conocemos la función de esta sustancia ni el significado de su incremento en la Diabetes Tipo 11. VII.2.1 Criterios diagnósticos de la Diabetes y la intolerancia a la glucosa (OMS). La diabetes Tipo 1se diagnostica fácilmente .por el cuadro de gravedad que aparece en una persona joven con hiperglucemia, cetosis, pérdida de peso, polidipsia, etc. La diabetes tipo 11 es más insidiosa con una serie de situaciones límites que ha obligado a establecer criterios unificados y universales basados en la experiencia de muchos años, recomendados por diversas organizaciones científicas como la Sociedad Europea para el Estudio de la Diabetes, la Federación Internacional de Diabetes yfinalmente asumido por la Organización Mundial de la Salud. 1º) Una hiperglucemia igualo superior a 140 mg% en ayunas, repetida en al menos dos ocasiones es una diabetes. 70 2º) Los sujetos con glucemias entre 120 y140 mg% necesitan la realización de una sobrecarga oral de glucosa utilizando 75 g de glucosa disuelto en 400 ml de agua (en el caso de los niños 1,75 g por Kg de peso). Se considera una diabetes si a los 120 minutos el paciente tiene una glucemia en sangre venosa igual o superior a200 mg%. 3º) Denominamos intolerantes los pacientes con glucosa en sangre venosa entre 140 y200 mg% 120 minutos después de la administración de 75 g de glucosa por via oral. Las cifras se refieren a plasma y en el caso de utilizar sangre total o sangre capilar deben de ajustarse aunque las diferencias son pequeñas. Dos ideas deben quedar claras en el desarrollo de la diabetes Tipo 11. En primer lugar aparece una intolerancia a la glucosa con una menor respuesta de la célula B. En segundo lugar la hipersecreción de la insulina, intentando compensar la situación de resistencia a la acción de la misma, es la que gradualmente fatiga la célula beta y reduce la secrecion yel desarrollo de la Diabetes Tipo 11. Como resumen podemos decir que la etiología de la Diabetes tipo 11 es probablemente multifactorial con una base genética y una serie de factores ambientales que alteran la célula beta, la secreción de la insulina yla utilización de la glucosa. Para muchos un defecto de la secreción de causa genética sería el origen de la enfermedad. Podemos sugerir una cadena de acontecimientos que conduce a la Diabetes tipo 11: 1º Una disminución de la secreción de insulina que provoca ligeras hiperglucemias postpandriales. Esta situación empeoraría con la edad yla obesidad produciendo hiperglucemias más frecuentes. 71 2º La hiperg1ucemia reduciría los transportadores de glucosa (Glut 2yGlut 4) reduciendo el aclaramiento de la glucosa (down regu1ation) y dando cowo resultado la hiperglucemia. 3º Se establecería un circulo vicioso con una hiperglucemia que estimularía la célula 15 dando más secreción de insulina como mecanismo compensador. La célula 15 se iría agotando apareciendo la hiperglucemia permanente es decir Diabetes Tipo 11 con menor respuesta insulinica. VII.3. Hiperinsulinemia y enfermedad cardiovascular Los niveles de insulina plasmática están elevados en muchos pacientes con hipertensión. Multitud de estudios sugieren que esta elevación de la insulina indica una resistencia a la acción de la misma en los tejidos. Hasta hace sólo dos décadas prevalecía la opinión que la presión arterial es el producto de la bomba cardíaca (volúmen) y la resistencia. El incremento de la presión era secundaria al incremento de uno o de los dos componentes de la ecuación. Actualmente sabemos que además de las catecolaminas (vasoconstrictor) y la sensibilidad a la sal (volúmen) hay otros factores. Una razón para este cambio ha sido la importante observación del papel de la insulina y de la resistencia a la insulina en la hipertensión esencial. La insulina puede modificar la presión arterial, a) incrementando la retención del sodio por el riñan, b) incrementando la secreción de catecolaminas con la vaso constricción consiguiente ye) incrementando la sensibilidad de la musculatura lisa vascular a los factores vasopresores. Es decir la insulina puede afectar al volúmen y a la resistencia vascular en la ecuación antes citada. 72 La hipertensión esencial está fuertemente ligada a otros desordenes incluyendo obesidad, diabetes tipo 11, arteriosclerosis y dislipemias. La presencia de resistencia a la insulina en muchos de estos pacientes ha generado un enorme interés. Una gran parte del interés de los investigadores obedece a la relación de la insulina con la arteriosclerosis y se centra en la asociación entre factores de riesgo vascular como hiperlipemia e hipertensión con la resistencia a la' insulina/hiperinsulinemia. Desde 1989 más de 20.000 artículos han sido publicados sobre el tema pero el papel patogenético de la resistencia a la insulina y de la hiperinsulinemia en la elevación de la presión arterial no está aclarado y permanece como un núcleo importante en futuras investigaciones. El estudio de la resistencia alainsulina es de gran complejidad. Es indudable que intervienen factores de carácter genético y que se asocia a una serie amplia de enfermedades como la obesidad, la diabetes tipo 11, la hipertensión, el síndrome del ovario policístico, etc. En la resistencia a la insulina intervienen una serie' de factores como la propia secreción de la hormona que puede estar incrementada en a lgunas fases yclaudicar en otras, la producción hepática de glucosa, las alteraciones a nivel del receptor, post-receptor, disminución de la actividad del transportador de la glucosa (GLUT4) etc. Podríamos decir que hayal menos tres factores que están afectados de un modo crucial con la resistencia a la insulina: 1) la utilizac ión periférica de glucosa, 2) la producción hepática de g lucosa y 3) la prop ia secreción de insulina. Nuestro grupo ha trabajado en los últimos años en el papel de una nueva hor mo na deno minada PA~.JCREASTAT INA en la resistencia a la insulina 'Y en la pa tofisiología de la hipertensión esencial. En efecto, la panc reastat ina fue descrita en Diciembre de 1986 en Nature por Tatemoto yMutt, como un péptido de 49 aminoácidos i mplicado en el control de la primera fase de la secreción de insuli na y fu nd am en talmente con una acción inhi- 73 bidora. Para nuestro grupo fue un hallazgo importante el efecto glucogenolítico descrito y publicado por primera vez en 1990. Nuestros trabajos se centraron en el estudio de estas acciones que han sido publicada en los últimos años. Por otra parte, es ya conocido que la pancreastatina es derivada de la cromogranina A cosecretada con las catecolaminas por la médula adrenal ylas terminaciones adrenérgica. Del mismo modo es cosecretada con la insulina en el páncreas (es un componente del granulo beta). Podemos decir que ambas se segregan en el páncreas endocrino y que la pancreastatina es un inhibidor de la insulina y de la secreción de catecolaminas. Estas dos acciones unida a la acción directa glucogenolítica sobre el hepatocito nos hacen apoyar la hipótesis de que la pancreastatina es una hormona contrarreguladora de la insulina y las catecalaminas con un posible papel en la fisiopatología del "síndrome metabólico" que incluye hipertensión esencial, resistencia a la insulina con hiperinsulinismo (independiente de la obesidad) ehiperlipemia. Esta hipótesis se basa en los siguientes hechos: 1.- Desde un punto de vista metabólico, la resistencia de los tejidos a acción de la insulina provoca aumento de la secreción de insulina, disminución de la utilización periférica de la glucosa y aumento de la producción hepática de glucosa. Cronológicamente es posible que en un primer estadio encontremos la disminución de la utilización de la glucosa, en un segundo se acompañaría de un hiperinsulinismo y en el tercero se incrementaría la producción hepática de glucosa. Más tarde podríamos encontrar un empeoramiento de la asimilación de la glucosa tras una sobrecarga oral. Finalmente la secreción de insulina disminuiría.por claudicación de la célula beta y aparecería una diabetes no insulin dependiente (NIDDM). 74 2.- En estudios previos se ha demostrado que casi la mitad de los pacientes con hipertensión esencial, sin obesidad ni alteración de la sobrecarga oral de glucosa, tienen hiperinsulinemia yresistencia a la insulina. 3.- La cromogranina A es una proteína que se encuentra tan- to en el sistema cromafin como en las células beta de los islotes de Langerhans. La hidrólisis de la cromogranina A produce pancreastatina que es cosegregada con la insulina. 4.- La pancreastatina es asimismo cosecretada con las catecalaminas en la médula adrenal ylas terminaciones adrenérgicas. 5.- La insulina aumenta la síntesis de glucógeno en el hepatocito yla utilización periférica de la glucosa. Asimismo aumenta las catecolaminas. 6.- Las catecolaminas inhiben la secreción de insulina y son glucogenolíticas. 7.- La pancreastatina inhibe la secreción de insulina yes glucogenolítica. Nuestro grupo, ha publicado en los últimos años una serie de trabajos que muestran el efecto glucogenolítico de la pancreastatina y que esta acción es dependiente del calcio. Hemos demostrado la acción del receptor de la pancreastatina incrementando el calcio intracelular, la producción de mioinositol 1, 4, 5-trifosfato yel diacilglicerol. Del mismo modo la pancreastatina inhibe la síntesis de glucogeno est imulada por la insulina. Podemos decir, que la pancreastatina es una hormona contrarregu ladora de la insulina. 75 Por otra parte, en un estudio previo hemos mostrado una disminución de los receptores de la insulina en fantasmas de eritrocitos obtenidos de pacientes hipertensos sin obesidad. Esta disminución de los receptores en pacientes, es independiente de la hiperinsulinemia. Las relaciones entre la hipertensión, la hiperinsulinemia y la pancreastatina la hemos materializado en una publicación del presente año, en el journal of Hipertensión, en la que por primera vez en la literatura, demostramos que los hipertensos tienen elevados los niveles de Pancreastatina en sangre. Teniendo en cuenta el papel contrarregulador de la pancreastatina, nuestros resultados apoyan la hipótesis de que esta hormona juegue un papel en la fisiopatología de la hipertensión esencial. *** Cuando se descubrió la insulina se pensó que los problemas de la diabetes habían terminado. Pronto la realidad mostró que las complicaciones de la diabetes continuaban existiendo. La expectativa de vida de los pacientes diabéticos es actualmente alrededor del 75% de la población normal. Esta reducción de la expectativa de vida va disminuyendo paulatinamente conforme aumentamos nuestra capacidad de diagnóstico precoz ycontrol metabólico . Los tejidos más afectados en la diabetes, (la retina, el riñan y los nervios) son aquellos que son libremente permeables a la glucosa.Los incrementos en la glucosa sanguínea incrementa la acumulación intracelular en estos tejidos tanto de la glucosa como los productos de su metabolismo. El mecanismo propues- to para comprender la relación entre la hiperglucemia ylas lesiones vasculares y neurológicas incluyen la acumulación de polio- 76 les por la vía de la aldosa-reductasa por una parte yel depósito de productos de la glucosilación por otra. Las complicaciones vasculares se caracterizan por la progresiva obliteración de los capilares. Todos los capilares del cuerpo sufren esta alteración, pero clínicamente se hace aparente en el riñan y en el fondo de ojo. No todos los pacientes tienen el riesgo de la enfermedad microvascular. En los pacientes con diabetes tipo 1los problemas renales aparecen a los 50 años de edad. Del mismo modo, el 15% de los pacientes diabéticos nunca desarrollan retinopatía. La diabetes es la causa más común de ceguera en las edades medias de la vida acompañada de la hipertensión secundaria a la función renal yla polineuropatía. Por otra parte, la enfermedad macrovascular es responsable del desarrollo del ateroma, enfermedad coronaria einfarto de miocardio. Los pacientes diabéticos tienen un incremento de la mortalidad por estas causas entre 2y3.5 veces comparado con la población no diabética. Estos factores se agravan si coinciden con hipertensión, hiperlipemia yel hábito de fumar. 77 VIII. EPILOGO En 1993 se dieron a conocer los resultados de un estudio multicéntrico realizado durante díez años con un elevado número de pacientes diabéticos que demuestra claramente que un estricto control de los niveles de glucosa puede prevenir, retrasar o reducir la gravedad de las complicaciones de la enfermedad. El control de la glucemia es muy difícil de conseguir cuando están destruidas las células 15 de los islotes de Langerhans. En la diabetes tipo 1los pacientes continuarán necesitando la administración de la hormona que les falta: la insulina. La dificultad reside en la administración según las necesidades. Estamos lejos de encontrar un sistema tan sofisticado como el de la célula 15, que entre otras acciones, recordemos que segrega segundo a segundo, la insulina que necesita. nuestro organismo dependiendo de los niveles circulantes de glucosa. En los últimos 70 años, se han incorporado insulinas de absorción lenta que en algunos casos impiden la repetición diaria de las inyecciones de insulina, llegando en el mejor de los casos a una inyección diaria de la 79 insulina global necesaria, pero lejos de simular las condiciones del organismo sano. Desde hace años se trabaja con bombas de infusión continua, de pequeño tamaño, que inyectan la insulina que se necesita dependiendo de la glucemia que se determina de un modo continuo con electrodos selectivos. La idea es buena, pero hasta ahora no son de utilización general. Otras posibilidades serían la administración de insulina sin necesidad de inyecciones, como la aspiración nasal de un modo similar a la que se utiliza en la osteoporosis con la administración de calcitonina de salmón, y el transplante de páncreas o de islotes aislados. Las dos están en fase de experimentación clínica con valoraciones contrapuestas que no permiten su utilización masiva en diabéticos. Cualquiera de estas soluciones pueden mejorar la situación de los ·diabéticos y estoy seguro que' las veremos en pocos años aplicadas a la clínica. Por otra parte, el conocimiento cada vez más profundo del receptor ·de la insulina nos permite imaginar la aplicación en un futuro próximo de moléculas de diseño. Recordemos que la subunidad a, la parte extracelular del receptor es un inhibidor de la subunidad 15, la porción intracelular que inicia una cascada de fosforilaciones comenzando con la actividad tirosinquinasa del propio receptor. En reposo, el receptor estaría inhibido, pero cuando la subunidad ase une a la insulina, la inhibición desaparece y el receptor se activa transmitiendo la información al interior de la célula. El incremento de la expresión de receptores normales de insulina o de moléculas encargadas de traducir su señal podrían compensar la resistencia a la insulina. También podríamos, teóricamente, conseguir que los músculos incrementaran el transportador de la glucosa facilitando la utilización de la misma y normalizando la glucosa circulante. Finalmente, en los últimos dos años se ha descubierto una familia de nuevos fármacos derivados de la Thiazolidinediona 80 R. GOBERNA. ¿Cómo se segrega la insulina? Investigación y Ciencia. 21, 1978. CR) G. RUIZ, F. SOBRINO, R. 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Effect of Pancreastatin of Endocrine Pancreas "in vivo". ]ournal 01 the Asean Federation 01 Endocrine Societies. 9, 95-98, 1990. CA) V. SÁNCHEZ-MARGALET, M. LUCAS, J. R. CALVO, R. GOBERNA. Glycogenolytic effect of pancreastatin in isolated rat hepatocytes is mediated by cyclic-AMP-independent, Ca2+ -dependent mechanism. Biochem.]. 284, 659-662, 1992. CA) R. GOBERNA, V. SÁNCHEZ-MARGALET. Mecanismo de secreción de la insulina. Avances en Diabetología. 5, 3-12, 1992. CR) V. SÁNCHEZ-MARGALET, ]. R. CALVO, R. GOBERNA. Glycogenolytic and Hiperglycemic Effect of 33-49 C-terminal Fragment of Pancreastatin in the rat in vivo. Horm. Metab. Res. 24, 455- 457, 1992. CA) V. SÁNCHEZ-MARGALET, J. R. CALVO, M. LUCAS, R. GOBERNA. Pancreastatin and its and its 33-49 C-terminal fragment inhibit glucagon-stimulated insulin secretion in vivo. Gen Pharmac. 23, 637-638, 1992. CA) V. SÁNCHEZ-MARGALET, M. LUCAS, A. SANZ, R. GOBERNA. Decreased Protein Kinase C. activity is associated with programmed cell death (Apoptosis) in freshly isolated rat hepatocytes. Bioscience Reports. 12, 199-206, 1992. CA) 89 V. SÁNCHEZ-MARGALET, M. LUCAS, R. GOBERNA. Pancreastatin increases cytosolic Ca2+in insulin secreting R/Nm5F cells. Mol. Cell. Endocrinology. 88, 129-133, 1992. (A) R. GOBERNA, V. SÁNCHEZ-MARGALET Pancreastatin, a new peptide associated with essential hypertension and hyperinsulinemia. Biologie Prospective. Editores M.M. Galteau, j. Henny and G. Siest. john Libbey Eurotext. 575-580, 1993. (CL) V. SÁNCHEZ-MARGALET , R. GOBERNA. Pancreastatin Decreases Plasma Epinephrine Levels in Surgical Stress in the Rat. Peptides. 14, 797-799, 1993. (A) V. SÁNCHEZ-MARGALET, R. GOBERNA. Pancreastatin (33-49) enhaces the priming effect of glucose in the, rat pancreas. Experientia. 49, 551-552, 1993. (A) V. SÁNCHEZ-MARGALET, M. LUCAS, R. GOBERNA. 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Increased plasma pancreastatin-like immunoreactivity levels in non-obese patients with essential hypertension. journal 01 Hypertension. 13, 251-258, 1995. (A) TESIS (Director R. Goberna) "Implantación de islotes de Langerhans en el hígado de rata". Miguel Ballester Fernández. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1976. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. "Cinética de la secreción de insulina durante el ayuno". Eduardo Arilla Ferreiro. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1978. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. 91 "Modificaciones de los receptores hepáticos de insulina durante el ayuno". Mª Teresa Herrero del Rey. Universidad de Sevilla, Facultad de Farmacia. 1979. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. "Regulación de la secreción de los islotes de Langerhans durante el ayuno". Santiago Ortiz Blázquez. Universidad de Sevilla, Facultad de Farmacia. 1979. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. "Acoplamiento estímulo-secreción en los islotes de Langerhans. Papel de las enzimas fosforilantes de la glucosa". Francisco Javier Bedoya Bergua. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1982. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. "Estudio de la secreción de insulina en las regiones ventral y dorsal del páncreas". José Mª López Martínez. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1985. Calificación: Sobresaliente Cum Laude. "Estudio de la función de la célula B del páncreas endocrino en ratas sometidas a diferentes dietas". Remedios Ramírez Cárdenas. Universidad de Sevilla, Facultad de Farmacia. 1986. Calificación: APTO Cum Laude. "Papel de la pancreastatina en la homeostasis de la glucosa". Victor Sánchez Margalet. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1991. Calificación: APTO Cum Laude. Premio Ayuntamiento de Sevilla a la mejor Tesis Doctoral. "Estudio metabólico y hormonal en pacientes con hipertensión esencial. Papel de la pancreastatina". Miguel Valle ]iménez. Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina. 1993. Calificación: APTO Cum Laude. 92 AGRADECIMIENTOS La aportación personal se realizó en cuatro Universidades -Facultad Medicina. Universidad Valencia (1966) -Facultad Medicina. Universidad Ulm (RFA) (1967-71) -Facultad Medicina. Universidad Complutense. Madrid (1971- 75). -Facultad Medicina. Universidad Sevilla (1976- ). El texto ha sido escrito en su totalidad por Dª Carmen Peña García a la que agradezco su paciencia y comprensión. El texto ha sido revisado por el Dr. V. Sánchez Margalet y Dr. J. Mateo. Los esquemas fueron dibujados por Cristina Goberna Pesudo. Mi agradecimiento a la Secretaría de la Facultad de Medicina de la Universidad Central de Barcelona yal Prof. J. Carreras por su ayuda para seguir la pista del Dr. Rosendo Carrasco-Formi- guera, desde la cita en el British Medical Journal de Diciembre de 1922 a su situación en 1939 en la Cátedra de D. Augusto Pi y Sunyer y posterior periodo en el exilio. 93