A Glândula Pineal e o Metabolismo de carboidratos

A Glândula Pineal e o Metabolismo de carboidratos

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artigo original A Glândula Pineal e o Metabolismo de

Carboidratos

Patrícia Monteiro Seraphim

Doris Hissako Sumida Fabiana Tumi Nishide

Fábio Bessa Lima José Cipolla Neto Ubiratan Fabres Machado

Departamento de Fisiologia e Biofísica, Instituto de Ciências

Biomédicas, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, SP.

Recebido em 13/09/1999 Revisado em 18/02/2000 Aceito em 10/04/2000

A influência da glândula pineal sobre o metabolismo de carboidratos vem sendo investigada há décadas. Entretanto, resultados contraditórios não esclarecem, até o momento, o verdadeiro papel da melatonina sobre a homeostasia dos carboidratos. Através de estudos recentes, contribuímos de maneira inequívoca para a caracterização do papel da glândula pineal como moduladora do metabolismo de carboidratos. Além disso, à luz dos conhecimentos atuais, demonstramos quais passos do mecanismo de ação da insulina estão envolvidos nessa modulação. Nossos estudos revelaram que a pinealectomia promove um quadro de resistência à insulina, sem obesidade. A captação máxima de 2-deoxi-glicose, estimulada por insulina, em adipócitos isolados está diminuída, sem entretanto modificar a capacidade da insulina ligar-se ao seu receptor e estimular a fosforilação dos substratos intracelulares representados pela p 185. Por outro lado, em vários tecidos sensíveis à insulina, observou-se uma diminuição no conteúdo da proteína transportadora de glicose GLUT4, mas diminuição no mRNA do GLUT4 apenas em alguns desses tecidos, sugerindo uma regulação tecido-específica. Adicionalmente, foi demonstrado que a regulação da glândula pineal sobre o metabolismo de carboidratos é mediado pela melatonina: o hormônio aumentou a sensibilidade à insulina de adipócitos isolados e o tratamento de reposição com melatonina restaurou o conteúdo de GLUT4 no tecido adiposo branco. Em síntese, os estudos aqui relatados evidenciam um importante papel da glândula pineal na modulação da homeostasia de carboidratos. Essa regulação é dependente da melatonina e pode ser resumida, até o presente momento, como um aumento da sensibilidade tecidual à insulina, que envolve alterações na expressão gênica do GLUT4. (Arq Bras Endocrinol Metab 2000;4/4: 331-338)

Unitermos: Melatonina; Glândula pineal; Metabolismo de carboidratos; Homeostasia glicêmica; GLUT4

For decades, the influence of the pineal gland on carbohydrate metabolism has been investigated. However, contradictory results have not yet elucidated the role played by melatonin in carbohydrate homeostasis. In our recent studies, we have contributed to characterize the role of the pineal gland as a modulator of carbohydrate metabolism. In addition, based on present-day knowledge, we have demonstrated the steps of insulin action mechanism involved in this modulation. Our studies reveal that pinealectomy causes a condition of obesity-free insulin resistance. The maximum uptake of 2-deoxi-glucose prompted by insulin in isolated adipocytes is diminished, without however changing the insulin capacity to bind to its receptor, and to stimulate the phosphorilation of intracellular substrates represented by p 185. Conversely, in several insulin-sensitive tissues, our studies detected a decrease in the amount of glucose transporter protein GLUT4, and a decrease in GLUT4 mRNA in only some of these tissues, suggesting a tissue-specific regulation. Additionally, it was demonstrated that the pineal gland regulation influences carbohydrate metabolism through melatonin, by our demonstration that the hormone increased insulin sensitivity of isolated adipocytes, and that melatonin replacement therapy restored the amount of GLUT4 in white adipose tissue. In summary, the studies reported here evidence an important role played by the pineal gland in the modulation of carbohydrate homeostasis. This regulation seems to be melatonin-dependent and can be described, so far, as an increase in tissue sensitivity to insulin, which involves changes in GLUT4 gene expression. (Arq Bras Endocrinol Metab 2000;4/4: 331-338)

Keywords: Melatonin; Pineal gland; Carbohydrate metabolism; Glycemic homeostasis; GLUT4

A MELATONINA É UM HORMÔNIO da glândula pineal, secretado exclusivamente à noite. Portanto, a atividade secretória da glândula pineal apresenta um ritmo circadiano relacionado com o período escuro (noite), cuja duração, variando ao longo do ano de acordo com as estações, determina um padrão secretório com variações diárias e sazonais (1). Estas características de secreção determinam o papel fisiológico da glândula pineal: sinalizar para o meio interno, pela presença ou ausência de melatonina nos líquidos corporais, se é dia ou noite no meio exterior e sinalizar, pelo perfil diário do hormônio, qual a estação do ano. Desta forma, a pineal confere ritmos a uma série de funções neuroendócrinas que modula, determinando, por exemplo, o ciclo sono-vigília, a atividade reprodutora e a atividade metabólica de várias espécies (1).

Terminações simpáticas do gânglio cervical superior liberam norepinefrina de acordo com um ritmo cir- cadiano, o qual está relacionado ao ciclo claro-escuro do meio ambiente, aumentando a secreção do neurotransmissor durante a fase escura. Na glândula pineal, a nore- pinefrina age em receptores a1 e b1 determinando a ativação da enzima chave aril-alkilamina N-acetiltrans- ferase (ou serotonina acetiltransferase), o que determina a produção circadiana da melatonina (2). Assim, a concentração plasmática de melatonina varia de acordo com o período escuro do meio ambiente, produzindo as modulações diárias e sazonais de uma série de processos fisiológicos que estão relacionados à melatonina (3-5).

Ações no metabolismo de carboidratos É bastante conhecido o papel da melatonina na regulação do metabolismo energético de animais hiber- nantes, nos quais o padrão de secreção anual de melatonina é responsável pela sincronização sazonal dos surtos de hibernação. O padrão de secreção de melatonina é responsável tanto pelo início da hibernação, quando a regulação térmica passa de homeotérmica para heterotérmica, assim como pelo fim do processo, quando retorna o padrão homeotérmico (6). Por outro lado, em mamíferos não hibernantes, um possível papel fisiológico da glândula pineal na regulação do metabolismo de carboidratos tem sido investigado há décadas, tanto em roedores (7) como em humanos (8); no entanto, esta relação não está clara até o momento.

Em ratos, foi demonstrado que a pinealectomia induz diminuição na glicogenogênese hepática e muscular, assim como aumento na concentração de piruvato plasmático. Adicionalmente, foi relatado que a infusão de extrato de pineal promove redução glicêmica, que envolve aumento na tolerância à glicose e na glicogenogênese hepática e muscular, em resposta a uma sobrecarga glicídica (7). O papel da glândula pineal sobre a regulação do metabolismo de carboidratos foi reforçado por estudos que demonstraram alterações na concentração plasmática da glicose, insulina e glucagon em ratos pinealectomizados (9). Além disso, foi demonstrado que a elevação glicêmica, decorrente do tratamento de ratos com aloxana, é maior em ratos pinealectomizados do que em ratos normais, sugerindo que a pinealectomia conduz a uma elevação glicêmica (10).

Também já foi demonstrado que vários parâmetros metabólicos, entre os quais os níveis plasmáticos de glicose, apresentam ritmo diurno que independe do comportamento alimentar, conforme foi relatado em ratos em jejum, sugerindo que fatores endógenos, adicionalmente aos fatores ambientais (alimentação e ciclo claro-escuro) modulam as flutuações rítmicas observadas no metabolismo dos carboidratos ao longo do dia (1). Adicionalmente, na vigência de livre curso alimentar, é evidente que tanto humanos (12,13) como ratos (14) apresentam flutuações diur- nas na resposta ao teste de tolerância à glicose, assim como estão demonstradas variações circadianas na sensibilidade à insulina (15,16).

Uma questão importante, relacionada ao metabolismo de carboidratos, é a possibilidade de a glândula pineal influenciar quantitativa ou qualitativamente o comportamento alimentar, o que poderia levar a alterações na composição corporal, modificando a relação entre massa magra e massa gorda ou, até mesmo, conduzindo à obesidade (17).

Por outro lado, a glândula pineal interfere na regulação do eixo hipotálamo-hipófise-adrenal, um importante modulador do metabolismo de carboidratos. Ratos pinealectomizados apresentam um aumento na corticosterona plasmática ao longo do dia, o que pode estar envolvido na alteração da sensibilidade tecidual à insulina e, consequentemente, no metabolismo de carboidratos (18).

Ações na secreção de insulina A secreção de insulina, estreitamente relacionada ao metabolismo de carboidratos, também apresenta um ritmo que varia de acordo com o período do dia (19), o que sugere que esta função possa estar relacionada à fisiologia da glândula pineal. Em humanos, a responsividade da célula b pancreática a uma determinada sobrecarga de glicose é maior pela manhã e declina no decorrer do dia até o início da noite (20). Em roedores o fenômeno parece ser similar, entretanto as flutuações são exatamente invertidas, com a responsividade aumentando no final do dia e diminuindo no início da manhã (14). Foi descrito que a pinealectomia, ou a incubação de ilhotas pancreáticas em meio contendo extrato de pineal, alteram a secreção de insulina por ilhotas pancreáticas (21); por outro lado, nenhum efeito foi observado no padrão de secreção de insulina por ilhotas pancreáticas incubadas em presença de concentrações fisiológicas de melatonina (2).

Embora existam relatos contraditórios sobre a ação da melatonina na secreção da insulina (21,2) e o papel da glândula pineal e/ou da melatonina na função da célula b pancreática ainda não esteja completamente esclarecido, alguns mecanismos putativos podem ser considerados como envolvidos em uma ação direta ou indireta sobre a secreção de insulina.

Sabe-se que a melatonina age em células alvo ligando-se a receptores específicos localizados na mem- brana plasmática da célula, estes receptores já foram demonstrados no pâncreas (23). Um destes receptores

(Mel1a) é capaz de inibir a adenilatociclase e potencializar a atividade da fosfolipase e (PLC), conduzindo a uma amplificação da atividade da proteína-cinase e (PKC) (24). Como o sistema PLC/PK cionado ao processo de secreção da insulina (25), é possível imaginar-se que a pinealectomia possa alterar a ativação do sistema PLC/PKC na célula b pancreática.

De maneira indireta, a pineal poderia alterar a secreção de insulina através da modulação que exerce tanto na atividade autonômica, como na responsivi- dade tecidual aos neurotransmissores. Uma inibição na capacidade secretora da célula b pancreática, assim como na resposta tecidual à insulina, poderia ocorrer em animais pinealectomizados como conseqüência às alterações autonômicas instaladas (4,26).

A última década trouxe grandes conhecimentos sobre o mecanismo de transdução do sinal insulínico, especialmente no que se refere à capacidade dos tecidos insulino-sensíveis captarem a glicose para posterior utilização. Os tecidos em que a captação da glicose é estimulada pela insulina são os músculos, esquelético e cardíaco, e os tecidos adiposos, branco e marrom, que são chamados de tecidos insulino-sensíveis. Nestes territórios a insulina estimula a captação da glicose para estoque de sua energia, seja na forma de glicogênio seja na forma de triacilglicerol, conforme as características de cada um, ou, ainda, para geração de calor, como ocorre na termogênese do tecido adiposo marrom.

A transdução do sinal insulínico está bem caracterizada, e a figura 1 resume as principais etapas envolvidas no processo de estimulação da captação de glicose pela insulina.

A insulina exerce seu efeito através da ligação a um receptor específico na membrana plasmática. O receptor de insulina é uma glicoproteína heterote- tramérica, constituída por duas sub-unidades a, cada uma com peso molecular de 135KDa, e duas subunidades b, cada uma com peso molecular de 95KDa, ligadas por pontes de dissulfeto (27). A sub-unidade a é inteiramente extracelular e contém o sítio de ligação da insulina. A sub-unidade b é uma proteína transmembrânica e responsável pelo início da transdução do sinal insulínico. A sub-unidade b do receptor de insulina é uma proteína-cinase, estimulada pela insulina e capaz de se autofosforilar e de fosforilar outros substratos em aminoácidos tirosina (28). O receptor, uma vez fosforilado em decorrência de sua ativação pela insulina, passa a fosforilar um substrato intracelular, o IRS-1 (insulin receptor substrate 1), uma proteína de 185KDa com vários resíduos tirosil em sua cadeia polipeptídica, alguns deles localizados em seqüência do tipo YMXM ou YXXM (29). Quando o IRS-1 está fosforilado, pode interagir com proteínas contendo a porção SH2. Entre essas proteínas está uma enzima, a fosfatidil-inositol-3-quinas e (PI3K) . Demonstrou-s e que a ativação da PI3K é essencial para o transporte de glicose pois o tratamento de células com o inibidor específico desta enzima, o wortmannim, bloqueia a captação de glicose (30). Um segundo substrato (IRS- 2), já bem caracterizado, também possui peso molecular em torno de 185KDa e pode participar de maneira semelhante, mas não idêntica, ao IRS-1 na transdução do sinal insulínico. Dessa forma, a fosforilação de proteínas p 185 representa a ativação indistinta dos substratos IRS-1/2 (31).

Os tecidos insulino-sensíveis expressam uma isoforma de transportador de glicose específica chamada GLUT4. Em estado basal de concentração de insulina, apenas cerca de 10% do conteúdo total de transportador está presente na membrana plasmática destas células participando, junto com a isoforma GLUT1, da captação basal de glicose. Nesta condição, cerca de 90% do

GLUT4 está estocado, como parte constitutiva de vesículas intracelulares encontram associadas a elemen- tos túbulo-vesiculares (TVE) e à rede trans-Golgi (TGN) no meio intracelular (32). Sob estímulo insulínico, após a transdução do sinal, ocorre rápida translocação das vesículas intracelulares que se fundem à membrana plasmática; assim, aumenta rapidamente a densidade de GLUT4 na membrana plasmática, permitindo um incremento de até 30 vezes no transporte de glicose. Cessado o estímulo insulínico, ocorre a internalização de GLUT4, através da endocitose de fragmentos de membrana plasmática na forma de vesículas, reduzindo a capacidade de transporte de glicose (3).

Pelo anteriormente descrito, parece evidente que a glândula pineal desempenha uma função fisiológica regulatória no metabolismo de carboidratos, influenciando não só a secreção mas, principalmente, a ação da insulina. Nos últimos anos, temos realizado vários estudos que não apenas confirmam o conceito de que a glândula pineal modula a homeostase dos carboidratos, mas também quais etapas do mecanismo de ação da insulina estão envolvidas.

Muitos de nossos estudos baseiam-se na análise de parâmetros relacionados com a homeostasia dos carboidratos em ratos Wistar submetidos a pinealectomia cirúrgica (PINx). Verificamos que não houve desenvolvimento de obesidade 4 (34) ou 6 (35) semanas após pinealectomia. Pelo contrário, embora o peso corporal não tenha variado em comparação ao de animais "sham" operados, o peso do coxim periepididimal (WAT) e do tecido adiposo marrom interescapular

(BAT) era significativamente menor nos animais PINx (34), sem que houvesse alterações no peso da massa magra, isto é, em músculo gastrocnêmio (GAST) e coração (CM) (34).

Em ratos PINx, detectamos perda do ritmo diário na resposta a uma sobrecarga glicídica durante um teste de tolerância à glicose endovenosa (GTT). Em ratos PINx, tanto às 8:00h como às 16:00h, houve diminuição no índice Ainsulina/Aglicose, durante os primeiros 5 min após a sobrecarga glicídica, o que sugere menor capacidade dos ratos PINx secretarem insulina frente ao secretagogo glicose (35). Além disso, durante o GTT, as variações nas concentrações de glicose e insulina foram semelhantes em animais controles e PINx às 8:00h; porém, às 16:00h, a glicemia permaneceu mais elevada durante os primeiros 20min de teste nos animais PINx, enquanto a secreção de insulina foi significativamente menor até 45min de teste (35). Estes dados indicam que a pinealectomia promoveu diminuição na capacidade de secreção de insulina, induzida pela glicose in vivo, além de uma provável diminuição na sensibilidade periférica à ação do hormônio. De fato, a resistência à insulina foi comprovada in vivo em outro estudo, no qual observamos, às 12:00h, que ratos PINx apresentam significativa redução na glicemia (15%), na vigência de insulinemia levemente aumentada, o que determinou um índice G/I significativamente menor que em animais controle (34). A redução de glicemia observada nos ratos PINx, pode ser conseqüência de uma alteração no comportamento alimentar dos animais, os quais podem ter antecipado o período de maior ingestão na noite anterior. Entretanto, considerando o seu estado de resistência à insulina, é possível que com a evolução da privação alimentar essa diferença desapareça, conforme observado às 16:0 horas.

A resistência à insulina após PINx foi confirmada in vitro por estudos que avaliaram a capacidade de adipócitos isolados captarem 2-deoxi-D-glicose (2DG) sob estímulo com insulina. Em adipócitos de ratos PINx, o transporte máximo de 2-DG, estimulado por insulina, foi 3% menor que o observado em adipócitos de ratos normais, sem entretanto haver diferenças no transporte basal ou na EC50. Estes resultados foram observados tanto em experimentos reali- zados às 8:00h como às 16:00h (35).

Em outro estudo, avaliamos o conteúdo da proteína transportadora de glicose GLUT4 presente nos tecidos insulino-sensíveis (WAT, BAT, CAST, CM). Verificamos que em todos os tecidos, o con- teúdo de GLUT4 era significativamente menor (48% a 71%) em ratos PINx (34), quer fossem os resultados expressos em termos de conteúdo relativo (por mg de proteína submetida à eletroforese) ou absoluto (por tecido inteiro). Além disto, observamos que no WAT de ratos PINx, a redução no GLUT4 era detectada tanto em fração de membrana plasmática, como em fração microssomal que representa o conteúdo de transportador capaz de ser translocado sob estímulo com insulina (34).

Mais recentemente, para investigar a redução no conteúdo tecidual de GLUT4 de ratos pinealectomizados, quantificamos o mRNA do GLUT4. Ver- ificamos que a pinealectomia promoveu uma redução no mRNA do GLUT4 em WAT, BAT e músculo so- lear (SOL), sem, entretanto, alterar o conteúdo de mRNA do GLUT4 em músculo extensor digital longo (EDL), GAST e CM (36). Comparando estes dados com os obtidos em relação ao conteúdo da proteína GLUT4, pode-se concluir que a pinealectomia promove uma regulação tanto transcricional como pós-transcricional no gene do GLUT4, a qual é tecido específica (36).

A contribuição de nossos estudos sobre as alterações do metabolismo de carboidratos em ratos PINx está resumida na tabela 1.

Considerando que todos os dados até aqui descritos demonstram o efeito da pinealectomia sobre a homeostasia dos carboidratos, outros estudos foram realizados com o objetivo de verificar se essa modulação se dá através da ação da melatonina.

Em células adiposas incubadas com melatonina (10nM), durante 4h, e então submetidas a ensaio de captação de 2-DG estimulada por diferentes concen- trações de insulina, foi demonstrado que a EC50 diminuiu, sem alterar a capacidade de transporte má- ximo, ou o número e a afinidade dos receptores de insulina (37). Esses dados indicam que a melatonina promoveu aumento da sensibilidade dos adipócitos à insulina, provavelmente por modular etapas pós-receptor do mecanismo de ação da insulina.

A capacidade da melatonina alterar a translocação de GLUT4 estimulada por insulina também foi investigada. Observamos que adipócitos isolados e submetidos a estímulo máximo de insulina durante 30 min, na presença ou ausência de melatonina, não apresentam diferença quanto ao conteúdo de GLUT4 presente na membrana plasmática (38).

Similarmente, a pré-incubação de adipócitos com melatonina (4h) com posterior estímulo máximo com insulina durante 30 min, não altera o conteúdo de GLUT4 presente na membrana plasmática (38). Estes dados estão de acordo com a observação de que a melatonina, in vitro, diminuiu a EC50 sem alterar o transporte máximo de 2-DG estimulado por insulina.

Por outro lado, o papel da melatonina ficou bastante claro em estudo crônico, no qual ratos pinealectomizados foram submetidos a tratamento de reposição com melatonina e comparados com ratos submetidos a reposição com veículo (15 dias de tratamento). Nesta investigação, verificamos que a melatonina restaurou o conteúdo de GLUT4 no tecido adiposo branco, o qual permaneceu reduzido nos ratos que receberam apenas veículo (38).

Estes dados sugerem que as modulações previamente observadas são decorrentes da ausência de melatonina. Os resultados sobre o efeito direto da melatonina no metabolismo de carboidratos estão resumidos na tabela 2. Em síntese, os vários estudos aqui relatados evi- denciam um importante papel da glândula pineal na modulação da homeostasia de carboidratos. Essa regulação parece ser dependente da melatonina e pode ser resumida, até o presente momento, como aumento da sensibilidade tecidual à insulina que envolve alterações na expressão gênica da proteína transportadora GLUT4.

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