Insulina (Insulin)

A insulina (; do latim insula 'ilha') é um hormônio peptídico sintetizado pelas células beta nas ilhotas pancreáticas, com sua produção em humanos codificada pelo gene da insulina (INS). Funciona como o principal hormônio anabólico do corpo. Seu papel principal envolve a regulação do metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas, facilitando a absorção de glicose da corrente sanguínea para as células hepáticas, adiposas e musculares esqueléticas. Dentro desses tecidos, a glicose assimilada é transformada em glicogênio por meio da glicogênese ou em triglicerídeos por meio da lipogênese; notavelmente, no fígado, ambas as conversões ocorrem. Concentrações elevadas de insulina no sangue inibem significativamente a produção e secreção hepática de glicose. Além disso, a insulina circulante influencia a síntese protéica em diversos tecidos. Portanto, atua como um hormônio anabólico, promovendo a conversão de moléculas circulantes menores em macromoléculas celulares maiores. Por outro lado, níveis reduzidos de insulina no sangue induzem catabolismo generalizado, afetando particularmente a gordura corporal armazenada.

Insulina ( ; do latim insula 'ilha') é um hormônio peptídico produzido pelas células beta das ilhotas pancreáticas codificadas em humanos pelo gene da insulina (INS). É o principal hormônio anabólico do corpo. Ele regula o metabolismo de carboidratos, gorduras e proteínas, promovendo a absorção de glicose do sangue pelas células do fígado, gordura e músculos esqueléticos. Nestes tecidos, a glicose absorvida é convertida em glicogênio, via glicogênese, ou em gorduras (triglicerídeos), via lipogênese; no fígado, a glicose é convertida em ambos. A produção e secreção de glicose pelo fígado são fortemente inibidas por altas concentrações de insulina no sangue. A insulina circulante também afeta a síntese de proteínas em uma ampla variedade de tecidos. É, portanto, um hormônio anabólico, promovendo a conversão de pequenas moléculas no sangue em grandes moléculas nas células. A baixa insulina no sangue tem o efeito oposto, promovendo o catabolismo generalizado, especialmente da reserva de gordura corporal.

As células beta exibem sensibilidade às concentrações de glicose no sangue, liberando insulina na corrente sanguínea em resposta à hiperglicemia e suprimindo sua secreção quando os níveis de glicose estão baixos. A síntese de insulina também é modulada pela glicose; concentrações elevadas de glicose estimulam a produção de insulina, enquanto níveis reduzidos resultam em diminuição da síntese. A insulina facilita a captação e o metabolismo celular da glicose, diminuindo consequentemente a glicemia. Por outro lado, as células alfa adjacentes, influenciadas pela atividade das células beta, secretam glucagon no sangue em um padrão inverso: a secreção aumenta durante a hipoglicemia e diminui quando as concentrações de glicose estão elevadas. O glucagon eleva a glicemia ao estimular a glicogenólise hepática e a gliconeogênese. A secreção coordenada de insulina e glucagon na corrente sanguínea, em resposta à concentração de glicose no sangue, constitui o principal mecanismo de homeostase da glicose.

Atividade insuficiente ou ausente da insulina leva ao diabetes, uma condição médica caracterizada por níveis elevados de glicose no sangue (hiperglicemia). Esta doença se manifesta em duas formas primárias. No diabetes tipo 1, uma reação autoimune causa a destruição das células beta, impedindo assim a síntese e secreção de insulina na corrente sanguínea. Em contraste, o diabetes tipo 2 envolve destruição de células beta menos grave em comparação com o tipo 1, e isso não é atribuído a um processo autoimune. Em vez disso, a amiloide acumula-se dentro das ilhotas pancreáticas, o que se presume prejudicar a sua estrutura anatómica e função fisiológica. Embora a patogênese precisa do diabetes tipo 2 permaneça incompletamente elucidada, reconhece-se que os fatores contribuintes incluem uma população diminuída de células beta das ilhotas, função secretora prejudicada das células beta das ilhotas sobreviventes e resistência à insulina nos tecidos periféricos. O diabetes tipo 2 é ainda caracterizado pelo aumento da secreção de glucagon, que permanece inalterado e não responde às concentrações de glicose no sangue. No entanto, a insulina continua a ser secretada no sangue em resposta à glicose no sangue. Consequentemente, a glicose se acumula na corrente sanguínea.

A proteína da insulina humana compreende 51 aminoácidos e possui uma massa molecular de 5808 Da. Existe como um heterodímero, consistindo de uma cadeia A e uma cadeia B, que estão ligadas covalentemente por ligações dissulfeto. A configuração estrutural da insulina apresenta pequenas variações entre as diferentes espécies animais. Devido a estas diferenças interespécies, a insulina derivada de fontes animais não humanas demonstra uma eficácia algo variada no metabolismo dos hidratos de carbono em comparação com a insulina humana. A insulina suína, sendo particularmente semelhante à sua contraparte humana, foi amplamente utilizada no tratamento de indivíduos com diabetes tipo 1 antes da produção em larga escala de insulina humana através de tecnologias de DNA recombinante.

A insulina tem a distinção de ser o hormônio peptídico inaugural identificado. Em 1921, Frederick Banting e Charles Best, conduzindo pesquisas no laboratório de John Macleod na Universidade de Toronto, isolaram com sucesso a insulina do tecido pancreático canino. Frederick Sanger posteriormente elucidou sua sequência completa de aminoácidos em 1951, marcando a insulina como a primeira proteína a ser totalmente sequenciada. Dorothy Hodgkin determinou a estrutura cristalina da insulina no estado sólido em 1969. Além disso, a insulina foi a primeira proteína a ser sintetizada quimicamente e fabricada usando tecnologia de DNA recombinante. Está incluído na Lista Modelo de Medicamentos Essenciais da OMS, o que significa a sua importância como medicamento fundamental nos sistemas básicos de saúde.

Trajetória Evolutiva e Distribuição Interespécies

As origens moleculares da insulina provavelmente se estendem por mais de um bilhão de anos, remontando aos primeiros eucariotos unicelulares. Além do reino animal, proteínas semelhantes à insulina foram identificadas em fungos e protistas.

Na maioria dos vertebrados, a insulina é sintetizada pelas células beta nas ilhotas pancreáticas, enquanto certos peixes teleósteos a produzem no corpo de Brockmann. Notavelmente, caracóis marinhos venenosos, especificamente Conus geographus e Conus tulipa, empregam formas modificadas de insulina em seus coquetéis de veneno para incapacitar peixes pequenos. Esta toxina insulina, estruturalmente mais semelhante à insulina dos peixes do que à insulina endógena dos caracóis, reduz os níveis de glicose no sangue das presas, retardando-os assim.

Produção

Em mamíferos, a insulina é gerada exclusivamente pelas células beta das ilhotas pancreáticas, enquanto em alguns peixes ela se origina no corpo de Brockmann. A síntese de insulina humana é dirigida pelo gene INS, situado no cromossomo 11. Os roedores possuem dois genes funcionais de insulina: um é homólogo da maioria dos genes de mamíferos (Ins2) e o outro é uma cópia retroposta, contendo uma sequência promotora, mas sem um íntron (Ins1). A transcrição do gene da insulina aumenta em resposta à elevação da glicose no sangue, um processo regulado principalmente por fatores de transcrição que se ligam a sequências intensificadoras aproximadamente 400 pares de bases a montante do local de início da transcrição do gene.

Os principais fatores de transcrição que regulam a secreção de insulina incluem PDX1, NeuroD1 e MafA.

Em condições de baixa glicose, PDX1 (proteína homeobox 1 pancreática e duodenal) reside na periferia nuclear devido à sua interação com HDAC1 e HDAC2, levando a uma regulação negativa da secreção de insulina. Por outro lado, níveis elevados de glicose no sangue induzem a fosforilação do PDX1, provocando a sua translocação nuclear e subsequente ligação ao elemento A3 dentro do promotor da insulina. Após a translocação, o PDX1 interage com os coativadores HAT p300 e SETD7. PDX1 influencia modificações de histonas por meio de acetilação, desacetilação e metilação, e também suprime o glucagon.

NeuroD1, também identificado como β2, governa a exocitose de insulina em células β pancreáticas, estimulando diretamente a expressão de genes cruciais para esse processo. Embora tipicamente citosólico, β2 sofre glicosilação por OGT e/ou fosforilação por ERK em resposta a níveis elevados de glicose, desencadeando sua translocação nuclear. Dentro do núcleo, β2 heterodimeriza com E47, liga-se ao elemento E1 do promotor de insulina e recruta o coativador p300, que acetila β2. Além disso, β2 pode interagir com outros fatores de transcrição para ativar o gene da insulina.

MafA sofre degradação proteasomal quando os níveis de glicose no sangue estão baixos. Concentrações elevadas de glicose levam à glicosilação de uma proteína não identificada, que então funciona como um fator de transcrição para o MafA através de um mecanismo desconhecido, fazendo com que o MafA seja transportado para fora da célula. Posteriormente, o MafA transloca-se de volta para o núcleo, onde se liga ao elemento C1 do promotor da insulina.

Esses fatores de transcrição operam sinergicamente dentro de uma intrincada rede regulatória. A hiperglicemia prolongada pode prejudicar a capacidade de ligação destas proteínas, diminuindo consequentemente a secreção de insulina e contribuindo para o diabetes. Esta redução na atividade de ligação pode ser mediada pelo estresse oxidativo induzido pela glicose, e é relatado que os antioxidantes mitigam a diminuição da secreção de insulina nas células β pancreáticas glicotóxicas. Além disso, moléculas sinalizadoras de estresse e espécies reativas de oxigênio inibem o gene da insulina, interferindo tanto nos próprios fatores de transcrição quanto em seus cofatores de ligação.

A região promotora do gene da insulina humana contém várias sequências reguladoras que se ligam a fatores de transcrição específicos. Geralmente, as caixas A interagem com os fatores Pdx1, as caixas E com o NeuroD, as caixas C com o MafA e os elementos de resposta do cAMP com o CREB. Além disso, estão presentes elementos silenciadores, que inibem a transcrição.

Síntese

A insulina madura assim formada é armazenada dentro de grânulos maduros, aguardando estímulos metabólicos específicos (por exemplo, leucina, arginina, glicose e manose) e ativação do nervo vagal para desencadear sua exocitose de a célula para a circulação sistêmica.

Pesquisas indicam que a insulina e suas proteínas associadas são sintetizadas no cérebro, e concentrações diminuídas dessas proteínas estão correlacionadas com a doença de Alzheimer.

A secreção de insulina é ainda mais estimulada pela ativação do receptor beta-2 e suprimida pela ativação do receptor alfa-1. Além disso, durante períodos de estresse fisiológico, o cortisol, o glucagon e o hormônio do crescimento exercem efeitos antagônicos nas ações da insulina. Além disso, a insulina suprime a liberação de ácidos graxos mediada pela lipase hormônio-sensível no tecido adiposo.

Estrutura

Inicialmente, presumia-se que os hormônios eram entidades químicas relativamente pequenas; entretanto, a insulina, como o primeiro hormônio peptídico cuja estrutura foi elucidada, mostrou-se consideravelmente maior. Uma unidade monomérica de insulina humana compreende 51 aminoácidos e possui massa molecular de 5.808 Da. Sua fórmula molecular é C₂₅₇H₃₈₃N₆₅O₇₇S§8_{9§. Estruturalmente, é um dímero composto por duas cadeias peptídicas, designadas cadeia A e cadeia B, que estão interligadas por duas ligações dissulfureto. A cadeia A contém 21 aminoácidos, enquanto a cadeia B compreende 30 resíduos. Estas ligações dissulfureto intercadeias são estabelecidas entre resíduos de cisteína nas posições A7-B7 e A20-B19. Existe uma ligação dissulfureto intracadeia adicional dentro da cadeia A, ligando os resíduos de cisteína nas posições A6 e A11. A cadeia A exibe duas regiões α-helicoidais antiparalelas abrangendo A1-A8 e A12-A19. Em contraste, a cadeia B apresenta uma hélice α central (abrangendo os resíduos B9-B19), flanqueada pelas ligações dissulfeto, e duas folhas β (abrangendo B7-B10 e B20-B23).}

A sequência de aminoácidos da insulina demonstra uma conservação notável, exibindo apenas pequenas variações entre diferentes espécies. Por exemplo, a insulina bovina diverge da insulina humana em apenas três resíduos de aminoácidos, enquanto a insulina suína difere em apenas um. Notavelmente, a insulina derivada de certas espécies de peixes possui semelhança estrutural suficiente com a insulina humana para provocar eficácia clínica em seres humanos. Além disso, a insulina encontrada em alguns invertebrados apresenta considerável semelhança de sequência com a insulina humana e provoca respostas fisiológicas comparáveis. Esta homologia pronunciada entre sequências de insulina de diversas espécies indica a sua conservação evolutiva significativa ao longo da filogenia animal. Por outro lado, o peptídeo C da pró-insulina apresenta uma variabilidade interespécies consideravelmente maior; embora também funcione como hormônio, seu papel é considerado secundário.

Dentro do corpo, a insulina é sintetizada e armazenada como um hexâmero, compreendendo seis moléculas de insulina, embora sua forma biologicamente ativa seja o monômero. Este complexo hexamérico tem uma massa molecular aproximada de 36.000 Da. As seis moléculas constituintes estão dispostas em três unidades diméricas, formando uma estrutura simétrica. Uma característica estrutural crítica é a presença de átomos de zinco (Zn²⁺) situados ao longo do eixo de simetria, cada um coordenado por três moléculas de água e três resíduos de histidina na posição B10.

O hexâmero de insulina representa uma forma inativa e estável que protege a insulina altamente reativa, mantendo sua disponibilidade. A transformação entre hexâmero e monômero é uma consideração crítica no desenvolvimento de formulações de insulina para injeção. Embora o hexâmero apresente estabilidade superior, o que é vantajoso para aplicações práticas, o monómero actua como um agente terapêutico de acção significativamente mais rápida devido à relação inversa entre a taxa de difusão e o tamanho das partículas. A ação rápida do monômero permite que as injeções de insulina sejam administradas próximo às refeições, aumentando assim a flexibilidade de agendamento para indivíduos com diabetes. Além disso, a insulina é suscetível à agregação, formando folhas beta interdigitadas fibrilares, o que pode levar à amiloidose por injeção e impedir o armazenamento a longo prazo.

Função

Secreção

As células beta dentro das ilhotas de Langerhans secretam insulina através de um processo bifásico. A fase inicial de liberação é rapidamente iniciada por concentrações elevadas de glicose no sangue e normalmente persiste por aproximadamente 10 minutos. A segunda fase subsequente envolve uma liberação sustentada e gradual de vesículas recém-sintetizadas, que é desencadeada independentemente dos níveis de glicose e atinge seu pico em 2 a 3 horas. A existência destas duas fases distintas de secreção de insulina implica a presença de diversas populações ou “conjuntos” de grânulos de insulina. Durante a primeira fase da exocitose da insulina, a maioria dos grânulos preparados para liberação são descarregados após a internalização do cálcio. Esta coleção específica de grânulos é denominada pool prontamente liberável (RRP). Os grânulos de RRP constituem 0,3-0,7% da população total de grânulos contendo insulina e estão situados nas proximidades da membrana plasmática. Em contraste, a segunda fase da exocitose necessita da mobilização dos grânulos para a membrana plasmática e da sua preparação prévia para libertação. Conseqüentemente, a taxa da segunda fase de secreção de insulina é ditada pela velocidade com que esses grânulos ficam prontos para a descarga. Este pool é conhecido como Pool de Reserva (RP). O RP exibe uma taxa de liberação mais lenta em comparação com o RRP, com taxas observadas de 18 grânulos/min para RRP e 6 grânulos/min para RP. Uma diminuição na liberação de insulina na primeira fase pode representar a primeira disfunção identificável das células beta, indicativa do início do diabetes tipo 2. Tanto a liberação da primeira fase quanto a sensibilidade à insulina funcionam como indicadores prognósticos independentes para diabetes.

A fase inicial da liberação de insulina é caracterizada pela seguinte sequência de eventos:

• A glicose permeia as células β através de transportadores de glicose, especificamente o GLUT 2. Quando os níveis de glicose no sangue estão baixos, um mínimo de glicose entra nas células β; por outro lado, concentrações elevadas de glicose no sangue facilitam a entrada de quantidades substanciais de glicose nessas células.
• Ao entrar na célula β, a glicose sofre fosforilação em glicose-6-fosfato (G-6-P) catalisada pela glucoquinase (hexoquinase IV). Ao contrário das hexocinases I-III encontradas em outros tecidos, a glucoquinase não está sujeita à inibição do produto pelo G-6-P. Esta característica garante que a concentração intracelular de G-6-P se correlacione diretamente com a concentração predominante de glicose no sangue.
• A glicose-6-fosfato subsequentemente entra na via glicolítica e então, através da reação da piruvato desidrogenase, prossegue para o ciclo de Krebs. Dentro do ciclo de Krebs, a oxidação da acetil CoA, que serve como substrato do ciclo, gera numerosas moléculas de ATP de alta energia, elevando consequentemente a relação ATP:ADP intracelular.
• Uma relação ATP:ADP intracelular elevada induz o fechamento do canal de potássio SUR1/Kir6.2 sensível ao ATP. Esta ação impede o efluxo de íons potássio (K+) da célula por meio de difusão facilitada, resultando em um acúmulo de íons potássio intracelulares. Consequentemente, o ambiente celular interno torna-se menos carregado negativamente em relação ao exterior, culminando na despolarização da membrana da superfície celular.
• Após a despolarização, os canais de íons de cálcio dependentes de voltagem (Ca²⁺) são ativados, permitindo o influxo de íons de cálcio na célula por meio de difusão facilitada.
• A concentração de íons cálcio citosólicos também pode ser aumentada pela liberação de cálcio dos estoques intracelulares, um processo mediado pela ativação dos receptores de rianodina.
• A concentração de íons cálcio no citosol das células beta também pode ser elevada através da ativação da fosfolipase C, desencadeada pela ligação de um ligante extracelular (por exemplo, hormônio ou neurotransmissor) a um receptor de membrana acoplado à proteína G. Esta enzima cliva o fosfolipídeo da membrana fosfatidilinositol 4,5-bifosfato em inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) e diacilglicerol. Posteriormente, o IP3 se liga a proteínas receptoras localizadas na membrana do retículo endoplasmático (RE). Esta ligação facilita a liberação de íons Ca2+ do RE através de canais controlados por IP3, aumentando assim a concentração de cálcio citosólico, independentemente dos níveis elevados de glicose no sangue. A estimulação parassimpática das ilhotas pancreáticas utiliza essa via para aumentar a secreção de insulina na corrente sanguínea.
• Esta elevação substancial na concentração de íons cálcio citosólico desencadeia a exocitose da insulina pré-sintetizada, que é armazenada dentro de vesículas secretoras intracelulares, na corrente sanguínea.

Essa via representa o principal mecanismo de secreção de insulina. Substâncias adicionais reconhecidas por estimular a liberação de insulina incluem os aminoácidos arginina e leucina, acetilcolina liberada através de estimulação parassimpática (operando através da via da fosfolipase C), sulfonilureia, colecistocinina (CCK), que também atua através da fosfolipase C, e incretinas derivadas do trato gastrointestinal, incluindo peptídeo-1 semelhante ao glucagon (GLP-1) e peptídeo insulinotrópico dependente de glicose. (GIP).

A secreção de insulina é significativamente suprimida pela norepinefrina (noradrenalina), contribuindo para concentrações elevadas de glicose no sangue durante períodos de estresse. A liberação de catecolaminas do sistema nervoso simpático exerce efeitos contraditórios na secreção de insulina pelas células beta, pois é inibida pelos receptores α₂-adrenérgicos, mas estimulada pelos receptores β₂-adrenérgicos. Consequentemente, o impacto geral da norepinefrina da inervação simpática e da epinefrina das glândulas supra-renais na liberação de insulina é inibitório, principalmente devido à predominância da ativação do receptor α-adrenérgico. À medida que os níveis de glicose no sangue retornam à sua linha de base fisiológica, a secreção de insulina das células β desacelera ou cessa. Caso as concentrações de glicose no sangue caiam abaixo deste limite, particularmente para níveis criticamente baixos, os hormônios hiperglicêmicos (predominantemente o glucagon das células alfa das ilhotas pancreáticas) induzem a liberação de glicose na corrente sanguínea a partir das reservas de glicogênio hepático, com a gliconeogênese complementando esse processo se os estoques de glicogênio estiverem esgotados. Através da elevação da glicemia, esses hormônios hiperglicêmicos previnem ou retificam efetivamente a hipoglicemia potencialmente fatal.

A liberação prejudicada de insulina na primeira fase é observável durante um teste de tolerância à glicose, caracterizada por um nível de glicose no sangue significativamente elevado 30 minutos após a ingestão de uma carga de glicose (75 ou 100 g), seguido por um declínio gradual ao longo dos 100 minutos subsequentes, permanecendo ainda acima de 120 mg/100 mL duas horas após o início do teste. Por outro lado, em indivíduos saudáveis, os níveis de glicose no sangue são normalizados (e podem até apresentar uma ligeira correção excessiva) pela conclusão do teste. Um pico inicial de insulina representa uma “primeira resposta” à elevação da glicemia; esta resposta é individual e específica da dose, apesar das suposições anteriores de que era apenas específica do tipo de alimento.

Oscilações

Durante a digestão, normalmente uma a duas horas pós-prandial, a secreção de insulina pancreática não é contínua, mas oscila com uma periodicidade de 3 a 6 minutos, flutuando entre concentrações de insulina no sangue excedendo aproximadamente 800 pmol/L e caindo abaixo de 100 pmol/L (como observado em ratos). Acredita-se que esse padrão oscilatório evite a regulação negativa dos receptores de insulina nas células-alvo e facilite a extração de insulina hepática da corrente sanguínea. Consequentemente, esta secreção pulsátil é uma consideração crucial para a administração de medicamentos estimuladores de insulina, uma vez que uma concentração oscilante de insulina no sangue, em vez de um nível elevado constante, é o objetivo terapêutico ideal. Essa administração rítmica pode ser realizada através da administração pulsátil de insulina na veia porta, sistemas de administração ativados por luz ou transplante de células de ilhotas no fígado.

Nível de insulina no sangue

As concentrações de insulina no sangue podem ser quantificadas usando unidades internacionais (por exemplo, μIU/mL) ou concentrações molares (por exemplo, pmol/L), com 1 μIU/mL equivalente a 6,945 pmol/L. Os níveis de insulina no sangue entre as refeições normalmente variam de 8–11 μIU/mL (57–79 pmol/L).

Transdução de sinal

Os efeitos fisiológicos da insulina começam após sua ligação ao receptor de insulina (IR), uma proteína de membrana integral localizada na superfície celular. Este receptor compreende subunidades alfa (α) e beta (β), que normalmente se associam para formar um homodímero. A insulina liga-se especificamente às subunidades α extracelulares deste complexo homodimérico, ativando a atividade intrínseca da tirosina quinase das subunidades β. Esta ativação leva à autofosforilação das subunidades β, seguida pela fosforilação de proteínas intracelulares denominadas substratos do receptor de insulina (IRS). A fosforilação das proteínas IRS inicia uma complexa cascata de transdução de sinal, culminando na ativação de várias quinases e fatores de transcrição que orquestram as ações intracelulares da insulina.

Uma cascata de sinalização chave, iniciada pela ativação de fosfoinositol 3-quinase (PI3K) por IRS-1, medeia vários processos metabólicos críticos. Estes incluem a translocação de transportadores de glicose GLUT4 para as membranas celulares das células musculares e adiposas, a síntese de glicogênio nos tecidos hepático e muscular e a conversão de glicose em triglicerídeos no fígado, tecido adiposo e glândulas mamárias lactantes. PI3K catalisa a fosforilação do fosfolipídeo de membrana fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2) em fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3), que subsequentemente ativa a proteína quinase B (PKB). A PKB ativada promove a fusão de endossomos contendo GLUT4 com a membrana plasmática, aumentando assim a densidade dos transportadores de GLUT4 na superfície celular. Além disso, a PKB fosforila e inativa a glicogênio sintase quinase (GSK). Consequentemente, o seu substrato, a glicogênio sintase (GS), permanece desfosforilado e, portanto, ativo. A glicogênio sintase ativa (GS) é crucial para a etapa limitante da taxa na síntese de glicogênio a partir da glicose. Eventos análogos de desfosforilação influenciam as enzimas que regulam a glicólise, que leva à síntese de gordura via malonil-CoA em tecidos produtores de triglicerídeos, e também enzimas que governam a gliconeogênese hepática. O resultado cumulativo dessas desfosforilações enzimáticas é a estimulação da síntese de glicogênio e gordura a partir da glicose em tecidos relevantes, juntamente com a inibição da produção hepática de glicose através da glicogenólise e da gliconeogênese. Além disso, a lipólise dos triglicerídeos em ácidos graxos livres e glicerol no tecido adiposo é suprimida.

Após a geração de sinais intracelulares iniciada pela ligação ao receptor de insulina, os mecanismos de terminação do sinal tornam-se essenciais. Um mecanismo primário para a terminação do sinal envolve a endocitose e subsequente degradação do complexo receptor de insulina. Além disso, a via de sinalização é atenuada pela desfosforilação de resíduos de tirosina em vários componentes de sinalização, mediada por tirosina fosfatases. As serina/treonina quinases também são reconhecidas por seu papel na redução da atividade da insulina.

A elucidação estrutural do complexo insulina-receptor de insulina foi alcançada através de cristalografia de raios X.

Efeitos fisiológicos

As ações da insulina no metabolismo humano global incluem:

• Maior captação celular de substâncias específicas, particularmente glicose nos tecidos musculares e adiposos, que constituem aproximadamente dois terços das células do corpo.
• Promoção da replicação do DNA e da síntese de proteínas, mediada pela regulação da captação de aminoácidos.
• Modificação da atividade de inúmeras enzimas.

As ações celulares da insulina (indiretas e diretas) abrangem:

• Estimula a captação de glicose: A insulina reduz os níveis de glicose no sangue, promovendo a absorção celular de glicose. Este efeito é alcançado principalmente através da indução da inserção do transportador GLUT4 pela insulina nas membranas celulares dos tecidos musculares e adiposos, facilitando assim a entrada de glicose nessas células.
• Síntese aprimorada de gordura: a insulina obriga os adipócitos a absorver a glicose no sangue, que é posteriormente convertida em triglicerídeos; uma redução nos níveis de insulina provoca o efeito oposto.
• Esterificação elevada de ácidos graxos: a insulina estimula o tecido adiposo a sintetizar gorduras neutras (triglicerídeos) a partir de ácidos graxos; por outro lado, níveis reduzidos de insulina revertem esse processo.
• Lipólise reduzida: a insulina inibe a conversão dos estoques lipídicos dos adipócitos em ácidos graxos livres circulantes e glicerol; uma diminuição nos níveis de insulina promove a reação inversa.
• Concentrações elevadas de glicose estimulam a insulina a induzir a formação de glicogênio através da ativação da hexoquinase, uma enzima que fosforila a glicose, prendendo-a assim dentro da célula. Ao mesmo tempo, a insulina inibe a glicose-6-fosfatase, que normalmente remove esse grupo fosfato. Ambas as enzimas são cruciais para a síntese de glicogênio, um processo ainda apoiado pela ativação da fosfofrutoquinase e da glicogênio sintase pela insulina.
• A insulina reduz significativamente a gliconeogênese e a glicogenólise, diminuindo assim a produção hepática de glicose a partir de precursores não-carboidratos; a maior parte da insulina endógena que chega ao fígado permanece neste órgão. Por outro lado, níveis insuficientes de insulina levam ao aumento da produção hepática de glicose a partir de vários substratos.
• A insulina diminui a proteólise, que é a quebra de proteínas.
• A autofagia, a degradação de organelas danificadas, é diminuída pela insulina, com os níveis de insulina pós-prandial inibindo completamente esse processo.
• A insulina promove a absorção celular de aminoácidos circulantes; uma redução nos níveis de insulina inibe consequentemente essa absorção.
• A insulina induz o relaxamento dos músculos da parede arterial, particularmente nas microartérias, levando ao aumento do fluxo sanguíneo; uma deficiência de insulina faz com que esses músculos se contraiam, reduzindo assim o fluxo.
• A insulina aumenta a secreção de ácido clorídrico pelas células parietais gástricas.
• A insulina estimula a captação de potássio pelas células que sintetizam glicogênio - uma substância altamente hidratada que aumenta o conteúdo de água intracelular e os íons K⁺ associados - dos fluidos extracelulares; a falta de insulina impede essa absorção. Este aumento na captação celular de potássio pela insulina reduz consequentemente as concentrações de potássio no plasma sanguíneo, potencialmente através da translocação da Na⁺/K⁺-ATPase mediada pela insulina para a superfície das células musculares esqueléticas.
• A insulina reduz a excreção renal de sódio.
• Nos hepatócitos, a ligação aguda à insulina ativa a proteína fosfatase 2A (PP2A), que desfosforila a enzima bifuncional frutose bifosfatase-2 (PFKB1), ativando assim o sítio ativo da fosfofrutoquinase-2 (PFK-2). O PFK-2 aumenta subsequentemente a produção de frutose 2,6-bifosfato, que ativa alostericamente o PFK-1, favorecendo a glicólise em vez da gliconeogênese. O aumento da glicólise leva ao aumento da formação de malonil-CoA, uma molécula que pode ser direcionada para a lipogênese e inibe alostericamente a carnitina palmitoiltransferase I (CPT1), uma enzima mitocondrial essencial para a translocação de ácidos graxos para o espaço intermembranar mitocondrial para o metabolismo.

A insulina também exerce influência sobre várias outras funções fisiológicas, incluindo complacência vascular e processos cognitivos. Ao entrar no cérebro humano, a insulina melhora a aprendizagem e a memória, com um benefício particular para a memória verbal. Além disso, o aumento da sinalização cerebral da insulina através da administração intranasal de insulina aumenta as respostas termorreguladoras e glicorregulatórias agudas à ingestão de alimentos, sugerindo que a insulina do sistema nervoso central coordena um amplo espectro de processos homeostáticos e regulatórios. A insulina também estimula a liberação do hormônio liberador de gonadotrofinas do hipotálamo, promovendo assim a fertilidade.

Classificação Anabólica vs. Repônica

Historicamente, a insulina tem sido amplamente categorizada como um hormônio anabólico devido ao seu papel na estimulação da síntese de moléculas complexas. No entanto, a literatura médica contemporânea propõe reclassificar a insulina especificamente como um hormônio repônico (derivado do latim repono, que significa "armazenar") para diferenciar com mais precisão sua função metabólica daquela dos hormônios anabólicos clássicos, como a testosterona ou o hormônio do crescimento. Embora os hormônios anabólicos clássicos conduzam processos que consomem muita energia para construir tecido magro metabolicamente ativo, o principal papel fisiológico de um hormônio repônico é conservar e armazenar energia sistêmica. A insulina consegue isso facilitando a captação celular de glicose e lipídios para armazenamento (lipogênese e glicogênese), ao mesmo tempo que inibe a quebra da energia armazenada (lipólise e glicogenólise). Os pesquisadores afirmam que esta distinção oferece uma estrutura mais clara para compreender por que a hiperinsulinemia é caracterizada exclusivamente por adiposidade central e síndrome metabólica, e não pelo crescimento de tecido magro.

Degradação

Depois que uma molécula de insulina se liga ao seu receptor e exerce seu efeito fisiológico, ela pode ser liberada de volta ao espaço extracelular ou sofrer degradação celular. O fígado e os rins constituem os principais órgãos responsáveis ​​pela depuração da insulina. A insulina é catabolizada pela proteína-dissulfeto redutase (glutationa), uma enzima que cliva as ligações dissulfeto que conectam as cadeias A e B. O fígado elimina principalmente a insulina durante sua passagem inicial, enquanto os rins são responsáveis ​​pela eliminação da maior parte da insulina que circula sistemicamente. Tipicamente, a degradação envolve a endocitose do complexo receptor de insulina, seguida subsequentemente pela acção da enzima degradadora da insulina. Estima-se que a insulina produzida endogenamente a partir de células beta seja degradada aproximadamente uma hora após sua liberação inicial na circulação, com uma meia-vida observada de cerca de 4–6 minutos.

Regulador do metabolismo endocanabinoide

A insulina funciona como um regulador significativo do metabolismo dos endocanabinóides (CE); foi demonstrado que a administração terapêutica de insulina diminui os níveis intracelulares de ECs, especificamente 2-araquidonoilglicerol (2-AG) e anandamida (AEA). Estas reduções correlacionam-se com alterações sensíveis à insulina na expressão de enzimas envolvidas no metabolismo da CE. Nos adipócitos resistentes à insulina, os padrões típicos de expressão enzimática induzida pela insulina são interrompidos, levando ao aumento da síntese de CE e à diminuição da degradação de CE. A pesquisa indica que os adipócitos resistentes à insulina são incapazes de regular adequadamente o metabolismo da CE e reduzir os níveis intracelulares de CE após a estimulação da insulina, resultando em concentrações elevadas de CE em indivíduos obesos e resistentes à insulina. Esta desregulação metabólica contribui para o acúmulo excessivo de gordura visceral, diminuição da secreção de adiponectina do tecido adiposo abdominal e o subsequente desenvolvimento de vários fatores de risco cardiometabólicos associados à obesidade e ao diabetes tipo 2.

Hipoglicemia

A hipoglicemia, comumente chamada de “baixo nível de açúcar no sangue”, ocorre quando os níveis de glicose no sangue caem abaixo da faixa fisiológica normal. Essa condição pode se manifestar com diversos sintomas, como coordenação prejudicada, dificuldades de fala, desorientação, perda de consciência, convulsões ou até mortalidade. Manifestações adicionais podem incluir sensações de fome, sudorese, tremores e astenia. O início desses sintomas é tipicamente rápido.

A etiologia predominante da hipoglicemia envolve agentes farmacológicos empregados no controle do diabetes, especificamente insulina e sulfonilureias. O risco é elevado em indivíduos diabéticos que reduziram a ingestão alimentar típica, aumentaram a atividade física ou consumiram álcool. Outros fatores que contribuem para a hipoglicemia incluem insuficiência renal, condições neoplásicas específicas como insulinoma, disfunção hepática, hipotireoidismo, jejum prolongado, distúrbios metabólicos hereditários, infecções graves, hipoglicemia reativa e vários agentes farmacêuticos, incluindo etanol. Além disso, bebês normoglicêmicos podem apresentar níveis baixos de açúcar no sangue se não forem alimentados por várias horas.

Doenças e Síndromes

Os distúrbios patológicos na função da insulina estão associados a diversas condições médicas:

• Diabetes é uma designação ampla que abrange todos os estados fisiológicos caracterizados por hiperglicemia. Esta condição se manifesta de várias formas, incluindo:
  • Diabetes tipo 1, que envolve a destruição autoimune das células β produtoras de insulina pancreáticas, levando a uma deficiência absoluta de insulina.
  • O diabetes tipo 2 é caracterizado pela produção insuficiente de insulina pelas células β, pela resistência à insulina ou por uma combinação de ambas, decorrente de etiologias que ainda não estão totalmente elucidadas.
    • Foram observadas correlações com padrões alimentares, estilos de vida sedentários, obesidade, idade avançada e síndrome metabólica. Relações causais foram estabelecidas em vários organismos modelo, como ratos e macacos. Notavelmente, o diabetes tipo 2 também pode afetar indivíduos não obesos devido a fatores dietéticos, hábitos sedentários e fatores de risco não identificados, embora a ligação causal precisa nestes casos possa exigir uma investigação mais aprofundada.
    • Afirma-se que uma predisposição genética contribui para o desenvolvimento do diabetes tipo 2 quando os indivíduos são expostos a condições ambientais específicas.
  • Outros tipos de tolerância diminuída à glicose.
• O insulinoma é um tumor originário das células beta pancreáticas, resultando na produção excessiva de insulina ou hipoglicemia reativa.
• A síndrome metabólica, inicialmente denominada "síndrome X" por Gerald Reaven, representa uma condição que permanece incompletamente compreendida. A sua etiologia é ambígua, havendo debate contínuo sobre se decorre de uma causa singular e tratável ou surge como consequência de alterações fisiológicas que predispõem os indivíduos à diabetes tipo 2. Os principais critérios diagnósticos incluem pressão arterial elevada, dislipidemia (definida como anormalidades nas frações de colesterol no sangue e outros lipídios circulantes) e aumento da circunferência da cintura, particularmente observado em populações de países desenvolvidos. Um mecanismo subjacente fundamental é potencialmente a resistência à insulina, um precursor da diabetes tipo 2, caracterizada por uma resposta reduzida à insulina em tecidos específicos, tais como músculo e tecido adiposo. O desenvolvimento de comorbidades associadas, incluindo hipertensão essencial, obesidade, diabetes tipo 2 e doenças cardiovasculares (DCV), é frequentemente observado.
• A síndrome dos ovários policísticos (SOP) é uma condição multifacetada que afeta as mulheres durante os anos reprodutivos, manifestando-se tipicamente com anovulação e excesso de andrógenos, muitas vezes evidente como hirsutismo. A resistência à insulina é uma característica prevalente em vários casos de SOP.

Aplicações Médicas

A insulina humana biossintética (rDNA da insulina humana, INN) destinada à aplicação clínica é produzida através da tecnologia de DNA recombinante. Esta forma biossintética apresenta pureza superior em comparação com a insulina extraída de fontes animais, com a sua pureza melhorada contribuindo para uma redução na formação de anticorpos. Além disso, os pesquisadores integraram com sucesso o gene da insulina humana nas plantas, especificamente no cártamo, estabelecendo um método de produção alternativo denominado "biofarming". Esta técnica inovadora foi projetada para reduzir as despesas de fabricação.

Atualmente, vários análogos da insulina humana estão acessíveis. Esses análogos, estruturalmente semelhantes à insulina humana, foram projetados para atender a requisitos específicos de controle glicêmico, oferecendo perfis de ação rápida (prandial) e de ação prolongada (basal). Humalog (insulina lispro) foi o análogo biossintético inaugural da insulina desenvolvido para aplicação clínica como insulina às refeições (prandial), demonstrando absorção subcutânea mais rápida e início de ação 15 minutos após a injeção em comparação com a insulina regular. Outros análogos de ação rápida, como NovoRapid e Apidra, apresentam perfis farmacocinéticos comparáveis. Sua rápida absorção é atribuída a sequências específicas de aminoácidos que inibem a formação de dímeros e hexâmeros, pois as formas monoméricas de insulina são absorvidas mais rapidamente. Ao contrário das insulinas humanas e animais, as formulações de ação rápida eliminam a necessidade de um intervalo de injeção antes das refeições. A segunda categoria compreende as insulinas de ação prolongada, sendo Lantus (insulina glargina) a primeira introduzida. Estes proporcionam um efeito terapêutico consistente durante um período prolongado, normalmente de 18 a 24 horas. Da mesma forma, Levemir, outro análogo prolongado da insulina, utiliza uma estratégia de acilação de ácidos graxos. A ligação de uma molécula de ácido mirístico a este análogo facilita sua associação com abundante albumina sérica, prolongando assim sua ação e mitigando o risco de hipoglicemia. Ambos os análogos prolongados são administrados uma vez ao dia e servem como insulina basal para indivíduos com diabetes tipo 1. Além disso, estão disponíveis formulações combinadas de insulinas de ação rápida e prolongada, permitindo aos pacientes atingir um perfil de insulina que emula mais de perto a secreção de insulina endógena. Além das aplicações terapêuticas, a insulina é empregada em várias linhagens celulares, incluindo CHO-s, HEK 293 e Sf9, para a produção de anticorpos monoclonais, vacinas virais e produtos de terapia genética.

A insulina é normalmente administrada por injeção subcutânea usando seringas descartáveis ​​com agulhas, uma bomba de insulina ou canetas de insulina reutilizáveis ​​equipadas com agulhas descartáveis. A insulina inalada também está disponível comercialmente no mercado dos Estados Unidos.

A agulha para caneta descartável Dispovan, fabricada pela HMD, foi lançada como a primeira agulha para caneta de insulina na Índia projetada para facilitar a autoadministração. Essas agulhas de caneta incorporam paredes extrafinas e uma ponta cônica multichanfrada, recursos destinados a aumentar o conforto do paciente, reduzindo a dor e otimizando a administração de medicamentos. A estratégia de distribuição do produto concentra-se em tornar as agulhas para canetas acessíveis e acessíveis nas regiões em desenvolvimento do país. Além disso, seu design universal garante compatibilidade com diversas canetas de insulina.

Ao contrário de vários agentes farmacêuticos, a insulina não pode ser administrada por via oral porque, semelhante à maioria das proteínas introduzidas no trato gastrointestinal, sofre degradação proteolítica em fragmentos inativos. Consequentemente, os esforços de investigação concentraram-se no desenvolvimento de métodos para proteger a insulina das enzimas digestivas, permitindo assim a administração oral ou sublingual.

Em 2021, a Organização Mundial de Saúde incorporou a insulina na sua lista modelo de medicamentos essenciais.

No Reino Unido, o Serviço Nacional de Saúde fornece insulina e todos os outros medicamentos necessários a indivíduos com diabetes gratuitamente.

Investigações históricas

Descoberta inicial

Em 1869, Paul Langerhans, um estudante de medicina em Berlim, observou aglomerados de tecidos anteriormente não identificados dispersos dentro da estrutura pancreática durante o exame microscópico. A função precisa desses “pequenos montes de células”, posteriormente designadas como ilhotas de Langerhans, foi inicialmente indeterminada. No entanto, Édouard Laguesse propôs mais tarde que estas estruturas poderiam gerar secreções cruciais para regular a digestão. Archibald Langerhans, filho de Paul, também contribuiu para elucidar esta função reguladora.

Em 1889, o médico Oskar Minkowski, colaborando com Joseph von Mering, extirpou o pâncreas de um canino saudável para investigar sua suposta função digestiva. O exame de urina subsequente revelou a presença de açúcar, estabelecendo assim a ligação inaugural entre o pâncreas e o diabetes. Um avanço significativo ocorreu em 1901, quando o médico e cientista americano Eugene Lindsay Opie localizou o papel do pâncreas nas ilhotas de Langerhans, afirmando: "Diabetes mellitus quando o resultado de uma lesão do pâncreas é causado pela destruição das ilhotas de Langerhans e ocorre apenas quando esses corpos são parcial ou totalmente destruídos". Durante as duas décadas subsequentes, os pesquisadores empreenderam vários esforços para isolar as secreções das ilhotas. Em 1906, George Ludwig Zuelzer obteve sucesso limitado no tratamento canino com extrato pancreático, embora não tenha conseguido sustentar sua pesquisa. De 1911 a 1912, E.L. Scott, da Universidade de Chicago, fez experiências com extratos pancreáticos aquosos, observando "uma ligeira diminuição da glicosúria"; no entanto, seu diretor não se convenceu do mérito da pesquisa, levando ao seu encerramento. Israel Kleiner demonstrou efeitos comparáveis ​​na Universidade Rockefeller em 1915, mas a Primeira Guerra Mundial interrompeu seus esforços, impedindo seu retorno ao projeto.

Em 1916, Nicolae Paulescu formulou um extrato pancreático aquoso que, após administração a um canino diabético, exibiu uma influência normalizadora nas concentrações de glicose no sangue. Seu trabalho experimental foi interrompido pela Primeira Guerra Mundial. Em 1921, ele escreveu quatro artigos detalhando sua pesquisa realizada em Bucareste e seus testes envolvendo um cão diabético. Posteriormente, no mesmo ano, publicou "Pesquisa sobre o papel do pâncreas na assimilação de alimentos".

O termo "insulina" foi introduzido por Edward Albert Sharpey-Schafer em 1916 para denotar uma molécula hipotética, teoricamente sintetizada pelas ilhotas pancreáticas de Langerhans (derivadas do latim insula, que significa ilhota ou ilha), responsável pela regulação do metabolismo da glicose. Sem o conhecimento de Sharpey-Schafer, Jean de Meyer já havia proposto o termo altamente semelhante "insulina" em 1909 para a molécula idêntica.

Extração e Purificação

Em outubro de 1920, o pesquisador canadense Frederick Banting levantou a hipótese de que as secreções digestivas previamente investigadas por Minkowski estavam degradando a secreção das ilhotas, impedindo assim uma extração bem-sucedida. Como cirurgião treinado, Banting entendeu que a ligadura do ducto pancreático induziria atrofia na maior parte do pâncreas, preservando as ilhotas de Langerhans. Ele postulou que um extrato comparativamente puro poderia ser obtido das ilhotas, uma vez que a maior parte do tecido pancreático tivesse degenerado. Ele gravou uma nota pessoal: "Ligue os ductos pancreáticos do cão. Mantenha os cães vivos até que os ácinos degenerem deixando as ilhotas. Tente isolar a secreção interna destes + aliviar a glicosuréia [sic]."

Na primavera de 1921, Banting viajou para Toronto para apresentar seu conceito a John Macleod, professor de Fisiologia na Universidade de Toronto. Macleod inicialmente expressou ceticismo, dada a falta de experiência de pesquisa de Banting e sua falta de familiaridade com a literatura contemporânea; no entanto, ele consentiu em fornecer instalações laboratoriais para Banting investigar suas hipóteses. Macleod também providenciou para que dois estudantes de graduação servissem como assistentes de laboratório de Banting durante o verão, embora Banting acabasse exigindo apenas um. Charles Best e Clark Noble decidiram por sorteio, com Best vencendo e iniciando a mudança inicial. Este resultado revelou-se desvantajoso para Noble, já que Banting manteve Best durante todo o verão e posteriormente dividiu metade do prêmio monetário do Prêmio Nobel e do reconhecimento pela descoberta com Best. Em 30 de julho de 1921, Banting e Best isolaram com sucesso um extrato, denominado "isletin", das ilhotas de um canino ligado ao ducto. Após a injeção em um cão diabético, este extrato reduziu os níveis de glicose no sangue em 40% em uma hora.

Após o retorno de Macleod a Toronto no outono de 1921, Banting e Best apresentaram suas descobertas; no entanto, Macleod identificou deficiências no desenho experimental e recomendou uma replicação dos experimentos utilizando um número maior de caninos e instrumentação aprimorada. Posteriormente, ele transferiu Banting e Best para um laboratório superior e começou a remunerar Banting com suas bolsas de pesquisa alocadas. Semanas depois, a fase experimental subsequente também se revelou bem-sucedida, levando Macleod a facilitar a publicação privada dos seus resultados em Toronto, durante o mês de novembro daquele ano. Confrontado com o laborioso processo de ligação dos ductos pancreáticos caninos e com várias semanas de extração de insulina, Banting concebeu a abordagem inovadora de isolar a insulina do pâncreas fetal de bezerros, que não possui glândulas digestivas desenvolvidas. Em dezembro, eles também obtiveram sucesso na extração de insulina de pâncreas bovinos maduros. Posteriormente, Macleod cessou todos os outros esforços de pesquisa em seu laboratório para dedicar esforços exclusivamente à purificação da insulina. Ele convidou o bioquímico James Collip para ajudá-lo nessa tarefa, e a equipe previu que os testes clínicos estariam prontos dentro de um mês.

Em 11 de janeiro de 1922, Leonard Thompson, um paciente diabético de 14 anos em estado crítico no Hospital Geral de Toronto, recebeu a primeira injeção de insulina. No entanto, a impureza significativa do extrato precipitou uma reação alérgica grave em Thompson, levando ao cancelamento das injeções subsequentes. Nos 12 dias seguintes, Collip trabalhou diligentemente para refinar o extrato pancreático bovino. Uma segunda administração ocorreu em 23 de janeiro, resolvendo efetivamente a glicosúria característica do diabetes sem induzir efeitos adversos discerníveis. Elizabeth Hughes, filha do secretário de Estado dos EUA, Charles Evans Hughes, tornou-se a primeira paciente americana. O paciente inicial tratado nos Estados Unidos foi James D. Havens, que mais tarde se tornou um proeminente artista de xilogravura; John Ralston Williams facilitou isso importando insulina de Toronto para Rochester, Nova York, para tratamento de Havens.

Banting e Best tiveram consistentemente dificuldades em colaborar com Collip, percebendo-o como uma presença intrusiva, o que levou à saída imediata de Collip do projeto. Ao longo da primavera de 1922, Best refinou com sucesso suas metodologias, permitindo a extração de quantidades substanciais de insulina conforme necessário, embora a preparação retivesse impurezas. A Eli Lilly and Company, uma empresa farmacêutica, estendeu uma oferta de assistência logo após as publicações iniciais em 1921, oferta que foi aceita em abril. Em novembro, George B. Walden, químico-chefe da Lilly, identificou a precipitação isoelétrica, permitindo assim a produção de volumes significativos de insulina altamente purificada. Posteriormente, a insulina tornou-se comercialmente disponível ao público.

Considerações sobre patentes

No final de janeiro de 1922, a escalada das tensões entre os quatro "co-descobridores" da insulina levou Collip a considerar brevemente a possibilidade de patentear de forma independente sua metodologia de purificação. Consequentemente, John G. FitzGerald, que dirigia a entidade não comercial de saúde pública Connaught Laboratories, interveio para mediar a disputa. O acordo subsequente, formalizado em 25 de janeiro de 1922, estipulou duas condições principais: 1) os colaboradores deveriam assinar um contrato que os impedisse de obter uma patente com qualquer empresa farmacêutica comercial durante um período inicial de colaboração com Connaught; e 2) quaisquer modificações na política de pesquisa necessitavam de consulta prévia entre FitzGerald e os quatro colaboradores. Este acordo serviu para mitigar divergências e alinhou a investigação com a missão de saúde pública de Connaught.

Inicialmente, Macleod e Banting expressaram reservas significativas sobre patentear o seu processo de produção de insulina, citando a ética médica. No entanto, persistiu a apreensão relativamente à possibilidade de um terceiro privado se apropriar e monopolizar a investigação (uma possibilidade sugerida pela Eli Lilly and Company) e ao desafio de garantir uma distribuição segura sem mecanismos adequados de controlo de qualidade. Em resposta, Edward Calvin Kendall forneceu conselhos cruciais. Kendall já havia isolado a tiroxina na Clínica Mayo em 1914, posteriormente patenteando o processo por meio de um acordo envolvendo ele mesmo, os irmãos Mayo e a Universidade de Minnesota, transferindo finalmente a patente para a universidade pública. Em 12 de abril, Banting, Best, Collip, Macleod e FitzGerald endereçaram coletivamente uma carta ao Presidente da Universidade de Toronto, propondo um acordo análogo para atribuir uma patente ao Conselho de Governadores da universidade. A correspondência sublinhava o seguinte:

O único propósito da patente seria impedir que outras entidades obtenham uma patente proprietária. Após a publicação da metodologia de preparação detalhada, qualquer indivíduo teria liberdade para produzir o extrato, mas nenhuma parte poderia estabelecer um monopólio lucrativo.

A transferência da patente da insulina para o Conselho de Governadores da Universidade de Toronto foi finalizada em 15 de janeiro de 1923, por uma taxa nominal de US$ 1,00. Este arranjo foi elogiado em O Trabalho Mundial em 1923 como “um passo à frente na ética médica”. Na década de 2010, atraiu um escrutínio significativo da mídia em relação aos cuidados de saúde e à acessibilidade farmacêutica.

Após as preocupações sobre os esforços da Eli Lilly para garantir patentes separadas para componentes específicos do processo de fabricação de insulina, Robert Defries, Diretor Assistente da Connaught e Chefe da Divisão de Insulina, instituiu uma política de pooling de patentes. Esta política exigia que todos os produtores compartilhassem abertamente quaisquer avanços no processo de fabricação, garantindo assim a acessibilidade contínua.

Análise e Síntese Estrutural

Inicialmente, a insulina purificada de origem animal constituía a única forma acessível tanto para pesquisa experimental quanto para uso terapêutico em pacientes diabéticos. John Jacob Abel alcançou a primeira cristalização da insulina em 1926. A natureza proteica da insulina foi inicialmente sugerida por Michael Somogyi, Edward A. Doisy e Philip A. Shaffer em 1924, e definitivamente confirmada em 1935, quando Hans Jensen e Earl A. Evans Jr.

Frederick Sanger elucidou pela primeira vez a sequência de aminoácidos da insulina em 1951. Simultaneamente, em meados da década de 1960, a insulina sintética inicial foi desenvolvida nos laboratórios de Panayotis Katsoyannis na Universidade de Pittsburgh e Helmut Zahn na RWTH Aachen University. Pesquisadores chineses sintetizaram com sucesso a insulina bovina cristalina em 1965. A estrutura tridimensional abrangente da insulina foi posteriormente resolvida através da cristalografia de raios X no laboratório de Dorothy Hodgkin em 1969.

Hans E. Weber identificou a pré-pró-insulina em 1974, enquanto trabalhava como pesquisador na Universidade da Califórnia, em Los Angeles. Durante 1973-1974, Weber adquiriu proficiência em técnicas de isolamento, purificação e tradução de RNA mensageiro. Para avançar na pesquisa sobre insulina, ele adquiriu tecidos pancreáticos, inicialmente de um matadouro de Los Angeles e posteriormente do rebanho animal da UCLA. Ele isolou e purificou com sucesso o RNA mensageiro total das células das ilhotas pancreáticas, que foi então traduzido em oócitos de Xenopus laevis e subsequentemente precipitado usando anticorpos anti-insulina. A análise da proteína total traduzida por eletroforese em gel de poliacrilamida-SDS e centrifugação em gradiente de sacarose revelou picos distintos correspondentes à insulina e à pró-insulina. Inesperadamente, Weber também isolou um terceiro pico, indicativo de uma molécula maior que a pró-insulina. A experimentação repetida mostrou consistentemente este pico proeminente precedendo a pró-insulina, levando-o a concluir que representava uma molécula precursora maior a montante da pró-insulina. Em maio de 1975, na reunião da American Diabetes Association em Nova York, Weber apresentou formalmente suas descobertas, tornando-se o primeiro a designar essa molécula precursora como "pré-pró-insulina". Após esta apresentação, Donald Steiner, pesquisador conhecido por suas contribuições à caracterização da pró-insulina, convidou Weber para discutir sua pesquisa. Em abril de 1976, um ano depois, Steiner caracterizou e sequenciou ainda mais esta molécula, reconhecendo explicitamente o trabalho pioneiro e a descoberta de Weber. A pré-pró-insulina posteriormente emergiu como uma molécula crucial para investigar os mecanismos de transcrição e tradução.

A primeira insulina humana sintética geneticamente modificada (recombinante) foi sintetizada em 1978 usando E. coli por Arthur Riggs e Keiichi Itakura no Beckman Research Institute da City of Hope, em colaboração com Herbert Boyer da Genentech. A Genentech, fundada por Swanson, Boyer e Eli Lilly and Company, posteriormente lançou a Humulin, a primeira insulina humana biossintética disponível comercialmente, em 1982. Atualmente, a forma predominante de insulina utilizada globalmente é a insulina humana recombinante biossintética ou seus análogos. Mais recentemente, uma estratégia recombinante inovadora foi empregada por uma equipe de pesquisa canadense, aproveitando uma planta de cártamo facilmente cultivada para produzir insulina significativamente mais acessível.

A insulina recombinante é sintetizada usando levedura, normalmente Saccharomyces cerevisiae, ou E. coli. Dentro da levedura, a insulina pode ser projetada como uma proteína de cadeia única incorporando um sítio de endoprotease KexII, que é um homólogo de levedura de PCI/PCII, projetado para clivar a cadeia A da insulina de uma cadeia B da insulina truncada no terminal C. Subsequentemente, uma cauda C-terminal sintetizada quimicamente, que inclui a treonina ausente, é ligada à molécula de insulina através de proteólise reversa, empregando a protease tripsina, de boa relação custo-benefício. Geralmente, o resíduo de lisina nesta cauda C-terminal é protegido com um grupo protetor químico para inibir a proteólise não intencional. A simplicidade da síntese modular e a segurança comparativa das modificações nesta região específica explicam a prevalência de análogos de insulina com alterações C-terminais, como lispro, aspártico e glulisina. Por outro lado, métodos como a síntese da Genentech e sínteses inteiramente químicas, exemplificadas pela abordagem de Bruce Merrifield, são menos favorecidos. Esta preferência decorre da baixa eficiência de recombinação das duas cadeias de insulina, em grande parte atribuível à precipitação competitiva da cadeia B da insulina.

Prêmios Nobel

Em 1923, o comitê do Prêmio Nobel reconheceu uma equipe da Universidade de Toronto pela extração prática de insulina, concedendo o Prêmio Nobel a Frederick Banting e John Macleod. Eles receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1923 pela descoberta da insulina. Banting, expressando indignação pela omissão de Best, posteriormente compartilhou seu prêmio com Best, enquanto Macleod prontamente compartilhou o seu com James Collip. Os direitos de patente da insulina foram posteriormente transferidos para a Universidade de Toronto por uma quantia nominal de um dólar.

Dois Prémios Nobel adicionais foram atribuídos à investigação relativa à insulina. Frederick Sanger, um biólogo molecular britânico, recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1958 por sua determinação da estrutura primária da insulina em 1955. Rosalyn Sussman Yalow recebeu o Prêmio Nobel de Medicina de 1977 por seu trabalho pioneiro no desenvolvimento do radioimunoensaio para insulina.

Vários outros Prêmios Nobel também exibem uma associação indireta com a insulina. George Minot, que co-recebeu o Prémio Nobel de 1934 por desenvolver o tratamento inicial eficaz para a anemia perniciosa, era ele próprio diabético. William Castle observou que a descoberta da insulina em 1921, ao sustentar a vida de Minot, facilitou consequentemente a descoberta de uma cura para a anemia perniciosa. Dorothy Hodgkin recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1964 por seus avanços na cristalografia, uma técnica que ela empregou posteriormente para elucidar a estrutura molecular completa da insulina em 1969.

Controvérsia

A pesquisa publicada por Banting, Best, Collip e Macleod detalhou a preparação de um extrato purificado de insulina considerado adequado para aplicação terapêutica em humanos. Embora Paulescu tivesse identificado os princípios fundamentais do tratamento, o seu extrato salino era inadequado para administração humana, levando à sua omissão do reconhecimento do Prêmio Nobel de 1923. Ian Murray fez campanha ativamente para retificar o que chamou de "o erro histórico" em relação a Nicolae Paulescu. Murray ocupou cargos como professor de fisiologia no Anderson College of Medicine em Glasgow, Escócia, chefe do Departamento de Doenças Metabólicas de um importante hospital de Glasgow, vice-presidente da Associação Britânica de Diabetes e membro fundador da Federação Internacional de Diabetes. Murray articulou:

Foi dado um reconhecimento insuficiente a Paulescu, o ilustre cientista romeno, que na altura em que a equipa de Toronto iniciava a sua investigação já tinha conseguido extrair a hormona antidiabética do pâncreas e provar a sua eficácia na redução da hiperglicemia em cães diabéticos.

Numa comunicação privada, Arne Tiselius, antigo chefe do Instituto Nobel, transmitiu a sua convicção pessoal de que Paulescu merecia igual reconhecimento pelo prémio de 1923.

Referências

• Coleção de bibliotecas da Universidade de Toronto: a descoberta e o desenvolvimento inicial da insulina, 1920–1925.
• Arquivos Digitais da CBC: Banting, Best, Macleod, Collip: A Busca de uma Cura para Diabetes.
• Animações que ilustram a ação fisiológica da insulina (arquivado em 9 de março de 2011).
• Dados estruturais abrangentes para UniProt: P01308 (Insulina) disponíveis via PDBe-KB.