Peptiidhormoonid: retseptorid, signaaliedastus ja bioloogilised funktsioonid

Peptiidhormoonid on aminohappeahelatest koosnevad keemilised signaalainet. Spetsialiseerunud rakud toodavad neid, töötlevad neid sageli suurematest eelmolekulidest, vabastavad neid vastuseks teatud füsioloogilistele signaalidele ning kasutavad neid seejärel teiste rakkude ja kudede tegevuse koordineerimiseks.

Nende toimimine ei tulene aga ainuüksi asjaolust, et nad on peptiididega. Bioloogiline reaktsioon sõltub eelkõige sellest, kas asjaomasel rakul on olemas vastav retseptor ja rakusisene signaalimismehhanism, mis võimaldab saadud signaali tõlgendada.

Insuliin, glükagoon, glükagoonilaadne peptiid-1 (GLP-1), vasopressiin, parathormoon (PTH), gonadotropiini vabastav hormoon (GnRH) ja atriaalne natriureetiline peptiid (ANP) kuuluvad sellesse laiaulatuslikku rühma. Need osalevad aga väga erinevates füsioloogilistes süsteemides.

Mõiste „peptiidhormoon” kirjeldab seega keemilist kategooriat ja bioloogilise suhtluse viisi, mitte üht ühist mõju.

Näiteks käsitlesid GLP-1-ga seotud uuringud inimestel seost seedetrakti ja insuliini eritumise vahel, samas kui vasopressiinile reageerivate veekanalite uuringud keskendusid vee tasakaalu reguleerimisele neerude poolt. Tegemist on eraldiseisvate füsioloogiliste süsteemidega, mis kasutavad erinevaid retseptoreid, sihtkoesid ja reaktsioonimehhanisme. [1] [2]

Peptiidhormooni toimet on kõige lihtsam mõista, jälgides kogu protsessi algusest lõpuni:

eelainete süntees → molekuli töötlemine → ladustamine → vabanemine → retseptori poolt äratundmine → rakusisene signaaliedastus → raku reaktsioon → tagasiside ja signaali lõpetamine.

Igaüks neist etappidest võib mõjutada lõplikku bioloogilist reaktsiooni.

Selline lähenemisviis aitab vältida ka olulist arusaamatust. Peptiidi avastamine, selle seondumise jälgimine retseptoriga, sekundaarse signaalmolekuli mõõtmine ja kogu organismi füsioloogilise reaktsiooni näitamine on erinevad tõendite tasemed. Täielikuks tõlgendamiseks on vaja kindlaks teha, millist neist etappidest on tegelikult uuritud.

Mis on peptiidhormoonid?

Bioloogilist signaali edastav aminohapete ahel

Peptiidhormoonid koosnevad omavahel ühendatud aminohappejääkidest peptiidsidemetega.

Mõned neist on suhteliselt lühikesed ahelad, teised aga on märksa suuremad molekulid, mida võib nimetada ka valk-hormoonideks.

Hormoonsüsteemi bioloogias kattuvad need kategooriad osaliselt. Peptiidhormoone käsitlev terminoloogia hõlmab aminohapetest koosnevaid signaalmolekule ega eelda ühe universaalse ahela pikkuse piiri olemasolu, mis eraldaks kõiki peptide kõigist valkudest.

Sõna „hormoon” kirjeldab eelkõige molekuli signaalifunktsiooni, mitte ainult selle keemilist struktuuri.

Klassikalises endokriinses süsteemis eritab rakk või kude hormooni vereringesse, mille tulemusel võib see mõjutada sellele reageerivaid rakke, mis asuvad organismi teistes osades.

Bioloogiline suhtlus ei piirdu siiski ainult selle mehhanismiga. Seotud molekulid võivad osaleda ka naaberrakkude vahelises kohalikus suhtluses ning muudes rakusignalisatsiooni vormides.

Seega ei piisa ainult keemilisest struktuurist, et pidada antud peptiidi hormooniks.

Paljud peptiidid on muu hulgas järgmised:

• vahemetaboliidid;
• suuremate valkude fragmendid;
• struktuurielemendid;
• rakusiseseid regulatiivseid molekule;
• valkude lagunemissaadused;
• molekulid, millel on muud funktsioonid, mis ei ole seotud hormoonsüsteemiga.

Hormonaalse rolli kinnitamiseks vajavad teadlased tavaliselt tõendeid, mis seovad konkreetse molekuli selle sünteesi, reguleeritud vabanemise, sihtrakkude ja füsioloogilise toimega.

GLP-1-i varased uuringud inimestel illustreerivad seda lähenemisviisi hästi.

Teadlased avastasid soolestikus GLP-1-ga seotud ainet ja täheldasid selle kontsentratsiooni tõusu veres pärast glükoosi suukaudset manustamist või pärast sööki. Väikesemahulises infusioonikatses mõjutas teatud GLP-1 vorm insuliini- ja glükoosireaktsiooni. [1]

Kokkuvõttes toetasid need tähelepanekud kontseptsiooni, et sellel molekulil on füsioloogiline signaalifunktsioon.

Seda uuringut ei tohiks siiski käsitleda tõendina, mis kinnitaks iga GLP-1 bioloogiat puudutavat mehhanismi, kliinilist rakendust või hilisemat väidet.

Sihtrakud määratakse kindlaks nende reageerimisvõime alusel

Hormoon võib voolata paljude rakkude kõrvalt mööda, ilma et see põhjustaks neis kõigis ühesugust reaktsiooni.

Selleks, et rakk saaks reageerida, peab tal tavaliselt olema vastav retseptor ning rakusiseseid molekulaarseid mehhanisme, mis võimaldavad töödelda signaali, mis tekib retseptori aktiveerimise järel.

Retseptorid tuvastavad molekulide teatud omadusi.

Tuvastamine võib sõltuda muu hulgas järgmistest teguritest:

• aminohapete järjestus;
• ruumiline struktuur;
• koorma paigutus;
• keemilised muudatused;
• retseptori konformatsioon;
• asjakohaste siduvate pindade kättesaadavus.

Seega ei tähenda asjaolu, et tegemist on peptiidiga, veel seda, et see võib aktiveerida mõne teise peptiidhormooni retseptorit.

Oluline on ka retseptorite arv.

Rakk, millel on palju funktsionaalseid retseptoreid, võib reageerida teisiti kui rakk, millel neid on vähem. Reaktsioonile võivad mõju avaldada ka retseptorite asukoht, nende modifikatsioonid, nendega interakteeruvad valgud ning eelnev stimuleerimine.

Isegi kaks kude, millel on sama retseptor, võivad reageerida erinevalt, kuna nende rakusisene signaalimismehhanism on erinev.

Retseptori aktiveerimine võib mõjutada muu hulgas järgmisi asju:

• ensüümide aktiivsus;
• ioonide transport;
• membraankanalid;
• mullide liikumine;
• eritumine;
• ainevahetus;
• valkude fosforüülimine;
• geenide transkriptsioon;
• mitme sellise protsessi kombinatsioon.

Seega on retseptoriga seondumine alles esimene samm toimemehhanismi selgitamisel, mitte aga täielik vastus küsimusele bioloogilise toime kohta.

Peptiidhormoonid osalevad paljude erinevate süsteemide toimimises

Need näited illustreerivad erinevaid füsioloogilisi funktsioone, mitte aga peptiidide rühma kuulumisest tulenevaid ühiseid eeliseid.

Uuringud, mis käsitlevad insuliiniretseptori kinaasi aktiivsust, GLP-1 füsioloogiat, akvaporiini-2 sisaldust uriinis, kaltsiumi–PTH reaktsiooni, GnRH impulsside rütmi ja ANP retseptoreid, analüüsivad erinevaid elemente eraldiseisvates hormoonsüsteemides. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Seetõttu ei tohiks ühe peptiidhormooni tulemusi automaatselt üle kanda teisele ainult sellepärast, et mõlemad molekulid kuuluvad samasse laiemasse keemilisse kategooriasse.

Kuidas tekivad ja vabanevad peptiidhormoonid?

Paljud hormoonid tekivad algselt suuremate eelainete molekulidena

Paljud peptiidhormoonid sünteesitakse esialgu suuremate molekulidena, mida nimetatakse preprohormoonideks.

Eesliide „pre-” viitab tavaliselt signaalijadale, mis aitab suunata tekkivat molekuli raku sekretsioonirajale.

Pärast selle järjestuse eemaldamist nimetatakse järelejäänud eelainet tavaliselt prohormooniks.

Edasine töötlemine võib viia küpsenud hormooni tekkeni ning mõnel juhul mitme bioloogiliselt olulise saaduse tekkeni.

Klassikalises reguleeritud sekretsioonirajas jõuab tekkiv prekursor retikuliumisse, läbib seejärel Golgi aparaadi ja suunatakse vastavatesse sekretsioonikambritesse.

Sõltuvalt molekulist võivad järgmised etapid hõlmata:

• voltimine;
• disulfiidsildade moodustumine;
• ensümaatiline lagundamine;
• keti otsade modifikatsioonid;
• muud keemilised muudatused;
• sorteerimine;
• pakendamine vastavalt eritusjõulisusele.

Need protsessid ei kulge iga peptiidhormooni puhul täpselt samamoodi.

Üks prekursor võib sisaldada mitut potentsiaalset peptiiditoodet ning erinevad rakutüübid võivad sama prekursorit erinevalt töötleda.

Seega ei pea geeni poolt kodeeritud aminohappeseeria otseselt vastama ühele vereringes leiduvale küpsele hormoonile.

Eelainete töötlemine mõjutab seda, milline hormoon tekib

Proglukagon on eriti hea näide, kuna pankrease- ja soolekude võivad samast eelainest toota erinevaid molekulaarseid saadusi.

Inimkudede uuringus kasutati immunokeemilisi ja kromatograafilisi meetodeid, et identifitseerida erinevaid glükagooniga seotud molekulide mustreid kõhunäärmes ja peensooles. [7]

Hilisemates rakukatsetes analüüsiti PC2 ja PC3 lagundavate ensüümide rolli, kusjuures PC3-d nimetatakse sageli ka PC1/3-ks.

Tulemused näitasid, et ensüümikeskkonna mõju oli tugev, sõltuvalt sellest, kas ainevahetus sarnanes pigem kõhunäärme või soole iseloomuliku mudeliga. Uuringud tõid esile ka piirangud kõigi lagundamisetappide taastamisel isoleeritud ensüümsüsteemi abil. [8]

Üldpõhimõte on oluline:

Prekursori järjestus määrab kindlaks võimalikud saadused, samas kui selles rakus esinevad muundamisprotsessid aitavad kindlaks teha, millised molekulvormid tegelikult tekivad.

See on oluline ka laboratoorsete mõõtmiste puhul.

Test, mis tuvastab mitut ühe eelainega seotud vormi, võib anda teistsuguseid tulemusi kui meetod, mis on spetsiaalselt välja töötatud ühe küpse hormooni tuvastamiseks.

Seega tuleb esitatud kontsentratsiooni tõlgendada koos teabega selle kohta, milliseid molekulivorme kasutatav analüüsimeetod täpselt tuvastab.

Sekretsiooniosakesed võimaldavad kontrollitud vabanemist

Paljud endokriinsed rakud hoiavad töödeldud peptiidhormoone sekretsioonikestades.

Pärast asjakohase stiimuli tekkimist viivad reguleeritavad rakumehhanismid terade ühendamiseni rakumembraaniga.

Seejärel vabaneb nende sisu eksotsütoosi teel rakust välja.

Varustamine võimaldab eritumist kiiresti suurendada, ilma et oleks vaja alustada iga vabaneva molekuli sünteesi täiesti algusest just siis, kui stiimul ilmub.

See ei tähenda aga, et kõik terad oleksid võrdselt kergesti kättesaadavad koheseks vabanemiseks.

Rakud võivad sisaldada funktsionaalselt erinevaid terasuuruste kogumeid ning pikaajaline eritumine nõuab edasist tootmist, töötlemist ja varude täiendamist.

Hormooni vabanemine on seega aktiivselt kontrollitud rakuline protsess, mitte kogu raku sisu passiivne väljavoolamine.

Inimese pankrease saarekeste ja beeta-rakkude uuringud on näidanud, et eksotsütootilise valgu Munc18c koguse vähenemine häiris insuliini sekretsiooni ja muutis selle vabanemist erinevatest teralisusega reservuaaridest. [9]

Need tulemused toetavad otseselt spetsialiseerunud membraanifusioonimehhanismide rolli.

Need ei anna siiski täielikku selgitust kõigi insuliini eritumist reguleerivate molekulaarsete protsesside kohta.

Erinevad hormoonsüsteemid reageerivad erinevatele ärritajatele

Iga endokriinne rakk reageerib erinevatele füsioloogilistele signaalidele.

Nende hulka võivad kuuluda:

• toitainete kontsentratsioonid;
• elektriline aktiivsus;
• neurotransmitterid;
• muud hormoonid;
• rakust väljaspool asuvad ioonid;
• osmootilised tingimused;
• mehaanilised muudatused;
• erinevate regulatiivsete stiimulite kombinatsioonid.

Raku-sisene kaltsium osaleb sageli sekretsiooniväikeste ühinemisel, kuid kaltsiumisignaali tekkimiseni viivad protsessid erinevad rakutüüpide lõikes.

Näiteks pankrease beetarakkudes on glükoosi ainevahetus tihedalt seotud elektrilise aktiivsusega, kaltsiumi sissevooluga ja insuliini sisaldavate granulite vabanemisega.

Hüpotalami neuroendokriinsed rakud toimivad omakorda keerulistes närvi-, hormonaalsete ja füsioloogiliste signaalide võrgustikes.

Seega ei oleks õige esitada üht konkreetset eritumisteed kui kõigi peptiidhormoonide universaalset mehhanismi.

Eksperimentaalse seisukohast on oluline eristada hormooni sünteesi selle eritumisest.

Kortikotropiini vabastavat hormooni tootvate rottide neuronite uurimine näitas, et geeni aktiveerumisel ja sekretsiooniga seotud reaktsioonidel olid pikaajalise stressi korral erinevad reaktsioonikünnised. [10]

Hormooni suurenenud vabanemine ei pruugi seega tähendada, et selle eelkäijat kodeeriva geeni transkriptsioon muutub samas ulatuses ja täpselt samal ajal.

Eritumise aeg ja rütm võivad edastada teavet

Hormooniga kokkupuudet ei iseloomusta üksnes selle keskmine kontsentratsioon.

Ajaline mudel võib hõlmata järgmist:

• eraldi impulssid;
• impulsside sageduse muutused;
• impulsside amplituudi muutused;
• püsiv kontsentratsiooni tõus;
• ööpäevane rütm;
• toiduvõtmisega, unega, stressiga või muude füsioloogiliste sündmustega seotud reaktsioonid.

Erinevad ajaliselt seotud mustrid võivad põhjustada erinevaid rakulisi reaktsioone.

GnRH-puudusega isasrottidel läbi viidud katsed näitasid, et erinevad GnRH-impulsside sagedused põhjustasid gonadotropiinide alarühmade transkriptsioonis erinevaid mustreid. Reaktsioon hõlmas nii GnRH otsest signaalimist kui ka hüpofüüsi kohalike regulatsioonimehhanismide muutusi. [5]

Need uuringud aitavad selgitada, miks hormonaalsignaali aeg ja rütm võivad edastada bioloogilist teavet.

Selliste loomkatsete tulemusi ei tohiks siiski üldistada inimestele aine manustamise skeemideks.

Seega on veres mõõdetud hormooni kontsentratsioon vaid pilt dünaamiliselt muutuvast süsteemist teatud hetkel.

Tõlgendus võib sõltuda järgmistest teguritest:

• proovi võtmise aeg;
• eritumise pulsatiivne iseloom;
• mõõdetud molekulmass;
• hiljutised füsioloogilised sündmused;
• eliminatsiooni kiirus;
• kasutatud testi eripärad.

Retseptorid ja rakusignalisatsioon

Mis juhtub, kui peptiidhormoon jõuab sihtrakku?

Enamik peptiidhormoone avaldab oma toimet, seondudes rakupinnal asuvate või rakuga otseselt seotud retseptoritega.

Hormooni seondumine retseptoriga muudab selle aktiivsust või konformatsiooni, võimaldades teabe edastamist raku sisse.

Seega läbib signaal membraani retseptorisüsteemi kaudu.

Peptiidhormoon ei pea tavaliselt ise läbima rakumembraani ja vabalt sisenema tsütoplasmasse, et alustada signaali edastamist.

See aitab mõista, kuidas veekeskkonnas suhteliselt hästi lahustuv rakuväline molekul võib mõjutada rakus toimuvaid protsesse.

Edasine kulg sõltub retseptori tüübist.

Peptiidhormoonide retseptorid kuuluvad mitmesse mehaaniliselt erinevasse klassi.

Mõned edastavad signaali järgmiste vahendite kaudu:

• heterotrimeersed G-valgud;
• retseptoriga seotud ensüümid;
• oma kinaasaktiivsuse;
• guanylaatsülaasi aktiivsus;
• muud signaalvalgud.

Üldine skeem:

hormoon → retseptor → rakusisene signaal → raku reaktsioon

on väga kasulik.

Siiski ei ole olemas üht ühist rakusisest rada, mis oleks iseloomulik kõigile peptiidhormoonidele.

G-valguga seotud retseptorid ja sekundaarsed signaaliedastajad

Paljud peptiidhormoonid edastavad signaale G-valguga seotud retseptorite, st GPCR-ide kaudu.

Need on membraanivalgud, mis suhtlevad rakusiseste G-valkudega ning võivad mõjutada ensüüme, ioonikanaleid ja sekundaarseid signaaliedastussüsteeme.

Üks olulisemaid sekundaarseid signaalülekandjaid on tsükliline AMP (cAMP).

Tüüpilises cAMP-signaalitees mõjutab retseptori aktiveerimine adenülaattsüklaasi, s.t. ensüümi, mis vastutab cAMP tootmise eest.

Muutused cAMP kontsentratsioonis võivad omakorda mõjutada järgmiste signaalvalkude aktiivsust.

Muud GPCR-retseptorid võivad kasutada teistsuguseid mehhanisme.

Oluline on see, et mitte iga GPCR-retseptor ei suurenda cAMP kontsentratsiooni.

Mõned retseptorite ja G-valkude kombinatsioonid võivad selle tootmist vähendada, samas kui teised reguleerivad peamiselt kaltsiumiga seotud signaalradasid või muid rakusiseseid protsesse.

Seega kirjeldab väide, et hormoon „kasutab sekundaarset signaalmolekuli”, üldist signaalimisstrateegiat, mitte üht universaalset molekulaarmehhanismi.

Ühes varases uuringus, mis viidi läbi rottide pankrease saarekeste rakuliinil, leiti, et GLP-1 töödeldud vorm suurendas cAMP-i taset, insuliiniga seotud mRNA taset ning insuliini vabanemist. [11]

Selles eksperimendis seostati rakuväline peptiidsignaal rakusiseste biokeemiliste muutuste ja geenide ekspressiooniga.

Järeldused kehtivad siiski vaid kasutatud mudeli ja katsetingimuste puhul.

Kaltsiumi signaaliedastus ja signaali võimendamine

Teine sageli esinev GPCR-signaalitee hõlmab fosfolipaasi C-d.

Selle aktiveerimine võib viia selliste rakusiseste signaalmolekulide tekkeni nagu inositooltrifosfaat (IP3) ja diatsüülglütserool (DAG).

IP3 võib soodustada kaltsiumi vabanemist rakusisestest varudest, samas kui DAG võib osaleda proteiinkinaasi C aktiveerimises.

Need protsessid aitavad retseptori aktiveerimist muuta raku aktiivsuse muutuseks.

See ei ole aga rada, mida kasutavad kõik peptiidhormooni retseptorid.

Signaalikaskadid võivad signaali ka võimendada.

Üks aktiveeritud retseptor võib mõjutada mitmeid ahelast kaugemal asuvaid molekule ning üks aktiveeritud ensüüm võib toota mitmeid sekundaarse signaalmolekuli molekule.

See aitab selgitada, miks suhteliselt nõrk ekstratsellulaarne signaal võib mõnikord põhjustada märkimisväärset rakulist reaktsiooni.

Signaali võimendamine ei ole siiski piiramatu.

Selle tugevust ja kestust mõjutavad muu hulgas:

• retseptorite arv;
• ensüümide kättesaadavus;
• substraatide kättesaadavus;
• tagasiside mehhanismid;
• fosfataasid;
• sekundaarrelee rike;
• retseptorite desensibiliseerimine;
• sihraku funktsionaalsed võimalused.

Sekundaarne neurotransmitter on seega raja vahepealne element, mitte füsioloogiline lõpptulemus.

Olulised on selle liik, kontsentratsioon, asukoht ja toimeaeg, samuti raku võime muuta see signaal konkreetseks reaktsiooniks.

Insuliiniretseptor toimib teisiti

Insuliiniretseptor on retseptor-tüüpi türosiinkinaas.

Seega erineb selle esialgne signaalimismehhanism oluliselt klassikalisest GPCR-mehhanismist.

Insuliini seondumine põhjustab retseptori kinaasilise osa aktiveerimise raku sees.

Aktiveeritud retseptor fosforüleerib valkudes kindlaid kohti ja käivitab järgnevad signaalivõrgustikud.

Puhastatud insuliiniretseptoreid kasutavad biokeemilised uuringud on seostanud türosiini autofosforüleerimise kinaasi aktiivsuse suurenemisega. [3]

Need katsed võimaldasid kindlaks teha retseptori olulised omadused.

Puhastatud retseptor ei jäljenda siiski kõiki protsesse, mis toimuvad tervetes lihas-, maksa-, rasvkoe- või muudes insuliinile reageerivates kudedes.

Kõige olulisem järeldus on lihtne:

peptiidhormoonid võivad aktiveerida erinevaid retseptoriklasse.

Insuliin on oluline näide, mis illustreerib, miks peptiidhormoonide signaalimist ei tohiks kokku võtta järgmise väitega:

„Peptiidhormoon seondub GPCR-iga ja suurendab cAMP-i taset”.

See mehhanism kehtib teatud süsteemide puhul, kuid mitte kogu rühma kohta.

Natriureetiliste peptiidide retseptorid võivad toota cGMP-d

ANP on näide veel ühest retseptorimehhanismist.

Selle guanülaattsüklaasi A retseptor on seotud tsüklilise GMP (cGMP) tekkega.

cGMP ja cAMP on tsüklilised nukleotiidid, kuid need ei ole sama molekul ning need tekivad erinevate ensüümsüsteemide osalusel.

Natriureetiliste peptiidide retseptoritega seotud mutatsioonikatsed näitasid, et kinaasile sarnane regulatoorne piirkond mängis olulist rolli retseptori aktiivsuse reguleerimisel. Muutused selles piirkonnas võisid põhjustada normaalse regulatsiooni kadumist või aktiivsust, mis esineb ilma tüüpilise hormonaalse stimulatsioonita. [6]

Sellisel juhul on täpne terminoloogia oluline.

Kinaasi meenutava domeeni olemasolu ei tähenda, et retseptor toimiks sama türosiinkinaasi mehhanismi abil kui insuliiniretseptor.

Arvesse tuleb võtta retseptori struktuuri, selle katalüütilist aktiivsust ning mõõdetava biokeemilise aine liiki.

Pinnale seondumine ei tähenda, et retseptor jääb alati sinna

Aktiveeritud retseptorid võivad läbida endotsütoosi, st liikuda rakumembraanilt membraaniga ümbritsetud sisemistesse ruumidesse.

See protsess erineb peptiidhormooni vabast läbipääsust lipiidmembraani kaudu tsütoplasmasse.

Modifitseeritud neerupäritolu inimrakkudes jälgisid teadlased ANP-retseptorite liikumist rakusisestesse kompartimentidesse, samal ajal kui cGMP tootmine püsis muutumatuna. [12]

Need tähelepanekud näitavad, et retseptori transport ja signaaliedastus võivad toimuda samaaegselt.

Need ei tõenda siiski, et iga retseptor edastaks pärast internaliseerimist signaali ühtmoodi ega seda, et kogu mõõdetud cGMP tekkis ühes kindlas rakuosas.

Seega on väide, et peptiidhormoonid alustavad signaaliedastust tavaliselt pinnareceptorite kaudu, kasulik üldistus.

Väide, et peptiidhormoonid ja nende retseptorid ei saa kunagi sattuda rakusisestesse ruumidesse, oleks aga liiga kategooriline.

Rakkude reaktsioon võib olla kiire, hilinenud või hõlmata mõlemat etappi

Retseptorite kaudu toimuv signaaliedastus võib muuta rakus juba olemasolevate valkude aktiivsust.

Sellised mehhanismid võivad viia suhteliselt kiirete reageeringuteni.

Signaaliteed võivad mõjutada ka transkriptsiooni ja valkude sünteesi, põhjustades pikaajalisi mõjusid.

Mõlemad mehhanismid võivad esineda üheaegselt.

Sama signaalsüsteem võib põhjustada kiireid biokeemilisi muutusi ja sellele järgnevaid transkriptsioonilisi muutusi.

GLP-1-uuringus mõõdeti rakkudes nii signaalimisega seotud muutusi kui ka insuliini geeni ekspressiooni, mis näitab, miks raku pinnal algavat signaalimist ei tohiks pidada võimetuks mõjutama tuumas toimuvaid protsesse. [11]

Sekundaarse vahendaja kontsentratsiooni tõus kujutab endast siiski vaid üht tõendite taset.

Füsioloogilise mõju täieliku tõendamiseks on vaja, sõltuvalt uurimisküsimusest, ühendada järgmised tasandid:

retseptori aktiveerimine → rakusisene signaaliedastus → raku käitumine → koereaktsioon → kogu organismi füsioloogia.

Peptiidhormoonid ja steroidhormoonid

Muud keemilised alused

Peptiidhormoonid koosnevad aminohappeahelatest.

Steroidhormoonid tekivad kolesteroolist ja neil on iseloomulik steroidrõngaste struktuur.

Keemilised erinevused mõjutavad mõlema hormoonirühma sünteesi, ladustamist, transporti, äratundmist ja signaali edastamist.

Peptiidhormoonid toimivad veekeskkonnas tavaliselt hästi, kuid üldjuhul ei läbi nad lihtsa difusiooni teel rakumembraani hüdrofoobset sisemust.

Steroidhormoonid sobivad paremini kokku lipiidkeskkonnaga ja võivad jõuda rakusisestesse retseptorisüsteemidesse.

Paljud steroidhormoonid ringlevad veres osaliselt seotuna transportvalkudega.

Peptiidhormoonide transportomadused erinevad molekuliti.

Tegemist on üldiste füsioloogiliste mustritega, mitte aga absoluutsete reeglitega, mis kehtiksid mõlema kategooria iga esindaja puhul.

Molekulaarsed modifikatsioonid, seonduvad valgud, retseptori tüüp ja kudede kontekst võivad üksikasju muuta.

Retseptorite klassikaline võrdlus

Klassikaline võrdlus on kasulik hormonaalbioloogia õppimisel.

Siiski ei tohiks neid kahte kategooriat kujutada täiesti eraldiseisvate signaalimaailmadena.

Peptiid- ja steroidsignaalsüsteeme käsitlevas publikatsioonis on kirjeldatud tõendeid steroidide kiire toimimise kohta, mis ei nõua uute valkude sünteesi. [13]

Kõnealune allikas on ülevaade, mis põhineb muu hulgas teaduslikel aruteludel, mitte aga ühelainsal eksperimendil, mis kinnitaks üht universaalset mehhanismi kõigi steroidhormoonide puhul.

Miks on väide „peptiidid toimivad kiiresti, steroidid aga aeglaselt” liiga lihtsustatud?

Mõned reaktsioonid peptiidhormoonidele ilmnevad kiiresti, kuna signaaliteed muudavad rakus juba olemasolevaid valke.

Peptiidide signaaliedastus võib aga mõjutada ka transkriptsiooni ja uute valkude sünteesi, põhjustades aeglasemalt arenevaid reaktsioone.

Teisest küljest ei piirdu steroidhormoonid ainult aeglaste, transkriptsioonist sõltuvate mõjudega.

Teaduslikult kasulikumad küsimused on järgmised:

• Millist hormooni analüüsitakse?
• Milline retseptor aktiveeritakse?
• Milline rakusisene signaalrada käivitatakse seejärel?
• Millist bioloogilist mõju mõõdetakse?
• Kui palju aega pärast stimuleerimist tehti mõõtmine?

Sekundaarse signaalülekandja varase reaktsiooni võrdlemine hilisema transkriptsioonilise reaktsiooniga, ilma mõõdetavat mõju täpsustamata, võib viia eksitava jaotuseni „kiirete” ja „aeglaste” hormoonide vahel. [11] [13]

Mõlemad hormoonirühmad võivad üksteist vastastikku reguleerida

Peptiid- ja steroidhormoonid osalevad sageli samades endokriinsetes võrgustikes.

Hea näide on stressireaktsiooni telg.

Hüpotalamuse ja hüpofüüsi peptiidsignaalid osalevad neerupealiste steroidide tootmise reguleerimises, samas kui glükokortikosteroidid osalevad tagasisides, mis mõjutab selle süsteemi varasemaid osi.

Tagasisidet ei tohiks siiski kujutada ette kui kohest „sisse-välja” lülitit.

Rottidel läbi viidud CRH-neuronite uuring näitas, et sekretsioon, geenide aktiveerumine ja glükokortikosteroididest sõltuv tagasiside sõltusid stiimuli liigist ja mõõtmise ajast. [10]

See toetab üksikasjalikumat hormonaalse regulatsiooni mudelit, milles süsteemi üksikud osad võivad reageerida erinevates ajaskaalades.

Tagasiside ja signaali lõpetamine

Negatiivne tagasiside aitab stabiliseerida füsioloogilisi näitajaid

Negatiivne tagasiside tekib siis, kui füsioloogilise reaktsiooni tagajärjed vähendavad stiimulit, mis põhjustab edasist signaaliedastust.

Reguleeritav parameeter võib hõlmata muu hulgas järgmist:

• toitainete kättesaadavus;
• ioonide kontsentratsioon;
• veemajandus;
• vere maht;
• endokriinsüsteemi tegevus;
• muu füsioloogiline näitaja.

Heaks näiteks on kaltsiumi ja PTH süsteem.

Rakuvälise kaltsiumi madalam kontsentratsioon soodustab tavaliselt PTH eritumist, samas kui selle kontsentratsiooni tõus võib seda eritumist pärssida.

Tervete noorte meeste seas läbi viidud uuringus täheldati PTH kontsentratsiooni langust veres pärast kaltsiumi manustamist. [4]

See näitab käesoleva uuringu tingimustes esinevat füsioloogilist seost.

See ei anna siiski alust toidulisandite kasutamise soovituste andmiseks ega võimalda ennustada kõiki haiguse käigus esinevaid reaktsioone.

Tagasiside võib toimida mitmel tasandil, muu hulgas järgmiste viiside kaudu:

• hormooni eritumine;
• prekursori tootmine;
• geenide transkriptsioon;
• retseptorite tundlikkus;
• signalisatsiooni järgmised etapid;
• endokriinsete kudede vahelised vastastikused mõjud.

See võib toimida ka teatud viivitusega.

Seetõttu ei tohiks lühiajalist reaktsiooni ja pikaajalist kohanemist automaatselt käsitleda ühe ja sama protsessina.

Hormoonide lagunemine lühendab kokkupuuteaega

Peptiidhormoone võivad ensüümid lagundada, mis muudab nende molekulaarstruktuuri ja bioloogilist aktiivsust.

Sõltuvalt konkreetsest molekulist võivad selle eemaldamisel osaleda ka kudede poolt sidumine, neerud, maks ja muud eliminatsiooniprotsessid.

GLP-1 uuringud näitasid, et inimese plasmas tekkis N-otsast lühendatud metaboliit, ning viitasid dipeptidüülpeptidaasi IV (DPP-IV) osalusele selles reaktsioonis. Teadlased eristasid inimestelt võetud proovides ka tervet peptiidi selle metaboliitidest. [14]

See eristus on oluline, sest puutumatu hormooni kadumine ja sellega seotud peptiidifragmentide tekkimine ei ole sama näitaja.

Samuti ei tohiks isoleeritud plasmakatses mõõdetud peptiidi stabiilsust automaatselt samastada selle täieliku toimeajaga elusorganismis.

Vaadeldavat ajalist kulgu võivad mõjutada eritumine, jaotumine, vereringe, kudede poolt imendumine, ensümaatiline lagundamine ja eliminatsioon.

Ka mobiiltelefon lülitab oma vastuse välja

Signaali lõppemine ei sõltu ainult hormooni eemaldamisest vereringest.

Rakkudel on palju mehhanisme, mis vähendavad rakusisest signaaliedastust.

Näiteks:

• G-valgud võivad naasta mitteaktiivsesse olekusse;
• tsüklilised nukleotiidid võivad laguneda;
• valkfosfataasid võivad eemaldada fosfaadirühmi;
• rakusisese kaltsiumi kontsentratsioon ja jaotus võivad naasta puhkeseisundi väärtuste suunas;
• signaalvalke võib pärssida;
• retseptorid võivad desensibiliseeruda;
• retseptorid võivad liikuda teistesse rakukompartimentidesse.

Need mehhanismid tagavad palju kontrollpunkte.

Hormoon võib endiselt esineda, kuigi rakk muutub selle toime suhtes vähem tundlikuks.

Teisest küljest võivad mõned rakusiseseid tagajärjed püsida veel mõnda aega pärast hormooni kontsentratsiooni langemist raku väljaspool.

Seega ei võimalda vaid ühe liiklusmärgi mõõtmine määrata kindlaks kogu liiklusmärgistussüsteemi seisukorda.

Desensibiliseerimine muudab retseptori tundlikkust

Desensibiliseerimine tähendab organismi reaktsiooni vähenemist pideva või korduva stimuleerimise korral.

Sõltuvalt retseptori tüübist võivad need mehhanismid hõlmata järgmist:

• retseptori fosforüülimine;
• defosforüülimine;
• signaalipartneritega toimuva sidestuse muutmine;
• retseptori internaliseerimine;
• retseptorite arvu muutus;
• muutused valkudes, mis osalevad signaaliedastuse järgmistes etappides.

ANP-le vastava guanülaattsüklaasi A retseptori uuringus kirjeldati vastuse vähenemisega seotud keerukat fosforüleerimise ja defosforüleerimise mustrit. [15]

Tulemused ei kinnitanud lihtsat mudelit, mille kohaselt iga fosforüleerimine aktiveerib retseptori ja iga defosforüleerimine lülitab selle välja.

Retseptori internaliseerimist ei tohiks samuti automaatselt võrdsustada signaali täieliku lõppemisega.

Tagajärjed sõltuvad retseptori tüübist, selle sihtkohast raku sees, taaskasutamise võimalustest, lagundamisest ning sellest, kas signaaliedastus võib jätkuda rakusisestest kompartimentidest.

Mida hormoonimõõtmine näitab ja mida mitte?

Mõõdetud hormoonikontsentratsioon võib olla mitme samaaegselt toimuva protsessi tulemus:

tootmine + töötlemine + eraldamine + jaotamine − lagunemine − sidumine − kõrvaldamine.

Analüüsimeetodiga on võimalik tuvastada ka:

• puutumatu hormoon;
• eelainete molekulid;
• metaboliidid;
• lõhustumise tulemusel tekkinud osakesed;
• mõned seotud molekulaarsed vormid.

See, millised vormid tuvastatakse, sõltub testi ülesehitusest.

GLP-1 lagunemise uuringus analüüsiti seda probleemi, kombineerides kromatograafilist eraldamist immunoloogiliste testidega ja metaboliidi struktuurilise identifitseerimisega. [14]

See eristus oli oluline, kuna tulemus, mis kajastas üldist immunoreaktiivsust, ei pruukinud vastata ainult tervete, bioloogiliselt oluliste peptiidide mõõtmistulemusele.

Hormooni kontsentratsioon, seondumine retseptoriga, sekundaarse signaalmolekuli süntees, geenide ekspressioon ja füsioloogiline funktsioon on seega eraldi mõõdetavad suurusjärgud.

Nende tasandite ühendamine võimaldab luua märksa tugevama mehhanistliku selgituse kui ühe tulemuse käsitlemine kogu hormoonsüsteemi esindajana.

Korduma kippuvad küsimused

1. Kas peptiidhormoonid tungivad rakkudesse?

Enamik peptiidhormoone alustab signaaliedastust, seondudes raku pinnal asuvate retseptoritega, selle asemel et vabalt tungida rakumembraani kaudu tsütoplasmasse. Sellega seotud retseptori internaliseerimine võib aga viia hormoon-retseptori komplekside või seotud retseptorisüsteemide transportimiseni membraaniga ümbritsetud rakusisestesse ruumidesse. ANP-retseptori uuringutes on teatavas rakumudelis täheldatud retseptori liikumist, samal ajal kui cGMP tootmine püsib. See ei tähenda hormooni vaba läbipääsu läbi membraani ega tõenda, et iga peptiidhormoon kasutab sama mehhanismi. Esmane tuvastamine raku pinnal ja sellele järgnev retseptoriga seotud internaliseerimine on signaalimise eraldiseisvad etapid. [12]

2. Kas kõik peptiidid on hormoonid?

Ei. Peptiidi määratletakse eelkõige selle aminohapetel põhineva molekulaarstruktuuri alusel, samas kui hormooni määratletakse selle rolli alusel füsioloogilises suhtluses. Hormonaalse funktsiooni kinnitamiseks on vaja andmeid tootmise, reguleeritud vabanemise, reageerivate kudede, retseptorite toimimise ja bioloogilise reaktsiooni kohta. Varased GLP-1 uuringud inimestel näitavad, kuidas erinevad tõendid võivad üheskoos hormonaalset rolli kinnitada. Paljud teised peptiidid on valkude fragmendid, ainevahetusmolekulid, struktuurikomponendid või täidavad hormoonsüsteemiga mitteseotud funktsioone. Seega ei piisa peptiidsidemete olemasolust üksi, et molekuli hormooniks tunnistada. [1]

3. Mis juhtub esimesena, kui peptiidhormoon jõuab sihtrakkudesse?

Tavaliselt mõjutab hormoon esmalt vastavat retseptorit, mis asub raku pinnal või on sellega otseselt seotud. Seondumine muudab retseptori aktiivsust või konformatsiooni ning käivitab rakusisese signaaliedastuse. Edasine kulg sõltub retseptori klassist. Insuliiniretseptori puhul on uuringud seostanud selle aktiveerumise türosiini fosforüülimise ja kinaasi aktiivsusega. Need tulemused kehtivad ühe konkreetse retseptorisüsteemi kohta, mitte kõigi peptiidhormoonide kohta. Seega on õige retseptori identifitseerimine üks esimesi samme, mis on vajalikud konkreetse raku reaktsiooni mõistmiseks. [3]

4. Kuidas mõjutavad peptiidhormoonid sihtrakke?

Peptiidhormoonid mõjutavad rakke retseptorite poolt käivitatud signaaliteede kaudu. Need võivad muuta ensüümide aktiivsust, membraanide kaudu toimuvat transporti, ioonide tasakaalu, sekretsiooni, ainevahetust, valkude fosforüleerimist ja geenide ekspressiooni. Rottide pankrease saarekeste rakuliinis mõjutas GLP-1 cAMP kontsentratsiooni, insuliiniga seotud mRNA-d ja insuliini vabanemist. See eksperiment näitab ühe peptiidsignaali mõju rakule mitmel tasandil, kuid see ei tähenda, et iga kude reageeriks samamoodi. Lõpptulemus sõltub konkreetsest hormoonist, retseptorist, rakusisestest mehhanismidest, raku seisundist ning eksperimentaalsest või füsioloogilisest kontekstist. [11]

5. Miks mõned rakud reageerivad hormoonile, teised aga mitte?

Rakul peab tavaliselt olema sobiv funktsionaalne retseptor ning signaaliedastusmehhanismid, mis on vajalikud saadud signaali töötlemiseks. Seega ei taga hormooni olemasolu iseenesest veel reaktsiooni. Olulised on retseptorite arv, nende struktuur, asukoht, siduvad valgud ning raku eelnev stimuleerimine. Natriureetiliste peptiidide retseptorite mutatsioonide uuringud on näidanud, et muutused regulatoorses piirkonnas võivad häirida hormoonist sõltuvat normaalset aktiveerumist. Kuigi tegemist oli eksperimentaalsete uuringutega, näitavad need hästi, miks hormooni olemasolu kõrval on olulised ka retseptori struktuur ja rakuline kontekst. [6]

6. Mille poolest erineb preprohormoon prohormoonist?

Prehormoon sisaldab signaaljärjestust, mis tavaliselt aitab suunata äsjasünteesitud molekuli sekretsioonirajale. Selle järjestuse eemaldamine viib tavaliselt prohormooni tekkeni, mis võib seejärel läbida järgmisi lõhustumis- ja modifitseerimisetappe, mille tulemusena tekib üks või mitu küpset toodet. Proglukagooni uuringud näitavad, et lõppsaadused võivad sõltuda tugevalt koest ja selles leiduvatest muundavatest ensüümidest. Preprohormoon, prohormoon, vahevorm ja küps hormoon tähistavad seega erinevaid molekulaarseid etappe, mitte sama aine sünonüüme. [7] [8]

7. Kas üks eelühend võib põhjustada erinevate hormoonide tekkimist?

Jah. Erinevad rakud võivad sama eelainet erinevateks produktideks muundada, kuna neil on erinevad ensümaatilised mehhanismid. Inimese proglükagooni uuringutes täheldati erinevaid toodete mustreid kõhunäärmes ja soolestikus, ning hilisemates katsetes analüüsiti PC2 ja PC3 osalust nende tekkes. Tulemused ei tähenda, et igas liigis, koes või füsioloogilises seisundis toimuks identne muundamine. Need näitavad aga üldist põhimõtet: nii prekursori järjestus kui ka raku ensüümikeskkond mõjutavad seda, millised küpsed peptiidid lõpuks tekivad. [7] [8]

8. Miks ladustatakse paljusid peptiidhormoone granulites?

Sekretsioonigraanulid tagavad valmis hormoonivarud, mis võivad vabaneda vastava füsioloogilise signaali ilmumisel. Tänu sellele võib sekretsioon kiiresti suureneda, ilma et iga molekuli tuleks just sel hetkel algusest peale uuesti sünteesida. Granuleid reguleeritakse aktiivselt ning nende erinevad varud võivad erineda vabanemisvalmiduse poolest. Inimese beeta-rakkudel läbi viidud katsed näitasid, et Munc18c osaleb insuliini vabanemises erinevatest granuleidest. See mehhanism ei selgita kõigi endokriinsete rakkude toimimist, kuid näitab, kuidas spetsialiseeritud eksotsütootiline masinavärk ühendab ladustamise kontrollitud sekretsiooniga. [9]

9. Kas kõik peptiidhormoonid kasutavad cAMP-d?

Ei. cAMP on oluline sekundaarne signaaliülekandja teatud peptiidhormoonide retseptorite puhul, kuid kogu rühm kasutab mitmesuguseid retseptorisüsteeme. Insuliin toimib retseptoriga seotud türosiinkinaasi kaudu, samas kui ANP aktiveerib cGMP-d tootvat retseptorit. Muud peptiidhormoonid võivad kasutada erinevaid GPCR-signaalradasid, sealhulgas rakusisese kaltsiumi taset mõjutavaid süsteeme. Insuliini- ja ANP-retseptorite uuringud näitavad, miks peptiidhormoonide signaalimist ei saa taandada üheleainsale cAMP-signaalrajale. Enne mehhanismi kirjeldamist tuleb seega määratleda konkreetne hormoon ja selle retseptor. [3] [6]

10. Kas peptiidhormoonid võivad mõjutada geenide ekspressiooni?

Jah. Rakupinnal algav signaal võib edasi kanduda järjestikuste rakusiseste signaaliteede kaudu ja lõpuks mõjutada transkriptsiooni. GLP-1-uuringutes rottide kultiveeritud rakkudes täheldati insuliini mRNA muutusi, samas kui GnRH-impulssidega tehtud katsed rottidel näitasid gonadotropiinide alarühmade transkriptsiooni muutusi. Need tulemused puudutavad konkreetseid mudeleid ega tähenda, et iga reaktsioon peptiidhormoonile nõuaks uute geenide ekspressiooni. Need näitavad siiski, et membraaniretseptorist algav signaalimine võib mõjutada nii kiireid biokeemilisi protsesse kui ka pikema aja jooksul toimuvat transkriptsiooni regulatsiooni. [5] [11]

11. Kas peptiidhormoonid toimivad alati kiiremini kui steroidhormoonid?

Ei. Reaktsiooni kiirus sõltub retseptorist, signaaliteest, uuritavast bioloogilisest efektist ja mõõtmise ajast. Peptiidhormoonid võivad kiiresti muuta olemasolevate valkude aktiivsust, kuid võivad mõjutada ka geenide ekspressiooni ja põhjustada hilisemaid reaktsioone. Endokrinoloogilises kirjanduses kirjeldatakse omakorda steroidide kiiret toimet, mis ei nõua uute valkude sünteesi. Käesolevas artiklis kasutatud steroidide alane allikas on ülevaade, mitte üksik otsustav eksperiment. Usaldusväärsem eristamine puudutab molekulide keemiat ja retseptorimehhanisme, mitte lihtsat jaotust „kiireteks peptiidideks” ja „aeglasteks steroidideks”. [11] [13]

12. Miks on hormoonimpulsside sagedus oluline?

Rakud võivad reageerida erinevalt korduvatele impulssidele, erinevatele impulssisagedustele ja pidevale mõjule, isegi kui tegemist on iga kord sama hormooniga. GnRH-defitsiidiga rottidel mõjutas impulsside sageduse muutus gonadotropiinide allüksuste transkriptsioonimustreid hüpofüüsis ning kohalikke regulatiivseid reaktsioone. Need eksperimendid kinnitavad aja tähtsust selles bioloogilises mudelis, kuid ei määra kindlaks hormooni manustamise skeemi inimestele. Hormonaalset teavet võib seega kodeerida mitte ainult molekuli kontsentratsioon, vaid ka ajaline muster, mille jooksul sihtrakud selle mõjule avatud on. [5]

13. Mis on negatiivne tagasiside peptiidhormoonide reguleerimisel?

Negatiivne tagasiside tekib siis, kui teatud signaalitee toimimise tagajärjed vähendavad stiimulit, mis põhjustab hormooni edasist eritumist või hormoonsüsteemi varasemate komponentide aktiivsust. Näiteks kaltsiumi regulatsioon: tervete meeste osalusel läbi viidud kontrollitud uuringus oli kaltsiumi kättesaadavuse suurenemine seotud PTH kontsentratsiooni langusega. See eksperiment ei kajasta kõiki haigusseisundeid ega pikaajalist kohanemist, kuid näitab, kuidas reguleeritav parameeter võib edastada tagasisidet endokriinsüsteemile. Tagasiside võib hõlmata sekretsiooni, geenide ekspressiooni, retseptorite tundlikkust, teiste hormoonide mõju ja paljusid teisi regulatsiooni tasandeid. [4]

14. Kuidas lülitatakse peptiidhormooni signaal välja?

Mõned mehhanismid võivad toimida samaaegselt. Rakust väljaspool asuv hormoon võib ensüümide toimel laguneda, imenduda kudedesse või eemalduda vereringest. Retseptorid võivad muutuda vähem tundlikuks või liikuda raku erinevate osade vahel, samas kui sekundaarülekandjad võivad laguneda ja valkude fosforüleerimine pöörduda tagasi. GLP-1 uuringutes on tuvastatud ensümaatiliselt tekkiv metaboliit, samas kui ANP-retseptori uuringutes on desensitiseerumist seostatud selle fosforüleerimise muutustega. Ükski neist mehhanismidest ei ole universaalne kõigi hormoonide puhul. Signaali lõpetamist on seega kõige parem mõista kui nii ekstratsellulaarse signaaliülekandja kui ka sellele reageeriva raku koordineeritud kontrolli. [14] [15]

15. Mida tähendab retseptori desensitiseerumine?

Desensibiliseerumine tähendab, et retseptorisüsteem hakkab pideva või korduva stimulatsiooni korral tekitama nõrgemat reaktsiooni. Sõltuvalt retseptorist võib see tuleneda fosforüleerimise muutustest, koostööst signaalvalkudega, retseptori liikumisest, selle arvu muutusest või signaalitee edasiste elementide kohanemisest. ANP-retseptoriga seotud katsetes seostati reaktsiooni vähenemist kindla fosforüleerimise muutuste mustriga. See ei tähenda, et iga retseptor desensitiseerub samamoodi ega et reaktsiooni vähenemine viitaks retseptori hävimisele. Desensitiseerumine on funktsionaalne muutus, mille mehhanism tuleb iga süsteemi puhul eraldi kindlaks määrata. [15]

16. Kas hormooni kõrgem kontsentratsioon tähendab alati tugevamat toimet?

Ei. Hormooni kontsentratsioon on vaid üks bioloogilist reaktsiooni mõjutavatest teguritest. Olulised on ka retseptorite arv, nende hõivatuse tase, rakusisese signaalisüsteemi võimekus, tagasiside, varasem kokkupuude, desensitiseerumine ning sihtraku hetkefüsioloogiline seisund. ANP-retseptori desensitiseerimist käsitlevad eksperimendid näitavad, et tundlikkus võib väheneda hoolimata jätkuvast kokkupuutest aktiveeriva hormooniga. Sellised eksperimentaalsed andmed ei võimalda ennustada individuaalset hormonaalset reaktsiooni üheainsa kontsentratsioonimõõtmise põhjal. Hormooni kontsentratsioon ja bioloogiline reaktsioon on omavahel seotud, kuid ei ole sama näitaja. [15]

17. Kas hormoonitest suudab tuvastada mitteaktiivseid või muutunud fragmente?

Jah, sõltuvalt sellest, millist molekuli osa kasutatav meetod tuvastab. GLP-1 uuringud on näidanud, miks on N-otsast lühendatud metaboliitide eristamine tervest hormoonist oluline immunoloogiliste testide tulemuste tõlgendamisel. Test, mis tuvastab mõlemat vormi, võib anda teistsuguse vastuse kui meetod, mis on kavandatud ainult terve peptiidi tuvastamiseks. Piirang sõltub seega konkreetsest analüüsimeetodist. Enne tulemuse tõlgendamist aktiivse hormooni kontsentratsioonina tuleb kindlaks teha, milliseid molekulaarvorme tegelikult tuvastatakse. [14]

18. Kas peptiidhormoonid ja valghormoonid on täiesti erinevad kategooriad?

Mitte tingimata. Terminoloogia kattub osaliselt, kuna mõlemad rühmad koosnevad aminohappeahelatest ning puudub üldtunnustatud pikkuse künnis, mis eraldaks kõiki peptiidhormoone kõigist valghormoonidest. Sõna „hormoon” viitab signaalifunktsioonile, samas kui terminid „peptiid” ja „valk” viitavad molekulaarsele struktuurile ja suurusele. Praktikas nimetatakse suuremaid aminohapetest koosnevaid hormoone sagedamini valk-hormoonideks ja lühemaid peptiidhormoonideks. Kategoriseerimise täpne nimetus on siiski vähem informatiivne kui konkreetse molekuli, selle küpset struktuuri, retseptori ja eksperimentaalselt kinnitatud funktsiooni identifitseerimine.

19. Kas sama peptiidhormoon võib toimida erinevates kudedes erinevalt?

Jah. Hormooni toime sõltub mitte ainult sellest, kas retseptor seda ära tunneb, vaid ka sihtraku sees kättesaadavatest molekulaarsetest mehhanismidest. Erinevad koed võivad erineda retseptorite arvu, signaalvalkude, ensüümide, transportvalkude, transkriptsioonifaktorite ja regulatoorsete valkude poolest. Selle tulemusena ei pruugi sama retseptori aktiveerimine viia igas rakukeskkonnas identsele füsioloogilisele efektile. Seetõttu on hormonaalset signaalimist kõige parem mõista kui interaktsiooni kindla ekstratsellulaarse signaali ja konkreetse reageerimisvõimelise raku vahel, mitte kui püsivat efekti, mis on kodeeritud ainult hormoonimolekulis endas.

20. Kas sekundaaranduri mõõtmine on piisav füsioloogilise mõju kinnitamiseks?

Ei. Muutus cAMP-, cGMP-, kaltsiumi kontsentratsioonis, fosforüleerimise astmes või mõnes muus rakusisese signaali näitajas tõendab, et teatud signaalitee element on reageerinud, kuid ei kinnita automaatselt täielikku mõju kudede või kogu organismi tasandil. GLP-1-uuringus seostati rakkudes toimunud cAMP-i muutused täiendavate lõpptulemustega, samas kui insuliini- ja ANP-retseptorite uuringutes analüüsiti teisi konkreetseid biokeemilisi etappe. [3] [6] [11] Põhjalik mehhanistlik selgitus peaks eristama retseptori aktiveerimist, rakusisest signaaliedastust, raku funktsiooni, koevastust ja kogu organismi füsioloogiat, selle asemel et käsitleda üht mõõtmistulemust kõigi nende tasandite tõendina.

Peptiidhormoonide uuringute tõlgendamise piirangud

Hormonaalsete signaalimehhanismide põhialuste juurest laiemate bioloogiliste järeldusteni liikudes tuleb silmas pidada mõningaid piiranguid.

Esiteks ei moodusta peptiidhormoonid üht funktsionaalselt ühtset rühma. Insuliin, GLP-1, vasopressiin, PTH, GnRH ja ANP kuuluvad laia kategooriasse aminohapetel põhinevaid hormoone, kuid toimivad erinevate retseptorite kaudu ja osalevad erinevates füsioloogilistes süsteemides. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Teiseks ei pruugi prekursori avastamine tähendada tingimata valmis hormooni avastamist. Koe-spetsiifiline metaboliseerumine võib viia sama prekursori põhjal erinevate saaduste tekkeni, mille näiteks on proglukagooni uuringud. [7] [8]

Kolmandaks on süntees ja eritumine eraldiseisvad protsessid. Hormooni eritumise suurenemine ei pruugi tähendada selle eelkäijat kodeeriva geeni transkriptsiooni samaväärset ja samaaegset suurenemist. [10]

Neljandaks ei tähenda retseptoriga seondumine veel täielikku füsioloogilist reaktsiooni. Signaaliedastus hõlmab mitut molekulaarset tasandit ning erinevad rakud võivad sama retseptori aktiveerimise tulemusena tekitada erinevaid reaktsioone.

Viiendaks, rakukultuuridel ja puhastatud retseptoritel läbi viidud uuringud ei kajasta tervet organismi. Need võivad anda olulist teavet molekulaarsete mehhanismide kohta, kuid järeldused peaksid piirduma kasutatud eksperimentaalse süsteemiga. [3] [6] [11] [12]

Kuuendaks, aeg on oluline. Hormooniga vahelduv ja pidev kokkupuude võivad põhjustada erinevaid reaktsioone ning üksik vereproov ei pruugi kajastada sekretsiooni täielikku rütmi. [5]

Seitsmendaks erinevad hormoonitestid molekulaarse spetsiifilisuse poolest. Mõned meetodid võivad lisaks muutumata hormoonile tuvastada ka metaboliite, eelainega seotud molekule või mitut vormi korraga. [14]

Kaheksandaks ei pruugi retseptori internaliseerimine tähendada signaalimise kohest lõppemist, kuna retseptori transport ja signaali edastamine võivad teatud tingimustel toimuda samaaegselt. [12]

Üheksandaks, desensibiliseerumine sõltub konkreetsest retseptorist. Ühe retseptori puhul kindlaks tehtud mehhanisme ei tohiks automaatselt laiendada kõigile peptiidhormoonide retseptoritele. [15]

Lõpuks ei tõenda keemiline klassifikatsioon ravitoimet, kasu ega terapeutilist kasulikkust. Ühe konkreetse hormooni ja ühe eksperimentaalse süsteemi kohta saadud tõendeid ei tohiks üldistada teistele, sellega mitteseotud peptiididele ainult seetõttu, et ka neil on aminohappe struktuur.

Kokkuvõte

Peptiidhormoonid on aminohapetest koosnevad signaalmolekulid, mis võimaldavad rakkude ja kudede vahelist suhtlust paljudes füsioloogilistes süsteemides.

Nende bioloogia on palju keerulisem kui lihtne väide, et peptiid seondub retseptoriga.

Paljud peptiidhormoonid tekivad esialgu suuremate eelmolekulidena, läbivad seejärel koespetsiifilised töötlemisetapid, pakendatakse sekretsioonigraanulitesse ja vabanevad vastusena reguleeritud füsioloogilistele signaalidele. Proglukagooni töötlemise ja insuliiniküpsiste eksotsütoosi uuringud näitavad, kuidas prekursorite töötlemise ja sekretsiooni mehhanismid mõjutavad seda, milline hormoon jõuab rakuvälisesse keskkonda ja millal see vabaneb. [7] [8] [9]

Vabanemise järel alustavad peptiidhormoonid tavaliselt signaaliedastust rakkude pinnal asuvate retseptorite kaudu, kuid need retseptorid kuuluvad mitmesse erinevasse molekulaarsesse klassi.

Mõned hormoonid kasutavad GPCR-i ja sekundaarseid signaalmolekule, nagu cAMP või kaltsiumiga seotud signaaliteed.

Insuliin kasutab retseptor-sõltuvat türosiinkinaasi.

ANP toimib cGMP-i sünteesiga seotud retseptori kaudu.

Need näited näitavad, et ei ole olemas üht universaalset rakusisest rada, mis oleks ühine kõigile peptiidhormoonidele. [3] [6] [11]

Rakuline reaktsioon võib samuti areneda erinevates ajaskaalades.

Signaalimine võib kiiresti muuta olemasolevaid valke, mõjutada sekretsiooni või transporti ning seejärel põhjustada muutusi geenide transkriptsioonis. Ajaliselt määratletud mustrid, nagu näiteks hormoonide pulseeriv sekretsioon, võivad iseenesest edastada bioloogiliselt olulist teavet. [5] [11]

Ka hormonaalset signaalimist piiratakse aktiivselt.

Hormooni lagunemine, selle eemaldamine kudedest, rakusiseste signaalide pöördumine, retseptorite liikumine, desensibiliseerumine ja negatiivne tagasiside aitavad ühiselt kontrollida vastuse tugevust ja kestust. [4] [12] [14] [15]

Seega võib kõige olulisema põhimõtte kokku võtta järgmiselt:

Bioloogilise peptiidhormooni toimet ei saa ennustada üksnes selle põhjal, et tegemist on peptiidiga. Selle funktsioon tuleneb kogu signaalisüsteemist: sellest, milline molekulaarne vorm tekib, kuidas seda töödeldakse ja vabastatakse, milline retseptor seda ära tunneb, kuidas sihtrakk retseptori signaali tõlgendab, kuidas ekspositsioon aja jooksul muutub ning kuidas süsteem vastust piirab ja lõpuks lõpetab.

Vastutusest loobumine

Käesolev artikkel on puhtalt hariduslik ja teaduslik-informatiivne. Selles selgitatakse peptiidhormoonide bioloogiat, eelainete töötlemist, sekretsiooni, retseptorisignalisatsiooni, tagasisidemehhanisme, lagundamist ning toodetakse näiteid avaldatud uuringutest. See ei kujuta endast meditsiinilist nõuannet, diagnoosijuhist, ravisoovitust, annustamisalast teavet, manustamisjuhendit ega soovitust peptiidhormoonide või nendega seotud ainete kasutamise kohta. Biokeemiliste, rakuliste, loomkatsete ja inimkatsete tulemusi tuleb tõlgendada projekti, tingimuste, uuritava populatsiooni ja konkreetsete uuringute piirangute kontekstis.

Viited

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A. ja Bloom, S. R. (1987). Glükagoonilaadne peptiid-1 7-36: füsioloogiline inkretiin inimesel. 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. ja Olson, B. (1996). Akvaporiin-2 eritumine uriiniga inimestel: võimalik marker kogumiskanalite reageerimisvõime kohta vasopressiinile. Ameerika Nefroloogiaühingu ajakiri, 7(3), 403–409. https://doi.org/10.1681/ASN.V73403
3. Kwok, Y. C., Nemenoff, R. A., Powers, A. C., & Avruch, J. (1986). Insuliiniretseptori türosiinproteiinkinaasi kineetilised omadused: aktiveerimine insuliini poolt stimuleeritud türosiinispetsiifilise intramolekulaarse autofosforüleerimise kaudu. „Archives of Biochemistry and Biophysics”, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A. ja Cherubini, R. (2003). Luuresorptsiooni ja paratüroidhormooni sekretsiooni kiire pärssimine tervetel täiskasvanud meestel kaltsiumi ägeda suukaudse manustamise abil. 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 impulsside sagedusmodulatsioon gonadotropiini alarühma geeni transkriptsioonis normaalsetes gonadotroofides – esmase transkripti analüüsi abil tehtud hindamine annab tõendeid GnRH ja follistatiini rolli kohta. Endokrinoloogia, 143(9), 3243–3249. https://doi.org/10.1210/en.2002-220216
6. Koller, K. J., de Sauvage, F. J., Lowe, D. G. ja Goeddel, D. V. (1992). Kinaasilaadse regulatoorse domeeni säilimine on oluline naatriureetilise peptiidi retseptori guanüültsüklaaside aktiveerimiseks. Molekulaar- ja rakubioloogia, 12(6), 2581–2590. https://doi.org/10.1128/mcb.12.6.2581-2590.1992
7. Orskov, C., Holst, J. J., Poulsen, S. S. ja Kirkegaard, P. (1987). Proglukagooni töötlemine kõhunäärmes ja soolestikus inimesel. Diabetoloogia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S. ja Steiner, D. F. (1995). Proglükagooni diferentsiaalne töötlemine subtilisiini-sarnaste prohormooni konvertaaside PC2 ja PC3 poolt glükagooni või glükagoonilaadse peptiidi tekitamiseks. „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. ja Gaisano, H. Y. (2015). Munc18c vahendab eelnevalt dokkinud ja uute insuliinigraanulite eksotsütoosi, mis on aluseks kahefaasilisele glükoosist stimuleeritud insuliini sekretsioonile inimese pankrease beeta-rakkudes. Molecular Metabolism, 4(5), 418–426. https://doi.org/10.1016/j.molmet.2015.02.004
10. Tanimura, S. M., Sanchez-Watts, G. ja Watts, A. G. (1998). Peptiidigeenide aktiveerumine, sekretsioon ja steroidide tagasiside rottide neuroendokriinsete kortikotropiini vabastava hormooni neuronite stimuleerimise ajal. Endokrinoloogia, 139(9), 3822–3829. https://doi.org/10.1210/endo.139.9.6191
11. Drucker, D. J., Philippe, J., Mojsov, S., Chick, W. L. ja Habener, J. F. (1987). Glükagoonilaadne peptiid I stimuleerib insuliini geeni ekspressiooni ja suurendab tsüklilise AMP taset rottide saarekeste rakuliinis. Ameerika Ühendriikide Rahvusliku Teaduste Akadeemia toimetised, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S. ja Pandey, K. N. (2015). Guanyüültsüklaasi/natriureetilise peptiidi retseptori A subrakulaarne transport koos rakusisese cGMP tekkega. Bioscience Reports, 35. köide(5), artikkel e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Peptiid- ja steroidhormoonide ühised signaalimisteemad plasmamembraanil. Science’i STKE, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H. ja Holst, J. J. (1995). Glükagoonilaadse peptiidi-1 lagunemine inimese plasmas in vitro annab tulemuseks N-terminaalist lühendatud peptiidi, mis on in vivo peamine endogeenne metaboliit. Ajakiri „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). Atriiaalse natriureetilise peptiidi retseptori, guanüültsüklaasi A, homoloogiline desensitiseerumine on seotud keeruka fosforüleerimismustriga. The FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x