La parte endocrina del pancreas è costituita dalle isole di Langerhans che costituiscono circa il 2% dell’intero organo e risultano disperse fra la porzione di tessuto esocrino, generalmente clusterizzate intorno ad un capillare in cui riversano il loro prodotto. Pur costituendo una così piccola percentuale di tessuto pancreatico, le isole di Langerhans ricevono circa il 15% del flusso sanguigno pancreatico; sono innervate da neuroni simpatici e parasimpatici. Le isole a funzione endocrina sono circa 1 milione e secernono i due ormoni chiave del metabolismo dei carboidrati per il controllo acuto dei livelli ematici di glucosio, più alcuni altri ormoni minori. Sono tutti ormoni di tipo peptidico.

Gli isolotti comprendono diversi tipi cellulari che sono:  Cellule α (25%): producono glucagone a funzione iperglicemizzante, distribuite in genere alla periferia dell’isolotto.  Cellule β (60%): producono insulina a funzione ipoglicemizzante, usualmente localizzate al centro dell’isolotto.  Esiste un rimanente 10% di altri tipi cellulari fra cui le cellule δ che producono somatostatina (prodotta anche in altri tessuti) e altre che secernono polipeptide pancreatico e VIP.

Isolotto del Langerhans

La funzione dell’insulina è quella di mantenere i livelli di glucosio plasmatico entro limiti fisiologici (80-100mg/dl). È un ormone proteico (MW 5800) formato da due catene aminoacidiche (A e B) unite fra loro da ponti disolfuro. La catena A è formata da 21 aa e la catena B da 30aa. mRNA dà origine alla pre-proinsulina formata da una singola catena aminoacidica; la rimozione di un peptide segnale a livello di reticolo endoplasmico porta alla formazione della proinsulina. Infine la rimozione del peptide di connessione C ad opera di endopeptidasi risulta nella formazione finale di insulina. Scoperta ed isolata nel 1922

La struttura primaria della proteina è altamente conservata nei vertebrati tanto che nei pazienti diabetici spesso si usano estratti di insulina di maiale. Il gene che codifica per l’insulina è localizzato, nell’uomo, sul cromosoma 11. L’insulina interferisce con il metabolismo glicidico, ma anche lipidico (stimola la lipogenesi e inibisce la lipolisi) e proteico.

Insulina con sequenza aa delle due catene B A

Poiché esistono diversi ormoni iperglicemizzanti, la mancanza di insulina determina subito una fortissima e letale iperglicemia. L’insulina stimola anche processi di trascrizione: stimola l’accrescimento, la sintesi di DNA e la replicazione cellulare (in associazione con IGFs e relaxina).

La secrezione di insulina è controllata dalla concentrazione di glucosio nel sangue e la sua secrezione avviene in seguito all’assunzione di cibo. In condizioni basali l’insulina è secreta in maniera pulsatile ogni minuti e questo tipo di secrezione è probabilmente importante per la sua efficacia, garantendo l’adeguato funzionamento dei recettori. La sua emivita nel plasma è molto bassa, circa 6 minuti.

I fattori determinanti per la secrezione insulinica sono sicuramente i carboidrati, meglio se assunti per via orale, perché alla secrezione dell’ormone partecipano anche ormoni digestivi quali gastrina e secretina. Benché esistano ancora meccanismi poco chiari, l’attuale modello che spiega la secrezione di insulina è il seguente. Vediamo in quale modo l’aumento del glucosio plasmatico stimola il rilascio di insulina.

Trasporto mediato da carrier

Metabolismo del glucosio ATP K+K+ Membrane depolarization Ca 2+ Esocitosi

Qual’é il meccanismo d’azione dell’insulina e quali sono gli organi bersaglio? Gli organi bersaglio dell’insulina sono sostanzialmente tre: riflettendo l’azione dell’insulina sul metabolismo. Fegato Muscolo striato Tessuto adiposo Fegato Muscolo striato Tessuto adiposo

L’insulina secreta dalle cellule β viene trasportata direttamente al fegato attraverso la vena porta. A livello epatico si manifestano i primi importanti effetti in seguito all’attivazione del recettore per l’insulina, una molecola con un peso molecolare di 300kDa, che una volta attivata determina tutti gli effetti.

Questo recettore appartiene alla famiglia delle tirosina- chinasi ed è un etrotetramero formato da 2 due sub- unità α extracellulari, provviste di siti specifici di legame per l’insulina, legate da ponte disolfuro a 2 sub-unità β che presentano una porzione trans- membrana ed una intracellulare.

Autofosforilazione del recettore L’autofosforilazione avviene sulle subunità β in seguito all’interazione dell’insulina con le subunità α. In questo modo ha inizio l’attività catalitica del recettore che sposta gruppi fosfato su residui tirosinici di vari enzimi intracellulari

Gli effetti più evidenti in seguito all’attivazione di questa cascata sono: Aumenta la permeabilità al glucosio in cellule muscolari ed adipose. Questo non avviene nella maggior parte dei neuroni cerebrali. Aumenta la permeabilità al glucosio in cellule muscolari ed adipose. Questo non avviene nella maggior parte dei neuroni cerebrali. Aumenta anche la permeabilità ad aa, ioni potassio e fosfato Aumenta anche la permeabilità ad aa, ioni potassio e fosfato Questi due effetti avvengono dopo pochi secondi dal legame dell’insulina.

Dopo circa minuti inizia ad essere modificata l’attività di molti enzimi cellulari in seguito a diversi stati di fosforilazione. Esistono anche effetti che si mantengono per ore e giorni e determinano una modulazione dell’attività trascrizionale della cellula.

A bassi livelli di insulina i trasportatori GLUT-4 sono localizzati su vescicole intracellulari che si mobilitano quando l’insulina si lega al suo recettore.

Gli organi bersaglio assumono il glucosio grazie all’azione di carrier uniporto insulino-dipendenti (diffusione passiva). Sono proteine di circa 500 aa definite come GLUT-1, GLUT- 2, GLUT-3, GLUT-4 (muscolo) e GLUT-5. In alcuni tessuti questi carrier sono insulino-indipendenti in modo da garantire un costante apporto di glucosio al tessuto indipendentemente dall’assunzione di cibo (vedi cervello e fegato). Per una simulazione consultare: ncreas/insulin_phys.html

Che azione ha l’insulina sui tessuti target?

A livello epatico l’insulina determina incremento dell’assunzione di glucosio (uniporto GLUT-2) e la sua incorporazione sotto forma di glicogeno. Il glucosio è fosforilato (esochinasi) a glucosio 6-fosfato ed è stimolata la glicolisi. La glicogenolisi è inibita. Il glucagone ha azione esattamente opposta, per cui per un buon metabolismo epatico dei carboidrati è fondamentale un equilibrio fra i due ormoni.

A livello epatico il glucosio viene immagazzinato attraverso diversi steps:  Inattivazione della glicogeno fosforilasi che forma glucosio a partire da glicogeno, impedendo quindi che si possa formare glucosio dal glicogeno già depositato.  Aumentato uptake di glucosio attivando anche l’esochinasi che fosforila il glucosio intrappolandolo nel citoplasma.  Attivazione della glicogeno sintetasi responsabile della polimerizzazione dei monomeri di glucosio.

A livello di muscolo striato il glucosio è assunto attraverso GLUT-4 e trasformato in glicogeno muscolare per essere immagazzinato sotto questa forma. Inoltre l’insulina stimola l’assunzione di aa soprattutto di quelli essenziali (Leu, Val, Tyr, Trp e Ile) stimolando la sintesi proteica (azione anabolica). Inoltre inibisce la proteolisi e l’esportazione degli aa (azione anticatabolica).

A livello di muscolo il glucosio è internalizzato nelle cellule e depositato sotto forma di glicogeno con l’attivazione della glicogeno sintetasi.

Nel tessuto adiposo l’insulina determina accumulo di grassi attraverso i seguenti passi: Sintesi di grassi a livello epatico a partire da glucosio e trasportati fuori dal fegato da lipoproteine. Questo avviene quando il fegato, ormai saturo di glicogeno, devia l’ulteriore glucosio in arrivo al metabolismo degli acidi grassi. Sintesi di grassi a livello epatico a partire da glucosio e trasportati fuori dal fegato da lipoproteine. Questo avviene quando il fegato, ormai saturo di glicogeno, devia l’ulteriore glucosio in arrivo al metabolismo degli acidi grassi. Trasporto dei trigliceridi in lipoproteine; l’insulina attiva a livello adiposo la lipoproteina lipasi che idrolizza i trigliceridi in acidi grassi. Questi vengono depositati a livello adiposo. Inoltre inibisce le lipasi del tessuto adiposo che idrolizzano i trigliceridi mobilitando acidi grassi. Trasporto dei trigliceridi in lipoproteine; l’insulina attiva a livello adiposo la lipoproteina lipasi che idrolizza i trigliceridi in acidi grassi. Questi vengono depositati a livello adiposo. Inoltre inibisce le lipasi del tessuto adiposo che idrolizzano i trigliceridi mobilitando acidi grassi.

Inoltre l’insulina promuove l’uptake di glucosio che forma α-glicerol fosfato che sostituisce il glicerolo nella formazione di trigliceridi di deposito. La lipolisi è notevolmente ridotta (azione lipogena). Inoltre l’insulina promuove l’uptake di glucosio che forma α-glicerol fosfato che sostituisce il glicerolo nella formazione di trigliceridi di deposito. La lipolisi è notevolmente ridotta (azione lipogena).

Ha azione diametralmente opposta a quella dell’insulina e viene rilasciato dalle cellule di tipo α tutte le volte che il glucosio ematico scende sotto i valori normali: è quindi un ormone a funzione iperglicemizante. È un polipetide formato da una sola catena con 29 aa con MW Anche il glucagone viene prodotto in forma di precursore (proglucagone).

Gli effetti principali del glucagone sono:  demolizione del glicogeno epatico (glicogenolisi)  aumento della gluconeogenesi epatica

Vediamo la cascata di eventi che determina glicogenolisi, che è l’effetto principale del glucagone, cioè quello che determina rapido aumento del glucosio ematico. Va ricordato che questa cascata di eventi è una di quelle più studiate perché:

È il modello ideale per lo studio dell’attivazione dell’adenilato ciclasi È il modello ideale per lo studio dell’attivazione dell’adenilato ciclasi È un ottimo sistema amplificante in cui la quantità di ogni prodotto di reazione è molto superiore al prodotto della reazione precedente È un ottimo sistema amplificante in cui la quantità di ogni prodotto di reazione è molto superiore al prodotto della reazione precedente

Anche dopo che tutto il glicogeno epatico è stato mobilitato, il glucagone continua a determinare iperglicemia. Questo perché aumenta l’uptake di aa a livello epatico. Gli aa sono utilizzati nel processo di gluconeogenesi con attivazione di moltissimi enzimi fra cui quelli che convertono il piruvato in fosfoenolpiruvato, reazione limitante di tutto il processo.

Un altro effetto importante è l’attivazione della lipasi delle cellule adipose che rende disponibile una gran quantità di acidi grassi. Inoltre il glucagone inibisce l’immagazzinamento dei trigliceridi nel fegato.

Metabolic Actions of Insulin and Glucagon Fatty acid uptake and release in fat. Insulin Stimulates synthesis of triglycerides (TG) from free fatty acids (FFA); inhibits release of FFA from TG. Glucagon Stimulates release of FFA from TG. Liver glycogen Insulin Increases synthesis and thereby glucose uptake and storage. Glucagon Stimulates glycogenolysis and glucose release. Liver gluconeogenesis Insulin Inhibits, saves amino acids. Glucagon Stimulates, glucose synthesized and released.

Glucose uptake, skeletal muscle InsulinGlucagon Stimulates uptake, storage as glycogen and use in energy metabolism. Stimulates uptake, storage as glycogen and use in energy metabolism. No receptors, no effect. Glycogen, skeletal muscle InsulinGlucagon Stimulates synthesis. No receptors, no effect. Amino acid uptake Amino acid uptake InsulinGlucagon Stimulates and is necessary for protein synthesis. No receptors, no effect. Brain (hypothalamus) Insulin Reduces hunger. Reduces hunger. Glucagon No effect.