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INACTIVACIÓN DE INSULINA POR EL ESTRÉS OXIDANTE EN PACIENTES DIABÉTICOS Y OBESOS

INSULIN INACTIVATION BY OXIDATIVE STRESS IN DIABETIC AND OBESE

PATIENTS

Ivonne María Olivares Corichi y José Rubén García Sánchez

Escuela Superior de Medicina del Instituto Politécnico Nacional. iolivares@ipn.mx

Tel. 5729-6000 ext. 62820

Resumen

La literatura científica describe que la hiperglucemia que caracteriza a la

diabetes mellitus tipo 2 es debida a la baja o nula producción de la insulina por

parte de las células β pancreáticas y/o por que los tejidos dependientes de ella no

responden; sin embargo, actualmente hay evidencias de la participación de un

tercer factor, el cual es la existencia de polímeros de insulina, formados por

cambios químicos y estructurales de la hormona cuando es expuesta a un

ambiente de estrés oxidante, como el que está presente en pacientes diabéticos y

obesos. La hormona en forma de polímero, pierde su función biológica como

hipoglucemiante. Interesantemente estudios recientes demuestran que los

polímeros de insulina se detectan en el plasma de pacientes obesos y se asocian

con la resistencia a la insulina y con el grado de estrés oxidante a nivel plasmático.

Estos datos sugieren que los polímeros de insulina podrían estar participando en

el mecanismo generador de resistencia a la insulina, el cual es un proceso

relacionado con la obesidad y con la diabetes mellitus tipo 2.

Monroy Cárdenas C, González Andrade M, Guevara Flores A, Lara Lemus R, Matuz Mares D, Molina Jijón E, Torres Durán PV. Mensaje Bioquímico, Vol. XL, 39-50, Depto de Bioquímica, Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd. Universitaria, CDMX.,MÉXICO.,(2016). (http://bioq9c1.fmedic.unam.mx/TAB)

(ISSN-0188-137X)

MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XL (2016)

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Palabras clave: insulina, estrés oxidante, diabetes, obesidad.

Abstract

The scientific literature describes that hyperglycemia that characterizes

Type 2 diabetes mellitus is due to low or no insulin production by pancreatic beta

cells and / or that dependent tissues of her not respond; however, currently there

are evidence of a third factor, it is the existence of insulin polymers formed by

chemical and structural changes of the hormone when it is exposed to an

environment of oxidative stress, such as is present in diabetic and obese patients.

The hormone in polymer form, it loses its biological function as hypoglycemic.

Interestingly, recent studies show that the polymers of insulin were detected in the

plasma of obese patients and were associated with the presence of insulin

resistance and the degree of oxidative stress in plasma. These data suggest that

polymers of insulin could be involved in the generating mechanism of insulin

resistance, which is a process related to obesity and type 2 diabetes mellitus.

Keywords: insulin, oxidative stress, diabetes, obesity.

Insulina

La hormona peptídica insulina es sintetizada en las células β de los islotes

de Langerhans del páncreas; está constituida por una cadena α de 21

aminoácidos y una β con 30, unidas por dos puentes disulfuro intercatenarios

(A7:B7 y A20:B19) y uno intracatenario (A6:A11); donde A es la cadena α, B es la

cadena β y los números indican el residuo del aminoácido correspondiente (Figura

1). Posee un peso molecular aproximado de 6,000 daltones, con un punto

isoeléctrico de 5.4, su vida media plasmática es de ~ 6 minutos y desaparece de la

circulación sanguínea entre los 10 y 15 minutos. La insulina se degrada por la

enzima insulinasa, la cual se encuentra en mayor concentración en el hígado, los

riñones, el músculo y de forma muy discreta en el resto de los tejidos [1].

Olivares Corichi IM y García Sánchez JR

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Figura 1. Estructura terciaria de la hormona peptídica insulina. Cadena A = cadena α. Cadena B = cadena β.

Los principales órganos y tejidos donde tiene acción la insulina son

el hígado, el músculo y el tejido adiposo donde participa en el metabolismo de

carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. En particular, los efectos de la

insulina sobre el metabolismo de los carbohidratos incluyen: estimulación del

transporte de glucosa hacia el interior de los adipocitos y de las células

musculares a través de sus membranas plasmáticas; regulación de la síntesis del

glucógeno hepático, e inhibición de la formación de glucosa a partir del glucógeno

(glucogenólisis) y de los aminoácidos precursores (gluconeogénesis). El resultado

final de todas estas acciones es una reducción de la glucemia. Sin embargo,

cuando hay una deficiente síntesis y secreción de la insulina y/o la disminución en

la respuesta biológica de los tejidos a la hormona insulina (Definido como

Resistencia a la Insulina), da lugar a la hiperglucemia, la cual es la evidencia más

conocida que permite diagnosticar a la enfermedad llamada Diabetes [2].

Diabetes

Particularmente, la Diabetes Mellitus tipo 2 (DM2) es una enfermedad

caracterizada por alteraciones en el metabolismo de los carbohidratos

(hiperglucemia), lípidos y proteínas causado por la disminución en la acción de la

insulina;, secundaria a la disminución de la secreción de insulina dada por las

MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XL (2016)

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células β pancreáticas (la insulina puede producirse poco, nada o estar

defectuosa) o a la insensibilidad de los tejidos a la hormona. Cualquiera que sea el

mecanismo, las consecuencias son las mismas [3]

Entre los factores de riesgo para DM2 se encuentran el sedentarismo,

antecedentes familiares diabéticos, hipertensión arterial, hipertrigliceridemia,

intolerancia a la glucosa y obesidad entre otras.

Obesidad

La obesidad es un desorden resultante de un desequilibrio entre el aporte y

gasto de energía. Se acompaña de alteraciones metabólicas que incrementan el

riesgo a desarrollar comorbilidades tales como: diabetes mellitus tipo 2 (DM2),

hipertensión arterial, enfermedades cardiovasculares y cerebrovasculares, así

como algunas neoplasias a nivel de endometrio, colon, mama y próstata, entre

otras [4].

La obesidad se caracteriza por acumulo excesivo de tejido adiposo y la presencia

de un estado inflamatorio crónico de bajo grado, que favorece el desarrollo de un

estado de estrés oxidante, así como alteraciones metabólicas como son

resistencia a la insulina e hiperinsulinemia; pasos previos a la aparición de

Diabetes Mellitus tipo 2.

Estrés oxidante.

El estrés oxidante es un estado metabólico que se caracteriza por una

diminución de la capacidad antioxidante, el incremento de daño a biomoléculas

por especies reactivas de oxígeno (ERO) entre otras, y que se ha detectado en

pacientes con diabetes [5] y obesidad [6] entre otras enfermedades.

Las ERO son moléculas que se forman por la reducción parcial del oxígeno

molecular (O2) y algunas de éstas se encuentran en forma de radicales libres

debido a que contienen un electrón desapareado en su último orbital. Ejemplos de

radicales libres de oxígeno son el anión superóxido (O2•-), radical hidroxilo (•OH),

radical peroxilo (ROO•), el radical alcoxilo (RO•) y el radical hidroperoxilo (HOO•).

El óxido nítrico (NO•) y el dióxido de nitrógeno (NO2•) son considerados radicales

libres de nitrógeno [7].

Estrés oxidante, diabetes y obesidad.

En la Diabetes mellitus la hiperglucemia induce la sobreproducción del

anión superóxido (O2•-) en la cadena de transporte de electrones de las

mitocondrias, lo cual parece ser el primer evento para la activación de otras vías

de producción de las ERO; como la de los polioles, la de la hexosamina, el

incremento de la formación de productos terminales de glicación avanzada y la

Olivares Corichi IM y García Sánchez JR

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activación de la proteína cinasa C [8]. Además, esta producción incrementada de

las ERO paralelamente va acompañada de un decremento de la actividad

antioxidante tanto enzimática como no enzimática [5, 9, 10].

En el caso de la obesidad, las fuentes productoras de las ERO son: la disfunción

mitocondrial, el daño endotelial y la inflamación [11].

Como consecuencia de la glucotoxicidad en el paciente diabético y la

lipotoxicidad en el paciente obeso, se da el aumento en la producción de las ERO

y a la disminución de las defensas antioxidantes, lo cual promueve el daño a las

biomoléculas (lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Se ha detectado en el plasma

tanto de pacientes obesos como de diabéticos un aumento de la concentración de

malondialdehido [5, 6] y de dienos conjugados [12], los cuales son productos de la

lipoperoxidación. También se han encontrado un incremento en la concentración

de ditirosinas [5], así como un incremento en la formación de quinonas y grupos

carbonilos [5, 6, 13], moléculas que son indicadoras de daño a proteínas por las

ERO.

Oxidación de proteínas

La oxidación de proteínas es definida como la modificación covalente de las

proteínas inducida directamente por las ERO o indirectamente por la reacción con

los bioproductos del estrés oxidante. Prácticamente todos los residuos de

aminoácidos pueden ser blanco del ataque oxidante de las ERO, aunque algunos

residuos como la metionina [14], el triptófano, la fenilalanina, la tirosina, la cisteína

[15], la leucina, la valina, la lisina, la arginina, la prolina y la histidina [16, 17, 18,

19] son más susceptibles. La modificación de las cadenas laterales de éstos,

puede conducir a la alteración directa de la estructura y la función de las proteínas

[20, 21], a la fragmentación química o al incremento en la susceptibilidad a

proteólisis [16, 22, 23].

La albúmina es una proteína que se ha descrito como susceptible al daño

por las ERO. Se tienen evidencias de que los principales residuos de aminoácidos

oxidados son el Trp-134, Trp-214 (formando radicales derivados del triptófano) y

Cis-34 (dando lugar a un radical tiílo (RS•)) en la albúmina bovina sérica [20]. La

alteración conformacional de la proteína da lugar a la formación de radicales en

sitios adicionales. La formación de los radicales derivados del triptófano [24] y los

de tiílo permiten la desnaturalización, la fragmentación y la polimerización de la

proteína, incrementando la susceptibilidad de la proteína oxidada a la proteólisis

[20, 25].

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La gonadotropina equina es un ejemplo más de una proteína que puede ser

alterada por las ERO (HO•) in vitro, tanto en su estructura como en su función;

conllevando a una pérdida de la ovulación y una disminución en el peso de los

ovarios y el útero en la rata [21].

Las proteínas dañadas por las ERO no deben ser considerados como

productos finales, ya que estás son capaces de dañar otras biomoléculas, como

fue demostrado al exponer al ácido linoleico y un polipéptido (Glu-Ala-Tir) a

radical-albumina-sérica bovina, dando como resultado la formación de dienos

conjugados y ditirosinas respectivamente [26].

Las proteínas también son sensibles al ataque por parte de los

intermediarios o productos finales generados por el daño de los lípidos mediante

los radicales libres, como es el caso del 4 hidroxinonenal [27, 28]. Los residuos de

la histidina, la lisina y la cisteína son particularmente sensibles a este tipo de

ataque [27]. De igual manera, otras proteínas pueden ser dañadas por las ERO y

sus productos de oxidación, tanto en su función como en su estructura, como es el

caso de la hormona insulina.

Insulina oxidada

Teniendo como base que la estructura primaria de la insulina contiene 28

residuos de aminoácidos (de 51 que la componen) susceptibles al daño por estrés

oxidante (en la cadena α los residuos susceptibles son: una valina, 4 cisteínas, 2

leucinas y 2 tirosinas, y en la cadena β son 3 valinas, 4 leucinas, 1 prolina, 1

arginina, 1 lisina, 2 histidinas, 2 cisteínas, 3 fenilalaninas y 2 tirosinas), como está

descrito en la literatura; Olivares-Corichi y colaboradores plantearon la posibilidad

de que la hormona peptídica insulina fuera susceptible a oxidación [29]. En este

contexto, demostraron en un sistema in vitro, que la exposición de la Insulina

Recombinante Humana (IRH) a las ERO (formadas por la reacción de Fenton)

generan cambios químicos y estructurales en la hormona. Esto fue evidenciado

por la formación de ditirosinas, de quinonas y la exposición de grupos carbonilo

[29].

Posteriormente, estos mismos autores, considerando que los pacientes

diabéticos se encuentran en un estado metabólico de estrés oxidante; expusieron

a la IRH a sangre de pacientes diabéticos como fuente de ERO. Esto con base a

que la sangre de estos pacientes es un medio completo de estrés oxidante

sistémico que involucra sistemas celulares como neutrófilos, plaquetas y

macrófagos generadores de las ERO, productos de daño oxidante y proteínas

Olivares Corichi IM y García Sánchez JR

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modificadas; asociado a un sistema antioxidante compuesto de eritrocitos,

enzimas y agentes antioxidantes que están disminuidos. Con esto demostraron

que la hormona nuevamente presenta cambios químicos y estructurales. Además,

demostraron que la insulina oxidada pierde su función como hipoglucemiante

probado en un modelo murino [5].

Tomando en cuenta que la obesidad es un factor de riesgo para el

desarrollo de Diabetes mellitus tipo 2 (DM2) y que los pacientes obesos también

se encuentran en estrés oxidante, Olivares-Corichi y colaboradores en el 2011 [6]

expusieron nuevamente a la IRH a las ERO pero ahora utilizaron como fuente la

sangre de un paciente obeso. Demostrando que la sangre de este tipo de paciente

también tiene la capacidad de modificar a la hormona tanto en su estructura como

en su función, pero interesantemente se pudo determinar que la causa de la

pérdida de su función, se debe a que la insulina al oxidarse forma polímeros de

aproximadamente 18 kDa los cuales fueron detectados en geles de poliacrilamida

no desnaturalizantes (el peso molecular de la insulina funcional es de ~6 kDa).

Además se pudo observar que el grado de polimerización de la insulina era

dependiente del grado de estrés oxidante el cual se encontraba el paciente [6, 30].

Estos resultados in vitro sugerían la participación de una insulina modificada en el

mecanismo de resistencia a la insulina. Es en el 2014 que Rincón- Víquez y

Colaboradores [30] demuestran por primera vez la presencia de polímeros de

insulina en el plasma de pacientes obesas y establecen una correlación con

biomarcadores de estrés oxidante y la resistencia a la insulina presente en estas

pacientes. En el estudio participaron mujeres de 20 a 40 años de edad. Un grupo

con Índice de Masa Corporal (IMC) de 30 a 34.9 u obesidad grado 1 (O1) y otro

con IMC> 40 u obesidad grado 3 (O3). El grupo control se integró con mujeres

sanas con IMC de 20 a 24.9 o normo peso (NP). Empleando la técnica de

inmunización con antígeno aislado por electroforesis se generó un anticuerpo

policlonal murino contra polímeros de insulina que posteriormente fue acoplado a

perlas magnéticas. Las perlas magnéticas fueron incubadas en plasma de NP, O1

y O3. Terminado el tiempo de incubación las perlas magnéticas fueron

recuperadas con un magneto para posteriormente correr geles de poliacrilamida; y

mediante la técnica de Western blot empleando anticuerpos contra insulina, se

evidenció la presencia de polímeros de insulina. Finalmente se realizó un análisis

densitométrico de los polímeros de insulina y los valores obtenidos fueron

asociados con parámetros clínicos de resistencia a la insulina. Interesantemente,

se observó una asociación entre los niveles de polímero de insulina, los valores de

MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XL (2016)

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insulina y el índice HOMA (Homeostasis model assessment); este último es una

forma de evaluar la resistencia a la insulina, utilizando concentraciones de glucosa

en ayunas y de insulina. Los resultados demuestran por primera vez que en el

paciente obeso, el daño molecular inducido por las ERO promueve la formación de

polímeros de insulina, y que estos polímeros de insulina se asocian con la

presencia de resistencia a la insulina.

Con base en los resultados obtenidos; a nivel clínico, Gutiérrez y

colaboradores [13] propusieron una estrategia que disminuyó el estrés oxidante

del paciente obeso grado 1, lo que permitió una disminución de la formación de

polímeros. Dicha estrategia consistió en dar dieta y ejercicio diseñado

específicamente para este tipo de obesidad. Aunque los resultados fueron

alentadores, existen otros tipos de obesidad como la mórbida, donde el paciente

difícilmente puede hacer ejercicio por las condiciones físicas y clínicas en las que

se encuentra. Para este tipo de paciente, Rincón-Víquez y colaboradores en el

2014 [30] demuestran que in vitro, el flavonoide (-)- epicatequina - un potente

antioxidante- evita la formación del polímero de insulina. La ventaja de este

compuesto es que se encuentra en productos naturales como la cocoa y el té

verde, lo cual facilita la administración de este flavonoide como coadyuvante de

sus tratamientos. Además no se han descrito efectos tóxicos en comparación con

otros antioxidantes.

Finalmente, si se toma en cuenta que se ha reportado que la insulina

glicada en sólo 3 aminoácidos (ε amino de la lisina y los dos aminos terminales de

la glicina y de la fenilalanina) disminuye su función en un 40%; la suma de estos

dos efectos de oxidación y glicación de la insulina, más la posibilidad de que la

insulina forme aductos con productos de oxidación [31], aunado a la baja

capacidad antioxidante del paciente diabético y el estrés oxidante agudo en el que

permanece, debido en parte a que las proteínas glicadas forman radicales libres

por autooxidación de la glucosa [23]; es probable que estas características de

daño molecular pueden contribuir a las complicaciones del diabético incluyendo a

la aterosclerosis asociada, y a la disfunción endotelial, vascular y neurovascular.

Se ha reportado que las complicaciones de la diabetes como la neuropatía y la

retinopatía, están relacionadas con el estrés oxidante, lo que nos hace pensar que

una mejor capacidad antioxidante del paciente diabético no solo disminuiría las

complicaciones, sino que la insulina no sería dañada y su función biológica sería

eficiente.

Olivares Corichi IM y García Sánchez JR

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Referencias 1. Guyton, A. C. and Hall, J.E. (2001) Tratado de Fisiología Médica, 10ª Ed.,

McGraw Hill, Interamericana, NY. 2. Olivares, J. A., Arellano, A. (2008) REB 27, 9-18. 3. Hasnain, S.Z., Prins, J.B., McGuckin, M.A. (2016) J. Mol. Endocrinol. 56,

R33-R54. 4. Norma Oficial Mexicana NOM-008-SSA3-2010, Para el manejo integral del

sobrepeso y la obesidad. 5. Montes-Cortes, D. H., Hicks, J. J., Ceballos-Reyes, G. M., Garcia-Sanchez,

J. R., Medina-Navarro, R., Olivares-Corichi, I. M. (2010) Metabolism. 59, 935–942.

6. Olivares-Corichi, I. M., Viquez, M. J., Gutierrez-Lopez, L., Ceballos-Reyes G. M., García- Sánchez, J. R. (2011) Horm. Metab. Res. 43, 748-753.

7. Pisoschi A. M. and Pop A. (2015) Eur. J. Med. Chem. 97, 55-74. 8. Ceriello, A. (2003) Diabetes Care. 26, 1589-1596. 9. Rizvi SI, Zaid MA. (2001) J. Physiol. Pharmacol. 52, 483-488. 10. Bensellam, M., Laybutt, D. R., Jonas, J. C. (2012) Mol. Cell. Endocrinol.

364, 1-27. 11. Marseglia, L., Manti, S., D'Angelo, G., Nicotera, A., Parisi, E., Di Rosa, G.,

Gitto, E. and Arrigo, T. (2014) Int. J. Mol. Sci. 16, 378-400. 12. Collier, A., Rumley, A., Rumley, A. G., Paterson, J. R., Leach, J. P., Lowe,

G. D., Small, M. (1992) Diabetes. 4, 909-91. 13. Gutierrez-Lopez, L., Garcia-Sanchez, J. R., Rincon-Viquez M. de J., Lara-

Padilla, E., Sierra-Vargas, M. P. and Olivares-Corichi, I. M. (2012) Obes. Facts. 5, 12-22.

14. Vogt, W. (1995) Free Radic. Biol. Med. 18, 93-105. 15. Prakash, M., Upadhya, S. and Prabhu, R. (2004) Scand. J. Clin. Lab. Invest.

64, 599-604. 16. Davies, K. J. (1987) J. Biol. Chem. 262, 9895-9901. 17. Davies, K. J., Delsignore, M. E. and Lin, S. W. (1987) J. Biol. Chem. 262,

9902-9907. 18. Davies, K. J., Lin, S. W. and Pacifici, R. E. (1987) J. Biol. Chem. 262, 9914-

9920. 19. Stadtman, E. R. (1993) Annu. Rev. Bichem. 62, 797-821. 20. Silvester, J. A., Timmins, G. S. and Davies, M. J. (1998) Free Radic. Biol.

Med. 24, 754-766. 21. Ortega-Camarillo, C, Guzmán-Grenfell, A. M. and Hicks, J. J. (1999) Mol.

Reprod. Dev. 52, 264-268. 22. Stadtman, E. R. (1991) Free Radic. Biol. Med. 9, 315-325. 23. Wolff, S. P. and Dean, R. T. (1987) Biochem. J. 245, 243-250. 24. Dean, R. T., Hunt, J. V., Grant, A. J., Yamamoto, Y. and Niki, E. (1991) Free

Radic. Biol. Med. 11, 161-168. 25. Davies, M. J, Gilbert, B. C. and Haywood, R. M. (1993) Free Radic. Res.

Commun. 18, 353-367.

MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XL (2016)

48

26. Celi, P. and Gabai, G. (2015) Front. Vet. Sci. 2, 1-13 27. Uchida, K. and Stadtman, E. R. (1993) J. Biol. Chem. 268, 6388-6393. 28. Bestervelt, L. L., Vaz, A. D. and Coon. M. J. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci.

USA. 92, 3764-3768. 29. Olivares-Corichi, I. M., Ceballos, G., Ortega-Camarillo, C., Guzmán-Grenfell,

A. M. and Hicks, J. J. (2005) Front. Biosci. 10, 838-843. 30. Rincón-Víquez, M. J., García-Sánchez, J. R. Tapia-González M. A.,

Gutiérrez-López, L., Ceballos-Reyes, G. M. and Olivares-Corichi, I. M. (2014) Horm. Metab. Res. 46, 499-504.

31. Medina-Navarro, R., Guzmán-Grenfell, A. M., Díaz-Flores, M., Duran-Reyes, G., Ortega-Camarillo, C., Olivares-Corichi, I. M. and Hicks, J. J. (2007) Chem. Res. Toxicol, 20, 1477-1481.

Olivares Corichi IM y García Sánchez JR

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Semblanza de la Dra. Ivonne María Olivares Corichi

LICENCIATURA: Carrera: Biología

UNAM. ENEP-Iztacala.

MAESTRÍA: Maestría en Ciencias

Biológicas (Biología Experimental). UNAM

Facultad De Ciencias

DOCTORADO: Doctorado: Investigación

en Medicina. IPN. Escuela Superior De

Medicina.

-Miembro del Sistema Nacional de

Investigadores nivel I.

-Miembro de la Sociedad Mexicana de

Nutrición y Endocrinología.

-Miembro de la Red en Salud del Instituto

Politécnico Nacional.

-Docente desde el 2006 en la Escuela

Superior de Medicina IPN

-29 Artículos en revistas indexadas

Internacionales,

-9 Publicaciones nacionales,

-16 alumnos graduados de posgrado y 5 de Especialidad.

-5 capítulos de libros.

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