Hormony peptydowe: receptory, sygnalizacja i funkcje biologiczne

Hormony peptydowe to przekaźniki chemiczne zbudowane z łańcuchów aminokwasowych. Wyspecjalizowane komórki je wytwarzają, często przetwarzają z większych cząsteczek prekursorowych, uwalniają w odpowiedzi na określone sygnały fizjologiczne, a następnie wykorzystują do koordynowania aktywności innych komórek i tkanek.

Ich działanie nie wynika jednak z samego faktu, że są peptydami. Odpowiedź biologiczna zależy przede wszystkim od tego, czy dana komórka posiada odpowiedni receptor oraz wewnątrzkomórkowy mechanizm sygnalizacyjny pozwalający zinterpretować otrzymany sygnał.

Insulina, glukagon, glukagonopodobny peptyd-1 (GLP-1), wazopresyna, parathormon (PTH), hormon uwalniający gonadotropiny (GnRH) oraz przedsionkowy peptyd natriuretyczny (ANP) należą do tej szerokiej grupy. Uczestniczą jednak w bardzo różnych układach fizjologicznych.

Określenie „hormon peptydowy” opisuje zatem kategorię chemiczną i sposób komunikacji biologicznej, a nie jeden wspólny efekt.

Przykładowo badania GLP-1 u ludzi dotyczyły komunikacji pomiędzy przewodem pokarmowym a wydzielaniem insuliny, natomiast badania kanałów wodnych reagujących na wazopresynę koncentrowały się na regulacji gospodarki wodnej przez nerki. Są to odrębne układy fizjologiczne wykorzystujące inne receptory, tkanki docelowe i mechanizmy odpowiedzi. [1] [2]

Działanie hormonu peptydowego można najłatwiej zrozumieć, śledząc cały proces od początku do końca:

synteza prekursora → przetwarzanie cząsteczki → magazynowanie → uwalnianie → rozpoznanie przez receptor → sygnalizacja wewnątrzkomórkowa → odpowiedź komórkowa → sprzężenie zwrotne i zakończenie sygnału.

Każdy z tych etapów może wpływać na końcową odpowiedź biologiczną.

Takie podejście pozwala również uniknąć ważnego nieporozumienia. Wykrycie peptydu, zaobserwowanie jego wiązania z receptorem, zmierzenie wtórnego przekaźnika i wykazanie fizjologicznej odpowiedzi całego organizmu to różne poziomy dowodów. Pełna interpretacja wymaga ustalenia, który z tych etapów został rzeczywiście zbadany.

Czym są hormony peptydowe?

Łańcuch aminokwasów przenoszący sygnał biologiczny

Hormony peptydowe składają się z reszt aminokwasowych połączonych wiązaniami peptydowymi.

Niektóre są stosunkowo krótkimi łańcuchami, natomiast inne są znacznie większymi cząsteczkami i mogą być również określane jako hormony białkowe.

W biologii układu hormonalnego kategorie te częściowo się pokrywają. Terminologia dotycząca hormonów peptydowych obejmuje cząsteczki sygnałowe zbudowane z aminokwasów i nie wymaga istnienia jednej uniwersalnej granicy długości łańcucha oddzielającej wszystkie peptydy od wszystkich białek.

Słowo „hormon” opisuje przede wszystkim rolę sygnałową cząsteczki, a nie wyłącznie jej budowę chemiczną.

W klasycznym układzie endokrynnym komórka lub tkanka uwalnia hormon do krążenia, dzięki czemu może on wpływać na reagujące na niego komórki znajdujące się w innych częściach organizmu.

Komunikacja biologiczna nie ogranicza się jednak wyłącznie do tego mechanizmu. Powiązane cząsteczki mogą uczestniczyć również w lokalnej komunikacji pomiędzy sąsiadującymi komórkami oraz w innych formach sygnalizacji komórkowej.

Sama budowa chemiczna nie wystarcza więc, aby uznać dany peptyd za hormon.

Wiele peptydów to między innymi:

• metabolity pośrednie;
• fragmenty większych białek;
• składniki strukturalne;
• wewnątrzkomórkowe cząsteczki regulacyjne;
• produkty degradacji białek;
• cząsteczki pełniące inne funkcje niezwiązane z układem hormonalnym.

Aby potwierdzić rolę hormonalną, badacze zazwyczaj potrzebują dowodów łączących daną cząsteczkę z jej wytwarzaniem, regulowanym uwalnianiem, komórkami docelowymi oraz działaniem fizjologicznym.

Wczesne badania GLP-1 u ludzi dobrze ilustrują takie podejście.

Badacze wykryli materiał związany z GLP-1 w jelitach i obserwowali wzrost jego stężenia we krwi po doustnym podaniu glukozy lub po posiłku. W niewielkim eksperymencie infuzyjnym określona forma GLP-1 wpływała na odpowiedź insuliny i glukozy. [1]

Łącznie obserwacje te wspierały koncepcję fizjologicznej roli sygnałowej tej cząsteczki.

Badanie to nie powinno jednak być traktowane jako dowód potwierdzający każdy mechanizm, zastosowanie kliniczne czy późniejsze twierdzenie dotyczące biologii GLP-1.

Komórki docelowe są określane przez zdolność do odpowiedzi

Hormon może przepływać obok wielu komórek, nie wywołując w każdej z nich takiej samej odpowiedzi.

Aby komórka mogła zareagować, zazwyczaj musi posiadać odpowiedni receptor oraz wewnątrzkomórkowe mechanizmy molekularne pozwalające przetworzyć sygnał powstały po jego aktywacji.

Receptory rozpoznają określone cechy cząsteczek.

Rozpoznawanie może zależeć między innymi od:

• sekwencji aminokwasowej;
• struktury przestrzennej;
• rozmieszczenia ładunku;
• modyfikacji chemicznych;
• konformacji receptora;
• dostępności odpowiednich powierzchni wiążących.

Sam fakt, że dana cząsteczka jest peptydem, nie oznacza więc, że może aktywować receptor innego hormonu peptydowego.

Znaczenie ma również liczba receptorów.

Komórka posiadająca dużą liczbę funkcjonalnych receptorów może reagować inaczej niż komórka, która ma ich mniej. Na odpowiedź wpływać mogą także lokalizacja receptorów, ich modyfikacje, oddziałujące z nimi białka oraz wcześniejsza stymulacja.

Nawet dwie tkanki posiadające ten sam receptor mogą reagować inaczej, ponieważ różnią się wewnątrzkomórkową maszynerią sygnalizacyjną.

Aktywacja receptora może wpływać między innymi na:

• aktywność enzymów;
• transport jonów;
• kanały błonowe;
• przemieszczanie pęcherzyków;
• wydzielanie;
• metabolizm;
• fosforylację białek;
• transkrypcję genów;
• kombinację kilku z tych procesów.

Wiązanie z receptorem jest więc początkiem wyjaśnienia mechanizmu działania, a nie pełną odpowiedzią na pytanie o efekt biologiczny.

Hormony peptydowe uczestniczą w wielu różnych układach

Przykłady te przedstawiają odmienne funkcje fizjologiczne, a nie wspólne korzyści wynikające z przynależności do grupy peptydów.

Badania dotyczące aktywności kinazy receptora insulinowego, fizjologii GLP-1, akwaporyny-2 w moczu, odpowiedzi wapń–PTH, rytmu impulsów GnRH i receptorów ANP analizują różne elementy odrębnych układów hormonalnych. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Z tego powodu wyników dotyczących jednego hormonu peptydowego nie należy automatycznie przenosić na inny tylko dlatego, że obie cząsteczki należą do tej samej szerokiej kategorii chemicznej.

Jak powstają i są uwalniane hormony peptydowe?

Wiele hormonów zaczyna jako większe cząsteczki prekursorowe

Wiele hormonów peptydowych jest początkowo syntetyzowanych jako większe cząsteczki nazywane preprohormonami.

Przedrostek „pre-” zazwyczaj odnosi się do sekwencji sygnałowej, która pomaga skierować nowo powstającą cząsteczkę do komórkowego szlaku wydzielniczego.

Po usunięciu tej sekwencji pozostały prekursor jest zazwyczaj określany jako prohormon.

Dalsze przetwarzanie może prowadzić do powstania dojrzałego hormonu, a w niektórych przypadkach kilku biologicznie istotnych produktów.

W klasycznym regulowanym szlaku wydzielniczym powstający prekursor trafia do siateczki śródplazmatycznej, następnie przechodzi przez aparat Golgiego i jest kierowany do odpowiednich przedziałów wydzielniczych.

W zależności od cząsteczki kolejne etapy mogą obejmować:

• fałdowanie;
• tworzenie mostków disiarczkowych;
• enzymatyczne rozszczepianie;
• modyfikacje końców łańcucha;
• inne modyfikacje chemiczne;
• sortowanie;
• pakowanie do ziarnistości wydzielniczych.

Procesy te nie przebiegają identycznie dla każdego hormonu peptydowego.

Jeden prekursor może zawierać kilka potencjalnych produktów peptydowych, a różne typy komórek mogą przetwarzać ten sam prekursor w odmienny sposób.

Sekwencja aminokwasowa kodowana przez gen nie musi więc bezpośrednio odpowiadać jednemu dojrzałemu hormonowi obecnemu w krążeniu.

Przetwarzanie prekursora wpływa na to, jaki hormon powstanie

Proglukagon jest szczególnie dobrym przykładem, ponieważ tkanka trzustki i jelita mogą wytwarzać z tego samego prekursora różne produkty molekularne.

W badaniu ludzkich tkanek wykorzystano metody immunochemiczne i chromatograficzne do identyfikacji różnych wzorców cząsteczek związanych z glukagonem w trzustce i jelicie cienkim. [7]

W późniejszych eksperymentach komórkowych analizowano udział enzymów przetwarzających PC2 i PC3, przy czym PC3 jest również często określana jako PC1/3.

Wyniki pokazały, że środowisko enzymatyczne silnie wpływało na to, czy przetwarzanie przypominało wzorzec charakterystyczny dla trzustki czy jelita. Badania ujawniły również ograniczenia odtwarzania wszystkich etapów rozszczepiania za pomocą izolowanego układu enzymatycznego. [8]

Ogólna zasada jest istotna:

sekwencja prekursora określa możliwe produkty, natomiast mechanizmy przetwarzania obecne w danej komórce pomagają określić, które formy molekularne rzeczywiście powstaną.

Ma to również znaczenie dla pomiarów laboratoryjnych.

Test rozpoznający kilka form związanych z jednym prekursorem może dawać inne wyniki niż metoda zaprojektowana specjalnie do wykrywania jednego dojrzałego hormonu.

Podawane stężenie należy więc interpretować razem z informacją o tym, jakie dokładnie formy molekularne wykrywa zastosowana metoda analityczna.

Ziarnistości wydzielnicze umożliwiają kontrolowane uwalnianie

Wiele komórek endokrynnych przechowuje przetworzone hormony peptydowe w ziarnistościach wydzielniczych.

Po pojawieniu się odpowiedniego bodźca regulowane mechanizmy komórkowe prowadzą do połączenia ziarnistości z błoną komórkową.

Ich zawartość zostaje następnie uwolniona na zewnątrz komórki poprzez egzocytozę.

Magazynowanie umożliwia szybkie zwiększenie wydzielania bez konieczności rozpoczynania syntezy każdej uwalnianej cząsteczki od początku dokładnie w chwili pojawienia się bodźca.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie ziarnistości są równie łatwo dostępne do natychmiastowego uwolnienia.

Komórki mogą zawierać funkcjonalnie różne pule ziarnistości, a długotrwałe wydzielanie wymaga dalszej produkcji, przetwarzania i uzupełniania zapasów.

Uwalnianie hormonu jest więc aktywnie kontrolowanym procesem komórkowym, a nie biernym wyciekiem całej zawartości komórki.

Badania ludzkich wysp trzustkowych i komórek beta wykazały, że zmniejszenie ilości białka egzocytotycznego Munc18c zaburzało wydzielanie insuliny i zmieniało uwalnianie jej z różnych pul ziarnistości. [9]

Wyniki te bezpośrednio wspierają rolę wyspecjalizowanych mechanizmów fuzji błon.

Nie stanowią jednak pełnego wyjaśnienia wszystkich procesów molekularnych regulujących wydzielanie insuliny.

Różne układy hormonalne reagują na różne bodźce

Poszczególne komórki endokrynne odpowiadają na różne sygnały fizjologiczne.

Mogą do nich należeć:

• stężenia składników odżywczych;
• aktywność elektryczna;
• neuroprzekaźniki;
• inne hormony;
• jony obecne poza komórką;
• warunki osmotyczne;
• zmiany mechaniczne;
• kombinacje różnych bodźców regulacyjnych.

Wewnątrzkomórkowy wapń często uczestniczy w fuzji pęcherzyków wydzielniczych, ale procesy prowadzące do powstania sygnału wapniowego różnią się pomiędzy typami komórek.

W komórkach beta trzustki metabolizm glukozy jest na przykład ściśle związany z aktywnością elektryczną, napływem wapnia i uwalnianiem ziarnistości zawierających insulinę.

Z kolei podwzgórzowe komórki neuroendokrynne funkcjonują w złożonych sieciach sygnałów nerwowych, hormonalnych i fizjologicznych.

Nie byłoby więc prawidłowe przedstawianie jednego szczegółowego szlaku wydzielania jako uniwersalnego mechanizmu wszystkich hormonów peptydowych.

Z eksperymentalnego punktu widzenia ważne jest również rozróżnienie syntezy hormonu od jego wydzielania.

Badanie neuronów szczurów produkujących hormon uwalniający kortykotropinę wykazało, że aktywacja genu i odpowiedzi związane z wydzielaniem miały różne progi reakcji podczas utrzymującego się stresu. [10]

Zwiększone uwalnianie hormonu nie musi więc oznaczać, że transkrypcja genu kodującego jego prekursor zmienia się w tym samym stopniu i dokładnie w tym samym czasie.

Czas i rytm wydzielania mogą przenosić informacje

Ekspozycji na hormon nie opisuje wyłącznie jego średnie stężenie.

Wzorzec czasowy może obejmować:

• oddzielne impulsy;
• zmiany częstotliwości impulsów;
• zmiany amplitudy impulsów;
• utrzymujące się podwyższenie stężenia;
• rytm dobowy;
• odpowiedzi związane z posiłkiem, snem, stresem lub innymi zdarzeniami fizjologicznymi.

Różne wzorce czasowe mogą prowadzić do odmiennych odpowiedzi komórkowych.

Eksperymenty przeprowadzone na samcach szczurów z niedoborem GnRH wykazały, że różne częstotliwości impulsów GnRH powodowały odmienne wzorce transkrypcji podjednostek gonadotropin. Odpowiedź obejmowała zarówno bezpośrednią sygnalizację GnRH, jak i zmiany lokalnych mechanizmów regulacyjnych przysadki. [5]

Badania te pomagają wyjaśnić, dlaczego czas i rytm sygnału hormonalnego mogą przenosić informacje biologiczne.

Nie należy jednak przekształcać wyników takich eksperymentów na zwierzętach w schematy podawania substancji ludziom.

Stężenie hormonu zmierzone we krwi jest więc jedynie obrazem dynamicznie zmieniającego się układu w określonym momencie.

Interpretacja może zależeć od:

• czasu pobrania próbki;
• pulsacyjnego charakteru wydzielania;
• mierzonej formy molekularnej;
• niedawnych zdarzeń fizjologicznych;
• szybkości eliminacji;
• swoistości zastosowanego testu.

Receptory i sygnalizacja komórkowa

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

Większość hormonów peptydowych rozpoczyna swoje działanie poprzez wiązanie z receptorami znajdującymi się na powierzchni komórki lub bezpośrednio z nią związanymi.

Połączenie hormonu z receptorem zmienia jego aktywność lub konformację, umożliwiając przekazanie informacji do wnętrza komórki.

Sygnał przekracza więc błonę dzięki systemowi receptorowemu.

Hormon peptydowy zazwyczaj nie musi samodzielnie przenikać przez lipidową błonę komórkową i swobodnie wchodzić do cytoplazmy, aby rozpocząć przekazywanie sygnału.

Pozwala to zrozumieć, w jaki sposób stosunkowo dobrze rozpuszczalna w środowisku wodnym cząsteczka zewnątrzkomórkowa może wpływać na procesy zachodzące wewnątrz komórki.

Dalszy przebieg zależy od rodzaju receptora.

Receptory hormonów peptydowych należą do kilku mechanistycznie odmiennych klas.

Niektóre przekazują sygnał za pośrednictwem:

• heterotrimerycznych białek G;
• enzymów związanych z receptorem;
• własnej aktywności kinazowej;
• aktywności cyklazy guanylanowej;
• innych białek sygnałowych.

Ogólny schemat:

hormon → receptor → sygnał wewnątrzkomórkowy → odpowiedź komórkowa

jest bardzo użyteczny.

Nie istnieje jednak jeden wspólny szlak wewnątrzkomórkowy charakterystyczny dla wszystkich hormonów peptydowych.

Receptory sprzężone z białkiem G i wtórne przekaźniki

Wiele hormonów peptydowych przekazuje sygnały za pomocą receptorów sprzężonych z białkiem G, czyli GPCR.

Są to białka błonowe komunikujące się z wewnątrzkomórkowymi białkami G, które mogą wpływać na enzymy, kanały jonowe i układy wtórnych przekaźników.

Jednym z ważnych wtórnych przekaźników jest cykliczny AMP (cAMP).

W typowym szlaku cAMP aktywacja receptora wpływa na cyklazę adenylanową, czyli enzym odpowiedzialny za produkcję cAMP.

Zmiany stężenia cAMP mogą następnie wpływać na aktywność kolejnych białek sygnałowych.

Inne receptory GPCR mogą wykorzystywać odmienne mechanizmy.

Co ważne, nie każdy receptor GPCR zwiększa stężenie cAMP.

Niektóre kombinacje receptorów i białek G mogą zmniejszać jego produkcję, podczas gdy inne regulują przede wszystkim szlaki związane z wapniem lub innymi procesami wewnątrzkomórkowymi.

Stwierdzenie, że hormon „wykorzystuje wtórny przekaźnik”, opisuje więc ogólną strategię sygnalizacyjną, a nie jeden uniwersalny mechanizm molekularny.

We wczesnym badaniu przeprowadzonym na szczurzej linii komórek wysp trzustkowych stwierdzono, że przetworzona forma GLP-1 zwiększała cAMP, poziom mRNA związanego z insuliną oraz uwalnianie insuliny. [11]

Eksperyment ten połączył zewnątrzkomórkowy sygnał peptydowy ze zmianami biochemicznymi i ekspresją genów wewnątrz komórki.

Wnioski pozostają jednak właściwe dla zastosowanego modelu i warunków eksperymentalnych.

Sygnalizacja wapniowa i wzmacnianie sygnału

Inny często spotykany szlak GPCR obejmuje fosfolipazę C.

Jej aktywacja może prowadzić do powstania wewnątrzkomórkowych przekaźników, takich jak trifosforan inozytolu (IP3) i diacyloglicerol (DAG).

IP3 może sprzyjać uwalnianiu wapnia z magazynów wewnątrzkomórkowych, natomiast DAG może uczestniczyć w aktywacji kinazy białkowej C.

Procesy te pomagają przekształcić aktywację receptora w zmianę aktywności komórki.

Nie jest to jednak szlak wykorzystywany przez każdy receptor hormonu peptydowego.

Kaskady sygnalizacyjne mogą również wzmacniać sygnał.

Jeden aktywowany receptor może oddziaływać na wiele cząsteczek znajdujących się dalej w szlaku, a jeden aktywowany enzym może wytwarzać wiele cząsteczek wtórnego przekaźnika.

Pozwala to wyjaśnić, dlaczego stosunkowo niewielki sygnał zewnątrzkomórkowy może czasami wywoływać znaczną odpowiedź komórkową.

Wzmocnienie sygnału nie jest jednak nieograniczone.

Na jego siłę i czas trwania wpływają między innymi:

• liczba receptorów;
• dostępność enzymów;
• dostępność substratów;
• mechanizmy sprzężenia zwrotnego;
• fosfatazy;
• degradacja wtórnych przekaźników;
• desensytyzacja receptorów;
• możliwości funkcjonalne komórki docelowej.

Wtórny przekaźnik jest zatem elementem pośrednim szlaku, a nie końcowym efektem fizjologicznym.

Znaczenie mają jego rodzaj, stężenie, lokalizacja i czas działania, a także zdolność komórki do przełożenia tego sygnału na konkretną odpowiedź.

Receptor insulinowy działa inaczej

Receptor insulinowy jest receptorową kinazą tyrozynową.

Jego początkowy mechanizm sygnalizacyjny różni się więc zasadniczo od klasycznego mechanizmu GPCR.

Związanie insuliny prowadzi do aktywacji wewnątrzkomórkowej części kinazowej receptora.

Aktywowany receptor fosforyluje określone miejsca w białkach i uruchamia kolejne sieci sygnałowe.

Badania biochemiczne wykorzystujące oczyszczone receptory insulinowe powiązały autofosforylację tyrozynową ze zwiększeniem aktywności kinazowej. [3]

Eksperymenty te pozwoliły określić ważne właściwości receptora.

Oczyszczony receptor nie odtwarza jednak wszystkich procesów zachodzących w całych komórkach mięśni, wątroby, tkanki tłuszczowej czy innych tkankach reagujących na insulinę.

Najważniejszy wniosek jest prosty:

hormony peptydowe mogą aktywować różne klasy receptorów.

Insulina jest ważnym przykładem pokazującym, dlaczego sygnalizacji hormonów peptydowych nie należy podsumowywać stwierdzeniem:

„hormon peptydowy wiąże się z GPCR i zwiększa cAMP”.

Mechanizm ten dotyczy niektórych układów, ale nie całej grupy.

Receptory peptydów natriuretycznych mogą wytwarzać cGMP

ANP stanowi przykład jeszcze innego mechanizmu receptorowego.

Jego receptor cyklazy guanylanowej A jest związany z powstawaniem cyklicznego GMP (cGMP).

cGMP i cAMP są cyklicznymi nukleotydami, ale nie są tą samą cząsteczką i powstają z udziałem innych układów enzymatycznych.

Eksperymenty mutacyjne dotyczące receptorów peptydów natriuretycznych wykazały, że region regulatorowy przypominający kinazę odgrywał istotną rolę w kontrolowaniu aktywności receptora. Zmiany w tym regionie mogły prowadzić do utraty prawidłowej regulacji lub aktywności występującej bez typowej stymulacji hormonalnej. [6]

W tym przypadku ważna jest precyzyjna terminologia.

Obecność domeny przypominającej kinazę nie oznacza, że receptor działa za pomocą tego samego mechanizmu kinazy tyrozynowej co receptor insulinowy.

Należy uwzględnić architekturę receptora, jego aktywność katalityczną oraz rodzaj mierzonego produktu biochemicznego.

Wiązanie na powierzchni nie oznacza, że receptor zawsze tam pozostaje

Aktywowane receptory mogą ulegać endocytozie, czyli przemieszczać się z błony komórkowej do wewnętrznych przedziałów otoczonych błoną.

Proces ten różni się od swobodnego przenikania hormonu peptydowego przez lipidową błonę do cytoplazmy.

W zmodyfikowanych ludzkich komórkach pochodzenia nerkowego badacze śledzili przemieszczanie receptorów ANP do przedziałów wewnątrzkomórkowych przy jednoczesnym utrzymywaniu się produkcji cGMP. [12]

Obserwacje te pokazują, że transport receptora i sygnalizacja mogą zachodzić jednocześnie.

Nie dowodzą jednak, że każdy receptor po internalizacji sygnalizuje w identyczny sposób ani że cały zmierzony cGMP powstał w jednym określonym przedziale komórki.

Stwierdzenie, że hormony peptydowe zazwyczaj rozpoczynają sygnalizację poprzez receptory powierzchniowe, jest więc użytecznym uogólnieniem.

Stwierdzenie, że hormony peptydowe i ich receptory nigdy nie mogą znaleźć się w przedziałach wewnątrzkomórkowych, byłoby natomiast zbyt kategoryczne.

Odpowiedź komórkowa może być szybka, opóźniona albo obejmować oba etapy

Sygnalizacja receptorowa może zmieniać aktywność białek już obecnych w komórce.

Takie mechanizmy mogą prowadzić do stosunkowo szybkich odpowiedzi.

Szlaki sygnałowe mogą również wpływać na transkrypcję i syntezę białek, prowadząc do efektów rozwijających się w dłuższym czasie.

Oba mechanizmy mogą występować równocześnie.

Ten sam układ sygnalizacyjny może powodować szybkie zmiany biochemiczne oraz późniejsze zmiany transkrypcyjne.

W badaniu GLP-1 w komórkach mierzono zarówno zmiany związane z sygnalizacją, jak i ekspresję genu insuliny, co pokazuje, dlaczego sygnalizacji rozpoczynającej się na powierzchni komórki nie należy traktować jako niezdolnej do wpływania na procesy zachodzące w jądrze. [11]

Wzrost stężenia wtórnego przekaźnika reprezentuje jednak tylko jeden poziom dowodów.

Wykazanie pełnego efektu fizjologicznego wymaga, w zależności od pytania badawczego, połączenia kolejnych poziomów:

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;
• transkrypcję genów;
• 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.

Przykładowo:

• 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.

Najczęściej zadawane pytania

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.

Podsumowanie

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

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

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

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

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

Insulina wykorzystuje receptorową kinazę tyrozynową.

ANP działa poprzez receptor związany z wytwarzaniem cGMP.

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

Odpowiedź komórkowa może również rozwijać się w różnych skalach czasowych.

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

Sygnalizacja hormonalna jest również aktywnie ograniczana.

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

Najważniejszą zasadę można więc podsumować następująco:

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

Zastrzeżenie

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

References

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