Peptidové hormony: receptory, signalizace a biologické funkce

Peptidové hormony jsou chemičtí poslové složení z aminokyselinových řetězců. Specializované buňky je produkují, často zpracovávají z větších prekurzorových molekul, uvolňují v reakci na určité fyziologické signály a následně využívají ke koordinaci aktivity jiných buněk a tkání.

Jejich působení však nevyplývá ze samotného faktu, že jsou peptidy. Biologická odpověď závisí především na tom, zda daná buňka disponuje odpovídajícím receptorem a vnitrobuněčným signálním mechanizmem umožňujícím interpretovat přijatý signál.

Inzulín, glukagon, glukagonu podobný peptid-1 (GLP-1), vazopresin, parathormon (PTH), hormon uvolňující gonadotropiny (GnRH) a atriální natriuretický peptid (ANP) patří do této široké skupiny. Účastní se však ve velmi odlišných fyziologických systémech.

Pojem „peptidový hormon” tedy popisuje chemickou kategorii a způsob biologické komunikace, nikoli jeden společný účinek.

Například studie GLP-1 u lidí se týkaly komunikace mezi trávicím traktem a sekrecí inzulínu, zatímco studie vodních kanálů reagujících na vazopresin se zaměřovaly na regulaci vodního hospodářství ledvinami. Jedná se o odlišné fyziologické systémy využívající jiné receptory, cílové tkáně a mechanismy odpovědi. [1] [2]

Působení peptidového hormonu lze nejlépe pochopit, když sledujeme celý proces od začátku do konce:

syntéza prekurzoru → zpracování molekuly → skladování → uvolňování → rozpoznání receptorem → vnitrobuněčná signalizace → buněčná odpověď → zpětná vazba a ukončení signálu.

Každá z těchto fází může ovlivnit konečnou biologickou odpověď.

Tento přístup rovněž umožňuje vyhnout se závažnému nedorozumění. Detekce peptidu, pozorování jeho vazby na receptor, měření sekundárního posla a prokázání fyziologické odpovědi celého organismu představují různé úrovně důkazů. Úplná interpretace vyžaduje určení toho, která z těchto fází byla skutečně zkoumána.

Co jsou peptidové hormony?

Řetězec aminokyselin přenášející biologický signál

Peptidové hormony se skládají z aminokyselinových zbytků spojených peptidovými vazbami.

Některé jsou poměrně krátkými řetězci, zatímco jiné jsou mnohem většími molekulami a mohou být také označovány jako proteinové hormony.

V biologii endokrinního systému se tyto kategorie částečně překrývají. Terminologie týkající se peptidových hormonů zahrnuje signální molekuly tvořené aminokyselinami a nevyžaduje existenci jediné univerzální hranice délky řetězce oddělující všechny peptidy od všech bílkovin.

Slovo „hormon” popisuje především signální roli molekuly, nikoli výhradně její chemickou stavbu.

V klasickém endokrinním systému uvolňuje buňka nebo tkáň hormon do krevního oběhu, díky čemuž může působit na buňky na něj reagující nacházející se v jiných částech těla.

Biologická komunikace se však neomezuje výhradně na tento mechanismus. Související molekuly se mohou podílet také na lokální komunikaci mezi sousedními buňkami a na jiných formách buněčné signalizace.

Samotná chemická struktura proto nestačí k tomu, aby byl daný peptid považován za hormon.

Mnoho peptidů jsou mimo jiné:

• meziprodukty metabolismu;
• fragmenty větších bílkovin;
• strukturální složky;
• vnitrobuněčné regulační molekuly;
• produkty degradace bílkovin;
• molekuly plnící jiné funkce nesouvisející s hormonálním systémem.

K potvrzení hormonální úlohy výzkumníci obvykle potřebují důkazy spojující danou molekulu s její produkcí, regulovaným uvolňováním, cílovými buňkami a fyziologickým účinkem.

Časné studie GLP-1 u lidí takový přístup dobře ilustrují.

Vědci zjistili materiál související s GLP-1 ve střevě a pozorovali nárůst jeho koncentrace v krvi po perorálním podání glukózy nebo po jídle. V malém infuzním experimentu ovlivňovala určitá forma GLP-1 inzulínovou a glukózovou odpověď. [1]

Tyto poznatky společně podporovaly koncepci fyziologické signální role této molekuly.

Tato studie by však neměla být považována za důkaz potvrzující každý mechanismus, klinické použití nebo pozdější tvrzení týkající se biologie GLP-1.

Cílové buňky jsou určeny schopností odpovědět

Hormon může proudit kolem mnoha buněk, aniž by v každé z nich vyvolal stejnou odpověď.

Aby buňka mohla reagovat, musí mít obvykle odpovídající receptor a vnitrobuněčné molekulární mechanismy umožňující zpracovat signál vzniklý po jeho aktivaci.

Receptory rozpoznávají určité vlastnosti molekul.

Rozpoznávání může záviset mimo jiné na:

• aminokyselinové sekvence;
• prostorové struktury;
• rozmístění nákladu;
• chemických modifikací;
• konformace receptoru;
• dostupnosti vhodných vázacích ploch.

Samotný fakt, že je daná molekula peptidu, tedy neznamená, že může aktivovat receptor jiného peptidového hormonu.

Význam má také počet receptorů.

Buňka s velkým počtem funkčních receptorů může reagovat jinak než buňka, která jich má méně. Na odpověď může mít vliv také lokalizace receptorů, jejich modifikace, proteiny, které s nimi interagují, a dřívější stimulace.

Dokonce i dvě tkáně mající stejný receptor mohou reagovat odlišně, protože se liší vnitrobuněčným signálním aparátem.

Aktivace receptoru může mimo jiné ovlivňovat:

• aktivita enzymů;
• transport ionů;
• membránové kanály;
• pohyb bublin;
• vylučování;
• metabolismus;
• fosforylaci bílkovin;
• transkripci genů;
• kombinaci několika z těchto procesů.

Vazba na receptor je tedy začátkem vysvětlení mechanizmu účinku, nikoliv úplnou odpovědí na otázku biologického účinku.

Peptidové hormony se účastní mnoha různých systémů

Tyto příklady představují odlišné fyziologické funkce, nikoli společné výhody vyplývající z příslušnosti k pepdidové skupině.

Výzkum aktivity kinázy insulínového receptoru, fyziologie GLP-1, akvaporinu-2 v moči, vápníkové-PTH odpovědi, pulzního rytmu GnRH a ANP receptorů analyzuje různé prvky odlišných hormonálních systémů. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Z tohoto důvodu by se výsledky týkající se jednoho peptidového hormonu neměly automaticky přenášet na jiný jen proto, že obě molekuly patří do stejné široké chemické kategorie.

Jak vznikají a jsou uvolňovány peptidové hormony?

Mnoho hormonů začíná jako větší prekurzorové molekuly

Mnoho peptidových hormonů je primárně syntetizováno jako větší molekuly nazývané preprohormony.

Předpona „pre-” obvykle označuje signální sekvenci, která pomáhá směřovat nově vznikající molekulu do buněčné sekreční dráhy.

Po odstranění této sekvence se zbývající prekurzor obvykle označuje jako prohormon.

Další zpracování může vést ke vzniku zralého hormonu a v některých případech několika biologicky významných produktů.

V klasické regulované sekretční dráze se vzniklý prekurzor dostává do endoplazmatického retikula, poté prochází Golgiho aparátem a je směřován do příslušných sekretčních oddílů.

V závislosti na molekule mohou další kroky zahrnovat:

• vrásnění;
• tvorba disulfidických můstků;
• enzymatické štěpení;
• modifikace konců řetězce;
• další chemické modifikace;
• řazení;
• balení do sekrečních granulačních těl.

Tyto procesy neprobíhají u každého peptidového hormonu identicky.

Jeden prekurzor může obsahovat několik potenciálních peptidových produktů a různé typy buněk mohou stejný prekurzor zpracovávat odlišným způsobem.

Aminokyselinová sekvence kódovaná genem tak nemusí přímo odpovídat jednomu zralému hormonu přítomnému v oběhu.

Zpracování prekursoru ovlivňuje, jaký hormon vznikne

Proglukagon je obzvláště dobrým příkladem, protože tkáň slinivky a střeva může z téhož prekurzoru produkovat různé molekulární produkty.

Při výzkumu lidských tkání byly využity imunochemické a chromatografické metody k identifikaci různých vzorців molekul příbuzných glukagonu ve slinivce břišní a tenkém střevě. [7]

V pozdějších buněčných experimentech byl analyzován podíl enzymů zpracovávajících PC2 a PC3, přičemž PC3 je často označována také jako PC1/3.

Výsledky ukázaly, že enzymatické prostředí silně ovlivňovalo, zda zpracování připomínalo vzorec charakteristický pro slinivku nebo střevo. Studie rovněž odhalila omezení při reprodukci všech fází štěpení pomocí izolovaného enzymatického systému. [8]

Obecné pravidlo je důležité:

Sekvence prekurzoru určuje možné produkty, zatímco zpracovatelské mechanismy přítomné v dané buňce pomáhají určit, které molekulární formy skutečně vzniknou.

Má to význam také pro laboratorní měření.

Test detekující několik forem spojených s jedním prekursorem může dávat jiné výsledky než metoda navržená speciálně pro detekci jednoho zralého hormonu.

Uváděnou koncentraci je proto nutno interpretovat společně s informací o tom, jaké konkrétní molekulární formy použitá analytická metoda detekuje.

Sekreční granula umožňují kontrolované uvolňování

Mnoho endokrinních buněk uchovává zpracované peptidové hormony v sekretorických granulech.

Po objevení vhodného podnětu vedou regulované buněčné mechanizmy ke splynutí granuls s buněčnou membránou.

Jejich obsah je pak uvolněn ven z buňky exocytózou.

Ukládání umožňuje rychlé zvýšení sekrece bez nutnosti zahajovat syntézu každé uvolňované molekuly od začátku přesně v okamžiku, kdy se objeví podnět.

To však neznamená, že všechny zrnitosti jsou stejně snadno dostupné pro okamžité uvolnění.

Buňky mohou obsahovat funkčně odlišné zásoby granulí a dlouhodobá sekrece vyžaduje další produkci, zpracování a doplňování zásob.

Uvolňování hormonu je tedy aktivně kontrolovaným buněčným procesem, nikoli pasivním únikem celého obsahu buňky.

Výzkum lidských ostruvků a beta buněk ukázal, že snížení množství exocytotického proteinu Munc18c narušovalo sekreci insuliny a měnilo její uvolňování z různých zásobních poolů. [9]

Tyto výsledky přímo podporují roli specializovaných mechanismů fúze membrán.

Nepředstavují však úplné vysvětlení všech molekulárních procesů regulujících sekreci insulinu.

Různé hormonální systémy reagují na různé podněty

Jednotlivé endokrinní buňky reagují na různé fyziologické signály.

Mohou mezi ně patřit:

• koncentrace živin;
• elektrická aktivita;
• neurotransmitery;
• další hormony;
• ionty obecné mimo buňku;
• osmotické podmínky;
• mechanické změny;
• kombinace různých regulačních podnětů.

Vnitrobuněčný vápník se často účastní fúze sekretorních vesikul, ale procesy vedoucí ke vzniku vápníkového signálu se mezi typy buněk liší.

V beta buňkách slinivky břišní je metabolismus glukózy úzce spojen například s elektrickou aktivitou, přílivem vápníku a uvolňováním granul obsahujících inzulín.

Naproti tomu hypotalamické neuroendokrinní buňky fungují v komplexních sítích nervových, hormonálních a fyziologických signálů.

Nebylo by proto správné prezentovat jednu podrobnou dráhu sekrece jako univerzální mechanismus pro všechny peptidové hormony.

Z experimentálního hlediska je také důležité rozlišovat mezi syntézou hormonu a jeho sekrecí.

Studie neuronů potkanů produkujících hormon uvolňující kortikotropin ukázala, že aktivace genu a odpovědi spojené se sekrecí měly při přetrvávajícím stresu odlišné prahové hodnoty reakce. [10]

Zvýšené uvolňování hormonu tak nemusí znamenat, že transkripce genu kódujícího jeho prekurzor se mění ve stejném rozsahu a přesně ve stejnou dobu.

Čas a rytmus vylučování mohou přenášet informace

Vystavení hormonu není popsáno výhradně jeho průměrnou koncentrací.

Časový vzor může zahrnovat:

• samostatné impulsy;
• změny frekvence impulsů;
• změny amplitudy impulsů;
• trvající zvýšení koncentrace;
• cirkadiánní rytmus;
• odpovědi související s jídlem, spánkem, stresem nebo jinými fyziologickými událostmi.

Různé časové vzorce mohou vést k odlišným buněčným odpovědím.

Pokusy provedené na samcích potkanů s nedostatkem GnRH ukázaly, že různé frekvence pulzů GnRH vyvolávaly odlišné vzorce transkripce podjednotek gonadotropinů. Odpověď zahrnovala jak přímou signalizaci GnRH, tak změny v lokálních regulačních mechanismech hypofýzy. [5]

Tyto výzkumy pomáhají objasnit, proč časování a rytmus hormonálního signálu mohou přenášet biologickou informaci.

Výsledky takových pokusů na zvířatech by však neměly být přenášeny do schémat podávání látek lidem.

Koncentrace hormonu naměřená v krvi je tedy pouze obrazem dynamicky se měnícího systému v určitém okamžiku.

Výklad může záviset na:

• času odběru vzorku;
• pulzačního charakteru sekrece;
• mířené molekulární formy;
• nedávných fyziologických událostí;
• rychlostech eliminace;
• specifičnosti použitého testu.

Receptory a buněčná signalizace

Co se stane, když peptidový hormon dorazí do cílové buňky?

Většina peptidových hormonů zahajuje své působení vazbou na receptory nacházející se na povrchu buňky nebo s ní přímo spojené.

Navázání hormonu na receptor mění jeho aktivitu nebo konformaci, což umožňuje přenos informace dovnitř buňky.

Signál tak prochází membránou díky receptorovému systému.

Peptidový hormon obvykle nemusí sám pronikat lipidovou buněčnou membránou a volně vstupovat do cytoplazmy, aby zahájil přenos signálu.

To umožňuje pochopit, jak může relativně dobře ve vodním prostředí rozpustná extracelulární molekula ovlivňovat procesy probíhající uvnitř buňky.

Další průběh závisí na typu receptoru.

Receptory peptidových hormonů patří do několika mechanisticky odlišných tříd.

Některé přenášejí signál prostřednictvím:

• heterotrimerních G-proteinů;
• enzymů vázaných na receptor;
• vlastní kinázové aktivity;
• aktivity guanylátcyklázy;
• jiných signálních proteinů.

Obecné schéma:

hormon → receptor → vnitrobuněčný signál → buněčná odpověď

Je velmi užitečný.

Neexistuje však jediná společná vnitrobuněčná dráha charakteristická pro všechny peptidové hormony.

Receptory spřežené s G-proteinem a druhotní poslíčci

Mnoho peptidových hormonů přenáší signály prostřednictvím G-protein spřažených receptorů, neboli GPCR.

Jedná se o membránové proteiny komunikující s vnitrobuněčnými G-proteiny, které mohou ovlivňovat enzymy, iontové kanály a systémy druhých poslů.

Jedním z důležitých sekundárních poslů je cyklický AMP (cAMP).

V typické dráze cAMP ovlivňuje aktivace receptoru adenylátcyklázu, což je enzym zodpovědný za produkci cAMP.

Změny koncentrace cAMP mohou následně ovlivňovat aktivitu dalších signálních proteinů.

Jiné receptory GPCR mohou využívat odlišné mechanizmy.

Důležité je, že ne každý receptor GPCR zvyšuje koncentraci cAMP.

Některé kombinace receptorů a G-proteinů mohou snižovat jeho produkci, zatímco jiné regulují především dráhy spojené s vápníkem nebo jinými vnitrobuněčnými procesy.

Tvrzení, že hormon „využívá druhého posla”, tedy popisuje obecnou signální strategii, nikoliv jeden univerzální molekulární mechanizmus.

V časné studii provedené na potočí linii buněk pankreatických ostrůvků bylo zjištěno, že zpracovaná forma GLP-1 zvyšuje cAMP, hladinu mRNA související s inzulinem a uvolňování inzulinu. [11]

Tento experiment propojil mimobuněčný peptidový signál s biochemickými změnami a genovou expresí uvnitř buňky.

Závěry však zůstávají platné pro použitý model a experimentální podmínky.

Vápníková signalizace a zesílení signálu

Další častá dráha GPCR zahrnuje fosfolipázu C.

Její aktivace může vést ke vzniku vnitrobuněčných poslů, jako je inozitoltrifosfát (IP3) a diacylglycerol (DAG).

IP3 může podporovat uvolňování vápníku z vnitrobuněčných zásob, zatímco DAG se může podílet na aktivaci proteinkinázy C.

Tyto procesy pomáhají přeměnit aktivaci receptoru na změnu aktivity buňky.

Nejedná se však o dráhu, kterou by využíval každý receptor peptidového hormonu.

Signálové kaskády mohou signál také zesilovat.

Jeden aktivovaný receptor může působit na mnoho molekul dále v dráze a jeden aktivovaný enzym může produkovat mnoho molekul sekundárního posla.

To pomáhá vysvětlit, proč relativně malý mimobuněčný signál může někdy vyvolat významnou buněčnou odpověď.

Zesílení signálu však není neomezené.

Jej sílu a dobu trvání ovlivňují mimo jiné:

• počet receptorů;
• dostupnost enzymů;
• dostupnost substrátů;
• mechanizmy zpětné vazby;
• fosfatázy;
• degradace sekundárních poslů;
• desenzibilizace receptorů;
• funkční schopnosti cílové buňky.

Sekundární posel je tedy prvkem mezilehlé dráhy, nikoli konečným fyziologickým efektem.

Význam mají jeho druh, koncentrace, lokalizace a doba působení, stejně jako schopnost buňky tento signál převést na konkrétní odpověď.

Inzulínový receptor funguje jinak

Inzulínový receptor je receptorová tyrosinkináza.

Jeho počáteční signální mechanismus se tedy zásadně liší od klasického mechanismu GPCR.

Navázání inzulínu vede k aktivaci vnitrobuněčné kinázové části receptoru.

Aktivovaný receptor fosforyluje určitá místa v bílkovinách a spouští další signální dráhy.

Biochemické výzkumy využívající očištěné inzulinové receptory spojily tyrosinovou autofosforylaci se zvýšením kinázové aktivity. [3]

Tyto experimenty umožnily určit důležité vlastnosti receptoru.

Očištěný receptor však nereprodukuje všechny procesy probíhající v celých buňkách svalů, jater, tukové tkáně nebo jiných tkání reagujících na inzulín.

Nejdůležitější závěr je jednoduchý:

Peptidové hormony mohou aktivovat různé třídy receptorů.

Inzulín je důležitým příkladem ukazujícím, proč by se signalizace peptidových hormonů neměla shrnovat tvrzením:

„peptidový hormon se váže na GPCR a zvyšuje cAMP.

Tento mechanismus se týká některých systémů, ale nikoli celé skupiny.

Receptory natriuretických peptidů mohou produkovat cGMP

ANP představuje příklad dalšího receptorového mechanismu.

Jeho receptor guanylylcyklázy A je spojen s tvorbou cyklického GMP (cGMP).

cGMP a cAMP jsou cyklické nukleotidy, ale nejsou to stejné molekuly a vznikají za účasti jiných enzymových systémů.

Mutagenní experimenty s receptory natriuretických peptidů ukázaly, že regulační oblast podobná kináze hraje zásadní roli při řízení aktivity receptoru. Změny v této oblasti mohly vést ke ztrátě správné regulace nebo k aktivitě probíhající bez typické hormonální stimulace. [6]

V tomto případě je důležitá přesná terminologie.

Přítomnost domény podobné kináze neznamená, že receptor funguje prostřednictvím stejného mechanismu tyrosinkinázy jako inzulinový receptor.

Je třeba zohlednit receptorovou architekturu, její katalytickou aktivitu a typ měřeného biochemického produktu.

Vazba na povrch neznamená, že tam receptor vždy zůstává

Aktivované receptory mohou podléhat endocytóze, což znamená, že se přemísťují z buněčné membrány do vnitřních oddílů obklopených membránou.

Tento proces se liší od volného průniku peptidového hormonu lipidovou membranou do cytoplazmy.

V pozměněných lidských ledvinových buňkách sledovali výzkumníci přesun receptorů ANP do vnitrobuněčných oddílů při současném přetrvávání produkce cGMP. [12]

Tato pozorování ukazují, že transport receptoru a signalizace mohou probíhat současně.

Nedožadují se však důkazy, že každý receptor po internalizaci signalizuje identickým způsobem, ani že veškerý naměřený cGMP vznikl v jednom specifickém buněčném oddílu.

Tvrzení, že peptidové hormony obvykle zahajují signalizaci prostřednictvím povrchových receptorů, je tedy užitečným zevšeobecněním.

Tvrzení, že peptidové hormony a jejich receptory se nikdy nemohרí nacházet v intracelulárních kompartmentech, by však bylo příliš kategorické.

Buněčná odpověď může být rychlá, opožděná nebo může zahrnovat obě fáze

Receptorová signalizace může měnit aktivitu bílkovin, které jsou již v buňce přítomny.

Takové mechanismy mohou vést k relativně rychlým odpovědím.

Signální dráhy mohou také ovlivňovat transkripci a proteosyntézu, což vede k efektům rozvíjejícím se v delším časovém horizontu.

Oba mechanismy mohou probíhat současně.

Týž signální systém může způsobit rychlé biochemické změny a pozdější transkripční změny.

Ve studii GLP-1 na buňkách byly měřeny jak změny související se signalizací, tak exprese genu pro insulinu, což ukazuje, proč by signalizace začínající na povrchu buňky neměla být považována za neschopnou ovlivňovat procesy probíhající v jádře. [11]

Zvýšení koncentrace sekundárního posla však představuje pouze jednu úroveň důkazů.

Pro zjištění plného fyziologického účinku je nutné, v závislosti na výzkumné otázce, propojit následující úrovně:

aktywacja receptora → sygnalizacja wewnątrzkomórkowa → zachowanie komórki → odpowiedź tkanki → fizjologia całego organizmu.

Hormony peptydowe a hormony steroidowe

Inne podstawy chemiczne

Hormony peptydowe są zbudowane z łańcuchów aminokwasowych.

Hormony steroidowe powstają z cholesterolu i posiadają charakterystyczny układ pierścieni steroidowych.

Różnice chemiczne wpływają na sposób syntezy, magazynowania, transportu, rozpoznawania i przekazywania sygnału przez obie grupy hormonów.

Hormony peptydowe zazwyczaj dobrze funkcjonują w środowisku wodnym, ale na ogół nie przechodzą przez hydrofobowe wnętrze błony komórkowej poprzez prostą dyfuzję.

Hormony steroidowe są bardziej zgodne ze środowiskiem lipidowym i mogą docierać do wewnątrzkomórkowych układów receptorowych.

Wiele hormonów steroidowych krąży częściowo związanych z białkami transportowymi.

Właściwości transportowe hormonów peptydowych różnią się pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami.

Są to ogólne wzorce fizjologiczne, a nie bezwzględne zasady dla każdego przedstawiciela obu kategorii.

Modyfikacje molekularne, białka wiążące, rodzaj receptora oraz kontekst tkankowy mogą zmieniać szczegóły.

Klasyczne porównanie receptorów

Klasyczne porównanie jest przydatne w nauce biologii hormonalnej.

Nie należy jednak przedstawiać obu kategorii jako całkowicie oddzielnych światów sygnalizacyjnych.

W publikacji omawiającej sygnalizację peptydową i steroidową opisano dowody na szybkie działanie steroidów, które nie wymaga nowej syntezy białek. [13]

Źródło to jest przeglądem opartym między innymi na dyskusjach naukowych, a nie pojedynczym eksperymentem potwierdzającym jeden uniwersalny mechanizm dla wszystkich hormonów steroidowych.

Dlaczego stwierdzenie „peptydy działają szybko, a steroidy wolno” jest zbyt proste?

Niektóre odpowiedzi na hormony peptydowe pojawiają się szybko, ponieważ szlaki sygnałowe modyfikują białka już obecne w komórce.

Sygnalizacja peptydowa może jednak również wpływać na transkrypcję i syntezę nowych białek, powodując odpowiedzi rozwijające się wolniej.

Z drugiej strony hormony steroidowe nie ograniczają się wyłącznie do powolnych efektów zależnych od transkrypcji.

Bardziej użyteczne naukowo pytania brzmią:

• Jaki hormon jest analizowany?
• Jaki receptor zostaje aktywowany?
• Jaki szlak wewnątrzkomórkowy jest następnie uruchamiany?
• Jaki efekt biologiczny jest mierzony?
• Po jakim czasie od stymulacji wykonano pomiar?

Porównywanie wczesnej odpowiedzi wtórnego przekaźnika z późniejszą odpowiedzią transkrypcyjną bez określenia mierzonego efektu może prowadzić do mylącego podziału na hormony „szybkie” i „wolne”. [11] [13]

Obie klasy hormonów mogą wzajemnie się regulować

Hormony peptydowe i steroidowe często uczestniczą w tych samych sieciach endokrynnych.

Dobrym przykładem jest oś odpowiedzi na stres.

Sygnały peptydowe z podwzgórza i przysadki uczestniczą w regulacji produkcji steroidów przez nadnercza, natomiast glikokortykosteroidy uczestniczą w sprzężeniu zwrotnym działającym na wcześniejsze elementy tego układu.

Sprzężenia zwrotnego nie należy jednak wyobrażać sobie jako natychmiastowego przełącznika „włącz–wyłącz”.

Badanie neuronów CRH u szczurów wykazało, że wydzielanie, aktywacja genów oraz sprzężenie zwrotne zależne od glikokortykosteroidów zależały od rodzaju bodźca i momentu wykonywania pomiaru. [10]

Wspiera to bardziej szczegółowy model regulacji hormonalnej, w którym poszczególne elementy układu mogą reagować w różnych skalach czasowych.

Sprzężenie zwrotne i zakończenie sygnału

Ujemne sprzężenie zwrotne pomaga stabilizować parametry fizjologiczne

Ujemne sprzężenie zwrotne występuje wtedy, gdy konsekwencje odpowiedzi fizjologicznej zmniejszają bodziec prowadzący do dalszej sygnalizacji.

Regulowany parametr może obejmować między innymi:

• dostępność składników odżywczych;
• stężenie jonów;
• gospodarkę wodną;
• objętość krwi;
• aktywność narządu endokrynnego;
• inny parametr fizjologiczny.

Dobrym przykładem jest układ wapń–PTH.

Niższe stężenie wapnia pozakomórkowego zazwyczaj sprzyja wydzielaniu PTH, natomiast jego wzrost może to wydzielanie hamować.

W badaniu przeprowadzonym z udziałem zdrowych młodych mężczyzn zaobserwowano zmniejszenie stężenia PTH we krwi po zastosowaniu bodźca wapniowego. [4]

Pokazuje to zależność fizjologiczną występującą w warunkach tego badania.

Nie stanowi jednak podstawy do zaleceń dotyczących suplementacji ani nie pozwala przewidzieć każdej odpowiedzi występującej w chorobie.

Sprzężenie zwrotne może działać na wielu poziomach, między innymi poprzez:

• wydzielanie hormonu;
• produkcję prekursora;
• transkripci genů;
• wrażliwość receptorów;
• dalsze etapy sygnalizacji;
• oddziaływania pomiędzy tkankami endokrynnymi.

Może ono również działać z pewnym opóźnieniem.

Dlatego krótkotrwałej odpowiedzi i długotrwałej adaptacji nie należy automatycznie traktować jako tego samego procesu.

Degradacja hormonów ogranicza czas ekspozycji

Hormony peptydowe mogą być rozszczepiane przez enzymy, co zmienia ich strukturę molekularną i aktywność biologiczną.

W zależności od konkretnej cząsteczki w jej usuwaniu mogą uczestniczyć również wychwyt przez tkanki, nerki, wątroba i inne procesy eliminacyjne.

Badania GLP-1 wykazały, że w ludzkim osoczu powstawał metabolit skrócony na N-końcu i wskazały na udział dipeptydylopeptydazy IV (DPP-IV) w tej reakcji. Badacze rozróżniali również nienaruszony peptyd od jego metabolitów w próbkach pobranych od ludzi. [14]

Rozróżnienie to jest ważne, ponieważ zanikanie nienaruszonego hormonu i pojawianie się powiązanych fragmentów peptydowych nie są tym samym pomiarem.

Podobnie stabilności peptydu zmierzonej w izolowanym eksperymencie z osoczem nie należy automatycznie utożsamiać z jego pełnym czasem działania w żywym organizmie.

Na obserwowany przebieg czasowy mogą wpływać wydzielanie, dystrybucja, przepływ krwi, wychwyt przez tkanki, rozszczepianie enzymatyczne i eliminacja.

Komórka również wyłącza własną odpowiedź

Zakończenie sygnału nie zależy wyłącznie od usunięcia hormonu z krążenia.

Komórki posiadają wiele mechanizmów zmniejszających sygnalizację wewnątrzkomórkową.

Například:

• białka G mogą powracać do stanu nieaktywnego;
• cykliczne nukleotydy mogą być degradowane;
• fosfatazy białkowe mogą usuwać grupy fosforanowe;
• stężenie i rozmieszczenie wapnia wewnątrzkomórkowego może wracać w kierunku wartości spoczynkowych;
• białka sygnałowe mogą być hamowane;
• receptory mogą ulegać desensytyzacji;
• receptory mogą być przemieszczane do innych przedziałów komórkowych.

Mechanizmy te zapewniają wiele punktów kontrolnych.

Hormon może nadal być obecny, podczas gdy komórka staje się mniej wrażliwa na jego działanie.

Z drugiej strony niektóre konsekwencje wewnątrzkomórkowe mogą utrzymywać się przez pewien czas po zmniejszeniu stężenia hormonu poza komórką.

Pomiar tylko jednego elementu szlaku nie pozwala więc określić stanu całej sieci sygnalizacyjnej.

Desensytyzacja zmienia wrażliwość receptora

Desensytyzacja oznacza zmniejszenie odpowiedzi układu podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji.

W zależności od rodzaju receptora mechanizmy mogą obejmować:

• fosforylację receptora;
• defosforylację;
• zmianę sprzężenia z partnerami sygnalizacyjnymi;
• internalizację receptora;
• zmianę liczby receptorów;
• zmiany białek uczestniczących w dalszych etapach sygnalizacji.

W badaniu receptora cyklazy guanylanowej A dla ANP opisano złożony wzorzec fosforylacji i defosforylacji związany ze zmniejszeniem odpowiedzi. [15]

Wyniki nie potwierdzały prostego modelu, w którym każda fosforylacja aktywuje receptor, a każda defosforylacja go wyłącza.

Internalizacji receptora również nie należy automatycznie utożsamiać z całkowitym zakończeniem sygnału.

Konsekwencje zależą od rodzaju receptora, jego miejsca docelowego wewnątrz komórki, możliwości ponownego wykorzystania, degradacji oraz tego, czy sygnalizacja może być kontynuowana z przedziałów wewnątrzkomórkowych.

Co pokazuje pomiar hormonu, a czego nie pokazuje?

Zmierzona wartość stężenia hormonu może być wynikiem kilku procesów zachodzących jednocześnie:

produkcja + przetwarzanie + wydzielanie + dystrybucja − degradacja − wychwyt − eliminacja.

Metoda analityczna może również wykrywać:

• nienaruszony hormon;
• cząsteczki prekursorowe;
• metabolity;
• fragmenty powstałe w wyniku rozszczepienia;
• kilka powiązanych form molekularnych.

To, które formy zostaną wykryte, zależy od konstrukcji testu.

W badaniu degradacji GLP-1 problem ten analizowano poprzez połączenie rozdziału chromatograficznego z testami immunologicznymi i identyfikacją strukturalną metabolitu. [14]

Rozróżnienie było istotne, ponieważ wynik reprezentujący całkowitą immunoreaktywność nie musiał odpowiadać pomiarowi wyłącznie nienaruszonego, biologicznie istotnego peptydu.

Stężenie hormonu, wiązanie z receptorem, wytwarzanie wtórnego przekaźnika, ekspresja genów i funkcja fizjologiczna są więc oddzielnymi rodzajami pomiarów.

Połączenie tych poziomów pozwala stworzyć znacznie silniejsze wyjaśnienie mechanistyczne niż traktowanie jednego wyniku jako reprezentacji całego układu hormonalnego.

Často kladené otázky

1. Czy hormony peptydowe wnikają do komórek?

Większość hormonów peptydowych rozpoczyna sygnalizację poprzez związanie z receptorami znajdującymi się na powierzchni komórki, zamiast swobodnie przenikać przez błonę komórkową do cytoplazmy. Późniejsza internalizacja związana z receptorem może jednak prowadzić do przeniesienia kompleksów hormon–receptor lub powiązanych układów receptorowych do otoczonych błoną przedziałów wewnątrzkomórkowych. W badaniach receptora ANP obserwowano przemieszczanie receptora przy jednoczesnym utrzymywaniu się produkcji cGMP w określonym modelu komórkowym. Nie oznacza to swobodnego przenikania hormonu przez błonę ani nie dowodzi, że każdy hormon peptydowy wykorzystuje ten sam mechanizm. Początkowe rozpoznanie na powierzchni komórki i późniejsza internalizacja związana z receptorem są odrębnymi etapami sygnalizacji. [12]

2. Czy wszystkie peptydy są hormonami?

Nie. Peptyd definiuje się przede wszystkim na podstawie jego budowy molekularnej opartej na aminokwasach, natomiast hormon określa się na podstawie jego roli w komunikacji fizjologicznej. Potwierdzenie funkcji hormonalnej wymaga danych dotyczących wytwarzania, regulowanego uwalniania, tkanek reagujących, działania receptorowego oraz odpowiedzi biologicznej. Wczesne badania GLP-1 u ludzi pokazują, jak różne rodzaje dowodów mogą wspólnie potwierdzać rolę hormonalną. Wiele innych peptydów jest fragmentami białek, cząsteczkami metabolicznymi, składnikami strukturalnymi lub pełni funkcje niezwiązane z układem hormonalnym. Sama obecność wiązań peptydowych nie wystarcza więc do uznania cząsteczki za hormon. [1]

3. Co dzieje się najpierw, gdy hormon peptydowy dociera do komórki docelowej?

Zazwyczaj hormon najpierw oddziałuje z odpowiednim receptorem znajdującym się na powierzchni komórki lub bezpośrednio z nią związanym. Wiązanie zmienia aktywność lub konformację receptora i uruchamia sygnalizację wewnątrzkomórkową. Dalszy przebieg zależy od klasy receptora. W przypadku receptora insulinowego badania powiązały jego aktywację z fosforylacją tyrozynową i aktywnością kinazową. Wyniki te dotyczą jednego konkretnego systemu receptorowego, a nie wszystkich hormonów peptydowych. Identyfikacja właściwego receptora jest więc jednym z pierwszych kroków potrzebnych do zrozumienia odpowiedzi danej komórki. [3]

4. Jak hormony peptydowe wpływają na komórki docelowe?

Hormony peptydowe wpływają na komórki poprzez szlaki sygnałowe uruchamiane przez receptory. Mogą one zmieniać aktywność enzymów, transport przez błony, gospodarkę jonową, wydzielanie, metabolizm, fosforylację białek i ekspresję genów. W szczurzej linii komórek wysp trzustkowych GLP-1 wpływał na stężenie cAMP, mRNA związane z insuliną oraz uwalnianie insuliny. Eksperyment ten pokazuje kilka poziomów oddziaływania jednego sygnału peptydowego na komórkę, ale nie oznacza, że każda tkanka reaguje w ten sam sposób. Końcowy efekt zależy od konkretnego hormonu, receptora, mechanizmów wewnątrzkomórkowych, stanu komórki oraz kontekstu eksperymentalnego lub fizjologicznego. [11]

5. Dlaczego niektóre komórki reagują na hormon, a inne nie?

Komórka zazwyczaj musi posiadać odpowiedni funkcjonalny receptor oraz mechanizmy sygnalizacyjne potrzebne do przetworzenia otrzymanego sygnału. Sama obecność hormonu nie gwarantuje więc odpowiedzi. Znaczenie mają liczba receptorów, ich struktura, lokalizacja, białka sprzęgające oraz wcześniejsza stymulacja komórki. Badania mutacyjne receptorów peptydów natriuretycznych wykazały, że zmiany w regionie regulatorowym mogą zaburzać prawidłową aktywację zależną od hormonu. Choć były to badania eksperymentalne, dobrze pokazują, dlaczego oprócz obecności hormonu istotna jest również struktura receptora i kontekst komórkowy. [6]

6. Czym różni się preprohormon od prohormonu?

Preprohormon zawiera sekwencję sygnałową, która zazwyczaj pomaga skierować nowo syntetyzowaną cząsteczkę do szlaku wydzielniczego. Usunięcie tej sekwencji zwykle prowadzi do powstania prohormonu, który może następnie podlegać kolejnym etapom rozszczepiania i modyfikacji, prowadzącym do powstania jednego lub kilku dojrzałych produktów. Badania proglukagonu pokazują, że końcowe produkty mogą silnie zależeć od tkanki oraz obecnych w niej enzymów przetwarzających. Preprohormon, prohormon, forma pośrednia i dojrzały hormon oznaczają więc różne etapy molekularne, a nie wymienne nazwy tej samej substancji. [7] [8]

7. Czy jeden prekursor może prowadzić do powstania różnych hormonów?

Tak. Różne komórki mogą przetwarzać ten sam prekursor w odmienne produkty, ponieważ posiadają inne mechanizmy enzymatyczne. W badaniach ludzkiego proglukagonu stwierdzono odmienne wzorce produktów w trzustce i jelicie, a późniejsze eksperymenty analizowały udział PC2 i PC3 w ich powstawaniu. Wyniki nie oznaczają, że identyczne przetwarzanie zachodzi w każdym gatunku, tkance czy stanie fizjologicznym. Pokazują natomiast ogólną zasadę: zarówno sekwencja prekursora, jak i środowisko enzymatyczne komórki wpływają na to, jakie dojrzałe produkty peptydowe ostatecznie powstaną. [7] [8]

8. Dlaczego wiele hormonów peptydowych jest magazynowanych w ziarnistościach?

Ziarnistości wydzielnicze zapewniają przygotowany zapas hormonu, który może zostać uwolniony po pojawieniu się odpowiedniego sygnału fizjologicznego. Dzięki temu wydzielanie może szybko wzrosnąć bez konieczności syntetyzowania każdej cząsteczki od początku dokładnie w tym momencie. Ziarnistości są aktywnie regulowane, a różne ich pule mogą różnić się gotowością do uwolnienia. Eksperymenty na ludzkich komórkach beta wskazywały na udział Munc18c w uwalnianiu insuliny z różnych pul ziarnistości. Mechanizm ten nie wyjaśnia funkcjonowania wszystkich komórek endokrynnych, ale pokazuje, jak wyspecjalizowana maszyneria egzocytotyczna łączy magazynowanie z kontrolowanym wydzielaniem. [9]

9. Czy wszystkie hormony peptydowe wykorzystują cAMP?

Nie. cAMP jest ważnym wtórnym przekaźnikiem dla niektórych receptorów hormonów peptydowych, ale cała grupa wykorzystuje wiele różnych systemów receptorowych. Insulina działa poprzez receptorową kinazę tyrozynową, natomiast ANP aktywuje receptor związany z wytwarzaniem cGMP. Inne hormony peptydowe mogą korzystać z odmiennych szlaków GPCR, w tym układów wpływających na wapń wewnątrzkomórkowy. Badania receptorów insuliny i ANP pokazują, dlaczego sygnalizacji hormonów peptydowych nie można sprowadzić do jednego szlaku cAMP. Przed opisaniem mechanizmu należy więc określić konkretny hormon i jego receptor. [3] [6]

10. Czy hormony peptydowe mogą zmieniać ekspresję genów?

Tak. Sygnał rozpoczynający się na powierzchni komórki może być przekazywany przez kolejne szlaki wewnątrzkomórkowe i ostatecznie wpływać na transkrypcję. W badaniach GLP-1 w hodowanych komórkach szczura obserwowano zmiany mRNA insuliny, natomiast eksperymenty z impulsami GnRH u szczurów wykazały zmiany transkrypcji podjednostek gonadotropin. Wyniki te dotyczą konkretnych modeli i nie oznaczają, że każda odpowiedź na hormon peptydowy wymaga nowej ekspresji genów. Pokazują jednak, że sygnalizacja rozpoczynająca się od receptora błonowego może wpływać zarówno na szybkie procesy biochemiczne, jak i na regulację transkrypcji zachodzącą w dłuższym czasie. [5] [11]

11. Czy hormony peptydowe zawsze działają szybciej niż hormony steroidowe?

Nie. Szybkość odpowiedzi zależy od receptora, szlaku sygnałowego, badanego efektu biologicznego i czasu wykonania pomiaru. Hormony peptydowe mogą szybko zmieniać aktywność istniejących białek, ale mogą również wpływać na ekspresję genów i powodować późniejsze odpowiedzi. Z kolei literatura endokrynologiczna opisuje szybkie działania steroidów niewymagające nowej syntezy białek. Źródło dotyczące steroidów wykorzystane w tym artykule jest przeglądem, a nie pojedynczym rozstrzygającym eksperymentem. Bardziej wiarygodne rozróżnienie dotyczy chemii cząsteczek i mechanizmów receptorowych niż prostego podziału na „szybkie peptydy” i „wolne steroidy”. [11] [13]

12. Dlaczego częstotliwość impulsów hormonalnych ma znaczenie?

Komórki mogą inaczej reagować na powtarzające się impulsy, różne częstotliwości impulsów i ciągłą ekspozycję, nawet jeśli za każdym razem chodzi o ten sam hormon. U szczurów z niedoborem GnRH zmiana częstotliwości impulsów wpływała na wzorce transkrypcji podjednostek gonadotropin w przysadce oraz lokalne odpowiedzi regulacyjne. Eksperymenty te potwierdzają znaczenie czasu w tym modelu biologicznym, ale nie określają schematu podawania hormonu ludziom. Informacja hormonalna może być więc kodowana nie tylko przez stężenie cząsteczki, ale również przez czasowy wzorzec, w jakim komórki docelowe są wystawione na jej działanie. [5]

13. Czym jest ujemne sprzężenie zwrotne w regulacji hormonów peptydowych?

Ujemne sprzężenie zwrotne występuje wtedy, gdy konsekwencje działania danego szlaku zmniejszają bodziec prowadzący do dalszego wydzielania hormonu lub aktywności wcześniejszych elementów układu hormonalnego. Przykładem jest regulacja wapnia: w kontrolowanym badaniu z udziałem zdrowych mężczyzn wzrost dostępności wapnia był związany ze zmniejszeniem stężenia PTH. Eksperyment ten nie odzwierciedla każdego stanu chorobowego ani długotrwałej adaptacji, ale pokazuje, jak regulowany parametr może przekazywać informację zwrotną do układu endokrynnego. Sprzężenie zwrotne może obejmować wydzielanie, ekspresję genów, wrażliwość receptorów, oddziaływanie innych hormonów i wiele innych poziomów regulacji. [4]

14. W jaki sposób wyłączany jest sygnał hormonu peptydowego?

Kilka mechanizmów może działać jednocześnie. Hormon znajdujący się poza komórką może zostać enzymatycznie rozszczepiony, wychwycony przez tkanki lub usunięty z krążenia. Receptory mogą stawać się mniej wrażliwe albo przemieszczać się pomiędzy różnymi przedziałami komórki, natomiast wtórne przekaźniki mogą być degradowane, a fosforylacja białek odwracana. W badaniach GLP-1 zidentyfikowano enzymatycznie powstający metabolit, natomiast badania receptora ANP powiązały desensytyzację ze zmianami jego fosforylacji. Żaden z tych mechanizmów nie jest uniwersalny dla wszystkich hormonów. Zakończenie sygnału najlepiej więc rozumieć jako skoordynowaną kontrolę zarówno zewnątrzkomórkowego przekaźnika, jak i odpowiadającej na niego komórki. [14] [15]

15. Co oznacza desensytyzacja receptora?

Desensytyzacja oznacza, że układ receptorowy podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji zaczyna generować słabszą odpowiedź. W zależności od receptora może to wynikać ze zmian fosforylacji, sposobu współpracy z białkami sygnałowymi, przemieszczania receptora, zmiany jego liczby lub adaptacji dalszych elementów szlaku. W eksperymentach dotyczących receptora ANP zmniejszenie odpowiedzi powiązano z określonym wzorcem zmian fosforylacji. Nie oznacza to, że każdy receptor ulega desensytyzacji w ten sam sposób ani że zmniejszona odpowiedź świadczy o zniszczeniu receptora. Desensytyzacja jest zmianą funkcjonalną, której mechanizm należy określić osobno dla danego układu. [15]

16. Czy wyższe stężenie hormonu zawsze oznacza silniejsze działanie?

Nie. Stężenie hormonu jest tylko jednym z czynników wpływających na odpowiedź biologiczną. Znaczenie mają również liczba receptorów, stopień ich zajęcia, możliwości wewnątrzkomórkowego układu sygnałowego, sprzężenie zwrotne, wcześniejsza ekspozycja, desensytyzacja oraz aktualny stan fizjologiczny komórki docelowej. Eksperymenty dotyczące desensytyzacji receptora ANP pokazują, że wrażliwość może się zmniejszyć pomimo utrzymującej się ekspozycji na aktywujący hormon. Takie dane eksperymentalne nie pozwalają przewidzieć indywidualnej odpowiedzi hormonalnej na podstawie pojedynczego pomiaru stężenia. Stężenie hormonu i odpowiedź biologiczna są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym parametrem. [15]

17. Czy test hormonalny może wykrywać nieaktywne lub zmienione fragmenty?

Tak, w zależności od tego, jaki fragment cząsteczki rozpoznaje zastosowana metoda. Badania GLP-1 pokazały, dlaczego rozróżnienie nienaruszonego hormonu od metabolitów skróconych na N-końcu jest istotne podczas interpretacji wyników testów immunologicznych. Test rozpoznający obie formy może odpowiadać na inne pytanie niż metoda zaprojektowana wyłącznie do wykrywania nienaruszonego peptydu. Ograniczenie zależy więc od konkretnej metody analitycznej. Przed interpretacją wyniku jako stężenia aktywnego hormonu należy ustalić, jakie formy molekularne są rzeczywiście wykrywane. [14]

18. Czy hormony peptydowe i hormony białkowe są całkowicie różnymi kategoriami?

Niekoniecznie. Terminologia częściowo się pokrywa, ponieważ obie grupy są zbudowane z łańcuchów aminokwasowych, a nie istnieje powszechnie zaakceptowany próg długości oddzielający wszystkie hormony peptydowe od wszystkich hormonów białkowych. Słowo „hormon” określa rolę sygnałową, natomiast określenia „peptyd” i „białko” odnoszą się do aspektów budowy molekularnej i wielkości. W praktyce większe hormony o budowie aminokwasowej częściej określa się jako białkowe, a krótsze jako peptydowe. Dokładna nazwa kategorii jest jednak mniej informacyjna niż identyfikacja konkretnej cząsteczki, jej dojrzałej struktury, receptora i eksperymentalnie potwierdzonej funkcji.

19. Czy ten sam hormon peptydowy może działać inaczej w różnych tkankach?

Tak. Działanie hormonu zależy nie tylko od rozpoznania przez receptor, ale również od mechanizmów molekularnych dostępnych wewnątrz komórki docelowej. Poszczególne tkanki mogą różnić się liczbą receptorów, białkami sygnałowymi, enzymami, transporterami, czynnikami transkrypcyjnymi i białkami regulatorowymi. W rezultacie aktywacja tego samego receptora nie musi prowadzić do identycznego efektu fizjologicznego w każdym środowisku komórkowym. Dlatego sygnalizację hormonalną najlepiej rozumieć jako interakcję pomiędzy określonym sygnałem zewnątrzkomórkowym a konkretną komórką zdolną do odpowiedzi, a nie jako stały efekt zakodowany wyłącznie w samej cząsteczce hormonu.

20. Czy pomiar wtórnego przekaźnika wystarcza do potwierdzenia efektu fizjologicznego?

Nie. Zmiana stężenia cAMP, cGMP, wapnia, stopnia fosforylacji lub innego sygnału wewnątrzkomórkowego stanowi dowód, że określony element szlaku zareagował, ale nie potwierdza automatycznie pełnego efektu na poziomie tkanki lub całego organizmu. W badaniu GLP-1 w komórkach zmiany cAMP powiązano z dodatkowymi punktami końcowymi, natomiast badania receptorów insuliny i ANP analizowały inne określone etapy biochemiczne. [3] [6] [11] Silne wyjaśnienie mechanistyczne powinno rozróżniać aktywację receptora, sygnalizację wewnątrzkomórkową, funkcję komórki, odpowiedź tkankową i fizjologię całego organizmu, zamiast traktować pojedynczy pomiar jako dowód wszystkich tych poziomów.

Ograniczenia interpretacji badań nad hormonami peptydowymi

Podczas przechodzenia od podstawowych mechanizmów sygnalizacji hormonalnej do szerszych wniosków biologicznych należy pamiętać o kilku ograniczeniach.

Po pierwsze, hormony peptydowe nie stanowią jednej funkcjonalnie jednolitej grupy. Insulina, GLP-1, wazopresyna, PTH, GnRH i ANP należą do szerokiej kategorii hormonów opartych na aminokwasach, ale działają poprzez różne receptory i uczestniczą w różnych układach fizjologicznych. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Po drugie, wykrycie prekursora nie musi być równoznaczne z wykryciem dojrzałego hormonu. Przetwarzanie zależne od tkanki może prowadzić do powstawania różnych produktów z tego samego prekursora, czego przykładem są badania proglukagonu. [7] [8]

Po trzecie, synteza i wydzielanie są odrębnymi procesami. Zwiększone uwalnianie hormonu nie musi oznaczać identycznego i jednoczesnego zwiększenia transkrypcji genu kodującego jego prekursor. [10]

Po czwarte, wiązanie z receptorem nie jest równoznaczne z pełną odpowiedzią fizjologiczną. Sygnalizacja obejmuje kilka poziomów molekularnych, a różne komórki mogą przekształcać aktywację tego samego receptora w odmienne odpowiedzi.

Po piąte, badania na hodowlach komórkowych i oczyszczonych receptorach nie odtwarzają całego organizmu. Mogą dostarczać ważnych informacji o mechanizmach molekularnych, ale wnioski powinny pozostawać związane z zastosowanym systemem eksperymentalnym. [3] [6] [11] [12]

Po szóste, czas ma znaczenie. Pulsacyjna i ciągła ekspozycja na hormon mogą prowadzić do odmiennych odpowiedzi, a pojedynczy pomiar we krwi może nie odzwierciedlać pełnego rytmu wydzielania. [5]

Po siódme, testy hormonalne różnią się swoistością molekularną. Niektóre metody mogą wykrywać metabolity, cząsteczki związane z prekursorem lub kilka form jednocześnie, oprócz nienaruszonego hormonu. [14]

Po ósme, internalizacja receptora nie musi oznaczać natychmiastowego zakończenia sygnalizacji, ponieważ transport receptora i przekazywanie sygnału mogą w określonych warunkach zachodzić równocześnie. [12]

Po dziewiąte, desensytyzacja jest zależna od konkretnego receptora. Mechanizmów zidentyfikowanych dla jednego receptora nie należy automatycznie przenosić na wszystkie receptory hormonów peptydowych. [15]

Wreszcie klasyfikacja chemiczna nie potwierdza działania medycznego, korzyści ani przydatności terapeutycznej. Dowodów dotyczących jednego określonego hormonu i jednego systemu eksperymentalnego nie należy uogólniać na inne, niepowiązane peptydy wyłącznie dlatego, że również mają budowę aminokwasową.

Souhrn

Hormony peptydowe są cząsteczkami sygnałowymi zbudowanymi z aminokwasów, które umożliwiają komunikację pomiędzy komórkami i tkankami w wielu układach fizjologicznych.

Ich biologia jest znacznie bardziej złożona niż proste stwierdzenie, że peptyd wiąże się z receptorem.

Wiele hormonów peptydowych powstaje początkowo jako większe cząsteczki prekursorowe, następnie przechodzi specyficzne dla danej tkanki etapy przetwarzania, jest pakowanych do ziarnistości wydzielniczych i uwalnianych w odpowiedzi na regulowane sygnały fizjologiczne. Badania przetwarzania proglukagonu i egzocytozy ziarnistości insulinowych pokazują, jak mechanizmy przetwarzania prekursorów i wydzielania wpływają na to, jaki hormon trafia do środowiska zewnątrzkomórkowego i kiedy zostaje uwolniony. [7] [8] [9]

Po uwolnieniu hormony peptydowe zazwyczaj rozpoczynają sygnalizację poprzez receptory znajdujące się na powierzchni komórek, ale receptory te należą do kilku różnych klas molekularnych.

Niektóre hormony wykorzystują GPCR i wtórne przekaźniki, takie jak cAMP lub szlaki związane z wapniem.

Insulina wykorzystuje receptorową kinazę tyrozynową.

ANP działa poprzez receptor związany z wytwarzaniem cGMP.

Przykłady te pokazują, że nie istnieje jeden uniwersalny szlak wewnątrzkomórkowy wspólny dla wszystkich hormonów peptydowych. [3] [6] [11]

Odpowiedź komórkowa może również rozwijać się w różnych skalach czasowych.

Sygnalizacja może szybko modyfikować istniejące białka, wpływać na wydzielanie lub transport, a następnie prowadzić do zmian w transkrypcji genów. Wzorce czasowe, takie jak pulsacyjne wydzielanie hormonów, mogą same w sobie przenosić biologicznie istotne informacje. [5] [11]

Sygnalizacja hormonalna jest również aktywnie ograniczana.

Degradacja hormonu, eliminacja przez tkanki, odwracanie sygnałów wewnątrzkomórkowych, przemieszczanie receptorów, desensytyzacja oraz ujemne sprzężenie zwrotne wspólnie pomagają kontrolować siłę i czas trwania odpowiedzi. [4] [12] [14] [15]

Najważniejszą zasadę można więc podsumować następująco:

działania biologicznego hormonu peptydowego nie można przewidzieć wyłącznie na podstawie tego, że jest on peptydem. Jego funkcja wynika z całego układu sygnalizacyjnego: z tego, jaka forma molekularna powstaje, jak jest przetwarzana i uwalniana, jaki receptor ją rozpoznaje, w jaki sposób komórka docelowa interpretuje sygnał receptorowy, jak ekspozycja zmienia się w czasie oraz jak układ ogranicza i ostatecznie kończy odpowiedź.

Zastrzeżenie

Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Wyjaśnia biologię hormonów peptydowych, przetwarzanie prekursorów, wydzielanie, sygnalizację receptorową, mechanizmy sprzężenia zwrotnego, degradację oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie stanowi porady medycznej, wskazówki diagnostycznej, zalecenia dotyczącego leczenia, informacji o dawkowaniu, instrukcji podawania ani rekomendacji dotyczącej stosowania hormonów peptydowych lub powiązanych substancji. Wyniki badań biochemicznych, komórkowych, badań na zwierzętach i badań z udziałem ludzi należy interpretować w kontekście projektu, warunków, badanej populacji oraz ograniczeń poszczególnych prac.

Odkazy

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: A physiological incretin in man. The Lancet, 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
2. Elliot, S., Goldsmith, P., Knepper, M., Haughey, M., & Olson, B. (1996). Urinary excretion of aquaporin-2 in humans: A potential marker of collecting duct responsiveness to vasopressin. Journal of the American Society of Nephrology, 7(3), 403–409. https://doi.org/10.1681/ASN.V73403
3. Kwok, Y. C., Nemenoff, R. A., Powers, A. C., & Avruch, J. (1986). Kinetic properties of the insulin receptor tyrosine protein kinase: Activation through an insulin-stimulated tyrosine-specific, intramolecular autophosphorylation. Archives of Biochemistry and Biophysics, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A., & Cherubini, R. (2003). Rapid suppression of bone resorption and parathyroid hormone secretion by acute oral administration of calcium in healthy adult men. Journal of Endocrinological Investigation, 26(4), 353–358. https://doi.org/10.1007/BF03345184
5. Burger, L. L., Dalkin, A. C., Aylor, K. W., Haisenleder, D. J., & Marshall, J. C. (2002). GnRH pulse frequency modulation of gonadotropin subunit gene transcription in normal gonadotropes-assessment by primary transcript assay provides evidence for roles of GnRH and follistatin. Endocrinology, 143(9), 3243–3249. https://doi.org/10.1210/en.2002-220216
6. Koller, K. J., de Sauvage, F. J., Lowe, D. G., & Goeddel, D. V. (1992). Conservation of the kinaselike regulatory domain is essential for activation of the natriuretic peptide receptor guanylyl cyclases. Molecular and Cellular Biology, 12(6), 2581–2590. https://doi.org/10.1128/mcb.12.6.2581-2590.1992
7. Orskov, C., Holst, J. J., Poulsen, S. S., & Kirkegaard, P. (1987). Pancreatic and intestinal processing of proglucagon in man. Diabetologia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Differential processing of proglucagon by the subtilisin-like prohormone convertases PC2 and PC3 to generate either glucagon or glucagon-like peptide. Journal of Biological Chemistry, 270(44), 26488–26496. https://doi.org/10.1074/jbc.270.44.26488
9. Zhu, D., Xie, L., Karimian, N., Liang, T., Kang, Y., Huang, Y. C., & Gaisano, H. Y. (2015). Munc18c mediates exocytosis of pre-docked and newcomer insulin granules underlying biphasic glucose stimulated insulin secretion in human pancreatic beta-cells. Molecular Metabolism, 4(5), 418–426. https://doi.org/10.1016/j.molmet.2015.02.004
10. Tanimura, S. M., Sanchez-Watts, G., & Watts, A. G. (1998). Peptide gene activation, secretion, and steroid feedback during stimulation of rat neuroendocrine corticotropin-releasing hormone neurons. Endocrinology, 139(9), 3822–3829. https://doi.org/10.1210/endo.139.9.6191
11. Drucker, D. J., Philippe, J., Mojsov, S., Chick, W. L., & Habener, J. F. (1987). Glucagon-like peptide I stimulates insulin gene expression and increases cyclic AMP levels in a rat islet cell line. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Subcellular trafficking of guanylyl cyclase/natriuretic peptide receptor-A with concurrent generation of intracellular cGMP. Bioscience Reports, 35(5), Article e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Signaling themes shared between peptide and steroid hormones at the plasma membrane. Science’s STKE, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., & Holst, J. J. (1995). Degradation of glucagon-like peptide-1 by human plasma in vitro yields an N-terminally truncated peptide that is a major endogenous metabolite in vivo. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 80(3), 952–957. https://doi.org/10.1210/jcem.80.3.7883856
15. Schröter, J., Zahedi, R. P., Hartmann, M., Gassner, B., Gazinski, A., Waschke, J., Sickmann, A., & Kuhn, M. (2010). Homologous desensitization of guanylyl cyclase A, the receptor for atrial natriuretic peptide, is associated with a complex phosphorylation pattern. The FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x