Ormoni peptidici: recettori, segnalazione e funzioni biologiche

Gli ormoni peptidici sono messaggeri chimici costituiti da catene di amminoacidi. Cellule specializzate li producono, spesso li elaborano da molecole precursore più grandi, li rilasciano in risposta a specifici segnali fisiologici e li usano quindi per coordinare l'attività di altre cellule e tessuti.

Tuttavia, la loro azione non deriva dal solo fatto che esistono peptidi. La risposta biologica dipende principalmente dal fatto che una determinata cellula possieda il recettore adeguato e il meccanismo di segnalazione intracellulare che consenta di interpretare il segnale ricevuto.

L'insulina, il glucagone, il peptide-1 simile al glucagone (GLP-1), la vasopressina, il paratormone (PTH), l'ormone di rilascio delle gonadotropine (GnRH) e il peptide natriuretico atriale (ANP) appartengono a questo ampio gruppo. Tuttavia, partecipano a sistemi fisiologici molto diversi.

Il termine „ormone peptidico” descrive quindi una categoria chimica e una modalità di comunicazione biologica, anziché un unico effetto comune.

Ad esempio, gli studi sul GLP-1 negli uomini hanno riguardato la comunicazione tra il tratto gastrointestinale e la secrezione di insulina, mentre gli studi sui canali dell'acqua sensibili alla vasopressina si sono concentrati sulla regolazione dell'equilibrio idrico da parte dei reni. Si tratta di sistemi fisiologici distinti che utilizzano recettori, tessuti bersaglio e meccanismi di risposta differenti. [1] [2]

Il meccanismo d'azione di un ormone peptidico può essere compreso più facilmente seguendo l'intero processo dall'inizio alla fine:

sintesi del precursore → elaborazione della molecola → immagazzinamento → rilascio → riconoscimento da parte del recettore → segnalazione intracellulare → risposta cellulare → feedback e terminazione del segnale.

Ognuna di queste fasi può influenzare la risposta biologica finale.

Questo approccio consente inoltre di evitare un importante equivoco. La rilevazione di un peptide, l'osservazione del suo legame con il recettore, la misurazione del secondo messaggero e la dimostrazione di una risposta fisiologica dell'intero organismo costituiscono diversi livelli di prova. Una piena interpretazione richiede di stabilire quale di queste fasi sia stata effettivamente studiata.

Cosa sono gli ormoni peptidici?

Catena di amminoacidi che trasporta un segnale biologico

Gli ormoni peptidici sono costituiti da residui amminoacidici collegati legami peptidici.

Alcuni sono catene relativamente corte, mentre altri sono molecole molto più grandi e possono anche essere definiti ormoni proteici.

Nella biologia del sistema ormonale, queste categorie si sovrappongono parzialmente. La terminologia relativa agli ormoni peptidici comprende molecole di segnalazione costituite da aminoacidi e non richiede l'esistenza di un unico limite universale di lunghezza della catena che separi tutti i peptidi da tutte le proteine.

La parola „ormone” descrive principalmente il ruolo di segnalazione di una molecola, e non esclusivamente la sua struttura chimica.

Nel sistema endocrino classico, una cellula o un tessuto rilascia un ormone nella circolazione, in modo che possa agire sulle cellule bersaglio situate in altre parti dell'organismo.

La comunicazione biologica non si limita tuttavia esclusivamente a questo meccanismo. Le molecole correlate possono partecipare anche alla comunicazione locale tra cellule adiacenti e ad altre forme di segnalazione cellulare.

La sola struttura chimica non è dunque sufficiente per considerare un determinato peptide come un ormone.

Molti peptidi sono, tra le altre cose:

• metaboliti intermedi;
• frammenti di proteine più grandi;
• componenti strutturali;
• molecole regolatrici intracellulari;
• prodotti di degradazione delle proteine;
• molecole che svolgono altre funzioni non correlate al sistema ormonale.

Per confermare il ruolo ormonale, i ricercatori di solito richiedono prove che colleghino una determinata molecola alla sua produzione, al rilascio regolato, alle cellule bersaglio e all'azione fisiologica.

I primi studi sugli GLP-1 nell'uomo illustrano bene questo approccio.

I ricercatori hanno rilevato materiale correlato al GLP-1 nell'intestino e hanno osservato un aumento della sua concentrazione nel sangue dopo la somministrazione orale di glucosio o dopo un pasto. In un piccolo esperimento di infusione, una specifica forma di GLP-1 ha influenzato la risposta insulinica e glicemica. [1]

Nel loro insieme, queste osservazioni sostenevano il concetto di un ruolo di segnalazione fisiologica di questa molecola.

Questo studio non dovrebbe tuttavia essere considerato come una prova a supporto di ogni meccanismo, applicazione clinica o successiva affermazione riguardante la biologia del GLP-1.

Le cellule bersaglio sono determinate dalla capacità di risposta

Un ormone può scorrere accanto a molte cellule senza provocare in ciascuna di esse la stessa risposta.

Affinché una cella possa reagire, di solito deve possedere il recettore appropriato e i meccanismi molecolari intracellulari che consentono di elaborare il segnale generato dalla sua attivazione.

I recettori riconoscono determinate caratteristiche delle molecole.

Il riconoscimento può dipendere, tra le altre cose, da:

• della sequenza amminoacidica;
• struttura spaziale;
• posizionamento del carico;
• modificazioni chimiche;
• conformazione del recettore;
• disponibilità di superfici di legame adeguate.

Il solo fatto che una determinata molecola sia un peptide non significa quindi che possa attivare il recettore di un altro ormone peptidico.

Anche il numero di recettori ha importanza.

Una cellula con un alto numero di recettori funzionali può reagire in modo diverso rispetto a una cellula che ne ha meno. Sulla risposta possono influire anche la localizzazione dei recettori, le loro modifiche, le proteine che interagiscono con essi e la stimolazione precedente.

Anche due tessuti che possiedono lo stesso recettore possono reagire in modo diverso, poiché differiscono per il macchinario di segnalazione intracellulare.

L'attivazione del recettore può influenzare, tra le altre cose:

• attività enzimatica;
• trasporto di ioni;
• canali di membrana;
• spostamento delle bolle;
• secrezione;
• metabolismo;
• fosforilazione delle proteine;
• trascrizione dei geni;
• la combinazione di diversi di questi processi.

Il legame con il recettore è quindi l'inizio della spiegazione del meccanismo d'azione, e non la risposta completa alla domanda sull'effetto biologico.

Gli ormoni peptidici partecipano a molti sistemi diversi

Questi esempi rappresentano funzioni fisiologiche diverse e non benefici comuni derivanti dall'appartenenza al gruppo dei peptidi.

Gli studi sull'attività della chinasi del recettore dell'insulina, sulla fisiologia del GLP-1, sull'acquaporina-2 urinaria, sulla risposta calcio-PTH, sul ritmo degli impulsi di GnRH e sui recettori dell'ANP analizzano diversi elementi di distinti sistemi ormonali. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Per questo motivo, i risultati relativi a un singolo ormone peptidico non dovrebbero essere automaticamente trasferiti a un altro solo perché entrambe le molecole appartengono alla stessa ampia categoria chimica.

Come vengono sintetizzati e rilasciati gli ormoni peptidici?

Molti ormoni iniziano come molecole precursore più grandi

Molti ormoni peptidici sono inizialmente sintetizzati come molecole più grandi chiamate preproormoni.

Il prefisso „pre-” di solito si riferisce a una sequenza segnale che aiuta a indirizzare la molecola neoformata verso la via secretoria cellulare.

Dopo la rimozione di questa sequenza, il precursore rimanente viene solitamente definito proormone.

L'ulteriore elaborazione può portare alla formazione dell'ormone maturo e, in alcuni casi, di diversi prodotti biologicamente importanti.

Nel classico percorso secretorio regolato, il precursore nascente arriva al reticolo endoplasmatico, attraversa quindi l'apparato di Golgi ed è diretto verso i compartimenti secretori appropriati.

A seconda della molecola, le fasi successive possono includere:

• piega;
• formazione di ponti disolfuro;
• scissione enzimatica;
• modifiche delle estremità della catena;
• altre modificazioni chimiche;
• ordinamento;
• ripetizione in granuli secretori.

Questi processi non avvengono in modo identico per ogni ormone peptidico.

Un singolo precursore può contenere diversi potenziali prodotti peptidici e diversi tipi di cellule possono elaborare lo stesso precursore in modo diverso.

La sequenza di aminoacidi codificata da un gene non deve quindi corrispondere necessariamente a un singolo ormone maturo presente in circolo.

Il trattamento del precursore influenza quale ormone verrà prodotto

Il proglucagone è un esempio particolarmente buono perché il tessuto pancreatico e intestinale possono produrre diversi prodotti molecolari dallo stesso precursore.

Nello studio dei tessuti umani sono stati impiegati metodi immunochimici e chromatografici per identificare diversi modelli di molecole correlate al glucagone nel pancreas e nell'intestino tenue. [7]

Nei successivi esperimenti cellulari è stato analizzato il coinvolgimento degli enzimi di processing PC2 e PC3, dove PC3 è spesso indicata anche come PC1/3.

I risultati hanno mostrato che l'ambiente enzimatico influenzava fortemente se l'elaborazione somigliasse a un modello caratteristico del pancreas o dell'intestino. Lo studio ha anche rivelato limiti nel riprodurre tutte le fasi della scissione utilizzando un sistema enzimatico isolato. [8]

La regola generale è importante:

La sequenza del precursore determina i possibili prodotti, mentre i meccanismi di elaborazione presenti in una determinata cellula aiutano a stabilire quali forme molecolari si formeranno effettivamente.

Ciò ha anche implicazioni per le misurazioni di laboratorio.

Un test che riconosce più forme correlate a un singolo precursore può dare risultati diversi rispetto a un metodo progettato specificamente per rilevare un singolo ormone maturo.

Pertanto, la concentrazione riportata deve essere interpretata insieme alle informazioni su quali precise forme molecolari rileva il metodo analitico utilizzato.

I granuli secretori consentono il rilascio controllato

Molte cellule endocrine immagazzinano ormoni peptidici processati in granuli secretori.

Dopo la comparsa di uno stimolo adeguato, i meccanismi cellulari regolati portano alla fusione dei granuli con la membrana cellulare.

Il loro contenuto viene poi rilasciato all'esterno della cellula mediante esocitosi.

L'immagazzinamento consente di aumentare rapidamente la secrezione senza dover avviare la sintesi di ogni molecola rilasciata dall'inizio esattamente nel momento in cui compare lo stimolo.

Ciò non significa tuttavia che tutte le granulometrie siano ugualmente accessibili per un rilascio immediato.

Le cellule possono contenere pool di granulrità funzionalmente diversi e la secrezione prolungata richiede ulteriore produzione, elaborazione e reintegro delle scorte.

Il rilascio dell'ormone è quindi un processo cellulare attivamente controllato, piuttosto che una fuoriuscita passiva dell'intero contenuto cellulare.

Studi sulle isole pancreatiche umane e sulle cellule beta hanno dimostrato che la riduzione della proteina esocitotica Munc18c comprometteva la secrezione di insulina e alterava il suo rilascio da diversi pool di granuli. [9]

Questi risultati supportano direttamente il ruolo di meccanismi specializzati di fusione delle membrane.

Tuttavia, non costituiscono una spiegazione completa di tutti i processi molecolari che regolano la secrezione di insulina.

Diversi sistemi ormonali reagiscono a diversi stimoli

Le singole cellule endocrine rispondono a diversi segnali fisiologici.

Possono includere:

• concentrazioni di nutrienti;
• attività elettrica;
• neurotrasmettitori;
• altri ormoni;
• Jon è attualmente fuori dalla cella;
• condizioni osmotiche;
• modifiche meccaniche;
• combinazioni di diversi stimoli normativi.

Il calcio intracellulare partecipa spesso alla fusione delle vescicole secretorie, ma i processi che portano alla generazione del segnale di calcio differiscono tra i vari tipi cellulari.

Nelle cellule beta pancreatiche, il metabolismo del glucosio è ad esempio strettamente legato all'attività elettrica, all'afflusso di calcio e al rilascio di granuli contenenti insulina.

D'altra parte, le cellule neuroendocrine ipotalamiche funzionano in complesse reti di segnali neurali, ormonali e fisiologici.

Non sarebbe quindi corretto presentare un'unica via dettagliata di secrezione come meccanismo universale per tutti gli ormoni peptidici.

Dal punto di vista sperimentale è anche importante distinguere la sintesi dell'ormone dalla sua secrezione.

Lo studio dei neuroni di ratto che producono l'ormone di rilascio della corticotropina ha dimostrato che l'attivazione genica e le risposte associate alla secrezione avevano soglie di reazione diverse durante lo stress prolungato. [10]

Un maggiore rilascio di ormone non deve quindi significare che la trascrizione del gene che codifica per il suo precursore cambi nella stessa misura e esattamente nello stesso momento.

Il tempo e il ritmo della secrezione possono trasmettere informazioni

L'esposizione a un ormone non è descritta esclusivamente dalla sua concentrazione media.

Il pattern temporale può includere:

• impulsi separati;
• variazioni della frequenza degli impulsi;
• variazioni di ampiezza degli impulsi;
• persistente aumento della concentrazione;
• ritmo circadiano;
• risposte relative ai pasti, al sonno, allo stress o ad altri eventi fisiologici.

Diversi pattern temporali possono portare a risposte cellulari differenti.

Esperimenti condotti su ratti maschi con deficit di GnRH hanno dimostrato che diverse frequenze di impulsi di GnRH inducevano modelli differenti di trascrizione delle subunità delle gonadotropine. La risposta ha comportato sia la segnalazione diretta del GnRH sia alterazioni dei meccanismi di regolazione locale dell'ipofisi. [5]

Questi studi aiutano a spiegare perché il tempo e il ritmo di un segnale ormonale possono trasmettere informazioni biologiche.

Tuttavia, i risultati di tali esperimenti sugli animali non dovrebbero essere tradotti in schemi di somministrazione di sostanze agli esseri umani.

La concentrazione dell'ormone misurata nel sangue è quindi solo l'immagine di un sistema in continua evoluzione in un determinato momento.

L'interpretazione può dipendere da:

• ora del prelievo del campione;
• del carattere pulsatile della secrezione;
• misurata forma molecolare;
• dei recenti eventi fisiologici;
• velocità di eliminazione;
• specificità del test utilizzato.

Recettori e segnalazione cellulare

Che cosa succede quando un ormone peptidico raggiunge la cellula bersaglio?

La maggior parte degli ormoni peptidici esercita la propria azione legandosi ai recettori situati sulla superficie cellulare o direttamente associati ad essa.

Il legame dell'ormone con il recettore ne altera l'attività o la conformazione, consentendo la trasmissione del segnale all'interno della cellula.

Il segnale attraversa quindi la membrana grazie a un sistema recettoriale.

Di norma, un ormone peptidico non ha bisogno di attraversare autonomamente la membrana cellulare lipidica e di entrare liberamente nel citoplasma per avviare la trasmissione del segnale.

Ciò permette di comprendere in che modo una molecola extracellulare, relativamente ben solubile in ambiente acquoso, possa influenzare i processi che avvengono all’interno della cellula.

Il successivo decorso dipende dal tipo di recettore.

I recettori degli ormoni peptidici appartengono a diverse classi con meccanismi d'azione distinti.

Alcuni trasmettono il segnale tramite:

• proteine G eterotrimeriche;
• enzimi legati al recettore;
• della propria attività chinasi;
• attività della guanilato ciclasi;
• di altre proteine di segnalazione.

Schema generale:

ormone → recettore → segnale intracellulare → risposta cellulare

è molto utile.

Non esiste tuttavia un unico percorso intracellulare comune a tutti gli ormoni peptidici.

Recettori accoppiati a proteine G e secondi messaggeri

Molti ormoni peptidici trasmettono segnali tramite recettori accoppiati alle proteine G, ovvero i GPCR.

Queste sono proteine di membrana che comunicano con le proteine G intracellulari, le quali possono influenzare enzimi, canali ionici e sistemi di secondi messaggeri.

Uno dei importanti secondi messaggeri è l'AMP ciclico (cAMP).

In una via di segnalazione tipica del cAMP, l'attivazione del recettore agisce sull'adenilato ciclasi, ovvero l'enzima responsabile della produzione di cAMP.

I cambiamenti nella concentrazione di cAMP possono successivamente influenzare l'attività di ulteriori proteine di segnalazione.

Altri recettori GPCR possono utilizzare meccanismi differenti.

È importante notare che non tutti i recettori GPCR aumentano la concentrazione di cAMP.

Alcune combinazioni di recettori e proteine G possono ridurne la produzione, mentre altre regolano principalmente le vie metaboliche legate al calcio o ad altri processi intracellulari.

L'affermazione secondo cui l'ormone „utilizza un messaggero secondario” descrive quindi una strategia di segnalazione generale, e non un unico meccanismo molecolare universale.

In uno studio preliminare condotto su una linea cellulare di isole pancreatiche di ratto, è stato osservato che la forma modificata del GLP-1 aumentava i livelli di cAMP, i livelli di mRNA correlati all’insulina e il rilascio di insulina. [11]

Questo esperimento ha messo in relazione il segnale peptidico extracellulare con i cambiamenti biochimici e l'espressione genica all'interno della cellula.

Tuttavia, le conclusioni rimangono valide per il modello utilizzato e per le condizioni sperimentali.

Segnalazione del calcio e amplificazione del segnale

Un'altra via GPCR comunemente riscontrata coinvolge la fosfolipasi C.

La sua attivazione può portare alla generazione di secondi messaggeri intracellulari, come l'inositolo trifosfato (IP3) e il diacilglicerolo (DAG).

L'IP3 può favorire il rilascio di calcio dai depositi intracellulari, mentre il DAG può partecipare all'attivazione della proteina chinasi C.

Questi processi aiutano a convertire l'attivazione del recettore in un cambiamento dell'attività cellulare.

Tuttavia, non si tratta di una via utilizzata da tutti i recettori degli ormoni peptidici.

Le cascate di segnalazione possono anche amplificare il segnale.

Un singolo recettore attivato può interagire con numerose molecole situate più avanti nella via di segnalazione, mentre un singolo enzima attivato può produrre numerose molecole di un secondo messaggero.

Ciò permette di spiegare perché un segnale extracellulare relativamente debole possa talvolta provocare una risposta cellulare significativa.

L'amplificazione del segnale non è tuttavia illimitata.

La sua forza e la sua durata sono influenzate, tra le altre cose, da:

• 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;
• trascrizione dei geni;
• 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.

Per esempio:

• 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.

Domande frequenti

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.

Sintesi

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.

Disclaimer

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.

Riferimenti

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