Principali tipi cellulari delle isole di Langerhans e ormoni da esse prodotti Nome Ormone prodotto Percentuale dell isola Cellule Glucagone 25 Cellule Insulina 60 Cellule Somatostatina 10 Cellule F (o PP) Polipeptide pancreatico 1 Cellule e Grelina 1
Insulina Struttura: 2 catene polipeptidiche (A e B) di 29 e 31 aa Numerosi legami salini ed idrogeno e 2 legami disolfuro legano le 2 catene A e B La struttura assunta è quella esamerica (Zn-insulina secreta dal pancreas) Secreta dalle cellule -pancreatiche in forma esamerica ma la sua azione sulle cellule bersaglio è esplicata in forma monomerica
Insulina Biosintesi e maturazione: Viene sintetizzata in forma di precursore inattivo (preproinsulina) In seguito alla rimozione del peptide leader si produce la proinsulina, unica catena polipeptidica formata da 78 a 86 aa (secondo la specie animale) Il segmento intermedio, peptide C o peptide di interconnessione viene distaccato al momento della conversione proinsulinainsulina I segmenti N- e C- terminale andranno a costituire le catene B e A dell insulina (PM 5734)
Ponti disolfuro che caratterizzano l insulina Ponti disolfuro che caratterizzano l insulina Enzima tripsino simile (negli spazi luminali del RE)
Peptide leader: Dirige la neo formata pre-proinsulina nelle vescicole del RE L idrofobicità degli aa del segmento leader consente alla pre-proinsulina di attraversare le membrane La proinsulina viene trasformata in insulina nel Golgi ed in vescicole gemmate del Golgi (vescicole )
- Insulina e peptide C (specie specifico) depositati nelle vescicole vengono secreti in circolo per esocitosi in quantità equimolari - Ciò consente di utilizzare la concentrazione ematica del peptide C come indice di secrezione dell insulina endogena nei soggetti diabetici ai quali viene somministrata insulina (esogena)
Nell uomo la vita media dell insulina circolante è di 7-15 min. Il fegato contiene anche la glutatione-insulina trans-idrogenasi che inattiva l insulina riducendo i ponti disolfuro che tengono unite le catene A e B Una volta separate le due catene vengono demolite da proteasi lisosomiali, denominate complessivamente insulinasi Insulina
Regolazione secrezione insulina -Principale fattore di regolazione è livello di glucosio nel sangue -Prima fase consiste nel rilascio di insulina i cui livelli di deposito sono elevati -Seconda fase agisce sulla sintesi di nuova insulina
L iperglicemia aumenta l espressione di Glucochinasi nelle cellule beta da 5 a 10 volte, in modo dipendente dalla concentrazione di Glucosio.
Il meccanismo cellulare che controlla il rilascio di insulina
Ca ++ Canale K + O Canale Ca ++ PKC - - - - - - - - ++++++++ ++++++++ - - - - - - - - GLUT2 Secrezione insulina Ca ++ Calmodulina Biosintesi insulina CaM kinasi ATP/ADP K + Fosforilazione ossidativa piruvato O glucochinasi P O Calcio promuove anche la sintesi
Altri agenti che regolano il rilascio di insulina: rilascio di insulina: Amminoacidi (proteine della dieta): Ala, Gly e Arg agiscono con un meccanismo simile al glucosio, alterando il potenziale di membrana delle cellule β Colecistochinina (CCK R1 adenilato ciclasi): rilasciata dalle cellule neuroendocrine della mucosa intestinale Sistema nervoso parasimpatico (nervo vago acetilcolina attivazione fosfolipasi C [Ca 2+ ]i) rilascio di insulina: Sistema nervoso simpatico (recettori α 2 adrenergici adenilato ciclasi) Secrezione insulina è strettamente coordinata con il rilascio del glucagone (cellule pancreatiche α)
Risposte all insulina Le risposte all insulina possono essere divise in: Mitogeniche: trasduzione del segnale attraverso diversi sistemi che comportano coinvolgimento a livello nucleare con aumento di DNA e mrna Metaboliche: attivazione di trasportatori del glucosio insulino sensibili in cellule muscolari e adipose e di proteine fosfatasi in molti tipi di tessuti
Azione dell insulina sulla sintesi delle proteine L insulina stimola in quasi tutti i tessuti la incorporazione degli amino acidi nelle proteine Attivato trasporto degli amino acidi attraverso le membrane cellulari Aumentata capacità dei ribosomi a sintetizzare le catene polipeptidiche L insulina viene considerata un tipico ormone anabolico
Gli effetti noti dell attivazione della PKB sono: b) attivazione della glicogeno sintasi, mediante defosforilazione e quindi inibizione della GSK3 (glicogeno sintasi kinasi3)
Regolazione Glicogenosintesi: Modulazione Glicogeno sintasi Il recettore dell insulina attiva una chinasi sensibile all insulina, che fosforila ed attiva delle proteine fosfatasi (es. PP1), che defosforilano enzimi fosforilati da glucagone/ adrenalina
Azione dell insulina sul metabolismo glicidico Nel fegato l azione di stimolo dell insulina sull utilizzazione dei glucidi si traduce nell induzione della sintesi della GLUCOCHINASI Aumento della glicolisi L attivazione della PKB con inattivazione della GSK3 porta a Aumento Sintesi di glicogeno
Azione dell insulina sul metabolismo glicidico L insulina attiva specifiche fosfatasi e stimola defosforilazione: l enzima bifunzionale Fosfofruttochinasi 2/Fruttosio bisfosfatasi 2 (PFK2/FBPasi2). La defosforilazione inibisce l attività fosfatasica ed incrementa quella chinasica aumenta Fruttosio 2,6 bisfosfato (F2,6BP) attività della Fosfofruttochinasi 1 (PFK1) la piruvato chinasi (PK) (E attiva solo nella forma defosforilata) la camp fosfodiesterasi. Quest ultima catalizza la conversione del camp in AMP, riducendo la concentrazione intracellulare di PKA attiva.
Azione dell insulina sul metabolismo lipidico L insulina stimola la sintesi degli acidi grassi (lipogenesi) e la loro esterificazione in trigliceridi: - Accelerata trasformazione del glucosio in piruvato e acetil-coa Forte produzione di citrato - Esportazione del citrato dal mitocondrio al citosol senza per questo depauperare il mitocondrio e stimolazione, da parte dell insulina, della citrato liasi e della acetil-coa carbossilasi - Formazione di acetil-coa e malonil-coa precursori della biosintesi degli acidi grassi
Azione dell insulina sul metabolismo lipidico L insulina stimola anche la glucosio-6-fosfato deidrogenasi (1) e la 6- fosfogluconato deidrogenasi (3) con ossidazione del glucosio e sintesi di NADPH richiesto nella lipogenesi. NADP + NADPH H 2 O (1) (2) NADP + NADPH (3)
Azione dell insulina sul metabolismo lipidico - Accelerata sintesi di Acetil-CoA e Malonil-CoA nel citosol instaura anche l inibizione del sistema Carnitina-dipendente di trasporto degli acili nei mitocondri con conseguente arresto della beta-ossidazione - L aumento del glicerolo 3-fosfato, prodotto collaterale della glicolisi, spiega l aumentata esterificazione degli acidi grassi in trigliceridi - All aumento dei trigliceridi concorre anche l azione inibitrice della insulina sulla lipasi ormone sensibile del tessuto adiposo (fosforilazione PKA dipendente inibita dalla riduzione di camp) -L insulina promuove il trasporto di lipidi dal fegato alle cellule periferiche mediante particelle di lipoproteine a densità molto bassa (VLDL, Very Low Density Proteins) - A livello dei tessuti periferici, induce l attività della lipoproteina lipasi dell endotelio che libera triacilgliceroli a partire da chilomicroni e VLDL.
Azione biologica % Insulina UI - L effetto antilipolitico dell insulina si realizza a concentrazioni molto più basse di quelle richieste per altri effetti metabolici dell ormone - Mancata mobilizzazione degli acidi grassi dal tessuto adiposo al fegato spiega anche l azione antichetosica della insulina (riduzione della produzione di corpi chetonici)
Effetti dell insulina sulla concentrazione di glucosio nel sangue: assunzione del glucosio da parte delle cellule e sua trasformazione in depositi di glicogeno e trigliceridi Effetto metabolico Assunzione di glucosio (muscolo, tessuto adiposo) Assunzione di glucosio (fegato) Sintesi del glicogeno (fegato, muscolo) Demolizione del glicogeno (fegato, muscolo) Glicolisi, produzione di acetil-coa (fegato, muscolo) bersaglio Trasportatore del glucosio (GLUT4) Glucochinasi (aumento dell espressione) Glicogeno sintasi Glicogeno fosforilasi PFK-1 Complesso della piruvato deidrogenasi Sintesi degli acidi grassi (fegato) Sintesi di triacilgliceroli (tessuto adiposo) Acetil-CoA carbossilasi Lipoproteina lipasi
Azione metaboliche dell insulina Modifica dei processi di permeabilità membrana: attivazione trasporto glucosio Modifica dell attività di alcuni enzimi : attivazione della glicogeno sintasi attivazione della piruvato deidrogenasi attivazione della acetil-coa carbossilasi inibizione della fosforilasi e della lipasi adipolitica Promozione della sintesi di alcune proteine: glucochinasi Parte di queste azioni derivano dall azione TK del recettore attivato e dall attivazione di proteine fosfatasi
Cronologia dell azione dell insulina Secondi Minuti Legame dell insulina al recettore Autofosforilazione del recettore Attivazione dell attività tirosin chinasica del recettore Attivazione del trasporto degli esosi Alterazione delle attività enzimatiche intracellulari Induzione mediata dall insulina dell internalizzazione e downregolazione del recettore Ore Induzione della sintesi di DNA, RNA, proteine e lipidi Crescita cellulare Down regolazione massima del recettore dell insulina
Diabete Diabete di tipo 1 Diabete di tipo 2 Diabete mellito gestazionale (GDM) Distruzione delle cellule del pancreas per autoimmunità Disfunzione delle cellule del pancreas e resistenza all insulina Diminuzione della sensibilità all insulina e intolleranza al glucosio durante la gravidanza Sindromi associate alla presenza di anticorpi antirecettore per l insulina Diabete indotto da farmaci o da infezioni Altri tipi di diabete Patologie associate al sistema endocrino Difetti genetici delle cellule del pancreas Patologie del pancreas esocrino Diabete mellito neonatale transitorio (TNDM) Diabete mellito neonatale permanente (PNDM)
Diabete Tipo I Una completa assenza di insulina, provoca il diabete di Tipo I o insulina dipendente (10% dei diabetici) : Glicemia supera il valore soglia (160-180 mg/100 ml) ne deriva la iperglicemia e il glucosio, escreto dai reni, compare nelle urine = glicosuria La diminuita utilizzazione del glucosio obbliga i tessuti a ricavare energia dai lipidi e dagli amino acidi La mobilizzazione degli acidi grassi dal tessuto adiposo induce un aumento degli acidi grassi non essenziali nel sangue
Diabete Tipo I La captazione da parte del fegato di una maggior quantità di acidi grassi e glicerolo produce steatosi epatica e aumento delle VLDL nel sangue Quando la maggior produzione di corpi chetonici (catabolismo epatico degli acidi grassi) non è controbilanciata da una adeguata utilizzazione ossidativa nei tessuti extraepatici, si osserva un loro accumulo nel sangue (chetonemia) ed eliminazione nelle urine (chetonuria). Un eccesso di corpi chetonici è dannoso: alterazione dell equilibrio acido-base (chetosi o acidosi diabetica), coma Terapia diabete di tipo I: Insulina umana ricombinante Effetti collaterali: Sviluppo di anticorpi anti-insulina
Diabete Tipo II Insulina resistenza : qualunque condizione in cui una quantità d insulina provochi una risposta biologica subnormale Insulina resistenza produce il diabete di tipo II o diabete insulino indipendente (90% dei diabetici) Meccanismi dell insulino-resistenza 1. Anomalie del prodotto di secrezione delle cellule A- anomala secrezione dell insulina B- conversione incompleta della proinsulina in insulina 2. Antagonisti dell insulina in circolo A- elevata concentrazione ematica degli ormoni antagonisti (cortisolo, ormone della crescita, glucagone, catecolamine) B- anticorpi anti-insulina C- anticorpi anti-recettori dell insulina 3. Anomalie dei tessuti bersaglio A- diminuito numero dei recettori insulinici B- difetto post-recettoriale
Diabete Tipo II Il MODY (Maturity Onset Diabets of the Youngs, Diabete giovanile a insorgenza tardiva) è una forma rara autosomica dominante di diabete di tipo 2 ed è il risultato di mutazioni di diversi geni come quelli codificanti per l enzima glucochinasi che impedisce l aumento di ATP e la secrezione di insulina. E anche noto un diabete mitocondriale che deriva da una mutazione del DNA mitocondriale responsabile di una fosforilazione ossidativa non corretta. E possibile anche che difetti genetici della nicotinammide nucleotide transidrogenasi portino ad accumulo di ROS che danneggia la fosforilazione ossidativa bloccando la produzione di ATP e la secrezione di insulina
I recettori dell insulina Il numero di recettori di membrana può diminuire per: - diminuita sintesi - aumentata degradazione - internalizzazione: Questo costituisce il più importante fattore di controllo della sensibilità delle cellule all insulina La diminuzione del numero dei recettori si definisce down regulation
Resistenza all insulina o insulina-resistenza - Deficienza dei recettori dell insulina Difetti post-recettoriale Anomalo accoppiamento tra complesso insulinarecettore e trasporto del glucosio ed altri eventi metabolici indotti dall insulina: diminuita capacità di risposta dell insulina