La insulina ( / ˈ ɪ n . sj ʊ . l ɪ n / , [5] [6] del latín insula , 'isla') es una hormona peptídica producida por las células beta de los islotes pancreáticos codificada en los humanos por la insulina ( INS) gen . Se considera la principal hormona anabólica del cuerpo. [7] Regula el metabolismo de los carbohidratos , las grasas y las proteínas promoviendo la absorción de glucosa de la sangre en el hígado , la grasa y las células del músculo esquelético . [8] En estos tejidos, la glucosa absorbida se convierte en glucógeno mediante glucogénesis o en grasas ( triglicéridos ) mediante lipogénesis o, en el caso del hígado, en ambos. [8] La producción y secreción de glucosa por el hígado está fuertemente inhibida por altas concentraciones de insulina en la sangre. [9] La insulina circulante también afecta la síntesis de proteínas en una amplia variedad de tejidos. Por tanto, es una hormona anabólica que promueve la conversión de pequeñas moléculas de la sangre en moléculas grandes dentro de las células. Los niveles bajos de insulina en la sangre tienen el efecto contrario al promover un catabolismo generalizado , especialmente de la grasa corporal de reserva .
Las células beta son sensibles a los niveles de azúcar en sangre , por lo que secretan insulina en la sangre en respuesta a un nivel alto de glucosa e inhiben la secreción de insulina cuando los niveles de glucosa son bajos. [10] La producción de insulina también está regulada por la glucosa: la glucosa alta promueve la producción de insulina, mientras que los niveles bajos de glucosa conducen a una producción más baja. [11] La insulina mejora la absorción de glucosa y el metabolismo en las células, reduciendo así el nivel de azúcar en sangre. Sus células alfa vecinas , siguiendo las señales de las células beta, [10] secretan glucagón en la sangre de manera opuesta: aumento de la secreción cuando la glucosa en sangre es baja y disminución de la secreción cuando las concentraciones de glucosa son altas. El glucagón aumenta el nivel de glucosa en sangre estimulando la glucogenólisis y la gluconeogénesis en el hígado. [8] [10] La secreción de insulina y glucagón en la sangre en respuesta a la concentración de glucosa en sangre es el mecanismo principal de la homeostasis de la glucosa . [10]
La actividad de la insulina disminuida o ausente produce diabetes mellitus , una condición de nivel alto de azúcar en sangre ( hiperglucemia ). Hay dos tipos de enfermedad. En la diabetes mellitus tipo 1 , las células beta son destruidas por una reacción autoinmune , de modo que la insulina ya no puede sintetizarse ni secretarse en la sangre. [12] En la diabetes mellitus tipo 2 , la destrucción de las células beta es menos pronunciada que en la diabetes tipo 1 y no se debe a un proceso autoinmune. En cambio, hay una acumulación de amiloide en los islotes pancreáticos, lo que probablemente altera su anatomía y fisiología. [10] La patogénesis de la diabetes tipo 2 no se comprende bien, pero se sabe que están implicadas la reducción de la población de células beta de los islotes, la reducción de la función secretora de las células beta de los islotes que sobreviven y la resistencia a la insulina de los tejidos periféricos. [7] La diabetes tipo 2 se caracteriza por un aumento de la secreción de glucagón que no se ve afectada ni responde a la concentración de glucosa en sangre. Pero la insulina todavía se secreta en la sangre en respuesta a la glucosa en sangre. [10] Como resultado, la glucosa se acumula en la sangre.
La proteína insulina humana está compuesta por 51 aminoácidos y tiene una masa molecular de 5808 Da . Es un heterodímero de una cadena A y una cadena B, que están unidas entre sí mediante enlaces disulfuro . La estructura de la insulina varía ligeramente entre especies de animales. La insulina de origen animal no humano difiere algo en efectividad (en los efectos del metabolismo de los carbohidratos ) de la insulina humana debido a estas variaciones. La insulina porcina es especialmente parecida a la versión humana y se usaba ampliamente para tratar a los diabéticos tipo 1 antes de que la insulina humana pudiera producirse en grandes cantidades mediante tecnologías de ADN recombinante . [13] [14] [15] [16]
La insulina fue la primera hormona peptídica descubierta. [17] Frederick Banting y Charles Best , trabajando en el laboratorio de John Macleod en la Universidad de Toronto , fueron los primeros en aislar la insulina del páncreas de un perro en 1921. Frederick Sanger secuenció la estructura de los aminoácidos en 1951, lo que convirtió a la insulina en la primera proteína. estar completamente secuenciado. [18] La estructura cristalina de la insulina en estado sólido fue determinada por Dorothy Hodgkin en 1969. La insulina es también la primera proteína sintetizada químicamente y producida mediante tecnología de ADN recombinante . [19] Está en la Lista Modelo de Medicamentos Esenciales de la OMS , los medicamentos más importantes necesarios en un sistema básico de salud . [20]
Es posible que la insulina se haya originado hace más de mil millones de años. [21] Los orígenes moleculares de la insulina se remontan al menos a los eucariotas unicelulares más simples . [22] Además de los animales, también se sabe que existen proteínas similares a la insulina en hongos y protistas . [21]
La insulina es producida por las células beta de los islotes pancreáticos en la mayoría de los vertebrados y por el cuerpo de Brockmann en algunos peces teleósteos . [23] Caracoles cono : Conus geographus y Conus tulipa , caracoles marinos venenosos que cazan peces pequeños, utilizan formas modificadas de insulina en sus cócteles de veneno. La toxina de insulina, con una estructura más cercana a la insulina nativa de los peces que a la de los caracoles, ralentiza a los peces presa al reducir sus niveles de glucosa en sangre. [24] [25]
La insulina se produce exclusivamente en las células beta de los islotes pancreáticos de los mamíferos y en el cuerpo de Brockmann de algunos peces. La insulina humana se produce a partir del gen INS , ubicado en el cromosoma 11. [26] Los roedores tienen dos genes de insulina funcionales; uno es el homólogo de la mayoría de los genes de mamíferos ( Ins2 ) y el otro es una copia retropuesta que incluye una secuencia promotora pero a la que le falta un intrón ( Ins1 ). [27] La transcripción del gen de la insulina aumenta en respuesta a niveles elevados de glucosa en sangre. [28] Esto está controlado principalmente por factores de transcripción que se unen a secuencias potenciadoras en los ~400 pares de bases antes del sitio de inicio de la transcripción del gen. [26] [28]
Los principales factores de transcripción que influyen en la secreción de insulina son PDX1 , NeuroD1 y MafA . [29] [30] [31] [32]
Durante un estado de niveles bajos de glucosa, PDX1 (proteína homeobox 1 pancreática y duodenal) se localiza en la periferia nuclear como resultado de la interacción con HDAC1 y 2 , [33] lo que resulta en una regulación negativa de la secreción de insulina. [34] Un aumento en los niveles de glucosa en sangre provoca la fosforilación de PDX1 , lo que lo lleva a sufrir una translocación nuclear y a unirse al elemento A3 dentro del promotor de la insulina. [35] Tras la translocación interactúa con los coactivadores HAT p300 y SETD7 . PDX1 afecta las modificaciones de las histonas mediante acetilación y desacetilación, así como metilación . También se dice que suprime el glucagón . [36]
NeuroD1 , también conocido como β2, regula la exocitosis de insulina en las células β pancreáticas al inducir directamente la expresión de genes implicados en la exocitosis. [37] Se localiza en el citosol , pero en respuesta a niveles elevados de glucosa se glicosila mediante OGT y/o se fosforila mediante ERK , lo que provoca la translocación al núcleo. En el núcleo, β2 se heterodimeriza con E47 , se une al elemento E1 del promotor de insulina y recluta al coactivador p300 que acetila β2. También puede interactuar con otros factores de transcripción en la activación del gen de la insulina. [37]
MafA es degradado por los proteosomas cuando los niveles de glucosa en sangre son bajos . Los niveles elevados de glucosa producen una proteína desconocida glicosilada . Esta proteína actúa de forma desconocida como factor de transcripción de MafA y MafA se transporta fuera de la célula. Luego, MafA se transloca nuevamente al núcleo, donde se une al elemento C1 del promotor de la insulina. [38] [39]
Estos factores de transcripción funcionan de forma sinérgica y en una disposición compleja. El aumento de la glucosa en sangre puede, al cabo de un tiempo, destruir la capacidad de unión de estas proteínas y, por tanto, reducir la cantidad de insulina secretada, provocando diabetes . La disminución de las actividades de unión puede estar mediada por el estrés oxidativo inducido por la glucosa y se dice que los antioxidantes previenen la disminución de la secreción de insulina en las células β pancreáticas glucotóxicas . Las moléculas de señalización del estrés y las especies reactivas de oxígeno inhiben el gen de la insulina al interferir con los cofactores que unen los factores de transcripción y los propios factores de transcripción. [40]
Varias secuencias reguladoras en la región promotora del gen de la insulina humana se unen a factores de transcripción . En general, las cajas A se unen a los factores Pdx1 , las cajas E se unen a NeuroD , las cajas C se unen a MafA y los elementos de respuesta de AMPc a CREB . También existen silenciadores que inhiben la transcripción.
La insulina se sintetiza como una molécula precursora inactiva, una proteína de 110 aminoácidos de longitud llamada "preproinsulina". La preproinsulina se traduce directamente al retículo endoplasmático rugoso (RER), donde la peptidasa señal elimina su péptido señal para formar "proinsulina". [26] A medida que la proinsulina se pliega , los extremos opuestos de la proteína, llamados "cadena A" y "cadena B", se fusionan con tres enlaces disulfuro . [26] La proinsulina plegada luego transita a través del aparato de Golgi y se empaqueta en vesículas secretoras especializadas . [26] En el gránulo, la proproteína convertasa 1/3 y la proproteína convertasa 2 escinden la proinsulina , eliminando la parte media de la proteína, llamada " péptido C ". [26] Finalmente, la carboxipeptidasa E elimina dos pares de aminoácidos de los extremos de la proteína, lo que da como resultado insulina activa: las cadenas A y B de la insulina, ahora conectadas con dos enlaces disulfuro. [26]
La insulina madura resultante se empaqueta dentro de gránulos maduros esperando que las señales metabólicas (como leucina, arginina, glucosa y manosa) y la estimulación del nervio vago sean exocitadas de la célula a la circulación. [41]
Se ha demostrado que la insulina y sus proteínas relacionadas se producen dentro del cerebro, y los niveles reducidos de estas proteínas están relacionados con la enfermedad de Alzheimer. [42] [43] [44]
La liberación de insulina también es estimulada por la estimulación del receptor beta-2 e inhibida por la estimulación del receptor alfa-1. Además, el cortisol, el glucagón y la hormona del crecimiento antagonizan las acciones de la insulina en momentos de estrés. La insulina también inhibe la liberación de ácidos grasos por la lipasa sensible a hormonas en el tejido adiposo. [8]
Contrariamente a la creencia inicial de que las hormonas serían generalmente moléculas químicas pequeñas, como primera hormona peptídica conocida de su estructura, se descubrió que la insulina era bastante grande. [17] Una sola proteína (monómero) de la insulina humana está compuesta de 51 aminoácidos y tiene una masa molecular de 5808 Da . La fórmula molecular de la insulina humana es C 257 H 383 N 65 O 77 S 6 . [45] Es una combinación de dos cadenas peptídicas ( dímero ) denominadas cadena A y cadena B, que están unidas por dos enlaces disulfuro . La cadena A está compuesta por 21 aminoácidos, mientras que la cadena B consta de 30 residuos. Los enlaces disulfuro de enlace (entre cadenas) se forman en los residuos de cisteína entre las posiciones A7-B7 y A20-B19. Hay un enlace disulfuro adicional (intracadena) dentro de la cadena A entre los residuos de cisteína en las posiciones A6 y A11. La cadena A presenta dos regiones de hélice α en A1-A8 y A12-A19 que son antiparalelas; mientras que la cadena B tiene una hélice α central (que cubre los residuos B9-B19) flanqueada por el enlace disulfuro en ambos lados y dos láminas β (que cubren B7-B10 y B20-B23). [17] [46]
La secuencia de aminoácidos de la insulina está fuertemente conservada y varía sólo ligeramente entre especies. La insulina bovina se diferencia de la humana en sólo tres residuos de aminoácidos y la insulina porcina en uno. Incluso la insulina de algunas especies de peces es lo suficientemente similar a la humana como para ser clínicamente eficaz en humanos. La secuencia de la insulina en algunos invertebrados es bastante similar a la de la insulina humana y tiene efectos fisiológicos similares. La fuerte homología observada en la secuencia de insulina de diversas especies sugiere que se ha conservado a lo largo de gran parte de la historia evolutiva animal. El péptido C de la proinsulina , sin embargo, difiere mucho más entre especies; también es una hormona, pero secundaria. [46]
La insulina se produce y almacena en el cuerpo como un hexámero (una unidad de seis moléculas de insulina), mientras que la forma activa es el monómero. El hexámero tiene un tamaño de aproximadamente 36000 Da. Las seis moléculas están unidas entre sí como tres unidades diméricas para formar una molécula simétrica. Una característica importante es la presencia de átomos de zinc (Zn 2+ ) en el eje de simetría, que están rodeados por tres moléculas de agua y tres residuos de histidina en la posición B10. [17] [46]
El hexámero es una forma inactiva con estabilidad a largo plazo, que sirve como una forma de mantener protegida la insulina altamente reactiva, pero fácilmente disponible. La conversión de hexámero-monómero es uno de los aspectos centrales de las formulaciones de insulina inyectable. El hexámero es mucho más estable que el monómero, lo cual es deseable por razones prácticas; sin embargo, el monómero es un fármaco que reacciona mucho más rápido porque la velocidad de difusión está inversamente relacionada con el tamaño de las partículas. Un fármaco de reacción rápida significa que las inyecciones de insulina no tienen que preceder en horas a las comidas, lo que a su vez da a las personas con diabetes más flexibilidad en sus horarios diarios. [47] La insulina puede agregarse y formar láminas beta fibrilares interdigitadas . Esto puede causar amiloidosis por inyección e impide el almacenamiento de insulina durante períodos prolongados. [48]
Las células beta de los islotes de Langerhans liberan insulina en dos fases. La liberación de la primera fase se desencadena rápidamente en respuesta al aumento de los niveles de glucosa en sangre y dura aproximadamente 10 minutos. La segunda fase es una liberación lenta y sostenida de vesículas recién formadas que se desencadena independientemente del azúcar y alcanza su punto máximo en 2 a 3 horas. Las dos fases de la liberación de insulina sugieren que los gránulos de insulina están presentes en diversas poblaciones o "pools" establecidos. Durante la primera fase de la exocitosis de insulina, la mayoría de los gránulos que predisponen a la exocitosis se liberan después de la internalización del calcio. Este grupo se conoce como grupo de fácil liberación (RRP). Los gránulos de RRP representan del 0,3 al 0,7 % de la población total de gránulos que contienen insulina y se encuentran inmediatamente adyacentes a la membrana plasmática. Durante la segunda fase de la exocitosis, los gránulos de insulina requieren una movilización de los gránulos hacia la membrana plasmática y una preparación previa para sufrir su liberación. [49] Por lo tanto, la segunda fase de la liberación de insulina se rige por la velocidad a la que los gránulos se preparan para la liberación. Este grupo se conoce como grupo de reserva (RP). El RP se libera más lentamente que el PRR (PRR: 18 gránulos/min; RP: 6 gránulos/min). [50] La liberación reducida de insulina en la primera fase puede ser el defecto detectable más temprano de las células beta que predice la aparición de diabetes tipo 2 . [51] La liberación de primera fase y la sensibilidad a la insulina son predictores independientes de diabetes. [52]
La descripción del lanzamiento de la primera fase es la siguiente:
Este es el mecanismo principal para la liberación de insulina. Otras sustancias que se sabe que estimulan la liberación de insulina incluyen los aminoácidos arginina y leucina, la liberación parasimpática de acetilcolina (que actúa a través de la vía de la fosfolipasa C), sulfonilurea , colecistoquinina (CCK, también a través de la fosfolipasa C), [57] y las incretinas de origen gastrointestinal , como como el péptido 1 similar al glucagón (GLP-1) y el péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP).
La noradrenalina (noradrenalina) inhibe fuertemente la liberación de insulina , lo que provoca un aumento de los niveles de glucosa en sangre durante el estrés. Parece que la liberación de catecolaminas por el sistema nervioso simpático tiene influencias contradictorias sobre la liberación de insulina por las células beta, porque la liberación de insulina es inhibida por los receptores adrenérgicos α 2 [58] y estimulada por los receptores adrenérgicos β 2 . [59] El efecto neto de la norepinefrina de los nervios simpáticos y la epinefrina de las glándulas suprarrenales sobre la liberación de insulina es la inhibición debido al dominio de los receptores α-adrenérgicos. [60]
Cuando el nivel de glucosa desciende al valor fisiológico habitual, la liberación de insulina de las células β se ralentiza o se detiene. Si el nivel de glucosa en sangre cae por debajo de este valor, especialmente a niveles peligrosamente bajos, la liberación de hormonas hiperglucémicas (principalmente glucagón de las células alfa de los islotes de Langerhans) fuerza la liberación de glucosa a la sangre desde las reservas de glucógeno del hígado, complementada por la gluconeogénesis si el glucógeno las tiendas se agotan. Al aumentar la glucosa en sangre, las hormonas hiperglucémicas previenen o corrigen la hipoglucemia potencialmente mortal.
Se puede observar evidencia de alteración de la liberación de insulina en la primera fase en la prueba de tolerancia a la glucosa , demostrada por un nivel de glucosa en sangre sustancialmente elevado 30 minutos después de la ingestión de una carga de glucosa (75 o 100 g de glucosa), seguido de una caída lenta. los siguientes 100 minutos, para permanecer por encima de 120 mg/100 mL después de dos horas de iniciada la prueba. En una persona normal, el nivel de glucosa en sangre se corrige (y puede incluso corregirse ligeramente en exceso) al final de la prueba. Un pico de insulina es una "primera respuesta" al aumento de glucosa en sangre; esta respuesta es individual y específica de la dosis, aunque anteriormente siempre se asumió que era específica únicamente del tipo de alimento.
Incluso durante la digestión, en general, una o dos horas después de una comida, la liberación de insulina del páncreas no es continua, sino que oscila con un período de 3 a 6 minutos, pasando de generar una concentración de insulina en sangre superior a aproximadamente 800 pmol /l. a menos de 100 pmol/L (en ratas). [61] Se cree que esto evita la regulación negativa de los receptores de insulina en las células diana y ayuda al hígado a extraer insulina de la sangre. [61] Es importante tener en cuenta esta oscilación al administrar medicamentos estimulantes de la insulina, ya que lo ideal es lograr la concentración sanguínea oscilante de liberación de insulina, no una concentración alta constante. [61] Esto se puede lograr administrando insulina rítmicamente a la vena porta , mediante administración activada por luz o mediante trasplante de células de los islotes al hígado. [61] [62] [63]
El nivel de insulina en sangre se puede medir en unidades internacionales , como µUI/mL, o en concentración molar , como pmol/L, donde 1 µIU/mL equivale a 6,945 pmol/L. [64] Un nivel sanguíneo típico entre comidas es de 8 a 11 μUI/mL (57 a 79 pmol/L). [sesenta y cinco]
Los efectos de la insulina se inician mediante su unión a un receptor, el receptor de insulina (IR) , presente en la membrana celular. La molécula receptora contiene subunidades α y β. Se unen dos moléculas para formar lo que se conoce como homodímero. La insulina se une a las subunidades α del homodímero, que mira hacia el lado extracelular de las células. Las subunidades β tienen actividad enzimática tirosina quinasa que se desencadena por la unión a la insulina. Esta actividad provoca la autofosforilación de las subunidades β y posteriormente la fosforilación de proteínas del interior de la célula conocidas como sustratos del receptor de insulina (IRS). La fosforilación del IRS activa una cascada de transducción de señales que conduce a la activación de otras quinasas, así como de factores de transcripción que median los efectos intracelulares de la insulina. [66]
La cascada que conduce a la inserción de los transportadores de glucosa GLUT4 en las membranas celulares de los músculos y las células grasas, y a la síntesis de glucógeno en el hígado y el tejido muscular, así como a la conversión de la glucosa en triglicéridos en el hígado, el tejido adiposo y la mama lactante. tejido glandular, opera mediante la activación, por IRS-1, de la fosfoinositol 3 quinasa ( PI3K ). Esta enzima convierte un fosfolípido de la membrana celular llamado fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2), en fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3), que, a su vez, activa la proteína quinasa B (PKB). La PKB activada facilita la fusión de los endosomas que contienen GLUT4 con la membrana celular, lo que resulta en un aumento de los transportadores de GLUT4 en la membrana plasmática. [67] La PKB también fosforila la glucógeno sintasa quinasa (GSK), inactivando así esta enzima. [68] Esto significa que su sustrato, la glucógeno sintasa (GS), no puede fosforilarse y permanece desfosforilada y, por lo tanto, activa. La enzima activa, la glucógeno sintasa (GS), cataliza el paso limitante de la velocidad en la síntesis de glucógeno a partir de glucosa. Desfosforilaciones similares afectan a las enzimas que controlan la tasa de glucólisis que conducen a la síntesis de grasas a través de malonil-CoA en los tejidos que pueden generar triglicéridos , y también a las enzimas que controlan la tasa de gluconeogénesis en el hígado. El efecto global de estas desfosforilaciones enzimáticas finales es que, en los tejidos que pueden llevar a cabo estas reacciones, se estimula la síntesis de glucógeno y grasas a partir de glucosa, y se inhibe la producción de glucosa por parte del hígado mediante glucogenólisis y gluconeogénesis . [69] También se inhibe la descomposición de los triglicéridos por el tejido adiposo en ácidos grasos libres y glicerol . [69]
Una vez producida la señal intracelular que resultó de la unión de la insulina a su receptor, es necesario detener la señalización. Como se menciona más adelante en la sección sobre degradación, la endocitosis y degradación del receptor unido a la insulina es un mecanismo principal para finalizar la señalización. [41] Además, la vía de señalización también finaliza mediante la desfosforilación de los residuos de tirosina en las diversas vías de señalización por parte de las tirosina fosfatasas. También se sabe que las serina/treonina quinasas reducen la actividad de la insulina.
La estructura del complejo insulina- receptor de insulina se ha determinado mediante técnicas de cristalografía de rayos X. [70]
Las acciones de la insulina a nivel global del metabolismo humano incluyen:
Las acciones de la insulina (indirecta y directa) sobre las células incluyen:
La insulina también influye en otras funciones corporales, como la distensibilidad vascular y la cognición . Una vez que la insulina ingresa al cerebro humano, mejora el aprendizaje y la memoria y beneficia en particular la memoria verbal. [81] La mejora de la señalización de la insulina cerebral mediante la administración intranasal de insulina también mejora la respuesta termorreguladora y glucorreguladora aguda a la ingesta de alimentos, lo que sugiere que la insulina del sistema nervioso central contribuye a la coordinación de una amplia variedad de procesos homeostáticos o reguladores en el cuerpo humano. [82] La insulina también tiene efectos estimulantes sobre la hormona liberadora de gonadotropina del hipotálamo , favoreciendo así la fertilidad . [83]
Una vez que una molécula de insulina se ha acoplado al receptor y ha efectuado su acción, puede liberarse de nuevo al entorno extracelular o puede ser degradada por la célula. Los dos sitios principales para la eliminación de la insulina son el hígado y el riñón. [84] Es descompuesto por la enzima proteína disulfuro reductasa (glutatión) , [85] que rompe los enlaces disulfuro entre las cadenas A y B. El hígado elimina la mayor parte de la insulina durante el tránsito de primer paso, mientras que el riñón elimina la mayor parte de la insulina en la circulación sistémica. La degradación normalmente implica la endocitosis del complejo receptor de insulina, seguida de la acción de la enzima degradadora de insulina . Se estima que una molécula de insulina producida endógenamente por las células beta se degrada aproximadamente una hora después de su liberación inicial a la circulación ( vida media de la insulina ~ 4 a 6 minutos). [86] [87]
La insulina es un importante regulador del metabolismo de los endocannabinoides (CE) y se ha demostrado que el tratamiento con insulina reduce las CE intracelulares , el 2-araquidonoilglicerol (2-AG) y la anandamida (AEA), que se corresponden con cambios de expresión sensibles a la insulina en las enzimas del metabolismo de las CE. . En los adipocitos resistentes a la insulina , los patrones de expresión de enzimas inducidas por la insulina se alteran de una manera consistente con una síntesis elevada de CE y una degradación reducida de la CE. Los hallazgos sugieren que los adipocitos resistentes a la insulina no regulan el metabolismo de las CE y disminuyen los niveles intracelulares de CE en respuesta a la estimulación de la insulina, por lo que los individuos obesos resistentes a la insulina exhiben mayores concentraciones de CE. [88] [89] Esta desregulación contribuye a la acumulación excesiva de grasa visceral y a la reducción de la liberación de adiponectina del tejido adiposo abdominal, y además a la aparición de varios factores de riesgo cardiometabólicos asociados con la obesidad y la diabetes tipo 2 . [90]
La hipoglucemia , también conocida como "nivel bajo de azúcar en sangre", ocurre cuando el azúcar en sangre disminuye a niveles por debajo de lo normal. [91] Esto puede provocar una variedad de síntomas que incluyen torpeza, dificultad para hablar, confusión, pérdida del conocimiento , convulsiones o muerte. [91] También puede estar presente una sensación de hambre, sudoración, temblores y debilidad. [91] Los síntomas suelen aparecer rápidamente. [91]
La causa más común de hipoglucemia son los medicamentos utilizados para tratar la diabetes mellitus , como la insulina y las sulfonilureas . [92] [93] El riesgo es mayor en los diabéticos que han comido menos de lo habitual, han hecho más ejercicio de lo habitual o han consumido alcohol . [91] Otras causas de hipoglucemia incluyen insuficiencia renal , ciertos tumores , como el insulinoma , enfermedad hepática , hipotiroidismo , inanición , error congénito del metabolismo , infecciones graves , hipoglucemia reactiva y una serie de drogas, incluido el alcohol. [91] [93] Un nivel bajo de azúcar en la sangre puede ocurrir en bebés sanos que no han comido durante algunas horas. [94]
Hay varias condiciones en las que la alteración de la insulina es patológica:
La insulina humana biosintética (insulina humana ADNr, INN) para uso clínico se fabrica mediante tecnología de ADN recombinante . [13] La insulina humana biosintética tiene una mayor pureza en comparación con la insulina animal extractiva, y la pureza mejorada reduce la formación de anticuerpos. Los investigadores han conseguido introducir el gen de la insulina humana en plantas como otro método de producción de insulina ("biofarmacéutica") en el cártamo . [99] Se prevé que esta técnica reducirá los costos de producción.
Se encuentran disponibles varios análogos de la insulina humana. Estos análogos de insulina están estrechamente relacionados con la estructura de la insulina humana y fueron desarrollados para aspectos específicos del control glucémico en términos de acción rápida (insulinas prandiales) y acción prolongada (insulinas basales). [100] El primer análogo de insulina biosintético se desarrolló para uso clínico a la hora de las comidas (insulina prandial), Humalog (insulina lispro), [101] se absorbe más rápidamente después de la inyección subcutánea que la insulina regular, con un efecto 15 minutos después de la inyección. Otros análogos de acción rápida son NovoRapid y Apidra , con perfiles similares. [102] Todos se absorben rápidamente debido a secuencias de aminoácidos que reducirán la formación de dímeros y hexámeros (las insulinas monoméricas se absorben más rápidamente). Las insulinas de acción rápida no requieren el intervalo entre inyección y comida recomendado anteriormente para la insulina humana y la insulina animal. El otro tipo es la insulina de acción prolongada; el primero de ellos fue Lantus (insulina glargina). Estos tienen un efecto constante durante un período prolongado de 18 a 24 horas. Asimismo, otro análogo prolongado de la insulina ( Levemir ) se basa en un método de acilación de ácidos grasos. A este análogo se une una molécula de ácido mirístico , que asocia la molécula de insulina a la abundante albúmina sérica, lo que a su vez prolonga el efecto y reduce el riesgo de hipoglucemia. Ambos análogos prolongados deben tomarse sólo una vez al día y se utilizan para los diabéticos tipo 1 como insulina basal. También está disponible una combinación de insulina de acción rápida y prolongada, lo que hace más probable que los pacientes alcancen un perfil de insulina que imite el de la liberación de insulina del propio cuerpo. [103] [104] La insulina también se utiliza en muchas líneas celulares, como CHO-s, HEK 293 o Sf9, para la fabricación de anticuerpos monoclonales, vacunas virales y productos de terapia génica. [105]
La insulina generalmente se administra mediante inyecciones subcutáneas mediante jeringas con agujas de un solo uso , mediante una bomba de insulina o mediante plumas de insulina de uso repetido con agujas desechables. La insulina inhalada también está disponible en el mercado estadounidense.
La aguja para pluma de un solo uso Dispovan de HMD [106] es la primera aguja para pluma de insulina de la India que facilita la autoadministración. Con paredes extrafinas y una punta cónica de múltiples biseles, estas agujas para pluma priorizan la comodidad del paciente al minimizar el dolor y garantizar una administración perfecta de los medicamentos. El producto tiene como objetivo proporcionar agujas para bolígrafos asequibles a la parte en desarrollo del país a través de su amplio canal de distribución. Además, el diseño universal de estas agujas garantiza la compatibilidad con todas las plumas de insulina.
A diferencia de muchos medicamentos, la insulina no se puede tomar por vía oral porque, como casi todas las demás proteínas que se introducen en el tracto gastrointestinal , se reduce a fragmentos, con lo que se pierde toda actividad. Se han realizado algunas investigaciones sobre formas de proteger la insulina del tracto digestivo, de modo que pueda administrarse por vía oral o sublingual. [107] [108]
En 2021, la Organización Mundial de la Salud añadió la insulina a su lista modelo de medicamentos esenciales . [109]
El Servicio Nacional de Salud de los países del Reino Unido suministra la insulina y todos los demás medicamentos de forma gratuita a las personas con diabetes . [110]
En 1869, mientras estudiaba la estructura del páncreas bajo un microscopio , Paul Langerhans , un estudiante de medicina en Berlín , identificó algunos cúmulos de tejido que antes habían pasado desapercibidos y diseminados por la mayor parte del páncreas. [111] La función de los "pequeños montones de células", más tarde conocidos como islotes de Langerhans , inicialmente permaneció desconocida, pero Édouard Laguesse sugirió más tarde que podrían producir secreciones que desempeñan un papel regulador en la digestión. [112] El hijo de Paul Langerhans, Archibald, también ayudó a comprender este papel regulador.
En 1889, el médico Oskar Minkowski , en colaboración con Joseph von Mering , extirpó el páncreas de un perro sano para comprobar su papel en la digestión. Al analizar la orina encontraron azúcar, estableciendo por primera vez una relación entre el páncreas y la diabetes. En 1901, el médico y científico estadounidense Eugene Lindsay Opie dio otro paso importante , cuando aisló el papel del páncreas a los islotes de Langerhans: "Diabetes mellitus cuando el resultado de una lesión del páncreas es causado por la destrucción del islas de Langerhans y sólo se produce cuando estos cuerpos son total o parcialmente destruidos". [113] [114] [115]
Durante las siguientes dos décadas, los investigadores hicieron varios intentos de aislar las secreciones de los islotes. En 1906, George Ludwig Zuelzer logró un éxito parcial en el tratamiento de perros con extracto pancreático, pero no pudo continuar su trabajo. Entre 1911 y 1912, EL Scott, de la Universidad de Chicago, probó extractos pancreáticos acuosos y notó "una ligera disminución de la glucosuria", pero no pudo convencer a su director del valor de su trabajo; fue cerrado. Israel Kleiner demostró efectos similares en la Universidad Rockefeller en 1915, pero la Primera Guerra Mundial interrumpió su trabajo y no volvió a él. [116]
En 1916, Nicolae Paulescu desarrolló un extracto pancreático acuoso que, cuando se inyectaba en un perro diabético , tenía un efecto normalizador sobre los niveles de azúcar en sangre . Tuvo que interrumpir sus experimentos a causa de la Primera Guerra Mundial , y en 1921 escribió cuatro artículos sobre sus trabajos realizados en Bucarest y sus pruebas con un perro diabético. Ese mismo año publicó "Investigación sobre el papel del páncreas en la asimilación de alimentos". [117] [118]
El nombre "insulina" fue acuñado por Edward Albert Sharpey-Schafer en 1916 para una molécula hipotética producida por los islotes pancreáticos de Langerhans ( ínsula latina para islote o isla) que controla el metabolismo de la glucosa. Sin que Sharpey-Schafer lo supiera, Jean de Meyer había introducido la palabra muy similar "insulina" en 1909 para la misma molécula. [119] [120]
En octubre de 1920, el canadiense Frederick Banting concluyó que las secreciones digestivas que Minkowski había estudiado originalmente estaban descomponiendo la secreción de los islotes, haciendo imposible su extracción exitosa. Banting, cirujano de formación, sabía que las obstrucciones del conducto pancreático llevarían a la atrofia de la mayor parte del páncreas, dejando intactos los islotes de Langerhans. Razonó que se podría hacer un extracto relativamente puro a partir de los islotes una vez que la mayor parte del resto del páncreas hubiera desaparecido. Escribió una nota para sí mismo: "Ligue los conductos pancreáticos del perro. Mantenga vivos a los perros hasta que los acinos degeneren dejando islotes. Intente aislar la secreción interna de estos + alivie la glicosurea [sic]". [121] [122]
En la primavera de 1921, Banting viajó a Toronto para explicar su idea a John Macleod , profesor de fisiología de la Universidad de Toronto . Macleod se mostró inicialmente escéptico, ya que Banting no tenía experiencia en investigación y no estaba familiarizado con la literatura más reciente, pero aceptó proporcionarle un espacio de laboratorio para que Banting probara sus ideas. Macleod también hizo arreglos para que dos estudiantes universitarios fueran asistentes de laboratorio de Banting ese verano, pero Banting solo necesitaba un asistente de laboratorio. Charles Best y Clark Noble lanzaron una moneda; Best ganó el sorteo y tomó el primer turno. Esto resultó desafortunado para Noble, ya que Banting se quedó con Best durante todo el verano y finalmente compartió la mitad del dinero del Premio Nobel y el crédito por el descubrimiento con Best. [123] El 30 de julio de 1921, Banting y Best aislaron con éxito un extracto ("isletin") de los islotes de un perro con conductos atados y lo inyectaron en un perro diabético, descubriendo que el extracto reducía su nivel de azúcar en la sangre en un 40% en 1 hora. [124] [122]
Banting y Best presentaron sus resultados a Macleod a su regreso a Toronto en el otoño de 1921, pero Macleod señaló fallas en el diseño experimental y sugirió que los experimentos se repitieran con más perros y mejor equipo. Trasladó a Banting y Best a un laboratorio mejor y comenzó a pagarle a Banting un salario de sus becas de investigación. Varias semanas después, la segunda ronda de experimentos también fue un éxito, y Macleod ayudó a publicar sus resultados de forma privada en Toronto ese noviembre. Atascado por la lenta tarea de atar los conductos de los perros y esperando varias semanas para extraer insulina, a Banting se le ocurrió la idea de extraer insulina del páncreas de la pantorrilla fetal, que aún no había desarrollado glándulas digestivas. En diciembre también lograron extraer insulina del páncreas de una vaca adulta. Macleod interrumpió todas las demás investigaciones en su laboratorio para concentrarse en la purificación de la insulina. Invitó al bioquímico James Collip para que le ayudara con esta tarea y el equipo se sintió listo para una prueba clínica en un mes. [122]
.jpg/1280px-Chart_for_Elizabeth_Hughes_(12308739143).jpg)
El 11 de enero de 1922, Leonard Thompson , un diabético de 14 años que agonizaba en el Hospital General de Toronto , recibió la primera inyección de insulina. [125] [126] [127] [128] Sin embargo, el extracto era tan impuro que Thompson tuvo una reacción alérgica grave y se cancelaron más inyecciones. Durante los siguientes 12 días, Collip trabajó día y noche para mejorar el extracto de páncreas de buey. El 23 de enero se inyectó una segunda dosis, que eliminó la glucosuria típica de la diabetes sin causar efectos secundarios evidentes. La primera paciente estadounidense fue Elizabeth Hughes , hija del secretario de Estado estadounidense, Charles Evans Hughes . [129] [130] El primer paciente tratado en los EE. UU. fue el futuro artista de grabado en madera James D. Havens ; [131] John Ralston Williams importó insulina de Toronto a Rochester, Nueva York , para tratar a Havens. [132]
Banting y Best nunca trabajaron bien con Collip, considerándolo una especie de intruso, [ cita necesaria ] y Collip abandonó el proyecto poco después. Durante la primavera de 1922, Best logró mejorar sus técnicas hasta el punto de poder extraer grandes cantidades de insulina cuando fuera necesario, pero la preparación seguía siendo impura. La empresa farmacéutica Eli Lilly and Company había ofrecido ayuda poco después de las primeras publicaciones en 1921, y aceptó la oferta de Lilly en abril. En noviembre, el químico jefe de Lilly, George B. Walden , descubrió la precipitación isoeléctrica y pudo producir grandes cantidades de insulina altamente refinada. Poco después, se puso a la venta insulina al público en general.
A finales de enero de 1922, aumentaron las tensiones entre los cuatro "codescubridores" de la insulina y Collip amenazó brevemente con patentar por separado su proceso de purificación. John G. FitzGerald , director de la institución de salud pública no comercial Connaught Laboratories , intervino como pacificador. El acuerdo resultante del 25 de enero de 1922 estableció dos condiciones clave: 1) que los colaboradores firmarían un contrato comprometiéndose a no obtener una patente con una empresa farmacéutica comercial durante un período de trabajo inicial con Connaught; y 2) que no se permitirían cambios en la política de investigación a menos que primero se discutieran entre FitzGerald y los cuatro colaboradores. [133] Ayudó a contener el desacuerdo y vinculó la investigación al mandato público de Connaught.
Inicialmente, Macleod y Banting se mostraron particularmente reacios a patentar su proceso para la insulina por motivos de ética médica. Sin embargo, persistía la preocupación de que un tercero privado pudiera secuestrar y monopolizar la investigación (como habían insinuado Eli Lilly and Company [134] ), y que sería difícil garantizar una distribución segura sin capacidad de control de calidad. Para ello, Edward Calvin Kendall dio valiosos consejos. Había aislado la tiroxina en la Clínica Mayo en 1914 y patentó el proceso mediante un acuerdo entre él, los hermanos Mayo y la Universidad de Minnesota , transfiriendo la patente a la universidad pública. [135] El 12 de abril, Banting, Best, Collip, Macleod y FitzGerald escribieron conjuntamente al presidente de la Universidad de Toronto para proponer un acuerdo similar con el objetivo de asignar una patente a la Junta de Gobernadores de la universidad. [136] La carta enfatizaba que: [137]
La patente no se utilizaría para ningún otro fin que impedir que otras personas la obtengan. Cuando se publiquen los detalles del método de preparación, cualquiera será libre de preparar el extracto, pero nadie podrá asegurarse un monopolio rentable.
La asignación a la Junta de Gobernadores de la Universidad de Toronto se completó el 15 de enero de 1923, por el pago simbólico de 1 dólar. [138] El acuerdo fue felicitado en The World's Work en 1923 como "un paso adelante en la ética médica". [139] También ha recibido mucha atención de los medios en la década de 2010 con respecto a la cuestión de la atención médica y la asequibilidad de los medicamentos .
Tras una mayor preocupación por los intentos de Eli Lilly de patentar por separado partes del proceso de fabricación, el subdirector y jefe de la división de insulina de Connaught, Robert Defries , estableció una política de agrupación de patentes que requeriría que los productores compartieran libremente cualquier mejora en el proceso de fabricación sin comprometer la asequibilidad. [140]
La insulina purificada de origen animal era inicialmente el único tipo de insulina disponible para experimentos y para diabéticos. John Jacob Abel fue el primero en producir la forma cristalizada en 1926. [141] La evidencia de la naturaleza proteica fue dada por primera vez por Michael Somogyi , Edward A. Doisy y Philip A. Shaffer en 1924. [142] Se demostró completamente cuando Hans Jensen y Earl A. Evans Jr. aislaron los aminoácidos fenilalanina y prolina en 1935. [143]
La estructura de aminoácidos de la insulina fue caracterizada por primera vez en 1951 por Frederick Sanger , [18] [144] y la primera insulina sintética se produjo simultáneamente en los laboratorios de Panayotis Katsoyannis en la Universidad de Pittsburgh y Helmut Zahn en la Universidad RWTH Aachen a mediados de -Década de 1960. [145] [146] [147] [148] [149] Investigadores chinos lograron insulina bovina cristalina sintética en 1965. [150] La estructura tridimensional completa de la insulina se determinó mediante cristalografía de rayos X en Dorothy Hodgkin . laboratorio en 1969. [151]
Hans E. Weber descubrió la preproinsulina mientras trabajaba como investigador en la Universidad de California en Los Ángeles en 1974. En 1973-1974, Weber aprendió las técnicas para aislar, purificar y traducir el ARN mensajero. Para investigar más a fondo la insulina, obtuvo tejidos pancreáticos de un matadero en Los Ángeles y luego de animales de la UCLA. Aisló y purificó el ARN mensajero total de las células de los islotes pancreáticos, que luego se tradujo en ovocitos de Xenopus laevis y se precipitó utilizando anticuerpos antiinsulina. Cuando la proteína traducida total se procesó en electroforesis en gel de SDS-poliacrilamida y gradiente de sacarosa, se aislaron los picos correspondientes a insulina y proinsulina. Sin embargo, para sorpresa de Weber se aisló un tercer pico correspondiente a una molécula de mayor tamaño que la proinsulina. Después de reproducir el experimento varias veces, notó consistentemente este gran pico antes de la proinsulina que determinó que debía ser una molécula precursora más grande aguas arriba de la proinsulina. En mayo de 1975, en la reunión de la Asociación Americana de Diabetes en Nueva York, Weber hizo una presentación oral de su trabajo [152] donde fue el primero en denominar a esta molécula precursora "preproinsulina". Después de esta presentación oral, Weber fue invitado a cenar para discutir su artículo y sus hallazgos por parte de Donald Steiner , un investigador que contribuyó a la caracterización de la proinsulina. Un año después, en abril de 1976, Steiner caracterizó y secuenció aún más esta molécula, haciendo referencia al trabajo y descubrimiento de Hans Weber. [153] La preproinsulina se convirtió en una molécula importante para estudiar el proceso de transcripción y traducción.
La primera insulina "humana" sintética genéticamente modificada fue producida utilizando E. coli en 1978 por Arthur Riggs y Keiichi Itakura en el Instituto de Investigación Beckman de City of Hope en colaboración con Herbert Boyer en Genentech . [14] [15] Genentech, fundada por Swanson, Boyer y Eli Lilly and Company , continuó en 1982 vendiendo la primera insulina humana biosintética disponible comercialmente bajo la marca Humulin . [15] La gran mayoría de la insulina utilizada en todo el mundo es insulina "humana" recombinante biosintética o sus análogos. [16] Recientemente, un grupo pionero de investigadores canadienses ha utilizado otro enfoque, utilizando una planta de cártamo de fácil cultivo , para la producción de insulina mucho más barata. [154]
La insulina recombinante se produce en levadura (normalmente Saccharomyces cerevisiae ) o en E. coli . [155] En la levadura, la insulina se puede diseñar como una proteína monocatenaria con un sitio de endoproteasa KexII (un homólogo de levadura de PCI/PCII) que separa la cadena A de insulina de una cadena B de insulina truncada en el extremo C-terminal. Luego se injerta una cola C-terminal sintetizada químicamente en insulina mediante proteólisis inversa utilizando la proteasa económica tripsina; Normalmente, la lisina de la cola C-terminal está protegida con un grupo protector químico para evitar la proteólisis. La facilidad de la síntesis modular y la relativa seguridad de las modificaciones en esa región explican los análogos de insulina comunes con modificaciones C-terminales (p. ej., lispro, aspart, glulisina). La síntesis de Genentech y la síntesis completamente química como la de Bruce Merrifield no se prefieren porque la eficacia de la recombinación de las dos cadenas de insulina es baja, principalmente debido a la competencia con la precipitación de la cadena B de insulina.
En 1923, el comité del Premio Nobel atribuyó la extracción práctica de insulina a un equipo de la Universidad de Toronto y otorgó el Premio Nobel a dos hombres: Frederick Banting y John Macleod . [156] Fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1923 por el descubrimiento de la insulina. Banting, indignado porque no se mencionaba a Best, [157] compartió su premio con él, y Macleod inmediatamente compartió el suyo con James Collip . La patente de la insulina se vendió a la Universidad de Toronto por un dólar.
Otros dos premios Nobel han sido otorgados por trabajos sobre la insulina. El biólogo molecular británico Frederick Sanger , que determinó la estructura primaria de la insulina en 1955, recibió el Premio Nobel de Química en 1958 . [18] Rosalyn Sussman Yalow recibió el Premio Nobel de Medicina en 1977 por el desarrollo del radioinmunoensayo para la insulina.
Varios premios Nobel también tienen una relación indirecta con la insulina. George Minot , co-ganador del Premio Nobel de 1934 por el desarrollo del primer tratamiento eficaz para la anemia perniciosa , tenía diabetes mellitus . William Castle observó que el descubrimiento de la insulina en 1921, que llegó a tiempo para mantener vivo a Minot, fue también responsable del descubrimiento de una cura para la anemia perniciosa . [158] Dorothy Hodgkin recibió el Premio Nobel de Química en 1964 por el desarrollo de la cristalografía , la técnica que utilizó para descifrar la estructura molecular completa de la insulina en 1969. [151]
El trabajo publicado por Banting, Best, Collip y Macleod representó la preparación de un extracto de insulina purificada apto para su uso en pacientes humanos. [159] Aunque Paulescu descubrió los principios del tratamiento, su extracto salino no podía usarse en humanos; No fue mencionado en el Premio Nobel de 1923. Ian Murray estuvo particularmente activo trabajando para corregir "el error histórico" contra Nicolae Paulescu . Murray fue profesor de fisiología en la Facultad de Medicina Anderson de Glasgow , Escocia , jefe del departamento de Enfermedades Metabólicas de un importante hospital de Glasgow, vicepresidente de la Asociación Británica de Diabetes y miembro fundador de la Federación Internacional de Diabetes. . Murray escribió:
No se ha dado suficiente reconocimiento a Paulescu, el distinguido científico rumano , que en el momento en que el equipo de Toronto iniciaba su investigación ya había logrado extraer la hormona antidiabética del páncreas y demostrar su eficacia para reducir la hiperglucemia en perros diabéticos. [160]
En una comunicación privada, Arne Tiselius , ex director del Instituto Nobel, expresó su opinión personal de que Paulescu era igualmente digno del premio en 1923. [161]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Si usa insulina o medicamentos para controlar su diabetes,... no paga por ningún artículo que le receten.
Elizabeth Hughes era una niña alegre y bonita, de cinco pies de altura, con cabello castaño liso y un gran interés por los pájaros.
Con la dieta de Allen, su peso cayó a 65 libras, luego a 52 libras y luego, después de un episodio de diarrea que casi la mata en la primavera de 1922, a 45 libras.
Para entonces había sobrevivido tres años, mucho más de lo esperado.
Y entonces su madre se enteró de la noticia: finalmente se había aislado la insulina en Canadá.
La empresa Lilly estaría encantada de trabajar con Toronto, escribió Clowes , e insinuó, quizás intencionadamente, quizás no, que se podría pasar por alto Toronto: "Hasta ahora me he abstenido de comenzar a trabajar en nuestros laboratorios en el campo de esta cuestión. "Como estaba ansioso por evitar de alguna manera inmiscuirme en el campo de usted y sus asociados hasta que haya publicado sus resultados. Sin embargo, siento que el asunto es ahora de tal importancia inmediata que deberíamos abordar el extremo experimental del pregunta sin demora, preferiblemente cooperando con usted y sus asociados..."
