Insulina

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Insulina
Formula insulina.gif
Insulincrystals.jpg
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare C257H383N65O77S6
Massa molecolare (u) 5807,570
Numero CAS [11061-68-0]
Codice ATC A10AB01
PubChem 16129672
DrugBank DB00030
Dati farmacologici
Categoria farmacoterapeutica ormoni
Dati farmacocinetici
Biodisponibilità favorisce, legandosi ad un recettore esterno della membrana cellulare, la penetrazione di glucosio nelle cellule del muscolo scheletrico, del cuore, delle ghiandole mammarie in allattamento
Indicazioni di sicurezza
Frasi H ---
Consigli P ---[1]
Struttura chimica
La struttura dell'Insulina
rosso: carbonio, verde: ossigeno; blu: azoto; rosa: zolfo
Gene
HUGO 6081
Entrez 3630
Locus Chr. 11 p15.5
Proteina
OMIM 176730
UniProt P01308

L'insulina è un ormone peptidico dalle proprietà anaboliche, prodotto dalle cellule beta delle isole di Langerhans all'interno del pancreas; è formata da due catene unite da due ponti solfuro: catena A di 21 aminoacidi e catena B di 30 aminoacidi. La sua funzione più nota è quella di regolatore dei livelli di glucosio ematico riducendo la glicemia mediante l'attivazione di diversi processi metabolici e cellulari. Ha inoltre un essenziale ruolo nella proteosintesi (sintesi proteica) assieme ad altri ormoni che sinergicamente partecipano a tale processo, tra cui l'asse GH/IGF-1, e il testosterone. L'insulina è il principale ormone responsabile del fenomeno di ingrassamento (lipogenesi), cioè lo stoccaggio di lipidi all'interno del tessuto adiposo.

Funzioni metaboliche[modifica | modifica sorgente]

L'insulina stimola l´ingresso di glucosio nel citosol delle cellule di organi insulino-dipendenti legandosi ad un recettore esterno della membrana cellulare. Tale funzione è possibile grazie all'interazione dell'insulina col suo recettore presente sulla membrana cellulare, che promuove la fosforilazione su tre residui di tirosina del peptide IRS-1 situato nel citoplasma. Il peptide così fosforilato agevola la fosforilazione del glicerofosfolipide fosfatidilinositolo-4,5-bifosfato (PIP2), ad opera dell'enzima fosfatidilinositolo-3-chinasi (PI3K), in fosfatidilinositolo-3,4,5-trifosfato (PIP3), che attiva a sua volta la proteina insulino-sensibile PKB. Tale proteina rende inattivo l'enzima glicogeno-sintasi-chinasi, responsabile dell'inattività della glicogeno-sintasi. Tale enzima, stimolato così dall'insulina, agevola la formazione e l'allungamento delle molecole di glicogeno nel fegato e nei muscoli scheletrici attraverso l'unione di monomeri di glucosio. Di pari passo disincentiva il processo di demolizione del glicogeno da parte della glicogeno fosforilasi, privandola di un gruppo fosfato tramite un enzima fosfatasi.

La carenza di insulina, o la resistenza cellulare a questa, determina una carenza di glucosio-6-fosfato, necessario al processo intracellulare di glicolisi che sintetizza piruvato a partire dal glucosio. L'ossalacetato, insieme all'acetil-CoA, costituisce la base del ciclo di Krebs. L'eccesso di acetil-CoA, non più utilizzabile per la condensazione del citrato, è destinato alla via chetogenica per produrre energia liberando CoA-SH e corpi chetonici, responsabili della chetoacidosi diabetica.

I suoi ormoni antagonisti sono il cortisolo (ormone alla base dell'insulinoresistenza), l'adrenalina, il glucagone, l'aldosterone e il GH. Gli ormoni che invece migliorano la sua azione sono il testosterone, il fattore di crescita insulino-simile e, in minor misura gli estrogeni (stimolano la sintesi della proteina, la transcortina, che lega e inibisce il cortisolo).

Queste due catene derivano da un unico polipeptide da cui viene escisso il Peptide C, corto frammento proteico, apparentemente privo di funzioni fisiologiche che, in quanto secreto insieme all'insulina, è un utile indicatore della funzionalità insulare.

L'insulina ha anche altre funzioni non meno importanti, infatti stimola le mitosi, la crescita della massa muscolare ed ossea; contrariamente ad altri ormoni anabolizzanti, stimola anche la crescita della massa adiposa; aumenta il colesterolo LDL.

L'insulina come ormone della sazietà[modifica | modifica sorgente]

Nel sistema nervoso centrale, soprattutto nei neuroni che costituiscono il centro ipotalamico per la sazietà, troviamo i recettori per l'insulina. Nell'encefalo, infatti, quest'ormone non regola il metabolismo del glucosio, ma regola l'assunzione di cibo in quanto attenua la sensazione di fame. Di conseguenza, quando una persona ha un basso livello di insulina (ad esempio in un diabetico), tende a mangiare più del dovuto, in quanto l'insufficiente azione dell'insulina non gli fa percepire la sazietà, con maggiore facilità a diventare obesa.

La verdura fresca, se assunta senza altri alimenti (ad esempio negli spuntini intermedi del mattino e del pomeriggio in una dieta a 5 pasti), non innalza l'insulina, perché attraversa velocemente lo stomaco in virtù della sua ricchezza d'acqua (90-95%), e come acqua viene "interpretata" dall'apparato digerente.

Effetti dell'insulina sulla proteosintesi[modifica | modifica sorgente]

Normalmente, quando si citano le proprietà dell'ormone insulina, viene trattata principalmente la funzione di abbassare i livelli ematici di zuccheri nel sangue (glucosio), trasportandoli verso determinati tessuti che fungono da siti di stoccaggio o di riserva (tessuti insulino-dipendenti), ovvero il tessuto muscolare scheletrico, il cuore, e il tessuto adiposo, e altri tessuti verso cui essa ha un'azione indiretta sulla captazione di glucosio. In realtà l'insulina interviene in ogni caso con il semplice scopo di "nutrire" questi tessuti, anche in seguito all'introduzione di altri nutrienti, quali proteine (o aminoacidi e peptidi) e lipidi, e non solo con il compito di gestire un eventuale eccesso di zuccheri nel sangue.

L'insulina ricopre un ruolo sulla sintesi proteica in sinergia con gli ormoni GH (o somatotropina), IGF-1 (o somatomedina c) e il testosterone[2]. In seguito all'introduzione di proteine, gli amminoacidi che ne derivano sono in parte utilizzati per la sintesi proteica e in generale l'accrescimento[3]. Molti degli amminoacidi possono stimolare l'insulina, ma il loro potere insulinogenico varia in base al tipo, ai livelli di glucosio, e alla mescolanza con esso (vedere amminoacidi insulinogenici). Amminoacidi misti e un pasto puramente proteico causano la produzione di insulina, ma meno rispetto ad un pasto puramente glucidico. La secrezione di tale ormone in seguito a un pasto proteico promuove l'uptake e lo stivaggio di amminoacidi sotto forma di proteine muscolari e contrasta la proteolisi (il catabolismo proteico), un processo che promuove l'utilizzo di amminoacidi a scopo energetico per gluconeogenesi, principalmente durante il digiuno[4].

Tuttavia, contrariamente a quanto riportato in molti testi, il ruolo principale dell'insulina è ridurre il catabolismo proteico ricoprendo in realtà un ruolo minore nella sintesi proteica[5][6], anche se alcuni studi hanno evidenziato il contrario[7]. Altre evidenze suggeriscono che incrementare l'insulina senza incrementare contemporaneamente la disponibilità di amminoacidi tende a ridurre la sintesi proteica a causa di una riduzione delle concentrazioni di amminoacidi ematici[8][9]. Invece gli amminoacidi derivanti dalle proteine alimentari sembrano esercitare il loro effetto principale nell'incremento della sintesi proteica, con minimi effetti sul catabolismo proteico[5][10][11], anche se non tutti gli studi hanno confermato questo effetto[12].

Le proteine stimolano sia la secrezione di GH che di insulina. Entrambi a loro volta favoriscono la produzione di IGF (Fattore di crescita insulino-simile); in particolare l'IGF-1 è, tra le somatomedine, quello che provoca l'aumento della massa magra (sebbene le proprietà anaboliche vengano attribuite al GH, è in realtà l'IGF-1 il responsabile di tale effetto, che tuttavia è strettamente dipendente dal GH). Allo stesso tempo, il GH, il quale non è direttamente coinvolto nell'anabolismo proteico, ma piuttosto nella capacità di incremento di IGF, assieme al glucagone[4][13] previene l'ipoglicemia (sono ormoni iperglicemizzanti) causata dall'insulina in assenza di carboidrati, innescando la lipolisi[14]. In seguito all'introduzione di sole proteine/amminoacidi, la concentrazione plasmatica di glucosio non può essere mantenuta perché non vi è introduzione di glucosio con il pasto stesso, quindi devono essere secreti ormoni iperglicemizzanti, in primis il glucagone, per stabilizzare i livelli di glucosio nel sangue grazie alla glicogenolisi epatica e la gluconeogenesi.

Dunque insulina e GH (così come il glucagone) non sono sempre antagonisti, ma hanno un'azione sinergica di rilievo in seguito all'introduzione di sole proteine sulla proteosintesi e sul mantenimento dell'omeostasi glicemica[3]. Anzi, solo la loro secrezione contemporanea favorisce la crescita, poiché ognuno di essi (in realtà l'IGF-1, solo mediato dal GH) svolge una specifica attività distinta da quella dell'altro, stivando una diversa selezione di aminoacidi[15][16]. Invece, in assenza di introduzione proteica, l'azione del GH non può tradursi in anabolismo proteico, poiché questa azione è svolta dall'insulina e IGF-1. Nei casi di digiuno, quando la secrezione di GH avviene senza la sinergia di questi ultimi, esso svolge altri ruoli metabolici tra cui la lipolisi, ma non la proliferazione dei tessuti.

È la somministrazione di carboidrati che determina un reale antagonismo tra GH (e glucagone) e insulina. I carboidrati infatti stimolano fortemente l'insulina con lo scopo di controllare il livelli glicemici e gestire un eventuale eccesso, mentre il GH e il glucagone vengono inibiti, poiché non devono antagonizzare l'effetto ipoglicemizzante dell'insulina a causa dell'abbondanza di glucosio, ma al contrario, l'effetto dell'insulina non contrastato, causa un facile accumulo dell'eccesso di carboidrati sotto forma di glicogeno e trigliceridi. L'insulina quindi causa lipogenesi se in presenza di glucidi, o glucidi mescolati ad altri nutrienti, mentre le sole proteine non la inducono all'accumulo di grasso, ma anzi al dimagrimento[3].

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

La storia dell'insulina è legata allo scienziato Nicolae Constantin Paulescu, nato a Bucarest il 30 ottobre 1869[17] e morto nella stessa città il 17 luglio del 1931. Siamo nel 1921 e Paulescu, primo al mondo, è in grado di curare il diabete, tanto che l'anno successivo, per la precisione il 10 aprile del 1922, ottiene il brevetto per la scoperta della Pancreina[18]. Nel febbraio del 1922, quindi oltre otto mesi dopo, due ricercatori dell'Università di Toronto, il dottor Frederick Grant Banting ed il biochimico John James Richard Macleod pubblicano sul Journal of Laboratory and Clinical Medicine un saggio sui risultati positivi, nella normalizzazione dei livelli glicemici, ottenuti su un cane diabetico con l'uso di un estratto pancreatico acqueo. Si apre una lunga discussione perché i due ricercatori sembrano aver semplicemente messo in pratica ciò che Paulescu ha scritto nei suoi lavori precedenti ed in particolare nel saggio del 22 giugno dell'anno precedente. I due studiosi, infatti, fanno espresso riferimento a quell'articolo scientifico e dichiarano solo di confermare i rivoluzionari risultati ottenuti da Paulescu. Nel 1923, il comitato per il Nobel di Stoccolma assegna il Premio per la Fisiologia e la Medicina a Banting e Macleod, ignorando del tutto il lavoro e le ricerche di Paulescu [1]. Tutte le contestazioni e suoi nuovi lavori pubblicati sugli Archives Internationales de Physiologie sono inutili. Lo scienziato Ion Pavel, negli anni settanta, in pieno regime comunista romeno, rese pubblica una lettera del 15 ottobre 1969 ricevuta da Charles H. Best, un collaboratore di Banting e Macleod, nella quale si ammette che i due vincitori del Nobel non avevano fatto altro che riprodurre in laboratorio le ricerche di Paulescu.

Studi sul DNA[modifica | modifica sorgente]

Effetto dell'insulina sull'ingresso ed il metabolismo cellulare del glucosio. L'insulina lega il recettore (1), che avvia diverse cascate di trasduzione del segnale (2). Tra di esse figura la traslocazione del trasportatore Glut-4 alla membrana plasmatica (3), la glicogenosintesi (4), la glicolisi (5) e la sintesi degli acidi grassi (6)

Grazie all'avvento dell'era biotecnologica è possibile produrre l'insulina tramite modificazione enzimatica dell'insulina prodotta dal maiale o tramite tecnologia del DNA ricombinante in sistemi batterici.

L'insulina si ottiene con la tecnologia del DNA ricombinante dal 1982, quando negli Stati Uniti fu messo a punto un sistema batterico in E. coli. L'insulina è collegata al primo brevetto e al primo farmaco biotecnologico, messo in commercio. La strategia di clonazione prevede la produzione delle catena A e B separatamente. È stata sintetizzata l'informazione per la catena A, fondendo la sequenza nucleotidica con il gene lacZ nel plasmide pBR322, vettore di clonazione in E. coli. nel punto di fusione tra lacZ e l'informazione relativa alla catena A è stato inserito il codone codificante l'amminoacido metionina.

La catena B è, invece, stata sintetizzata in due tempi: prima è stata sintetizzata la porzione N-terminale con procedimento analogo a quello seguito per la catena A; poi è stata sintetizzata la porzione C-terminale con lo stesso procedimento. In seguito all'espressione di tali geni in E. coli si sono isolati i frammenti codificanti la catena, sono stati fusi col gene lacZ inserendo nel punto di fusione l'amminoacido metionina.

L'utilizzo del sistema lacZ/ beta-galattosidasi ha numerosi vantaggi:

  • il sistema è inducibile
  • le catene vengono sintetizzate in fusione con la beta-galattosidasi, che svolge un'azione protettiva nei confronti della demolizione proteolitica.

I due peptidi vengono trattati quindi con bromuro di cianogeno, un agente chimico capace di scindere i peptidi con taglio proteolitico in corrispondenza dell'amminoacido metionina. Non resta, quindi, che purificare i prodotti di sintesi e di mescolare le due catene, permettendo la formazione spontanea dei ponti disolfuro.

Inoltre, l'insulina in soluzione è in equilibrio tra forma dimera ed esamera. In presenza di zinco assume forma esamera, diventando un complesso cristallino od amorfo più stabile ma insolubile, quindi di più lento assorbimento. La forma cristallina viene assorbita più lentamente ed è nota come “insulina ultralenta” e la sua azione appare dopo circa 36 ore; la forma amorfa è nota come “insulina semilenta”, viene assorbita più rapidamente e la sua azione ha una durata di soli 12-16 ore.

Diversi produttori presentano diverse forme commerciali, differenti in composizione e modalità di azione:

  • Eli Lilly Italia S.p.A.: Humulin R, Humulin i, Humulin 10/90 20/80 30/70 40/60 50/50 (Miscele), Humulin L e Humulin U;
  • Novo Nordisk A/S Danimarca: Novorapid, Actrapid (ora fuori distribuzione);
  • Sanofi Aventis: Lantus

Tuttavia, la sintesi mediante l'utilizzo di batteri è molto scomoda, per diversi motivi. Primo tra tutti la difficoltà di assemblaggio (con conseguente bassa resa) delle due catene, dato che questi microorganismi, essendo procarioti, non possiedono tutto il macchinario di modificazione e secrezione necessario per una proteina oltretutto tipicamente degli eucarioti superiori. E poi vi sono gli alti costi per la sua purificazione. Tutto ciò può essere aggirato utilizzando i lieviti come organismi bio-reattori: essendo eucarioti, quindi provvisti di reticolo endoplasmico e apparato del Golgi altamente sviluppati, non avranno problemi ad assemblare correttamente e a secernere la proteina d'interesse.

Pompa per l'insulina con
apposito kit di infusione

Insulina sintetica[modifica | modifica sorgente]

Insulinemia[modifica | modifica sorgente]

L'insulinemia è la quantità di insulina nel sangue. I valori sono variabili in relazione alle assunzioni di cibo (aumentano) e al digiuno (diminuiscono). Secrezione a digiuno circa 1 unità all'ora, che corrisponde a 40 microgrammi per ora. Inoltre la quantità di insulina contenuta nel circolo portale è maggiore di quella contenuta nel circolo periferico, circa 4 ng/ml contro 0,5 ng/ml.

Fino agli inizi degli anni 1980, 20 milioni di diabetici in tutto il mondo potevano accedere solamente all'insulina animale, prodotta da organi (pancreas) bovini e suini. Questo processo, dispendioso e ingombrante, riusciva a ottenere un prodotto poco ideale per il paziente dato che a lungo termine l'insulina animale è tossica all'organismo umano per motivi immunologici, causando malattie a livello epatico e effetti collaterali quali cecità, in alcuni casi persino la morte[19].

La sintesi di insulina umana sintetica è stata possibile svolgendo un processo simile alla fermentazione usata per fare gli antibiotici e tecniche di DNA ricombinante.

La prima dose di insulina sintetica prodotta grazie a tecniche di ingegneria genetica è stata realizzata nel 1977 da Herbert Boyer utilizzando degli Escherichia coli.[20][21] La collaborazione con la Genentech fondata da Boyer, Eli Lilly ha portato nel 1982 a vendere la prima insulina umana biosintetica disponibile in commercio con il marchio Humulin.[21] La stragrande maggioranza di insulina attualmente utilizzata nel mondo è ora una biosintesi ricombinante di insulina "umana" o di suoi analoghi.

Anche in campo medico si deve riconoscere l'enorme passo in avanti: uno dei vantaggi di produrre insulina con il metodo del DNA ricombinante è quello di ridurre la dipendenza dalle ghiandole animali e contemporaneamente realizzare un prodotto chimicamente identico all'insulina umana che elimina o comunque riduce notevolmente le reazioni allergiche nei pazienti affetti da diabete.

= Avvertenze[modifica | modifica sorgente]

Conservazione: conservare i flaconi o presidi nuovi non utilizzati dell'insulina a temperature comprese fra 2 e 8 °C. In condizioni di refrigerazione la durata delle formulazioni di insulina varia dai 30 mesi ai due anni. Evitare di congelare le preparazioni; nel caso l'insulina deve essere scartata e non può essere somministrata. Per l'insulina in uso questa va mantenuta a temperatura ambiente, comunque non superiore ai 25 °C, l'insulina mantiene la sua efficacia fino a 6 settimane[22].

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Sigma Aldrich; rev. del 12.06.2012
  2. ^ ncbi.nlm.nih.gov - Testosterone
  3. ^ a b c Matthew N. Levy, Bruce M. Koeppen, Bruce A. Stanton. Principi di fisiologia di Berne & Levy. Penerbit Buku Kompas, 2007. p. 666 ISBN 88-214-2952-0
  4. ^ a b Daniel Porte, Robert S. Sherwin, Alain Baron, Max Ellenberg, Harold Rifkin. Ellenberg and Rifkin's diabetes mellitus. McGraw-Hill Professional, 2003. p. 49 ISBN 0-8385-2178-9
  5. ^ a b Castellino et al. Effect of insulin and plasma amino acid concentrations on leucine metabolism in man. Role of substrate availability on estimates of whole body protein synthesis. J Clin Invest. 1987 December; 80(6): 1784–1793.
  6. ^ Gelfand RA, Barrett EJ. Effect of physiologic hyperinsulinemia on skeletal muscle protein synthesis and breakdown in man. J Clin Invest. 1987 Jul;80(1):1-6.
  7. ^ Biolo et al. Physiologic hyperinsulinemia stimulates protein synthesis and enhances transport of selected amino acids in human skeletal muscle. J Clin Invest. 1995 February; 95(2): 811–819.
  8. ^ McNurlan MA, Garlick PJ. Influence of nutrient intake on protein turnover. Diabetes Metab Rev. 1989 Mar;5(2):165-89.
  9. ^ Frexes-Steed et al. Role of leucine and other amino acids in regulating protein metabolism in vivo. Am J Physiol. 1992 Jun;262(6 Pt 1):E925-35.
  10. ^ Tessari et al. Differential effects of hyperinsulinemia and hyperaminoacidemia on leucine-carbon metabolism in vivo. Evidence for distinct mechanisms in regulation of net amino acid deposition. J Clin Invest. 1987 April; 79(4): 1062–1069.
  11. ^ Svanberg et al. Effects of amino acids on synthesis and degradation of skeletal muscle proteins in humans. Am J Physiol. 1996 Oct;271(4 Pt 1):E718-24.
  12. ^ Giordano et al. Differential responsiveness of protein synthesis and degradation to amino acid availability in humans. Diabetes. 1996 Apr;45(4):393-9.
  13. ^ Ludovico A. Scuro. Fisiopatologia clinica. PICCIN, 1983. p. 796 ISBN 88-299-0044-3
  14. ^ Antonino Barbarino, M. Antonietta Satta, Simonetta Colasanti. Elementi di endocrinologia. Vita e Pensiero, 2002. p. 28. ISBN 88-343-0877-8
  15. ^ Arthur C. Guyton, John E. Hall. Fisiologia medica. Elsevier srl, 2006. p. 965 ISBN 88-214-2936-9
  16. ^ Fisiologia energetica, clinica energetica. Ruggero Dujany. Tecniche Nuove, 2001. ISBN 88-481-1148-3. p. 374
  17. ^ Figlio di Costache Paulescu e Maria Dancovici
  18. ^ Per l'esattezza si tratta del brevetto n. 6255 rilasciato dal Ministerul Industriei si Comertului ed ha come titolo: Pancreina si procedura fabricatiei sale (La Pancreina e la sua fabbricazione).
  19. ^ Roberto Crea DNA Chemistry at the Dawn of Commercial Biotechnology op. cit., pp. 45-46.
  20. ^ First Successful Laboratory Production of Human Insulin Announced in News Release, Genentech, 6 settembre 1978. URL consultato il 3 novembre 2009.
  21. ^ a b Tof I, Recombinant DNA technology in the synthesis of human insulin, Little Tree Publishing, 1994. URL consultato il 3 novembre 2009.
  22. ^ Conservazione dell'insulina

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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