Adaptasi Biokimia Mamalia yang Berhibernasi: Mengeksplor Tupai sebagai Model Perspektif Reversibel Resisten Insulin secara Alami

Adaptasi Biokimia Mamalia yang Berhibernasi:

Mengeksplor Tupai sebagai Model Perspektif

Reversibel Resisten Insulin secara Alami

Kelompok 11: Noor Nailis Sa’adah 12/340000/PBI/1078 Anggari Linda D. 12/340141/PBI/1085

PROGRAM STUDI BIOLOGI

PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS BIOLOGI UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA 2013

memasuki periode panjang torpor;

temperatur tubuh rendah, tetapi sesekali

kembali normal (hanya sebentar sekali).

perubahan kondisi fisiologis yang

dipengaruhi oleh perbedaan

temperatur musiman.

Hibernasi

Sebelum menghadapi hibernasi, tupai akan mengalami hyperphagia untuk meningkatkan cadangan lemak di

tubuhnya. Banyak lemak di tubuh memungkinkan tupai bertahan hidup selama musim hibernasi berat badan naik Saat cadangan lemak sudah mencukupi Tupai akan memulai masa hibernasi

Selama hibernasi, laju metabolisme dan respon fisiologis (seperti bernafas dan detak jantung) ditekan hingga level rendah

Selama hibernasi juga, tupai menjadi resisten terhadap induksi insulin.

Resisten terhadap induksi insulin dalam kondisi hyperinsulinemia inilah yang menyebabkan kondisi seperti obesitas pada tupai.

Kasus resisten induksi insulin pada tupai selama hibernasi, mirip pada kasus resisten induksi insulin

pada penderita DMT2.

Hanya saja, resisten induksi insulin pada DMT2 merupakan resisten induksi insulin non-revesibel; sedangkan pada hibernasi, resisten induksi insulin

bersifat reversibel.

Setelah hibernasi selesai, semuanya akan kembali normal.

Pada kondisi normal,

kenaikan glukosa

akan diseimbangkan

oleh adanya insulin.

Insulin akan mengubah

glukosa menjadi

glikogen.

Disregulasi pada proses metabolisme akan menyebabkan

gangguan pada homeostasis glukosa total tubuh, terjadinya

insensitivitas terhadap insulin, dan akhirnya terkena DMT2.

Pada tupai, level serum insulin mengalami kenaikan drastis

saat masa persiapan hibernasi dan akan terus naik sampai

pada bulan awal masa hibernasi, tetapi akan menurun

mendekati batas normal saat awal selesainya masa

Sistem Transpor Glukosa secara Normal

• Salah satu jaringan utama untuk transportasi glukosa darah  Otot rangka

• Protein transporter glukosa:

1. Transporter glukosa tipe 1 (GLUT-1)

2. GLUT tipe 4 (GLUT-4)  mengangkut ± 80% glukosa total dari aliran darah ke otot rangka.

• Setelah stimulasi insulin  GLUT-4 translokasi dari

intraseluler ke membran plasma  tempat penyerapan glukosa.

• Glukosa ditranspor ke myocyte  difosforilasi oleh hexokinase menjadi glukosa-6-fosfat  mengalami glikolisis atau disimpan dalam bentuk glikogen.

Functional glucose transport system, where transported glucose is either stored via glycogenesis, or broken down via glycolysis

Akt Signaling Pathway Regulation

 Insulin  berikatan dengan ligan reseptor di membran sel  inisiasi autofosforilasi dan aktivasi reseptor insulin  reseptor

menyebarluaskan respon biologis dengan mengaktifkan IRS melalui fosforilasi.

 Ada 12 isoform IRS berbeda

 IRS-I  binding site untuk subunit regulator phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K)

 Docking P13-K dengan IRS  mengaktifkan sisi katalitik P13-K  fosforilasi dan menghasilkan phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate (PIP3)  second messenger lipid yang dibutuhkan untuk aktivasi 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 (PDK1)

 PDK I  mengaktifkan Akt (protein kinase B)  sebuah

serin/treonin kinase yang terlibat dalam berbagai proses seluler, termasuk pertumbuhan&differensiasi sel, kelangsungan hidup sel dan metabolisme glukosa.

• Peran utama Akt  meningkatkan transportasi glukosa melalui interaksi dg GLUT-4 dan memfasilitasi glikogenesis.

Hibernasi:

 Phospho Akt ser473 _{di hati menurun 57 dan 77% selama tahap}

awal dan akhir hibernasi.

 Phospho Akt ser473 _{di otot rangka menurun 55%}

 Penurunan kadar Phospho Akt ser473  penurunan aktivitas

enzim Akt pada otot rangka dan hati.

 Tahap awal setelah hibernasi  level Phospho Akt ser473

meningkat 3,2 kali lipat  reaktivasi jalur sinyal insulin dan kembali tidak resisten terhadap insulin.

• Pada DMT2  terjadi penurunan fosforilasi Akt ser473 

menyebabkan penurunan aktivasi Akt dan penurunan aktivitas

Akt pada GSK 3-β  menurunkan laju transpor glukosa dan

mengganggu glikogenesis dengan mengakiftakan GSK-3

β.

Akt Signaling Pathway Regulation in T2DM and Hibernation

• Rattus norvegicus diabetes  penurunan ekspresi protein GLUT-4 dalam otot rangka  penurunan V_max dari aktivitas transporter glukosa dalam membran plasma.

• Penelitian lain  tingkat ekspresi GLUT-4 relatif sama dalam pasien diabetes dan non-diabetes menunjukkan bahwa

transportasi glukosa terganggu karena cacat dalam pengiriman GLUT-4 ke membran plasma.

Gangguan secara keseluruhan proses transpor glukosa menyebabkan hiperglikemia pada DMT2

T2DM glucose transport system, where insulin resistance inhibits the activation of PI3-K, and disrupts the signal transduction pathway that

facilitates the translocation of GLUT-4 transporter. Accumulation of glucose molecules leads to the onset of hyperglycemia.

Glucose Transport System in Hibernating Ground Squirrels

• Faktor transkripsi myocyte enhancer factor-2 (MEF-2) 

meningkat pada akhir hibernasi.

MEF-2

Mengatur pertumbuhan dan diferensiasi otot

Mengatur homeostasis glukosa otot dengan meningkatkan ekspresi GLUT-4 melalui interaksi

dengan promotor gen GLUT-4. • Aktivitas binding DNA MEF-2 menurun pada mice diabetes

kekurangan insulin  dapat dilakukan treatment insulin.

• Akhir hibernasi Ground Squirrels  MEF-2 dan aktivitas DNA

binding meningkat  berkorelasi dengan peningkatan ekspresi

• Regulasi transportasi glukosa selama hibernasi  mirip dengan mekanisme resistensi insulin reversibel.

• Pentingnya potensi MEF-2 dalam menyelamatkan kekurangan protein GLUT-4 pada pasien DMT2.

Regulasi PPAR-γ/PGC-1α pada MDT2 dan Hibernasi

• PPAR-γ  faktor transkripsi yang mengatur ekspresi gen yang

terlibat dalam diferensiasi adiposa.

• Aktivasi PPAR-γ  menginisiasi differensiasi sel-sel lemak yang sensitif terhadap insulin

• PGC-α  koaktivator PPAR-γ dan fungsi biologis lainnya (biogenesis mitokondria dan oksidasi asam lemak).

 Cacat pada PPAR-γ  ditemukan pada DMT2  gejala resistensi insulin yang parah  disfungsional metabolisme adiposa.

Disregulasi PGC-1α  penurunan ekspresi gen yang bertanggung jawab untuk β-oksidasi asam lemak.

Penurunan fosforilasi oksidatif dan

oksidasi asam lemak  termasuk

reduksi aktivitas NADH-O2

oxidoreductase, citrate synthase, and mitochondrial complex I

Disfungsi mitokondria

Gangguan

metabolisme DMT2

Akumulasi Fatty acy-Co, Diacylglycerol dan Ceramide Resistensi insulin melalui inaktivasi substrat IR-1

T2DM PPAR-γ/1α signaling. Downregulation/dysfunctional PPAR-γ and PGC-1α protein expression in T2DM results in the dysregulation of their respective

functions. These defects result in the downregulation of PPAR-γ/PGC-1α

downstream target genes, leading to the loss of mitochondrial oxidation capacities. The decrease in mitochondrial fatty acid oxidation results in the dysfunction of fatty

• Regulasi PPAR-γ/PGC-1α  berperan dalam kelangsungan hidup hibernasi.

• PPAR-γ ↑ pada jaringan adiposa coklat (BAT) selama ground

squirrels hibernasi.

Peningkatan ekspresi gen adipocyte fatty acid binding proteins (A-FABP) dan heart-type FABP (H-FABP)

 Hibernator  mempertahankan BAT ↑ agar tidak menggigil

 Peningkatan PPAR-γ  peningkatan translokasi lipid sbg bahan bakar metabolik mll A-FABP.

 Peningkatan PGC-1α  upregulasi gen yang terlibat dalam

biogenesis mitokondria trmsk NADPH-ubiquinone oxidoreductase chain 2 (ND-2) and cytochrome c oxidase I (cox I).

 Kenaikan ekspresi ND-2 dan gen COX I selama hibernasi  peningkatan kapasitas β-oksidasi lipid mitokondrial

Hibernation PPAR-γ/PGC-1α signaling. The reversible activation of lipid-based metabolism during hibernation is supported by an enhanced PPAR-c and PGC-1a protein expression.

Perbedaan Pengaturan Metabolisme Lipid pada

Hibernasi dan DMT2

• Hibernasi :

 Peningkatan adiposa  peningkatan katabolisme lipid 

peningkatan ekspresi gen yang berperan dalam katabolisme lipid.

 Sebagian besar proses metabolisme ditekan

 Metabolisme lemak sangat penting selama hibernasi • DMT2:

 Multiple defect metabolism

 Penurunan kapasitas oksidatif metabolisme lipid  disregulasi PPAR-γ/PGC-1α

 Peningkatan derivat asam lemak bebas yang terlibat dalam resistensi insulin

Diskusi

1. Pada Rattus norvegicus diabetes terjadi penurunan V_max dari aktivitas transporter glukosa, bagaimana maksudnya?

2. Transpor glukosa tersebut termasuk transpor aktif atau pasif? (Bapak Darussalam/1072)

Jawab :

1. Pada Rattus norvegicus diabetes terjadi penurunan ekspresi protein GLUT-4 dalam otot rangka. Protein GLUT tipe 4 (GLUT-4) merupakan protein transporter glukosa yang berfungsi untuk mengangkut ± 80% glukosa total dari aliran darah ke otot

rangka. Apabila terjadi penurunan jumlah protein GLUT-4, maka akan terjadi penurunan kecepatn (V_max) dari aktivitas transporter glukosa dalam membran plasma.

2. Dalam jurnal ini disebutkan bahwa transpor glukosa dapat terjadi apabila ada stimulan insulin.

 Insulin akan berikatan dengan ligan reseptor di membran sel sehingga menginisiasi autofosforilasi dan aktivasi reseptor insulin.

 Reseptor menyebarluaskan respon biologis dengan mengaktifkan IRS melalui fosforilasi. IRS-I merupakan binding site untuk subunit

regulator phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K).

 Docking P13-K dengan IRS akan mengaktifkan sisi katalitik P13-K dengan fosforilasi dan menghasilkan phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate (PIP3), yang merupakan second messenger lipid yang dibutuhkan untuk aktivasi 3-phosphoinositide-dependent protein

kinase-1 (PDK1). PDK I akan mengaktifkan Akt (protein kinase B).  Akt yang aktif akan menginisiasi translokasi GLUT-4 ke membran

sehingga bisa terjadi transpor glukosa.

 Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa proses signaling melibatkan fosforilasi sehingga transpor glukosa ini

membutuhkan energi berupa ATP dan termasuk transpor aktif. Selain itu, transpor glukosa dari aliran darah ke otot rangka harus difasilitasi oleh adanya protein GLUT-4.