Peptidhormone: Rezeptoren, Signalübertragung und biologische Funktionen

Peptidhormone sind chemische Botenstoffe, die aus Aminosäurenketten aufgebaut sind. Spezialisierte Zellen produzieren sie, verarbeiten sie oft aus größeren Vorläufermolekülen, setzen sie als Reaktion auf bestimmte physiologische Signale frei und nutzen sie dann, um die Aktivität anderer Zellen und Gewebe zu koordinieren.

Ihre Wirkung ergibt sich jedoch nicht aus der bloßen Tatsache, dass sie existieren mit Peptiden. Die biologische Antwort hängt in erster Linie davon ab, ob die jeweilige Zelle über den entsprechenden Rezeptor und den intrazellulären Signalmechanismus verfügt, um das empfangene Signal zu interpretieren.

Insulin, Glukagon, Glukagon-like Peptid-1 (GLP-1), Vasopressin, Parathormon (PTH), Gonadotropin-Releasing-Hormon (GnRH) und natriuretischer aurotria-Peptid (ANP) gehören zu dieser breiten Gruppe. Sie sind jedoch an sehr unterschiedlichen physiologischen Systemen beteiligt.

Der Begriff „Peptidhormon” beschreibt daher eine chemische Kategorie und Art der biologischen Kommunikation und nicht einen einzigen gemeinsamen Effekt.

Beispielsweise betrafen GLP-1-Studien am Menschen die Kommunikation zwischen dem Magen-Darm-Trakt und der Insulinausscheidung, während sich Untersuchungen zu Vasopressin-reagierenden Wasserkanälen auf die Regulation des Wasserhaushalts durch die Nieren konzentrierten. Dies sind getrennte physiologische Systeme, die andere Rezeptoren, Zielgewebe und Reaktionsmechanismen nutzen. [1] [2]

Die Wirkung eines Peptidhormons lässt sich am einfachsten verstehen, wenn man den gesamten Prozess von Anfang bis Ende verfolgt:

Vorläufersynthese → Molekülverarbeitung → Speicherung → Freisetzung → Rezeptorerkennung → intrazelluläre Signalübertragung → zelluläre Antwort → Rückkopplung und Signalbeendigung.

Jede dieser Phasen kann die biologische Endantwort beeinflussen.

Dieser Ansatz hilft auch, ein wichtiges Missverständnis zu vermeiden. Die Entdeckung eines Peptids, die Beobachtung seiner Bindung an einen Rezeptor, die Messung eines sekundären Botenstoffs und der Nachweis einer physiologischen Reaktion des gesamten Organismus stellen unterschiedliche Ebenen von Beweisen dar. Eine vollständige Interpretation erfordert die Feststellung, welche dieser Stufen tatsächlich untersucht wurde.

Was sind Peptidhormone?

Eine Aminosäurekette, die ein biologisches Signal überträgt

Peptidhormone bestehen aus Aminosäureresten, die verbunden sind Peptidbindungen.

Einige sind relativ kurze Ketten, während andere deutlich größere Moleküle sind und auch als Proteinhormone bezeichnet werden können.

In der Biologie des Hormonsystems überschneiden sich diese Kategorien teilweise. Die Terminologie bezüglich Peptidhormonen umfasst Signalmoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind, und erfordert nicht das Vorhandensein einer einzigen universellen Kettenlängengrenze, die alle Peptide von allen Proteinen trennt.

Das Wort „Hormon” beschreibt in erster Linie die Signalrolle des Moleküls und nicht ausschließlich seine chemische Struktur.

Im klassischen endokrinen System setzt eine Zelle oder ein Gewebe ein Hormon in den Blutkreislauf frei, sodass es auf zielzellreagierende Zellen in anderen Teilen des Körpers einwirken kann.

Biologische Kommunikation beschränkt sich jedoch nicht ausschließlich auf diesen Mechanismus. Verwandte Moleküle können auch an der lokalen Kommunikation zwischen benachbarten Zellen und an anderen Formen der Zellsignalisierung beteiligt sein.

Die alleinige chemische Struktur reicht also nicht aus, um ein bestimmtes Peptid als Hormon anzusehen.

Viele Peptide sind unter anderem:

• Intermediärmetabolite;
• Fragmente größerer Proteine;
• Strukturelemente;
• intrazelluläre regulatorische Moleküle;
• Proteinabbauprodukte;
• Moleküle, die andere Funktionen erfüllen, die nicht mit dem Hormonsystem zusammenhängen.

Um die hormonelle Rolle zu bestätigen, benötigen Forscher in der Regel Beweise, die ein bestimmtes Molekül mit seiner Produktion, seiner regulierten Freisetzung, den Zielzellen und seiner physiologischen Wirkung verknüpfen.

Frühe GLP-1-Studien am Menschen veranschaulichen diesen Ansatz gut.

Forscher wiesen GLP-1-bezogenes Material im Darm nach und beobachteten einen Anstieg seiner Konzentration im Blut nach oral verabreichter Glukose oder nach einer Mahlzeit. In einem kleinen Infusionsexperiment beeinflusste eine bestimmte Form von GLP-1 die Insulin- und Glukosereaktion. [1]

Zusammenschluss dieser Beobachtungen unterstützte das Konzept einer physiologischen Signalrolle dieses Moleküls.

Diese Studie sollte jedoch nicht als Beweis für jeden einzelnen Mechanismus, jede klinische Anwendung oder jede spätere Behauptung bezüglich der Biologie von GLP-1 betrachtet werden.

Zielzellen werden durch ihre Reaktionsfähigkeit definiert

Ein Hormon kann an vielen Zellen vorbeiflößen, ohne in jeder von ihnen dieselbe Reaktion auszulösen.

Damit eine Zelle reagieren kann, muss sie in der Regel über einen entsprechenden Rezeptor sowie über intrazelluläre molekulare Mechanismen verfügen, die es ermöglichen, das nach dessen Aktivierung entstandene Signal zu verarbeiten.

Rezeptoren erkennen bestimmte Merkmale von Molekülen.

Die Erkennung kann unter anderem abhängen von:

• Aminosäuresequenz;
• räumlichen Struktur;
• Ladungsverteilung;
• chemischer Modifikationen;
• Rezeptorkonformation;
• der Verfügbarkeit geeigneter Bindeflächen.

Allein die Tatsache, dass ein bestimmtes Molekül ein Peptid ist, bedeutet daher nicht, dass es den Rezeptor eines anderen Peptidhormons aktivieren kann.

Die Anzahl der Rezeptoren spielt ebenfalls eine Rolle.

Eine Zelle mit einer großen Anzahl funktionsfähiger Rezeptoren kann anders reagieren als eine Zelle, die weniger davon besitzt. Die Antwort kann zudem durch die Lokalisierung der Rezeptoren, deren Modifikationen, mit ihnen interagierende Proteine sowie eine vorherige Stimulation beeinflusst werden.

Selbst zwei Gewebe, die denselben Rezeptor besitzen, können unterschiedlich reagieren, da sie sich in ihrer intrazellulären Signalmaschinerie unterscheiden.

Die Aktivierung des Rezeptors kann unter anderem Folgendes beeinflussen:

• Enzymaktivität;
• Ionentransport;
• Membrankanäle;
• Bewegung von Bläschen;
• Sekretion;
• Stoffwechsel;
• Proteinphosphorylierung;
• Genexpression;
• Kombination einiger dieser Prozesse.

Die Rezeptorbindung ist somit der Beginn der Erklärung des Wirkungsmechanismus und nicht die vollständige Antwort auf die Frage nach der biologischen Wirkung.

Peptidhormone sind an vielen verschiedenen Systemen beteiligt.

Diese Beispiele zeigen unterschiedliche physiologische Funktionen und keine gemeinsamen Vorteile, die sich aus der Zugehörigkeit zu einer Peptidgruppe ergeben.

Untersuchungen zur Aktivität der Insulinrezeptorkinase, zur GLP-1-Physiologie, zu Aquaporin-2 im Urin, zur Calcium-PTH-Antwort, zum GnRH-Pulsrhythmus und zu ANP-Rezeptoren analysieren verschiedene Elemente unterschiedlicher Hormonsysteme. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Aus diesem Grund sollten Ergebnisse zu einem Peptidhormon nicht automatisch auf ein anderes übertragen werden, nur weil beide Moleküle derselben großen chemischen Kategorie angehören.

Wie werden Peptidhormone gebildet und freigesetzt?

Viele Hormone beginnen als größere Vorläufermoleküle

Viele Peptidhormone werden ursprünglich als größere Moleküle synthetisiert, die als Präprohormone bezeichnet werden.

Das Präfix „prä-” bezieht sich in der Regel auf eine Signalsequenz, die dabei hilft, das neu entstehende Molekül in den zellulären Sekretionsweg zu leiten.

Nach Entfernung dieser Sequenz wird der verbleibende Vorläufer gewöhnlich als Prohormon bezeichnet.

Die weitere Verarbeitung kann zur Bildung eines reifen Hormons und in einigen Fällen mehrerer biologisch relevanter Produkte führen.

Im klassischen regulierten Sekretionsweg gelangt der entstehende Vorläufer in das endoplasmatische Retikulum, wandert anschließend durch den Golgi-Apparat und wird zu den entsprechenden Sekretionskompartimenten geleitet.

Je nach Molekül können die weiteren Schritte umfassen:

• Faltung;
• Disulfidbrückenbildung;
• enzymatische Spaltung;
• Kettenendmodifikationen;
• weitere chemische Modifikationen;
• Sortierung;
• Verpackung in sekretorische Granula.

Diese Prozesse verlaufen nicht für jedes Peptidhormon identisch.

Jeder Vorläufer kann mehrere mögliche Peptidprodukte enthalten, und verschiedene Zelltypen können denselben Vorläufer unterschiedlich verarbeiten.

Die vom Gen kodierte Aminosäuresequenz muss also nicht direkt einem im Blutkreislauf vorhandenen reifen Hormon entsprechen.

Die Verarbeitung des Vorläufers beeinflusst, welches Hormon entsteht.

Proglukagon ist ein besonders gutes Beispiel, da das Gewebe der Bauchspeicheldrüse und des Darms aus demselben Vorläufermolekül unterschiedliche molekulare Produkte herstellen kann.

Bei der Untersuchung von menschlichem Gewebe wurden immunchemische und chromatographische Methoden eingesetzt, um verschiedene Muster glucagonassoziierter Moleküle in der Bauchspeicheldrüse und im Dünndarm zu identifizieren. [7]

In späteren Zellexperimenten wurde die Beteiligung von PC2- und PC3-verarbeitenden Enzymen analysiert, wobei PC3 oft auch als PC1/3 bezeichnet wird.

Die Ergebnisse zeigten, dass die enzymatische Umgebung stark beeinflusste, ob die Verarbeitung einem für die Bauchspeicheldrüse oder den Darm charakteristischen Muster ähnelte. Die Untersuchungen offenbarten zudem Einschränkungen bei der Nachbildung aller Spaltungsstadien mit einem isolierten enzymatischen System. [8]

Die allgemeine Regel ist wichtig:

Die Vorläufersequenz bestimmt die möglichen Produkte, während die in einer bestimmten Zelle vorhandenen Prozessierungsmechanismen dazu beitragen, zu bestimmen, welche molekularen Formen tatsächlich entstehen.

Dies hat auch Bedeutung für Labormessungen.

Ein Test, der mehrere Formen im Zusammenhang mit einem einzigen Vorläufer erkennt, kann andere Ergebnisse liefern als eine Methode, die speziell für den Nachweis eines einzigen reifen Hormons entwickelt wurde.

Die angegebene Konzentration muss daher zusammen mit der Information interpretiert werden, welche molekularen Formen genau durch die verwendete analytische Methode erfasst werden.

Sekretionsgranula ermöglichen die kontrollierte Freisetzung

Viele endokrine Zellen speichern prozessierte Peptidhormone in Sekretgranula.

Nach dem Auftreten eines entsprechenden Reizes führen regulierte zelluläre Mechanismen zur Verschmelzung der Granula mit der Zellmembran.

Ihr Inhalt wird dann durch Exozytose aus der Zelle freigesetzt.

Die Speicherung ermöglicht eine rasche Steigerung der Ausschüttung, ohne dass die Synthese jedes freigesetzten Moleküls genau im Moment des Auftretens des Reizes von neuem begonnen werden muss.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass alle Körnungen gleichermaßen leicht für eine sofortige Freisetzung verfügbar sind.

Zellen können funktionell unterschiedliche Pools von Granula enthalten, und eine langanhaltende Sekretion erfordert die kontinuierliche Produktion, Verarbeitung und Auffüllung der Vorräte.

Die Hormonfreisetzung ist folglich ein aktiv gesteuerter zellulärer Prozess und kein passives Auslaufen des gesamten Zellinhalts.

Untersuchungen an menschlichen Langerhans-Inseln und Betazellen zeigten, dass eine Verringerung des exozytotischen Proteins Munc18c die Insulinsekretion beeinträchtigte und die Freisetzung von Insulin aus verschiedenen Granulapools veränderte. [9]

Diese Ergebnisse stützen direkt die Rolle spezialisierter Membranfusionsmechanismen.

Sie stellen jedoch keine vollständige Erklärung aller molekularen Prozesse dar, die die Insulinfreisorgung regulieren.

Verschiedene Hormonsysteme reagieren auf unterschiedliche Reize

Einzelne endokrine Zellen reagieren auf verschiedene physiologische Signale.

Dazu können gehören:

• Nährstoffkonzentrationen;
• elektrische Aktivität;
• Neurotransmitter;
• andere Hormone;
• Ionen außerhalb der Zelle;
• osmotische Bedingungen;
• mechanische Änderungen;
• Kombinationen verschiedener regulatorischer Anreize.

Intrazelluläres Calcium ist oft an der Fusion sekretorischer Vesikel beteiligt, aber die Prozesse, die zur Entstehung des Calciumsignals führen, unterscheiden sich zwischen den Zelltypen.

In den Betazellen der Bauchspeicheldrüse ist beispielsweise der Glukosestoffwechsel eng mit der elektrischen Aktivität, dem Kalziumeinstrom und der Freisetzung insulinhaltiger Granula verknüpft.

Hypothalamische neuroendokrine Zellen hingegen funktionieren in komplexen Netzwerken aus neuronalen, hormonalen und physiologischen Signalen.

Es wäre daher nicht korrekt, einen einzigen detaillierten Sekretionsweg als universellen Mechanismus aller Peptidhormone darzustellen.

Aus experimenteller Sicht ist es zudem wichtig, zwischen der Hormonsynthese und seiner Sekretion zu unterscheiden.

Die Untersuchung von Neuronen von Ratten, die das Corticotropin-Releasing-Hormon produzieren, zeigte, dass die Genaktivierung und die sekretionsbezogenen Reaktionen während anhaltenden Stresses unterschiedliche Reaktionsschwellen aufwiesen. [10]

Eine erhöhte Hormonausschreibung muss daher nicht bedeuten, dass sich die Transkription des für seinen Vorläufer kodierenden Gens im selben Maße und exakt zur selben Zeit verändert.

Zeit und Rhythmus der Sekretion können Informationen übertragen

Die Exposition gegenüber einem Hormon wird nicht ausschließlich durch seine Durchschnittskonzentration beschrieben.

Ein Zeitmuster kann umfassen:

• getrennte Impulse;
• Impulsfrequenzänderungen;
• Impulsamplitudenänderungen;
• anhaltende Erhöhung der Konzentration;
• Tagesrhythmus;
• Antworten im Zusammenhang mit Mahlzeiten, Schlaf, Stress oder anderen physiologischen Ereignissen.

Verschiedene Zeitmuster können zu unterschiedlichen zellulären Antworten führen.

Experimente an männlichen Ratten mit GnRH-Mangel zeigten, dass unterschiedliche GnRH-Pulsfrequenzen unterschiedliche Transkriptionsmuster der Gonadotropin-Untereinheiten induzierten. Die Reaktion umfasste sowohl die direkte GnRH-Signalisierung als auch Veränderungen der lokalen hypophysären Regulationsmechanismen. [5]

Diese Studien tragen dazu bei zu erklären, warum Zeitpunkt und Rhythmus eines hormonellen Signals biologische Informationen übertragen können.

Man darf jedoch die Ergebnisse solcher Tierversuche nicht auf Dosierungsschemata für den Menschen übertragen.

Die im Blut gemessene Hormonkonzentration ist somit nur das Abbild eines sich dynamisch verändernden Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Die Interpretation kann abhängen von:

• Entnahmezeitpunkt der Probe;
• pulsierenden Charakters der Sekretion;
• gemessenen Molekularform;
• jüngster physiologischer Ereignisse;
• Eliminationsraten;
• die Besonderheiten des verwendeten Tests.

Rezeptoren und Zellsignalisierung

Was passiert, wenn ein Peptidhormon die Zielzelle erreicht?

Die meisten Peptidhormone beginnen ihre Wirkung, indem sie an Rezeptoren binden, die sich auf der Zelloberfläche befinden oder direkt mit dieser verbunden sind.

Die Bindung des Hormons an den Rezeptor verändert dessen Aktivität oder Konformation, wodurch die Übermittlung von Informationen in das Innere der Zelle ermöglicht wird.

Das Signal passiert also die Membran dank eines Rezeptorsystems.

Ein Peptidhormon muss in der Regel nicht selbstständig die lipidische Zellmembran durchdringen und frei in das Zytoplasma gelangen, um die Signaltransduktion einzuleiten.

Dies ermöglicht zu verstehen, wie ein in wässriger Umgebung relativ gut lösliches extrakelluläres Molekül Prozesse innerhalb der Zelle beeinflussen kann.

Der weitere Verlauf hängt von der Art des Rezeptors ab.

Rezeptoren für Peptidhormone gehören zu mehreren mechanistisch unterschiedlichen Klassen.

Einige übertragen das Signal über:

• heterotrimerer G-Proteine;
• Rezeptorgebundener Enzyme;
• einer eigenen Kinaseaktivität;
• Aktivitäten der Guanylatzyklase;
• anderer Signalproteine.

Allgemeines Schema:

Hormon → Rezeptor → intrazelluläres Signal → zelluläre Antwort

Er ist sehr nützlich.

Es gibt jedoch keinen einzigen gemeinsamen intrazellulären Signalweg, der für alle Peptidhormone charakteristisch ist.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und sekundäre Botenstoffe

Viele Peptidhormone übermitteln Signale über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, kurz GPCR.

Dies sind Membranproteine, die mit intrazellulären G-Proteinen kommunizieren und Enzyme, Ionenkanäle sowie Second-Messenger-Systeme beeinflussen können.

Eines der wichtigen sekundären Botenstoffe ist cyclisches AMP (cAMP).

In einem typischen cAMP-Signalweg beeinflusst die Rezeptoraktivierung die Adenylylcyclase, ein Enzym, das für die Produktion von cAMP verantwortlich ist.

Änderungen der cAMP-Konzentration können in der Folge die Aktivität weiterer Signalproteine beeinflussen.

Andere GPCR-Rezeptoren können unterschiedliche Mechanismen nutzen.

Was wichtig ist, nicht jeder GPCR-Rezeptor erhöht die cAMP-Konzentration.

Einige Rezeptor-G-Protein-Kombinationen können seine Produktion verringern, während andere primär Signalwege regulieren, die mit Calcium oder anderen intrazellulären Prozessen zusammenhängen.

Die Feststellung, dass ein Hormon einen „sekundären Botenstoff nutzt”, beschreibt somit eine allgemeine Signalstrategie und keinen einzigen universellen molekularen Mechanismus.

In einer frühen Studie an einer insulinproduzierenden Ratten-Pankreasinselzelllinie wurde festgestellt, dass die prozessierte Form von GLP-1 den cAMP-Spiegel, den Spiegel der insulinbezogenen mRNA sowie die Insulinfreisetzung steigerte. [11]

Dieses Experiment verband ein extracellulareres Peptidsignal mit biochemischen Veränderungen und der Genexpression innerhalb der Zelle.

Die Schlussfolgerungen bleiben jedoch für das angewendete Modell und die experimentellen Bedingungen gültig.

Calciumsignalisierung und Signalverstärkung

Ein weiterer häufig vorkommender GPCR-Signalweg betrifft die Phospholipase C.

Ihre Aktivierung kann zur Bildung intrazellulärer Botenstoffe wie Inositolphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG) führen.

IP3 kann die Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern begünstigen, während DAG an der Aktivierung der Proteinkinase C beteiligt sein kann.

Diese Prozesse helfen dabei, die Rezeptoraktivierung in eine Änderung der zellulären Aktivität umzuwandeln.

Dies ist jedoch kein von jedem Peptidhormonrezeptor genutzter Weg.

Signalkaskaden können auch das Signal verstärken.

Jeder aktivierte Rezeptor kann auf viele weitere Moleküle im Signalweg einwirken, und jedes aktivierte Enzym kann viele Moleküle des sekundären Botenstoffes produzieren.

Dies erklärt, warum ein relativ kleines extrazelluläres Signal manchmal eine erhebliche zelluläre Antwort hervorrufen kann.

Die Signalverstärkung ist jedoch nicht unbegrenzt.

Seine Stärke und Dauer werden unter anderem beeinflusst durch:

• Anzahl der Rezeptoren;
• Enzymverfügbarkeit;
• Verfügbarkeit der Substrate;
• Rückkopplungsmechanismen;
• Phosphatasen;
• Abbau sekundärer Botenstoffe;
• Rezeptordesensibilisierung;
• funktionellen Möglichkeiten der Zielzelle.

Der sekundäre Botenstoff ist somit ein intermediäres Element des Signalwegs und kein physiologischer Endeffekt.

Seine Art, Konzentration, Lokalisation und Wirkungsdauer spielen eine Rolle, ebenso wie die Fähigkeit der Zelle, dieses Signal in eine spezifische Antwort umzusetzen.

Der Insulinrezeptor funktioniert anders

Der Insulinrezeptor ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase.

Sein anfänglicher Signalübertragungsmechanismus unterscheidet sich daher grundlegend von dem klassischen GPCR-Mechanismus.

Die Insulinbindung führt zur Aktivierung des intrazellulären Kinaseteils des Rezeptors.

Der aktivierte Rezeptor phosphoryliert spezifische Stellen in Proteinen und löst weitere Signalkaskaden aus.

Biochemische Untersuchungen mit gereinigten Insulinrezeptoren brachten die Tyrosin-Autophosphorylierung mit einer Erhöhung der Kinasaktivität in Verbindung. [3]

Diese Experimente ermöglichten es, wichtige Eigenschaften des Rezeptors zu bestimmen.

Der gereinigte Rezeptor gibt jedoch nicht alle Prozesse wieder, die in intakten Zellen von Muskeln, Leber, Fettgewebe oder anderen auf Insulin reagierenden Geweben ablaufen.

Die wichtigste Schlussfolgerung ist einfach:

Peptidhormone können verschiedene Klassen von Rezeptoren aktivieren.

Insulin ist ein wichtiges Beispiel dafür, warum die Peptidhormonsignalisierung nicht mit der Aussage zusammengefasst werden sollte:

„Ein Peptidhormon bindet an einen GPCR und erhöht cAMP.

Dieser Mechanismus betrifft einige Systeme, aber nicht die gesamte Gruppe.

Natriuretische Peptidrezeptoren können cGMP produzieren

ANP stellt ein Beispiel für einen noch anderen Rezeptormechanismus dar.

Sein Guanylylcyclase-Rezeptor A ist mit der Bildung von cyclischem GMP (cGMP) verbunden.

cGMP und cAMP sind cyclische Nukleotide, aber sie sind nicht dasselbe Molekül und entstehen durch die Beteiligung anderer Enzymsysteme.

Mutationsexperimente an Natriuretischen-Peptid-Rezeptoren zeigten, dass die kinaseähnliche regulatorische Region eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle der Rezeptoraktivität spielte. Veränderungen in dieser Region konnten zu einem Verlust der ordnungsgemäßen Regulation oder zu einer Aktivität führen, die ohne typische Hormonstimulation auftritt. [6]

In diesem Fall ist eine präzise Terminologie wichtig.

Das Vorhandensein einer kinaseähnlichen Domäne bedeutet nicht, dass der Rezeptor über denselben Tyrosinkinase-Mechanismus wie der Insulinrezeptor funktioniert.

Dabei sind die Rezeptorarchitektur, seine katalytische Aktivität und die Art des gemessenen biochemischen Produkts zu berücksichtigen.

Die Bindung an der Oberfläche bedeutet nicht, dass der Rezeptor immer dort bleibt.

Aktivierte Rezeptoren können der Endozytose unterliegen, das heißt von der Zellmembran in das Innere von membranumschlossenen Kompartimenten wandern.

Dieser Prozess unterscheidet sich von der freien Diffusion eines Peptidhormons durch die Lipidmembran in das Zytoplasma.

In modifizierten menschlichen Nierenzellen verfolgten die Forscher die Verlagerung von ANP-Rezeptoren in intrazelluläre Kompartimente bei gleichzeitig anhaltender cGMP-Produktion. [12]

Diese Beobachtungen zeigen, dass Rezeptortransport und Signalübertragung gleichzeitig ablaufen können.

Sie beweisen jedoch nicht, dass jeder Rezeptor nach der Internalisierung auf identische Weise signalling betreibt oder dass das gesamte gemessene cGMP in einem einzigen bestimmten Kompartiment der Zelle entstanden ist.

Die Feststellung, dass Peptidhormone die Signalübertragung in der Regel über Oberflächenrezeptoren einleiten, ist daher eine nützliche Verallgemeinerung.

Die Feststellung, dass Peptidhormone und ihre Rezeptoren niemals in intrazellulären Kompartimenten vorkommen können, wäre hingegen zu kategorisch.

Die zelluläre Antwort kann schnell, verzögert oder beides sein

Die Rezeptorsignalisierung kann die Aktivität von Proteinen verändern, die bereits in der Zelle vorhanden sind.

Solche Mechanismen können zu relativ schnellen Reaktionen führen.

Signalwege können auch die Transkription und die Proteinsynthese beeinflussen, was zu längerfristig entstehenden Effekten führt.

Beide Mechanismen können gleichzeitig auftreten.

Derselbe Signalweg kann schnelle biochemische Veränderungen und spätere transkriptionelle Veränderungen hervorrufen.

In der GLP-1-Studie an Zellen wurden sowohl signalabhängige Veränderungen als auch die Insulingenexpression gemessen, was zeigt, dass die an der Zelloberfläche beginnende Signalübertragung nicht als unfähig angesehen werden darf, Prozesse im Zellkern zu beeinflussen. [11]

Die Erhöhung der Konzentration des sekundären Botnstoffs stellt jedoch nur eine Ebene des Beweises dar.

Die Demonstration des vollständigen physiologischen Effekts erfordert, je nach Fragestellung, die Verknüpfung aufeinanderfolgender Ebenen:

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;
• Genexpression;
• 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.

Beispielsweise:

• 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.

Häufig gestellte Fragen

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.

Zusammenfassung

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.

Haftungsausschluss

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.

Referenzen

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