Una vez que ocurre la unión a la insulina al IR el mismo se autofosforila en tres sitios en asa activadora (Y1158; Y1162 y Y1163) sin embargo las mismas no son responsables por la interacción con las proteínas con dominios SH2 (homologías Src 2) o dominios de unión a fosfotirosina (PTB por sus siglas en inglés) que funcionan como substratos del receptor, por el contrario las mismas se unen a la tirosina fosforilada Y972 de la región yuxtamembranosa colocándolas en posición para su fosforilación y activación por el asa activadora. Estos substratos son: una familia de proteínas substratos del receptor de la insulina (IRS por sus siglas en inglés) en la cual existen 6 miembros y las proteínas adaptadoras Shc (proteínas con dominios de homología Src 2)⁽⁷⁾ .

Para comprender mejor la transducción intracelular de la señalización de la insulina es adecuado postular la existencia de tres “nódulos críticos” a saber: el IR e IRS, la fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K por sus siglas en inglés) y la proteína quinasa B (AKT/PKB por sus siglas en inglés)⁽²⁰⁾. Las características del IR fueron descritas en la sección precedente.

De las 6 proteínas IRS las 5 y 6 no tienen actividad de substratos de IR⁽²¹⁾, de las cuatro restantes IRS 1 y 2 son las más importantes y alcanzan una distribución ubicua, IRS3 se encuentra en los adipocitos y el cerebro mientas que IRS4 se encuentra en las células embrionarias. IRS 1 y 2 y las proteínas adaptadoras Shc median efectos metabólicos de la insulina⁽²⁰⁾. Los IRS son proteínas que poseen en el extremo amino terminal un dominio de homología de pleckstrina (es un dominio de unos 120 aminoácidos que existe en una gama de proteínas relacionadas con la señalización intracelular y el citoesqueleto y tienen la capacidad de unirse a los fosfolípidos de la membrana plasmática) adyacente a un dominio de PTB el cual une a la tirosina fosforilada Y972 de la porción yuxtamembranosa del dominio citoplasmático de IR. Las regiones centrales y carboxilo terminales de las proteínas IRS poseen unas 20 tirosinas potencialmente fosforilables por el IR fosforilado. Luego de activados, por fosforilación, los IRS unen moléculas que contienen dominios SH2.

Del “nódulo” IR-IRS parten dos vías principales de señalización de la insulina, estas son: la vía de la PI3K (una quinasa de fosfolípidos)/AKT (PKB)⁽²²⁾ y la vía de Raf/Ras/MEK/ MAPK (proteína quinasa activado por mitógeno también conocida como quinasa regulada por señales extracelulares, ERK por sus siglas en inglés) ⁽²³⁾. La vía de la PI3K es responsable de la mayoría de los efectos metabólicos de la insulina y está conectado exclusivamente a IRS, por otro lado, la vía de la MAPK parte de ambos IRS y Shc y está relacionada con la regulación de la expresión genética y con la cooperación entre PI3K y el control del crecimiento (mitogéneis) y diferenciación celular⁽²⁰⁾.

Vía de la Fosfatidilinositol 3 quinasa.

La activación de la vía de la PI3K, se inicia con la unión de los 2 dominios de SH2 presentes en la subunidad regulatoria (p85) de la enzima a los IRS 1 y/o 2 fosforilados por IR, con lo cual se activa la subunidad catalítica (p110) la cual fosforila al fosfatidilinositol 4; 5 bisfosfato generando fosfatidilinositol-3; 4; 5 trifosfato (PIP₃), este fosfolípido actúa como segundo mensajero, se une por medio de un dominio de homología de pleckstrina a la proteína quinasa dependiente de fosfoinositol (PDK por sus siglas en inglés) activándola. Por su parte PDK fosforila y activa a AKT/PBK ⁽²⁰⁾ (Figura 2).

Figura 2. Vía de PI3K. Se inicia por la unión de la subunidad reguladora (p85) de la PI3K a los IRS fosforilados con lo cual se activa la subunidad catalítica (110), esta a su vez fosforila a PIP₂ transformándolo en PIP₃, este último actuando como segundo mensajero activa a PDK la cual fosforila a AKT/PBK. En el esquema se representan cuatro de los substratos de AKT/PBK: caspasa 9, GSK3, mTOR y Fox0; no se incluye AS160 ya que ésta será objeto de consideración aparte. Para detalles ver el texto.

AKT/PBK, son una familia de proteína quinasas de serina/treonina que poseen un dominio de homología de pleckstrina lo cual permite su reclutamiento a la membrana plasmática para unirse a PIP₃. Los substratos más importantes del “nódulo” AKT/PBK son:

- El blanco de la rapamicina en los mamíferos (mTOR por sus siglas en inglés) involucrada en la regulación de la síntesis de proteínas ⁽²⁴⁾. mTOR es una proteína quinasa de serina/treonina que actúa como sensor de nutrientes y que funciona como la subunidad catalítica de 2 complejos estructuralmente distintos mTORC1 y mTORC2. mTOR estimula la síntesis de proteínas por fosforilación del factor de iniciación eucariota E4 que une a la proteína 1 y por fosforilación de la proteína ribosomal p70 S6 quinasa ⁽²⁴⁾.

- La quinasa 3 de la glucógeno sintasa (GSK3 por sus siglas en inglés) involucrada en la regulación de la síntesis de glucógeno ²⁵. La GSK3 es una quinasa de serina/treonina que inhibe por fosforilación a la glucógeno sintasa. La GSK3 es inhibida por fosforilación por AKT/PKB con lo cual se estimula la síntesis de glucógeno.

- La familia 0 de los factores de transcripción “cabeza de tenedores” (Fox0 por sus siglas en inglés) y en particular Fox01 el cual está involucrado en la regulación de los genes gluconegénicos y adipogénicos ⁽²⁶⁾. Fox01 es un factor de transcripción que en ausencia de insulina se traslada al núcleo y estimula la expresión de genes tales como el de la fosfoenol piruvato carboxiquinasa, una enzima clave en la neoglucogenésis, así como el de la ciclina atípica G2 la cual bloquea el ciclo celular, Fox01 es inhibido por la insulina y aparentemente juega un papel muy importante en la mitogénesis inducida por insulina ⁽²⁷⁾. Fox01 es secuestrado en el citoplasma por la fosforilación por AKT/PKB y en consecuencia no estimula la transcripción de los genes antes citados.

- La proteína AS160 (substrato de AKT/PKB de 160 KDa) involucrada en el transporte de glucosa⁽²⁸⁾, en vista del papel muy importante que juega en la homeostasis de glucosa será discutido con algún detalle más adelante.

- Fosforila y activa a la enzima sintasa de óxido nítrico endotelial (eNOS por sus siglas en inglés) la cual produce la molécula vasodilatadora y anti-inflamatoria óxido nítrico (NO) estableciéndose una conexión potencial entre la resistencia a la insulina y las enfermedades cardiovasculares ⁽²⁹⁾.

- Fosforila directamente la proteínas caspasa 9, inhibiendo su actividad apoptótica у promoviendo por tanto la supervivencia celular.

Vía de Raf/Ras/MEK/ MAPK.

Una segunda rama esencial de la señalización de la insulina la constituye la vía de Raf/Ras/MEK/ MAPK (Figura 3), la cual es independiente de PI3K y de AKT/PKB. Ambos, IR activado y las proteínas IRS activadas poseen sitios de unión a proteínas que contienen dominios SH2 tales como Grb2 (proteína adaptadora que une al factor de crecimiento 2, está relacionada con la transducción de señales celulares) y Shc (Son 3 proteínas de PM 46; 52 y 66KDal que poseen en el extremo amino terminal dominios de unión a fosfotirosina, PBT, y en el extremo carboxilo terminal dominios SH2). El extremo carboxilo terminal de Grb2 une proteínas como Gab-1 (es uno de los substratos de las proteínas IRS) y en el extremo amino terminal une proteínas ricas en prolina tales como “hijo de los sin siete” (SOS por sus siglas en inglés) la cual funciona como un intercambiador de nucleótidos de guanina para Ras (proteínas de bajo peso molecular que unen nucleótidos de guanina, controlan diferentes fenómenos: integridad del citoesqueleto; proliferación, diferenciación, adhesión y migración celular y la apoptosis). SOS permiten la conversión de Ras asociado a la membrana plasmática de la forma inactiva unido a GDP a la forma activa unido a GTP. Ras-GTP activa a la proteína quinasa de serina/treonina denominada Raf, la cual estimula por fosforilación, en serina/treonina, su blanco corriente abajo MEK1 y 2 (este acrónimo deriva de MAP quinasa, ERK y Kinasa), estos a su vez fosforilan (en serina/treonina) y activan a las MAP quinasas (proteína quinasa activada por mitógeno) la cual activa por fosforilación a ERK1 y 2 (quinasa regulada por señal extracelular). La activación de ERK1 y 2 juega un papel directo en la proliferación y diferenciación celular regulando la expresión de genes y eventos extranucleares tales como la organización del citoesqueleto mediante la fosforilación y activación de blancos en el núcleo y el citoplasma ⁽²³⁾.

Translocación del GLUT 4 regulado por la insulina.

El efecto clásico de la acción de la insulita es la entrada de la glucosa a las células del tejido adiposo, al músculo esquelético y cardiaco⁽²⁾. La entrada de glucosa al músculo esquelético es el evento más importante mediado por la insulina que previene la hiperglicemia postprandial; éste ocurre gracias a la translocación, desde vesículas intracelulares a la membrana plasmática, del transportador de glucosa 4 (GLUT4) por un mecanismo que aún no está completamente claro⁽³⁰⁾.

El GLUT4 es una de las 13 isoformas de transportadores de glucosa, los cuales poseen 12 dominios transmembranosos y que se expresa abundantemente en los tejidos adiposo y muscular. Los GLUTs transportan monosacáridos por un mecanismo independiente de ATP y sin el requerimiento de sodio; el GLUT4 tiene la característica distintiva de encontrarse en vesículas intracelulares (GSVs por sus siglas en inglés) en el estado no estimulado las cuales son redistribuidas a la membrana plasmática por efectos de la insulina o por otros estímulos como el ejercicio muscular ⁽³¹⁾.

En las células adiposas y musculares, no estimuladas por la insulina, aproximadamente entre un 3-10 % de los GLUT4 se encuentran en la membrana plasmática y más del 90 % está en compartimientos intracelulares (GSV). La estimulación por insulina incrementa considerablemente la exocitosis de GLUT4 a la membrana plasmática reduciendo mínimamente la endocitosis⁽³²⁾. Concomitantemente ocurre una redistribución de las GSV, de una forma cónica alrededor del núcleo a la de un anillo⁽³⁰⁾. La fusión de las GSV a la membrana plasmática requiere de unas proteínas de membrana asociadas a vesículas (VAMP2 por sus siglas en inglés) las cuales pertenecen a la familia de las SNARE (proteínas que median la fusión de vesículas a sus membranas blancos).

La principal vía involucrada en la translocación de las GSVs es la PI3K – PDK – AKT/PBK, (Figura 4) ésta última fosforila uno de sus substrato AS160 la cual es una proteína que modula la actividad de GTPasa de la proteína de bajo peso molecular Rab. Cuando AS160 no está fosforilado y es activa estimula la actividad de GTPasa de Rab generándose Rab-GDP el cual es inactivo y se bloquea la exocitosis de GLUT4. Por el contrario la fosforilación de AS160, por AKT/PBK, la inactiva con lo cual predomina Rab-GTP incrementándose el tráfico de vesículas que contienen GLUT4 a la membrana plasmática. En mutantes de AS160 se inhibe la translocación estimulada por insulina de GLUT4⁽²⁸⁾ lo cual sugiere que funciona como un regulador negativo que es inhibido por la insulina por medio de AKT/PBK. Así mismo en ratones “knockdown” (que no expresan una proteína) para AS160 se incrementa la cantidad basal de GLUT4 en la membrana plasmática lo cual es consistente con la función de retención de GLUT4 en GSVs intracelulares por AS160 que es liberado por la estimulación por insulina ⁽³³⁾.

La proteína quinasa C atípica (aPKC por sus siglas en inglés) requiere de PIP₃ y fosforilación por PDK pero no está relacionada AKT/PKB; está involucrada en la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática y la captación de glucosa por los tejidos adiposo y muscular ³⁴. También se ha relacionado con la regulación de la síntesis de lípidos en el hígado por incremento de la expresión de la proteína que une el elemento regulador de los esteroles ⁽³⁵⁾.

En los últimos años se ha descrito una vía independiente de PI3K, que involucra CAP (proteína activada por catabolíto la cual une AMPc) y APS (proteína adaptadora con dominios de pleckstrina y SH2 y es substrato del IR) que interactúa con c-Cbl (proteína que une ubiquitina, está relacionada con la señalización de ubiquitinización y degradación de proteínas. Posee un dominio que une tirosina fosforilada) en la translocación de GLUT4 y la captación de glucosa estimulada por la insulina (Figura 4). Clb es fosforilado en tirosinas por IR y en consecuencia recluta APS y CAP; posteriormente se une al complejo CrkII (proteínas adaptadoras que unen varios tipos de proteínas fosforiladas en tirosina además de poseer dominios SH2), esta a su vez interactúa con un factor liberador de nucleótidos de guanina (C3G) el cual se comporta como un factor intercambiador de la proteína de bajo peso molecular que une GTP, TC10 que activaría la aPKC (ζ/λ) con el consecuente incremento de la translocación de GSV ⁽³⁶⁾. Finalmente la estimulación de CT10 afecta la dinámica de la actina y la translocación de GLUT 4 a la membrana plasmática ⁽³⁶⁾.

Se requiere de un citoesqueleto con una actina dinámica para la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática y el incremento de la captación de glucosa ⁽³⁷⁾, en las células musculares la remodelación de los filamentos de actina requiere de PI3K pero no de AKT/PBK⁽³⁸⁾. Se pudiera postular que la remodelación de la actina promovida por la insulina provee de una plataforma física para la migración de las vesículas que contienen GLUT4 a la membrana plasmática, ayudada por motores proteicos ⁽³⁹⁾.

Figura 4. Exocitosis de GLUT4. La insulina promueve la translocación de GLUT4 desde las GSV a la membrana plasmática. La proteína AS160 en su estado no fosforilado y activo regula negativamente a la proteína G de bajo peso molecular Rab las cuales participan en el tráfico de GSV. AS160 estimula la hidrólisis de GTP generando Rab-GDP el cual es inactivo, inhibiendo el tráfico de vesículas. Cuando AS160 es fosforilado por AKT/PBK se inhibe, incrementándose Rab-GTP y se incrementa el tráfico de vesículas. Por otra parte PDK fosforila la aPKC (ζ/λ) la cual incrementa la translocación de GSV. Se ha postulado una vía alterna que parte de IR el cual activaría a las proteínas APS-CAP-Cbl y estas activarían a la proteína G de bajo peso molecular TC10 que activaría aPKC (ζ/λ) la cual incrementa la translocación de GSV.

El ejercicio muscular también estimula la translocación del GLUT4 a la membrana plasmática través de un mecanismo no mediado por la insulina y que no depende de PI3K, pero sí de la fosforilación de AS160 por la AMPK (quinasa dependiente de AMP)⁽³¹⁾, la cual funciona como un sensor metabólico muy importante, se activa alostericamente por aumento de la concentración intracelular de AMP (disminución concomitante de ATP) y por fosforilación por quinasas como la proteína quinasa quinasa β dependiente de calcio/calmodulina ⁽⁴⁰⁾.