Peptidiniai hormonai: receptoriai, signalizacija ir biologinės funkcijos

Peptidiniai hormonai – tai cheminiai mediatoriai, sudaryti iš aminorūgščių grandinių. Specializuotos ląstelės jas gamina, dažnai perdirbdamos iš didesnių pirmtakų molekulių, išskiria reaguodamos į tam tikrus fiziologinius signalus, o vėliau naudoja kitų ląstelių ir audinių veiklai koordinuoti.

Tačiau jų veikimas nekyla vien iš to, kad jie yra peptidais. Biologinis atsakas pirmiausia priklauso nuo to, ar konkreti ląstelė turi atitinkamą receptorių ir intraląstelinį signalizacijos mechanizmą, leidžiantį interpretuoti gautą signalą.

Insulinas, glukagonas, glukagonui panašus peptidas-1 (GLP-1), vazopresinas, parathormonas (PTH), gonadotropinų atpalaiduojantis hormonas (GnRH) ir prieširdžio natriuretinis peptidas (ANP) priklauso šiai plačiai grupei. Tačiau jie dalyvauja labai skirtingose fiziologinėse sistemose.

Taigi terminas „peptidinis hormonas” apibūdina cheminę kategoriją ir biologinio bendravimo būdą, o ne vieną bendrą poveikį.

Pavyzdžiui, GLP-1 tyrimai su žmonėmis buvo susiję su virškinimo trakto ir insulino išsiskyrimo sąveika, o tyrimai, susiję su vazopresinui reaguojančiais vandens kanalais, buvo sutelkti į inkstų atliekamą vandens balanso reguliavimą. Tai yra atskiri fiziologiniai mechanizmai, kuriuose naudojami skirtingi receptoriai, tiksliniai audiniai ir atsako mechanizmai. [1] [2]

Peptidinio hormono veikimą lengviausia suprasti stebint visą procesą nuo pradžios iki pabaigos:

prekursoriaus sintezė → molekulės apdorojimas → saugojimas → išlaisvinimas → atpažinimas receptoriumi → intracelulinė signalizacija → ląstelės reakcija → grįžtamasis ryšys ir signalo nutraukimas.

Kiekvienas iš šių etapų gali turėti įtakos galutiniam biologiniam atsakui.

Toks požiūris taip pat leidžia išvengti svarbaus nesusipratimo. Peptido aptikimas, jo sąveikos su receptoriumi stebėjimas, antrinio mediatoriaus matavimas ir viso organizmo fiziologinės reakcijos įrodymas – tai skirtingi įrodymų lygiai. Norint visapusiškai įvertinti rezultatus, reikia nustatyti, kuris iš šių etapų iš tiesų buvo ištirtas.

Kas yra peptidiniai hormonai?

Biologinį signalą perduodanti aminorūgščių grandinė

Peptidiniai hormonai susideda iš sujungtų aminorūgščių likučių peptidiniais ryšiais.

Kai kurios iš jų yra palyginti trumpos grandinės, o kitos – žymiai didesnės molekulės, kurias taip pat galima vadinti baltyminiais hormonais.

Hormonų sistemos biologijoje šios kategorijos iš dalies sutampa. Terminologija, susijusi su peptidiniais hormonais, apima iš aminorūgščių sudarytas signalines molekules ir nereikalauja, kad būtų nustatyta viena universali grandinės ilgio riba, atskirianti visus peptidus nuo visų baltymų.

Žodis „hormonas” visų pirma apibūdina molekulės signalinę funkciją, o ne vien tik jos cheminę struktūrą.

Klasikinėje endokrininėje sistemoje ląstelė arba audinys išskiria hormoną į kraujotaką, todėl jis gali paveikti į jį reaguojančias ląsteles, esančias kitose organizmo dalyse.

Tačiau biologinė komunikacija neapsiriboja vien šiuo mechanizmu. Susijusios molekulės taip pat gali dalyvauti vietinėje kaimyninių ląstelių komunikacijoje bei kitose ląstelių signalizacijos formose.

Taigi vien cheminės struktūros nepakanka, kad tam tikras peptidas būtų laikomas hormonu.

Daugelis peptidų, be kita ko, yra:

• tarpiniai metabolitai;
• didesnių baltymų fragmentai;
• struktūriniai komponentai;
• ląstelių viduje esančios reguliuojančios molekulės;
• baltymų skilimo produktai;
• molekulės, atliekančios kitas funkcijas, nesusijusias su endokrininės sistemos veikla.

Norėdami patvirtinti hormoninį vaidmenį, mokslininkai paprastai turi rasti įrodymų, siejančių tam tikrą molekulę su jos sinteze, reguliuojamu išsiskyrimu, tikslinėmis ląstelėmis ir fiziologiniu poveikiu.

Ankstyvieji GLP-1 tyrimai su žmonėmis puikiai iliustruoja tokį požiūrį.

Mokslininkai žarnyne aptiko su GLP-1 susijusią medžiagą ir pastebėjo, kad jos koncentracija kraujyje padidėja po gliukozės vartojimo per burną arba po valgio. Nedidelio masto infuzijos eksperimente tam tikra GLP-1 forma darė įtaką insulino ir gliukozės reakcijai. [1]

Apibendrinant, šie stebėjimai patvirtino hipotezę apie šios dalelės fiziologinę signalinę funkciją.

Tačiau šio tyrimo nereikėtų laikyti įrodymu, patvirtinančiu kiekvieną GLP-1 veikimo mechanizmą, klinikinį pritaikymą ar vėlesnį teiginį apie GLP-1 biologiją.

Tikslinės ląstelės nustatomos pagal jų gebėjimą reaguoti

Hormonas gali praeiti pro daugelį ląstelių, tačiau ne kiekvienoje iš jų sukelia vienodą reakciją.

Kad ląstelė galėtų reaguoti, paprastai ji turi turėti atitinkamą receptorių ir intracelulinius molekulinius mechanizmus, leidžiančius apdoroti signalą, susidariusį po jo aktyvacijos.

Receptoriai atpažįsta tam tikras molekulių savybes.

Atpažinimas gali priklausyti, be kita ko, nuo:

• aminorūgščių sekos;
• erdvinės struktūros;
• krovinio išdėstymo;
• cheminiai modifikavimai;
• receptoriaus konformacijos;
• atitinkamų jungiamųjų paviršių prieinamumas.

Taigi vien tai, kad tam tikra molekulė yra peptidas, nereiškia, kad ji gali aktyvuoti kito peptidinio hormono receptorių.

Taip pat svarbus yra receptorių skaičius.

Ląstelė, turinti daug funkcionalių receptorių, gali reaguoti kitaip nei ląstelė, kurioje jų yra mažiau. Reakcijai įtakos taip pat gali turėti receptorių išsidėstymas, jų modifikacijos, su jais sąveikaujančios baltymai ir ankstesnė stimuliacija.

Net du audiniai, turintys tą patį receptorių, gali reaguoti skirtingai, nes skiriasi jų vidinė signalizacijos sistema.

Receptoriaus aktyvacija gali turėti įtakos, be kita ko:

• fermentų aktyvumas;
• jonų pernašą;
• membraniniai kanalai;
• pūslelių judėjimas;
• išsiskyrimas;
• medžiagų apykaita;
• baltymų fosforilinimą;
• genų transkripciją;
• keleto iš šių procesų derinį.

Taigi, jungimasis prie receptoriaus yra tik pirmasis žingsnis siekiant paaiškinti veikimo mechanizmą, o ne išsamus atsakymas į klausimą apie biologinį poveikį.

Peptidiniai hormonai dalyvauja daugelio skirtingų sistemų veikloje

Šie pavyzdžiai iliustruoja skirtingas fiziologines funkcijas, o ne bendrus privalumus, kylančius iš priklausymo tam tikrai peptidų grupei.

Tyrimai, susiję su insulino receptoriaus kinazės aktyvumu, GLP-1 fiziologija, akvaporinu-2 šlapime, kalcio–PTH reakcija, GnRH impulsų ritmu ir ANP receptoriais, analizuoja įvairius atskirų hormoninių sistemų elementus. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Dėl šios priežasties vieno peptidinio hormono tyrimų rezultatų neturėtų būti automatiškai pritaikomi kitam vien dėl to, kad abi molekulės priklauso tai pačiai plačiai cheminei kategorijai.

Kaip susidaro ir išsiskiria peptidiniai hormonai?

Daugelis hormonų susidaro iš didesnių pirmtakų molekulių

Daugelis peptidinių hormonų iš pradžių sintezuojami kaip didesnės molekulės, vadinamos preprohormonais.

Priešdėlis „pre-” paprastai reiškia signalinę seką, kuri padeda nukreipti naujai susidarančią molekulę į ląstelės sekrecijos kelią.

Pašalinus šią seką, likęs pirmtakas paprastai vadinamas prohormonu.

Tolesnis apdorojimas gali lemti subrendusio hormono susidarymą, o kai kuriais atvejais – kelių biologiškai svarbių produktų susidarymą.

Klasiniame reguluojamame sekrecijos kelyje susidarantis prekursorius patenka į intrazellulinį tinklą, vėliau praeina per Golgio aparatą ir nukreipiamas į atitinkamus sekrecijos kompartimentus.

Priklausomai nuo molekulės, tolesni etapai gali apimti:

• sulankstymas;
• disulfidinių tiltelių susidarymas;
• fermentinis skilimas;
• grandinės galų modifikacijos;
• kiti cheminiai pakeitimai;
• rūšiavimas;
• pakavimas pagal išskyrimo granuliometriją.

Šie procesai nevyksta vienodai kiekvienam peptidiniam hormonui.

Vienas prekursorius gali turėti keletą galimų peptidinių produktų, o skirtingi ląstelių tipai tą patį prekursorių gali apdoroti skirtingai.

Taigi geno koduojama aminorūgščių seka nebūtinai turi tiesiogiai atitikti vieną brandų hormoną, esantį kraujotakoje.

Prekursoriaus apdorojimas lemia, koks hormonas susidarys

Proglukagonas yra ypač geras pavyzdys, nes kasos ir žarnyno audiniai iš to paties pirmtako gali gaminti skirtingus molekulinius produktus.

Tiriant žmogaus audinius buvo taikomi imunocheminiai ir chromatografiniai metodai, siekiant identifikuoti įvairius su glukagonu susijusių molekulių modelius kasoje ir plonojoje žarnoje. [7]

Vėlesniuose ląstelių eksperimentuose buvo tiriamas PC2 ir PC3 apdorojančių fermentų vaidmuo, be to, PC3 dažnai vadinamas PC1/3.

Rezultatai parodė, kad fermentinė aplinka turėjo didelę įtaką tam, ar apdorojimas atitiko kasai ar žarnynui būdingą modelį. Tyrimai taip pat atskleidė, kad izoliuota fermentinė sistema turi ribotas galimybes atkurti visus skilimo etapus. [8]

Svarbu laikytis bendros taisyklės:

prekursoriaus seka nulemia galimus produktus, o konkrečioje ląstelėje veikiantys apdorojimo mechanizmai padeda nustatyti, kokios molekulinės formos iš tiesų susidarys.

Tai taip pat svarbu atliekant laboratorinius matavimus.

Testas, kuris nustato kelias su vienu pirmtaku susijusias formas, gali duoti kitokius rezultatus nei metodas, sukurtas specialiai vienam subrendusiam hormonui aptikti.

Todėl pateiktą koncentraciją reikia vertinti kartu su informacija apie tai, kokias tiksliai molekulių formas aptinka taikomas analizės metodas.

Sekreciniai granuliukai užtikrina kontroliuojamą išsiskyrimą

Daugelis endokrininių ląstelių saugo apdorotus peptidinius hormonus sekrecijos granulėse.

Atsiradus atitinkamam dirgikliui, reguliuojami ląstelių mechanizmai lemia grūdelių susijungimą su ląstelės membrana.

Vėliau jų turinys išsiskiria iš ląstelės per eksocitozę.

Kaupimas leidžia greitai padidinti išsiskyrimą, nereikalaujant kiekvienos išsiskiriančios dalelės sintezės pradėti iš naujo būtent tuo momentu, kai atsiranda dirginys.

Tačiau tai nereiškia, kad visos granulės yra vienodai lengvai prieinamos ir gali būti iškart išlaisvintos.

Ląstelės gali turėti funkcionaliai skirtingus granulių kiekius, o ilgalaikis išsiskyrimas reikalauja tolesnės gamybos, perdirbimo ir atsargų papildymo.

Taigi hormono išsiskyrimas yra aktyviai kontroliuojamas ląstelinis procesas, o ne pasyvus visos ląstelės turinio išsiliejimas.

Žmogaus kasos salelių ir beta ląstelių tyrimai parodė, kad egzocitotinio baltymo Munc18c kiekio sumažėjimas sutrikdė insulino sekreciją ir pakeitė jo išsiskyrimą iš įvairių granulių. [9]

Šie rezultatai tiesiogiai patvirtina specializuotų membranų susijungimo mechanizmų svarbą.

Tačiau jie nepaaiškina visų molekuliarių procesų, reguliuojančių insulino išsiskyrimą.

Įvairios hormonų sistemos reaguoja į įvairius dirgiklius

Atskiros endokrininės ląstelės reaguoja į įvairius fiziologinius signalus.

Prie jų gali priskirti:

• maistinių medžiagų koncentracija;
• elektrinė veikla;
• neurotransmiteriai;
• kiti hormonai;
• jonai, esantys už ląstelės ribų;
• osmotinės sąlygos;
• mechaniniai pokyčiai;
• įvairių reguliavimo veiksnių derinius.

Celiuliniame kalcio dažnai dalyvauja sekretorinių pūslelių susijungime, tačiau procesai, lemiantys kalcio signalo susidarymą, skiriasi priklausomai nuo ląstelių tipo.

Pavyzdžiui, kasos beta ląstelėse gliukozės metabolizmas yra glaudžiai susijęs su elektrine veikla, kalcio įplaukimu ir insulino turinčių granulių išsiskyrimu.

Tuo tarpu hipotalaminės neuroendokrininės ląstelės veikia sudėtinguose nervinių, hormoninių ir fiziologinių signalų tinkluose.

Taigi nebūtų teisinga vieną konkretų išsiskyrimo kelią pateikti kaip visuotinį visų peptidinių hormonų mechanizmą.

Eksperimentiniu požiūriu taip pat svarbu atskirti hormono sintezę nuo jo išsiskyrimo.

Tyrimas, kuriame buvo tiriamos žiurkių neuronai, gaminantys kortikotropiną atpalaiduojantį hormoną, parodė, kad geno aktyvacija ir su sekrecija susijusios reakcijos turėjo skirtingus reakcijos slenksčius esant ilgalaikiam stresui. [10]

Taigi padidėjęs hormono išsiskyrimas nebūtinai reiškia, kad jo pirmtaką koduojančio geno transkripcija keičiasi tokiu pačiu mastu ir būtent tuo pačiu metu.

Išsiskyrimo laikas ir ritmas gali perduoti informaciją

Hormono poveikį lemia ne tik jo vidutinė koncentracija.

Laiko modelis gali apimti:

• atskiri impulsai;
• impulsų dažnio pokyčiai;
• impulsų amplitudės pokyčiai;
• nuolatinis koncentracijos padidėjimas;
• paros ritmas;
• reakcijos, susijusios su maistu, miegu, stresu ar kitais fiziologiniais reiškiniais.

Skirtingi laiko modeliai gali lemti skirtingas ląstelių reakcijas.

Eksperimentai, atlikti su GnRH trūkumo turinčiais patiniais žiurkėmis, parodė, kad skirtingi GnRH impulsų dažniai sukeldavo skirtingus gonadotropinų subvienetų transkripcijos modelius. Reakcija apėmė tiek tiesioginį GnRH signalizavimą, tiek vietinių hipofizės reguliavimo mechanizmų pokyčius. [5]

Šie tyrimai padeda paaiškinti, kodėl hormoninio signalo trukmė ir ritmas gali perduoti biologinę informaciją.

Tačiau tokių eksperimentų su gyvūnais rezultatų neturėtų būti taikomi nustatant medžiagų vartojimo schemas žmonėms.

Taigi kraujyje išmatuotas hormono koncentracijos lygis yra tik tam tikru momentu dinamiškai kintančios sistemos atspindys.

Aiškinimas gali priklausyti nuo:

• mėginio paėmimo metu;
• impulsinio išsiskyrimo pobūdžio;
• matuojamos molekulinės masės;
• nesenių fiziologinių reiškinių;
• eliminavimo greitis;
• taikomo testo ypatumų.

Receptoriai ir ląstelių signalizacija

Kas vyksta, kai peptidinis hormonas pasiekia tikslines ląsteles?

Dauguma peptidinių hormonų pradeda veikti prisijungdami prie receptorių, esančių ląstelės paviršiuje arba tiesiogiai su juo susijusių.

Hormono jungimasis su receptoriumi keičia jo aktyvumą arba konformaciją, taip sudarant sąlygas informacijai perduoti į ląstelės vidų.

Taigi signalas prasiskverbia pro membraną per receptorių sistemą.

Paprastai peptidinis hormonas neturi pats prasiskverbti pro ląstelės lipidinę membraną ir laisvai patekti į citoplazmą, kad pradėtų perduoti signalą.

Tai leidžia suprasti, kaip vandens aplinkoje palyginti gerai tirpi ekstraląstelinė molekulė gali daryti įtaką procesams, vykstantiems ląstelės viduje.

Tolimesnis procesas priklauso nuo receptoriaus tipo.

Peptidinių hormonų receptoriai priklauso kelioms mechanizmo požiūriu skirtingoms klasėms.

Kai kurios perduoda signalą per:

• heterotrimerinių G baltymų;
• su receptoriumi susijusių fermentų;
• savo kinazinio aktyvumo;
• guanilato ciklazės aktyvumas;
• kitų signalinių baltymų.

Bendras schema:

hormonas → receptorius → intracelulinis signalas → ląstelės reakcija

yra labai naudingas.

Tačiau nėra vieno bendro intraląstelinio kelio, būdingo visiems peptidiniams hormonams.

Su G baltymu susieti receptoriai ir antriniai transdukcijos elementai

Daugelis peptidinių hormonų perduoda signalus per su G-baltymu susietus receptorius, t. y. GPCR.

Tai yra membraniniai baltymai, sąveikaujantys su intraceluliniais G-baltymais, kurie gali daryti įtaką fermentams, jonų kanalams ir antrinių mediatorių sistemoms.

Vienas iš svarbių antrinių signalų perdavėjų yra ciklinis AMP (cAMP).

Tipiniame cAMP signalo perdavimo kelyje receptoriaus aktyvacija veikia adenilato ciklazę – fermentą, atsakingą už cAMP gamybą.

cAMP koncentracijos pokyčiai vėliau gali paveikti kitų signalinių baltymų aktyvumą.

Kiti GPCR receptoriai gali veikti pagal kitokius mechanizmus.

Svarbu tai, kad ne kiekvienas GPCR receptorius padidina cAMP koncentraciją.

Kai kurie receptorių ir G baltymų deriniai gali sumažinti jo gamybą, o kiti pirmiausia reguliuoja su kalciu ar kitais ląstelės vidaus procesais susijusius signalų perdavimo kelius.

Taigi teiginys, kad hormonas „naudoja antrinį signalinį junginį”, apibūdina bendrą signalizacijos strategiją, o ne vieną universalią molekulinę mechanizmą.

Ankstesniame tyrime, atliktame su žiurkių kasos salelių ląstelių linija, buvo nustatyta, kad modifikuota GLP-1 forma didino cAMP, su insulinu susijusio mRNR kiekį ir insulino išsiskyrimą. [11]

Šis eksperimentas susiejo ekstraląstelinį peptidinį signalą su biocheminiais pokyčiais ir genų ekspresija ląstelės viduje.

Tačiau išvados tebėra taikomos tik šiam modeliui ir eksperimentinėms sąlygoms.

Kalcio signalizacija ir signalo stiprinimas

Kitas dažnai pasitaikantis GPCR signalinis kelias apima fosfolipazę C.

Jos aktyvacija gali paskatinti ląstelių viduje susidaryti tokius tarpininkus kaip inozitolio trifosfatas (IP3) ir diacilglicerolis (DAG).

IP3 gali skatinti kalcio išsiskyrimą iš ląstelių vidinių atsargų, o DAG gali dalyvauti proteinkinazės C aktyvacijoje.

Šie procesai padeda receptoriaus aktyvaciją paversti ląstelės veiklos pokyčiu.

Tačiau tai nėra kelias, kuriuo naudojasi kiekvienas peptidinio hormono receptorius.

Signalizacijos grandinės taip pat gali sustiprinti signalą.

Vienas suaktyvintas receptorius gali paveikti daugelį toliau grandinėje esančių molekulių, o vienas suaktyvintas fermentas gali pagaminti daug antrinio mediatoriaus molekulių.

Tai leidžia paaiškinti, kodėl palyginti silpnas ekstraląstelinis signalas kartais gali sukelti reikšmingą ląstelinį atsaką.

Tačiau signalo stiprinimas nėra neribotas.

Jo stiprumą ir trukmę lemia, be kita ko:

• receptorių skaičius;
• fermentų prieinamumas;
• substratų prieinamumas;
• grįžtamojo ryšio mechanizmai;
• fosfatazės;
• antrinių relės gedimai;
• receptorių desensibilizacija;
• tikslinės ląstelės funkcinės galimybės.

Taigi antrinis perdavėjas yra tarpinis grandinės elementas, o ne galutinis fiziologinis rezultatas.

Svarbu yra jo tipas, koncentracija, vieta ir veikimo trukmė, taip pat ląstelės gebėjimas šį signalą paversti konkrečiu atsakymu.

Insulino receptorius veikia kitaip

Insulino receptorius yra receptorių tipo tirozino kinazė.

Taigi jo pradinis signalizavimo mechanizmas iš esmės skiriasi nuo klasikinio GPCR mechanizmo.

Insulino prisijungimas sukelia receptoriaus kinazinės dalies aktyvaciją ląstelės viduje.

Aktyvuotas receptorius fosforiluoja tam tikras baltymų vietas ir suaktyvina tolesnius signalų perdavimo tinklus.

Biocheminiai tyrimai, kuriuose buvo naudojami išgryninti insulino receptoriai, parodė, kad tirozino autofosforilinimas yra susijęs su padidėjusiu kinaziniu aktyvumu. [3]

Šie eksperimentai leido nustatyti svarbias receptoriaus savybes.

Tačiau išgrynintas receptorius neatkuria visų procesų, vykstančių raumenų, kepenų, riebalinio audinio ar kitų į insuliną reaguojančių audinių ląstelėse.

Svarbiausia išvada yra paprasta:

peptidiniai hormonai gali aktyvuoti įvairių klasių receptorius.

Insulinas yra svarbus pavyzdys, iliustruojantis, kodėl peptidinių hormonų signalizacijos negalima apibendrinti teiginiu:

„Peptidinis hormonas jungiasi prie GPCR ir padidina cAMP lygį”.

Šis mechanizmas taikomas kai kurioms sistemoms, bet ne visai grupei.

Natriurezinų peptidų receptoriai gali gaminti cGMP

ANP yra dar vieno receptorių mechanizmo pavyzdys.

Jo guanilato ciklazės A receptorius yra susijęs su ciklinio GMP (cGMP) susidarymu.

cGMP ir cAMP yra cikliniai nukleotidai, tačiau tai nėra ta pati molekulė, ir jie susidaro dalyvaujant skirtingiems fermentiniams kompleksams.

Mutacijų eksperimentai, susiję su natriurezinų receptoriais, parodė, kad kinazę primenantis reguliuojamasis regionas vaidino svarbų vaidmenį reguliuojant receptoriaus aktyvumą. Pokyčiai šiame regione galėjo lemti normalaus reguliavimo praradimą arba aktyvumą, pasireiškiantį be tipinės hormoninės stimuliacijos. [6]

Šiuo atveju svarbu naudoti tikslią terminologiją.

Tai, kad yra domenas, primenantis kinazę, nereiškia, kad receptorius veikia pagal tą patį tirozino kinazės mechanizmą kaip ir insulino receptorius.

Reikia atsižvelgti į receptoriaus struktūrą, jo katalizinį aktyvumą ir matuojamo biocheminio produkto rūšį.

Ryšys su paviršiumi nereiškia, kad receptorius visada ten lieka

Aktyvuoti receptoriai gali būti endocituojami, t. y. pereiti iš ląstelės membranos į membranomis apsuptas vidines ertmes.

Šis procesas skiriasi nuo laisvo peptidinio hormono prasiskverbimo per lipidinę membraną į citoplazmą.

Modifikuotose žmogaus inkstų kilmės ląstelėse mokslininkai stebėjo ANP receptorių judėjimą į ląstelių vidaus kompartimentus, tuo pačiu išlaikant cGMP gamybą. [12]

Šios stebėtos aplinkybės rodo, kad receptoriaus transportavimas ir signalizacija gali vykti tuo pačiu metu.

Tačiau jie neįrodo, kad kiekvienas receptorius po internalizacijos perduoda signalą vienodai, nei kad visas išmatuotas cGMP susidarė viename konkrečiame ląstelės plote.

Taigi teiginys, kad peptidiniai hormonai paprastai pradeda signalizavimą per paviršinius receptorius, yra naudingas apibendrinimas.

Tačiau teiginys, kad peptidiniai hormonai ir jų receptoriai niekada negali patekti į ląstelių vidaus erdves, būtų pernelyg kategoriškas.

Ląstelinė reakcija gali būti greita, uždelsta arba apimti abu etapus

Receptorių signalizacija gali keisti jau ląstelėje esančių baltymų aktyvumą.

Tokie mechanizmai gali užtikrinti palyginti greitą reakciją.

Signalų keliai taip pat gali daryti įtaką transkripcijai ir baltymų sintezei, dėl to atsiranda ilgalaikiai padariniai.

Abu mechanizmai gali veikti tuo pačiu metu.

Tas pats signalinis tinklas gali sukelti greitus biocheminius pokyčius ir vėlesnius transkripcinius pokyčius.

GLP-1 tyrime ląstelėse buvo matuojami tiek su signalizacija susiję pokyčiai, tiek insulino geno ekspresija, o tai rodo, kodėl signalizacijos, prasidedančios ląstelės paviršiuje, neturėtų būti laikoma nesugebančia daryti įtakos procesams, vykstantiems branduolyje. [11]

Tačiau antrinio mediatoriaus koncentracijos padidėjimas rodo tik vieną įrodymų lygį.

Norint įrodyti visą fiziologinį poveikį, priklausomai nuo tyrimo klausimo, reikia sujungti šiuos lygmenis:

receptoriaus aktyvinimas → ląstelės vidaus signalizacija → ląstelės elgsena → audinio reakcija → viso organizmo fiziologija.

Peptidiniai hormonai ir steroidiniai hormonai

Kiti cheminiai pagrindai

Peptidiniai hormonai susideda iš aminorūgščių grandinių.

Steroidiniai hormonai susidaro iš cholesterolio ir pasižymi būdinga steroidinių žiedų struktūra.

Cheminiai skirtumai daro įtaką abiejų hormonų grupių sintezei, kaupimui, transportavimui, atpažinimui ir signalo perdavimui.

Peptidiniai hormonai paprastai gerai veikia vandeninėje aplinkoje, tačiau dažniausiai nepraeina per hidrofobinę ląstelės membranos vidinę dalį paprastos difuzijos būdu.

Steroidiniai hormonai geriau susilieja su lipidine aplinka ir gali patekti į ląstelių vidaus receptorių sistemas.

Daugelis steroidinių hormonų kraujyje cirkuliuoja iš dalies susiję su transportiniais baltymais.

Peptidinių hormonų transportavimo savybės skiriasi priklausomai nuo konkrečių molekulių.

Tai yra bendri fiziologiniai modeliai, o ne absoliučios taisyklės, taikomos kiekvienam abiejų kategorijų atstovui.

Molekuliniai pokyčiai, rišančiosios baltymai, receptoriaus tipas ir audinio kontekstas gali keisti šiuos duomenis.

Klasikinis receptorių palyginimas

Klasikinis palyginimas yra naudingas mokantis hormonų biologijos.

Tačiau nereikėtų abiejų kategorijų vaizduoti kaip visiškai atskirų signalizacijos pasaulių.

Leidinyje, kuriame aptariama peptidinė ir steroidinė signalizacija, pateikiami įrodymai, kad steroidai veikia greitai ir tam nereikia naujos baltymų sintezės. [13]

Šis šaltinis yra apžvalga, pagrįsta, be kita ko, mokslinėmis diskusijomis, o ne pavieniu eksperimentu, patvirtinančiu vieną visuotinį mechanizmą, taikomą visiems steroidiniams hormonams.

Kodėl teiginys „peptidai veikia greitai, o steroidai – lėtai” yra pernelyg supaprastintas?

Kai kurios reakcijos į peptidinius hormonus pasireiškia greitai, nes signaliniai keliai modifikuoja baltymus, kurie jau yra ląstelėje.

Tačiau peptidinė signalizacija taip pat gali daryti įtaką transkripcijai ir naujų baltymų sintezei, dėl ko reakcijos vyksta lėčiau.

Kita vertus, steroidiniai hormonai neapsiriboja vien tik lėtais, nuo transkripcijos priklausančiais poveikiais.

Moksliškai naudingesni klausimai skamba taip:

• Koks hormonas tiriamas?
• Koks receptorius aktyvuojamas?
• Koks intraląstelinis signalų perdavimo kelias vėliau aktyvuojamas?
• Koks biologinis poveikis yra matuojamas?
• Po kiek laiko nuo stimuliacijos buvo atliktas matavimas?

Antrinio transdukto ankstyvosios reakcijos palyginimas su vėlesne transkripcijos reakcija, nenustatant matuojamo poveikio, gali lemti klaidingą hormonų suskirstymą į „greituosius” ir „lėtus”. [11] [13]

Abi hormonų klasės gali tarpusavyje reguliuoti viena kitą

Peptidiniai ir steroidiniai hormonai dažnai dalyvauja tuose pačiuose endokrininio tinklo procesuose.

Geras pavyzdys yra streso reakcijų ašis.

Peptidiniai signalai iš hipotalaminės ir hipofizės dalyvauja reguliuojant steroidų gamybą antinksčiuose, o glikokortikosteroidai dalyvauja grįžtamojo ryšio procese, veikiančiame ankstesnius šios sistemos elementus.

Tačiau grįžtamojo ryšio nereikėtų įsivaizduoti kaip momentinio „įjungti–išjungti” jungiklio.

Atlikus CRH neuronų tyrimą žiurkėse paaiškėjo, kad sekrecija, genų aktyvacija ir nuo glikokortikosteroidų priklausanti grįžtamoji sąveika priklausė nuo dirgiklio tipo ir matavimo momento. [10]

Tai patvirtina išsamesnį hormonų reguliavimo modelį, kuriame atskiri sistemos elementai gali reaguoti skirtingais laiko masteliais.

Grįžtamasis ryšys ir signalo pabaiga

Neigiamas grįžtamasis ryšys padeda stabilizuoti fiziologinius rodiklius

Neigiamas grįžtamasis ryšys atsiranda tada, kai fiziologinės reakcijos pasekmės sumažina stimulą, kuris skatina tolesnį signalų perdavimą.

Reguliuojamas parametras gali apimti, be kita ko:

• maistinių medžiagų prieinamumas;
• jonų koncentracija;
• vandentvarką;
• kraujo tūris;
• endokrininio organo veikla;
• kitas fiziologinis rodiklis.

Geras pavyzdys yra kalcio ir PTH sąveika.

Mažesnė ekstraląstelinio kalcio koncentracija paprastai skatina PTH išsiskyrimą, o jos padidėjimas gali šį išsiskyrimą slopinti.

Tyrime, kuriame dalyvavo sveiki jauni vyrai, buvo pastebėtas PTH koncentracijos kraujyje sumažėjimas po kalcio stimuliacijos. [4]

Tai rodo fiziologinį ryšį, pasireiškiantį šio tyrimo sąlygomis.

Tačiau tai nesudaro pagrindo teikti rekomendacijas dėl maisto papildų vartojimo ir neleidžia numatyti kiekvienos ligos eigos.

Grįžtamasis ryšys gali veikti įvairiais lygmenimis, be kita ko, per:

• hormono išsiskyrimas;
• prekursoriaus gamybą;
• genų transkripciją;
• receptorių jautrumas;
• tolimesni signalizacijos etapai;
• endokrininių audinių tarpusavio sąveika.

Jis taip pat gali veikti su tam tikru vėlavimu.

Todėl trumpalaikės reakcijos ir ilgalaikės adaptacijos neturėtų būti automatiškai laikomos tuo pačiu procesu.

Hormonų skilimas riboja poveikio trukmę

Peptidiniai hormonai gali būti skaidomi fermentų, o tai keičia jų molekulinę struktūrą ir biologinį aktyvumą.

Priklausomai nuo konkrečios molekulės, jos pašalinime taip pat gali dalyvauti audinių, inkstų, kepenų absorbcija ir kiti eliminavimo procesai.

GLP-1 tyrimai parodė, kad žmogaus plazmoje susidaro N-galo sutrumpintas metabolitas, ir nurodė, kad šioje reakcijoje dalyvauja dipeptidilpeptidazė IV (DPP-IV). Tyrėjai taip pat atskyrė nepakitusį peptidą nuo jo metabolitų žmonių mėginiuose. [14]

Šis skirtumas yra svarbus, nes nepakitusio hormono išnykimas ir susijusių peptidinių fragmentų atsiradimas nėra tas pats rodiklis.

Be to, peptido stabilumas, išmatuotas atskirame eksperimente su plazma, neturėtų būti automatiškai tapatinamas su jo pilnu veikimo laiku gyvame organizme.

Stebimą laiko eigą gali įtakoti išsiskyrimas, pasiskirstymas, kraujo srautas, įsisavinimas audiniuose, fermentinis skilimas ir išsiskyrimas.

Mobilusis telefonas taip pat išjungia savo atsakymą

Signalo pabaiga priklauso ne tik nuo to, ar hormonas pašalinamas iš kraujotakos.

Ląstelės turi daug mechanizmų, slopinančių vidinį ląstelių signalizavimą.

Pavyzdžiui:

• G baltymai gali grįžti į neaktyvią būseną;
• cikliniai nukleotidai gali būti skaidomi;
• baltymų fosfatazės gali pašalinti fosfato grupes;
• kalcio koncentracija ir pasiskirstymas ląstelės viduje gali grįžti prie ramybės būsenos verčių;
• signalinių baltymų veikla gali būti slopinama;
• receptoriai gali tapti nejautrūs;
• receptoriai gali būti perkelti į kitas ląstelių ertmes.

Šie mechanizmai užtikrina daugybę kontrolės taškų.

Hormonas gali išlikti organizme, nors ląstelė tampa mažiau jautri jo poveikiui.

Kita vertus, kai kurios intraląstelinės pasekmės gali išlikti tam tikrą laiką po to, kai hormono koncentracija už ląstelės ribų sumažėja.

Taigi, išmatavus tik vieną trasos elementą, neįmanoma nustatyti visos signalizacijos sistemos būklės.

Desensibilizacija keičia receptoriaus jautrumą

Desensibilizacija reiškia organizmo reakcijos susilpnėjimą esant nuolatiniam arba pasikartojančiam dirginimui.

Priklausomai nuo receptoriaus tipo, šie mechanizmai gali apimti:

• receptoriaus fosforilinimą;
• defosforilinimą;
• signalizacijos partnerių sąsajos pakeitimą;
• receptoriaus internalizaciją;
• receptorių skaičiaus pokytį;
• baltymų, dalyvaujančių tolesniuose signalizacijos etapuose, pokyčiai.

Tyrime, kuriame buvo nagrinėjamas ANP guanilato ciklazės A receptorius, aprašytas sudėtingas fosforilinimo ir defosforilinimo modelis, susijęs su reakcijos susilpnėjimu. [15]

Rezultatai nepatvirtino paprasto modelio, pagal kurį kiekviena fosforilinimas aktyvuoja receptorių, o kiekviena defosforilinimas jį išjungia.

Receptoriaus internalizacijos taip pat nereikėtų automatiškai tapatinti su visišku signalo nutraukimu.

Pasekmės priklauso nuo receptoriaus tipo, jo paskirties vietos ląstelės viduje, pakartotinio panaudojimo galimybių, skilimo bei to, ar signalizacija gali būti tęsiama iš ląstelės vidinių kompartimentų.

Ką rodo šio hormono tyrimas, o ko nerodo?

Išmatuota hormono koncentracija gali būti kelių vienu metu vykstančių procesų rezultatas:

gamyba + perdirbimas + atskyrimas + platinimas − skilimas − surinkimas − pašalinimas.

Analitinis metodas taip pat gali aptikti:

• nepažeistas hormonas;
• prekursorių molekulės;
• metabolitai;
• skilimo metu susidariusios dalys;
• keletas susijusių molekulių formų.

Tai, kokios formos bus aptiktos, priklauso nuo testo struktūros.

GLP-1 skilimo tyrime ši problema buvo analizuojama derinant chromatografinį atskyrimą su imunologiniais tyrimais ir metabolito struktūros identifikavimu. [14]

Šis skirtumas buvo svarbus, nes rezultatas, atspindintis bendrą imunoreaktyvumą, nebūtinai turėjo atitikti tik nepažeisto, biologiškai reikšmingo peptido matavimą.

Taigi, hormono koncentracija, jungimasis prie receptoriaus, antrinio mediatoriaus sintezė, genų ekspresija ir fiziologinė funkcija yra atskiri matavimų tipai.

Sujungus šiuos lygmenis galima sukurti žymiai tvirtesnį mechanistinį paaiškinimą nei vertinant vieną rezultatą kaip visos hormonų sistemos atspindį.

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Ar peptidiniai hormonai įsiskverbia į ląsteles?

Dauguma peptidinių hormonų signalizavimą pradeda prisijungdami prie receptorių, esančių ląstelės paviršiuje, o ne laisvai prasiskverbdami per ląstelės membraną į citoplazmą. Tačiau vėlesnė su receptoriumi susijusi internalizacija gali lemti hormonų ir receptorių kompleksų arba susijusių receptorių sistemų pernešimą į membranomis apsuptas ląstelės vidines ertmes. Tyrimuose su ANP receptoriumi tam tikrame ląstelių modelyje buvo stebimas receptoriaus pernašimas, tuo pačiu išlaikant cGMP gamybą. Tai nereiškia, kad hormonas laisvai prasiskverbia per membraną, taip pat neįrodo, kad kiekvienas peptidinis hormonas naudoja tą patį mechanizmą. Pradinis atpažinimas ląstelės paviršiuje ir vėlesnis su receptoriumi susijęs įsisavinimas yra atskiri signalizacijos etapai. [12]

2. Ar visi peptidai yra hormonai?

Ne. Peptidas pirmiausia apibrėžiamas pagal jo molekulinę struktūrą, sudarytą iš aminorūgščių, o hormonas – pagal jo vaidmenį fiziologinėje komunikacijoje. Norint patvirtinti hormoninę funkciją, reikia duomenų apie gamybą, reguluojamą išsiskyrimą, reaguojančius audinius, receptorių veiklą ir biologinį atsaką. Ankstyvieji GLP-1 tyrimai su žmonėmis rodo, kaip įvairūs įrodymų tipai kartu gali patvirtinti hormoninį vaidmenį. Daugelis kitų peptidų yra baltymų fragmentai, medžiagų apykaitos molekulės, struktūriniai komponentai arba atlieka su endokrininės sistemos veikla nesusijusias funkcijas. Taigi vien peptidinių ryšių buvimas nėra pakankamas, kad molekulė būtų pripažinta hormonu. [1]

3. Kas įvyksta pirmiausia, kai peptidinis hormonas pasiekia tikslą ląstelę?

Paprastai hormonas pirmiausia sąveikauja su atitinkamu receptoriumi, esančiu ląstelės paviršiuje arba tiesiogiai su ja susijusiu. Šis ryšys pakeičia receptoriaus aktyvumą arba konformaciją ir sukelia ląstelės vidaus signalizaciją. Tolimesnis procesas priklauso nuo receptoriaus klasės. Insulino receptoriaus atveju tyrimai jo aktyvaciją susiejo su tirozino fosforilinimu ir kinaziniu aktyvumu. Šie rezultatai susiję su viena konkrečia receptorių sistema, o ne su visais peptidiniais hormonais. Todėl tinkamo receptoriaus identifikavimas yra vienas iš pirmųjų žingsnių, būtinų norint suprasti konkrečios ląstelės reakciją. [3]

4. Kaip peptidiniai hormonai veikia tikslines ląsteles?

Peptidiniai hormonai veikia ląsteles per receptorių aktyvuojamus signalinius kelius. Jie gali keisti fermentų aktyvumą, transportą per membranas, jonų balansą, sekreciją, metabolizmą, baltymų fosforilinimą ir genų ekspresiją. Žiurkių kasos salelių ląstelių linijoje GLP-1 darė įtaką cAMP koncentracijai, su insulinu susijusiam mRNR kiekiui ir insulino išsiskyrimui. Šis eksperimentas parodo kelis vieno peptidinio signalo poveikio ląstelei lygmenis, tačiau tai nereiškia, kad kiekvienas audinys reaguoja vienodai. Galutinis poveikis priklauso nuo konkretaus hormono, receptoriaus, intracelulinių mechanizmų, ląstelės būklės bei eksperimentinio ar fiziologinio konteksto. [11]

5. Kodėl kai kurios ląstelės reaguoja į hormoną, o kitos – ne?

Paprastai ląstelė turi turėti atitinkamą funkcionalų receptorių ir signalizacijos mechanizmus, reikalingus gautam signalui apdoroti. Taigi vien hormono buvimas negarantuoja reakcijos. Svarbu yra receptorių skaičius, jų struktūra, lokalizacija, jungiamieji baltymai ir ankstesnė ląstelės stimuliacija. Natriurezininių peptidų receptorių mutacijų tyrimai parodė, kad pokyčiai reguliacinėje srityje gali sutrikdyti normalią, nuo hormono priklausančią aktyvaciją. Nors tai buvo eksperimentiniai tyrimai, jie gerai iliustruoja, kodėl be paties hormono buvimo svarbi yra ir receptoriaus struktūra bei ląstelinis kontekstas. [6]

6. Kuo preprohormonas skiriasi nuo prohormono?

Prehormonas turi signalinę seką, kuri paprastai padeda nukreipti naujai sintezuotą molekulę į sekrecijos kelią. Šios sekos pašalinimas paprastai lemia prohormono susidarymą, kuris vėliau gali būti toliau skaidomas ir modifikuojamas, kol susidaro vienas ar keli subrendę produktai. Proglukagono tyrimai rodo, kad galutiniai produktai gali labai priklausyti nuo audinio ir jame esančių apdorojančių fermentų. Taigi preprohormonas, prohormonas, tarpinė forma ir subrendęs hormonas reiškia skirtingus molekulinius etapus, o ne to paties junginio sinonimus. [7] [8]

7. Ar vienas prekursorius gali lemti įvairių hormonų susidarymą?

Taip. Įvairios ląstelės gali tą patį pirmtaką paversti skirtingais produktais, nes turi skirtingus fermentinius mechanizmus. Tyrimuose, susijusiuose su žmogaus proglukagonu, buvo nustatyti skirtingi produktų susidarymo modeliai kasoje ir žarnyne, o vėlesniuose eksperimentuose buvo analizuojamas PC2 ir PC3 indėlis į jų susidarymą. Šie rezultatai nereiškia, kad identiškas apdorojimas vyksta kiekvienoje rūšyje, audinyje ar fiziologinėje būsenoje. Tačiau jie parodo bendrą principą: tiek prekursoriaus seką, tiek ląstelės fermentinę aplinką lemia, kokie subrendę peptidiniai produktai galiausiai susidarys. [7] [8]

8. Kodėl daugelis peptidinių hormonų yra kaupiami grūdelėse?

Sekrecijos granulės užtikrina paruoštą hormono atsargą, kuri gali būti išleista gavus atitinkamą fiziologinį signalą. Dėl to sekrecija gali greitai padidėti, nereikalaujant kiekvienos molekulės sintezės nuo nulio būtent tuo momentu. Granulės aktyviai reguliuojamos, o skirtingi jų rezervai gali skirtis pasirengimu išsiskyrimui. Eksperimentai su žmogaus beta ląstelėmis parodė, kad Munc18c dalyvauja insulino išsiskyrime iš skirtingų granulių rezervų. Šis mechanizmas nepaaiškina visų endokrininių ląstelių veikimo, tačiau parodo, kaip specializuota egzocitozės sistema susieja saugojimą su kontroliuojamu išsiskyrimu. [9]

9. Ar visi peptidiniai hormonai naudoja cAMP?

Ne. cAMP yra svarbus antrinis mediatorius kai kuriems peptidinių hormonų receptoriams, tačiau visa ši grupė naudoja daug įvairių receptorių sistemų. Insulinas veikia per receptorių tirozino kinazę, o ANP aktyvuoja receptorių, susijusį su cGMP sinteze. Kiti peptidiniai hormonai gali naudoti skirtingus GPCR signalizavimo kelius, įskaitant sistemas, veikiančias intracelulinį kalcio kiekį. Insulino ir ANP receptorių tyrimai rodo, kodėl peptidinių hormonų signalizacijos negalima susiaurinti iki vieno cAMP kelio. Todėl prieš aprašant mechanizmą, reikia nurodyti konkretų hormoną ir jo receptorių. [3] [6]

10. Ar peptidiniai hormonai gali keisti genų ekspresiją?

Taip. Signalas, prasidedantis ląstelės paviršiuje, gali būti perduodamas per tolesnius intraląstelinius kelius ir galiausiai paveikti transkripciją. GLP-1 tyrimuose, atliktuose su žiurkių kultivuotomis ląstelėmis, buvo pastebėti insulino mRNR pokyčiai, o eksperimentai su GnRH impulsais žiurkėse parodė gonadotropinų subvienetų transkripcijos pokyčius. Šie rezultatai susiję su konkrečiais modeliais ir nereiškia, kad kiekvienas atsakas į peptidinį hormoną reikalauja naujos genų ekspresijos. Tačiau jie rodo, kad signalizacija, prasidedanti nuo membraninio receptoriaus, gali daryti įtaką tiek greitiems biocheminiams procesams, tiek ilgalaikiam transkripcijos reguliavimui. [5] [11]

11. Ar peptidiniai hormonai visada veikia greičiau nei steroidiniai hormonai?

Ne. Reakcijos greitis priklauso nuo receptoriaus, signalinio kelio, tiriamojo biologinio poveikio ir matavimo atlikimo laiko. Peptidiniai hormonai gali greitai pakeisti esamų baltymų aktyvumą, tačiau taip pat gali paveikti genų ekspresiją ir sukelti vėlesnes reakcijas. Savo ruožtu endokrinologijos literatūroje aprašomas greitas steroidų veikimas, nereikalaujantis naujos baltymų sintezės. Šiame straipsnyje pateiktas šaltinis apie steroidus yra apžvalga, o ne atskiras lemiamas eksperimentas. Patikimesnis skirstymas susijęs su molekulių chemija ir receptorių mechanizmais, o ne su paprastu suskirstymu į „greitus peptidus” ir „lėtus steroidus”. [11] [13]

12. Kodėl svarbus hormonų impulsų dažnis?

Ląstelės gali skirtingai reaguoti į pasikartojančius impulsus, skirtingus impulsų dažnius ir nuolatinį poveikį, net jei kiekvieną kartą kalbama apie tą patį hormoną. Žiurkėms, kurioms trūksta GnRH, impulsų dažnio pokytis paveikė gonadotropinų subvienetų transkripcijos modelius hipofizėje bei vietinius reguliacinius atsakus. Šie eksperimentai patvirtina laiko svarbą šiame biologiniame modelyje, tačiau nenustato hormono skyrimo žmonėms schemos. Taigi hormoninė informacija gali būti koduojama ne tik molekulės koncentracijos, bet ir laiko modelio, per kurį tikslinės ląstelės yra veikiamos, pagalba. [5]

13. Kas yra neigiamas grįžtamasis ryšys reguliuojant peptidinius hormonus?

Neigiamas grįžtamasis ryšys atsiranda tada, kai tam tikro mechanizmo veikimo pasekmės sumažina stimulą, skatinantį tolesnį hormono išsiskyrimą arba ankstesnių endokrininės sistemos elementų aktyvumą. Pavyzdys yra kalcio reguliavimas: kontroliuojamame tyrime su sveikais vyrais padidėjęs kalcio prieinamumas buvo susijęs su PTH koncentracijos sumažėjimu. Šis eksperimentas neatspindi kiekvienos ligos būklės ar ilgalaikės adaptacijos, tačiau parodo, kaip reguliuojamas parametras gali perduoti grįžtamąją informaciją endokrininei sistemai. Grįžtamasis ryšys gali apimti sekreciją, genų ekspresiją, receptorių jautrumą, kitų hormonų poveikį ir daugelį kitų reguliavimo lygmenų. [4]

14. Kaip slopinamas peptidinio hormono signalas?

Keletas mechanizmų gali veikti vienu metu. Hormonai, esantys už ląstelės ribų, gali būti suskaidyti fermentų veikimu, sugerti audinių arba pašalinti iš kraujotakos. Receptoriai gali tapti mažiau jautrūs arba judėti tarp skirtingų ląstelės kompartimentų, o antriniai nešikliai gali būti skaidomi, o baltymų fosforilinimas – atšaukiamas. GLP-1 tyrimuose buvo identifikuotas fermentiniu būdu susidarantis metabolitas, o ANP receptoriaus tyrimai susiejo desensibilizaciją su jo fosforilinimo pokyčiais. Nė vienas iš šių mechanizmų nėra visuotinai taikomas visiems hormonams. Todėl signalo nutraukimą geriausia suprasti kaip koordinuotą tiek ekstraląstelinio mediatoriaus, tiek į jį reaguojančios ląstelės kontrolę. [14] [15]

15. Ką reiškia receptoriaus desensibilizacija?

Desensibilizacija reiškia, kad receptorių sistema, esant nuolatiniam ar pasikartojančiam stimuliavimui, pradeda generuoti silpnesnę reakciją. Priklausomai nuo receptoriaus, tai gali būti susiję su fosforilinimo pokyčiais, sąveika su signaliniais baltymais, receptoriaus migracija, jo skaičiaus pasikeitimu arba tolesnių signalo perdavimo grandinės elementų adaptacija. Eksperimentuose su ANP receptoriumi reakcijos susilpnėjimas buvo susietas su tam tikru fosforilinimo pokyčių modeliu. Tai nereiškia, kad kiekvienas receptorius desensibilizuojasi vienodai, nei kad susilpnėjusi reakcija rodo receptoriaus sunaikinimą. Desensibilizacija yra funkcinis pokytis, kurio mechanizmą reikia nustatyti atskirai kiekvienai sistemai. [15]

16. Ar didesnė hormono koncentracija visada reiškia stipresnį poveikį?

Ne. Hormonų koncentracija yra tik vienas iš veiksnių, turinčių įtakos biologinei reakcijai. Taip pat svarbūs yra receptorių skaičius, jų užimtumo laipsnis, intracelulinės signalizacijos sistemos galimybės, grįžtamasis ryšys, ankstesnė ekspozicija, desensibilizacija ir dabartinė tikslinės ląstelės fiziologinė būklė. Eksperimentai, susiję su ANP receptoriaus desensibilizacija, rodo, kad jautrumas gali sumažėti nepaisant nuolatinio sąlyčio su aktyvuojančiu hormonu. Tokie eksperimentiniai duomenys neleidžia numatyti individualios hormoninės reakcijos remiantis vienu koncentracijos matavimu. Hormono koncentracija ir biologinis atsakas yra tarpusavyje susiję, tačiau nėra tas pats parametras. [15]

17. Ar hormoninis tyrimas gali aptikti neaktyvius arba pakitusius fragmentus?

Taip, priklausomai nuo to, kokią molekulės dalį atpažįsta taikomas metodas. GLP-1 tyrimai parodė, kodėl atskiriant nepakitusią hormono formą nuo metabolitų, sutrumpintų N-gale, yra svarbu interpretuojant imunologinių tyrimų rezultatus. Tyrimas, atpažįstantis abi formas, gali atsakyti į kitokį klausimą nei metodas, sukurtas tik nepažeistam peptidui aptikti. Taigi apribojimas priklauso nuo konkretaus analitinio metodo. Prieš interpretuojant rezultatą kaip aktyvaus hormono koncentraciją, reikia nustatyti, kokios molekulinės formos iš tiesų yra aptinkamos. [14]

18. Ar peptidiniai hormonai ir baltyminiai hormonai yra visiškai skirtingos kategorijos?

Ne visai. Terminologija iš dalies sutampa, nes abi grupės sudarytos iš aminorūgščių grandinių, o nėra visuotinai pripažintos ilgio ribos, atskiriančios visus peptidinius hormonus nuo visų baltyminių hormonų. Žodis „hormonas” apibūdina signalinę funkciją, o terminai „peptidas” ir „baltymas” susiję su molekulinės struktūros ir dydžio aspektais. Praktikoje didesni hormonai, turintys aminorūgščių struktūrą, dažniau vadinami baltyminiais, o trumpesni – peptidiniais. Tačiau tiksli kategorijos pavadinimas yra mažiau informatyvus nei konkrečios dalelės, jos subrendusios struktūros, receptoriaus ir eksperimentiniu būdu patvirtintos funkcijos identifikavimas.

19. Ar tas pats peptidinis hormonas gali veikti skirtingai skirtinguose audiniuose?

Taip. Hormonų veikimas priklauso ne tik nuo to, ar juos atpažįsta receptorius, bet ir nuo molekulinės mechanizmų, veikiančių tikslinės ląstelės viduje. Atskiri audiniai gali skirtis receptorių skaičiumi, signaliniais baltymais, fermentais, pernašėjais, transkripcijos faktoriais ir reguliuojančiais baltymais. Dėl to to paties receptoriaus aktyvacija nebūtinai sukelia identišką fiziologinį poveikį kiekvienoje ląstelinėje aplinkoje. Todėl hormoninį signalizavimą geriausia suvokti kaip sąveiką tarp konkretaus ekstraląstelinio signalo ir konkrečios ląstelės, galinčios į jį reaguoti, o ne kaip pastovų poveikį, užkoduotą vien tik pačioje hormono molekulėje.

20. Ar antrinio perdavimo matavimas yra pakankamas fiziologiniam poveikiui patvirtinti?

Ne. cAMP, cGMP, kalcio koncentracijos, fosforilinimo laipsnio ar kito intraceliulinio signalo pokytis rodo, kad tam tikras kelio elementas sureagavo, tačiau automatiškai nepatvirtina visiško poveikio audinio ar viso organizmo lygmeniu. GLP-1 ląstelių tyrime cAMP pokyčiai buvo susieti su papildomais galutiniais rodikliais, o insulino ir ANP receptorių tyrimai analizavo kitus konkrečius biocheminius etapus. [3] [6] [11] Išsamus mechanistinis paaiškinimas turėtų atskirti receptoriaus aktyvaciją, intraląstelinį signalizavimą, ląstelės funkciją, audinio atsaką ir viso organizmo fiziologiją, o ne laikyti vieną matavimą visų šių lygmenų įrodymu.

Peptidinių hormonų tyrimų interpretavimo apribojimai

Pereidžiant nuo pagrindinių hormoninės signalizacijos mechanizmų prie platesnių biologinių išvadų, reikia nepamiršti kelių apribojimų.

Pirma, peptidiniai hormonai nesudaro vienos funkcionaliai vienalytės grupės. Insulinas, GLP-1, vazopresinas, PTH, GnRH ir ANP priklauso plačiai aminorūgščių pagrindu susidariusių hormonų kategorijai, tačiau veikia per skirtingus receptorius ir dalyvauja įvairiose fiziologinėse sistemose. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Antra, prekursoriaus aptikimas nebūtinai reiškia subrendusio hormono aptikimą. Nuo audinio priklausantis metabolizmas gali lemti skirtingų produktų susidarymą iš to paties prekursoriaus; tai iliustruoja tyrimai, susiję su proglukagonu. [7] [8]

Trečia, sintezė ir išsiskyrimas yra atskiri procesai. Padidėjęs hormono išsiskyrimas nebūtinai reiškia, kad vienu metu taip pat padidėja jo pirmtako koduojančio geno transkripcija. [10]

Ketvirta, prisijungimas prie receptoriaus nereiškia visiško fiziologinio atsako. Signalizacija apima kelis molekulinius lygmenis, o skirtingos ląstelės gali tą patį receptoriaus aktyvavimą paversti skirtingais atsakymais.

Penkta, tyrimai su ląstelių kultūromis ir išgrynintais receptoriais neatkuria viso organizmo. Jie gali suteikti svarbios informacijos apie molekulinius mechanizmus, tačiau išvados turėtų būti siejamos su naudota eksperimentine sistema. [3] [6] [11] [12]

Šešta, laikas yra svarbus. Intermitinis ir nuolatinis sąlytis su hormonu gali sukelti skirtingas reakcijas, o vienkartinis kraujo tyrimas gali neatspindėti viso sekrecijos ritmo. [5]

Septinta, hormonų tyrimai skiriasi molekuliniu specifiškumu. Kai kurie metodai, be nepakitusių hormonų, gali aptikti metabolitus, su pirmtaku susijusias molekules arba kelias formas vienu metu. [14]

Aštunta, receptoriaus internalizacija nebūtinai reiškia, kad signalizacija iš karto nutrūksta, nes tam tikromis sąlygomis receptoriaus transportavimas ir signalo perdavimas gali vykti tuo pačiu metu. [12]

Devinta, desensibilizacija priklauso nuo konkretaus receptoriaus. Vienam receptoriui nustatytų mechanizmų neturėtų būti automatiškai taikomi visiems peptidinių hormonų receptoriams. [15]

Galiausiai cheminė klasifikacija nepatvirtina medicininio poveikio, naudos ar terapinio tinkamumo. Įrodymų, susijusių su vienu konkrečiu hormonu ir viena eksperimentine sistema, neturėtų būti apibendrinami kitų, nesusijusių peptidų atžvilgiu vien dėl to, kad jie taip pat turi aminorūgščių struktūrą.

Santrauka

Peptidiniai hormonai yra iš aminorūgščių sudarytos signalinės molekulės, kurios užtikrina ląstelių ir audinių tarpusavio ryšį daugelyje fiziologinių sistemų.

Jų biologija yra kur kas sudėtingesnė nei paprastas teiginys, kad peptidas jungiasi prie receptoriaus.

Daugelis peptidinių hormonų iš pradžių susidaro kaip didesnės pirmtakų molekulės, vėliau praeina tam tikrai audiniui būdingus apdorojimo etapus, yra supakuojami į sekretorinius granulius ir išsiskiria reaguojant į reguliuojamus fiziologinius signalus. Proglukagono apdorojimo ir insulino granulių egzocitozės tyrimai rodo, kaip pirmtakų apdorojimo ir išsiskyrimo mechanizmai lemia, koks hormonas patenka į ekstraląstelinę aplinką ir kada jis išsiskiria. [7] [8] [9]

Išsiskyrus peptidiniai hormonai paprastai pradeda perduoti signalus per receptorius, esančius ląstelių paviršiuje, tačiau šie receptoriai priklauso kelioms skirtingoms molekulinėms klasėms.

Kai kurie hormonai veikia per GPCR ir antrinius signalų perdavimo elementus, pavyzdžiui, cAMP arba su kalciu susijusius signalų perdavimo kelius.

Insulinas veikia per tirozino receptorių kinazę.

ANP veikia per receptorių, susijusį su cGMP sinteze.

Šie pavyzdžiai rodo, kad nėra vieno visuotinio intracelulinio kelio, bendro visiems peptidiniams hormonams. [3] [6] [11]

Ląstelinė reakcija taip pat gali vykti skirtingais laiko masteliais.

Signalų perdavimas gali greitai modifikuoti esamus baltymus, paveikti jų išsiskyrimą ar transportavimą, o vėliau lemti genų transkripcijos pokyčius. Laiko modeliai, tokie kaip pulsacinis hormonų išsiskyrimas, patys savaime gali perduoti biologiniu požiūriu svarbią informaciją. [5] [11]

Hormoninė signalizacija taip pat aktyviai slopinama.

Hormono skilimas, jo pašalinimas iš audinių, intracelulinių signalų atstatymas, receptorių perkėlimas, desensibilizacija ir neigiamas grįžtamasis ryšys kartu padeda reguliuoti reakcijos stiprumą ir trukmę. [4] [12] [14] [15]

Taigi svarbiausią taisyklę galima apibendrinti taip:

biologinio peptidinio hormono veikimo negalima numatyti vien tik remiantis tuo, kad jis yra peptidas. Jo funkcija kyla iš visos signalizacijos sistemos: iš to, kokia molekulinė forma susidaro, kaip ji apdorojama ir išsiskiria, koks receptorius ją atpažįsta, kaip tikslinė ląstelė interpretuoja receptoriaus signalą, kaip ekspozicija kinta laikui bėgant ir kaip sistema riboja bei galiausiai nutraukia atsaką.

Atsakomybės apribojimas

Šis straipsnis yra išskirtinai edukacinio ir mokslinio-informacinio pobūdžio. Jame aiškinama peptidinių hormonų biologija, pirmtakų apdorojimas, išsiskyrimas, signalizacija per receptorius, grįžtamojo ryšio mechanizmai, skilimas bei pateikiami pavyzdžiai iš paskelbtų tyrimų. Tai nėra medicininė konsultacija, diagnostikos gairės, gydymo rekomendacijos, informacija apie dozę, vartojimo instrukcijos ar rekomendacijos dėl peptidinių hormonų ar susijusių medžiagų vartojimo. Biocheminių, ląstelių, gyvūnų ir žmonių tyrimų rezultatus reikia vertinti atsižvelgiant į tyrimo projektą, sąlygas, tiriamą populiaciją ir atskirų darbų apribojimus.

Nuorodos

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., ir Bloom, S. R. (1987). Gliukagono tipo peptidas-1 7-36: fiziologinis inkretinas žmogaus organizme. „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. ir Olson, B. (1996). Akvaporino-2 išsiskyrimas su šlapimu žmonėse: galimas surinkimo kanalėlių reakcijos į vazopresiną rodiklis. „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). Insulino receptoriaus tirozino proteinkinazės kinetinės savybės: aktyvacija per insulino stimuliuotą tirozino specifinę intramolekulinę autofosforilinimą. „Archives of Biochemistry and Biophysics“, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A. ir Cherubini, R. (2003). Greitas kaulų rezorbcijos ir parathormono sekrecijos slopinimas, staigiai per burną vartojant kalcio sveikiems suaugusiems vyrams. „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 impulsų dažnio moduliacija gonadotropino subvieneto geno transkripcijoje normaliuose gonadotropiniuose ląstelėse – vertinimas pagal pirminio transkripto tyrimą pateikia įrodymų apie GnRH ir folistatino vaidmenis. „Endocrinology“, 143(9), 3243–3249. https://doi.org/10.1210/en.2002-220216
6. Koller, K. J., de Sauvage, F. J., Lowe, D. G., ir Goeddel, D. V. (1992). Kinaso tipo reguliacinės srities išsaugojimas yra būtinas natriurezinio peptido receptorių guanililciklazių aktyvacijai. „Molekulinė ir ląstelinė biologija“, 12(6), 2581–2590. https://doi.org/10.1128/mcb.12.6.2581-2590.1992
7. Orskov, C., Holst, J. J., Poulsen, S. S., ir Kirkegaard, P. (1987). Proglukagono apdorojimas žmogaus kasoje ir žarnyne. Diabetologija, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Subtilizino tipo prohormonų konvertazės PC2 ir PC3 atliekamas diferencinis proglukagono apdorojimas, kurio metu susidaro arba glukagonas, arba glukagonui panašus peptidas. „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., ir Gaisano, H. Y. (2015). Munc18c tarpininkauja iš anksto prisijungusių ir naujai atėjusių insulino granulių eksocitozei, kuri yra dvifazės gliukozės stimuliuotos insulino sekrecijos pagrindas žmogaus kasos beta ląstelėse. „Molecular Metabolism“, 4(5), 418–426. https://doi.org/10.1016/j.molmet.2015.02.004
10. Tanimura, S. M., Sanchez-Watts, G., ir Watts, A. G. (1998). Peptidų genų aktyvacija, sekrecija ir steroidų grįžtamasis ryšys stimuliuojant žiurkių neuroendokrinius kortikotropino išskiriančio hormono neuronus. „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., ir Habener, J. F. (1987). Gliukagono tipo peptidas I stimuliuoja insulino geno ekspresiją ir didina ciklinio AMP koncentraciją žiurkių salelių ląstelių linijoje. JAV Nacionalinės mokslų akademijos leidinys, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Gvanililciklazės/natriurezinio peptido receptoriaus A subląstelinis transportavimas, kurio metu susidaro ląstelės viduje cGMP. „Bioscience Reports“, 35(5), straipsnis e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Bendros peptidinių ir steroidinių hormonų signalizavimo temos plazminėje membranoje. „Science“ STKE, 1999 m.(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., ir Holst, J. J. (1995). Glukagono tipo peptido-1 skilimas žmogaus plazmoje in vitro sukuria N-galo sutrumpintą peptidą, kuris yra pagrindinis endogeninis metabolitas 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). Prieširdžių natriurezinio peptido receptoriaus – guanililciklazės A – homologinė desensibilizacija yra susijusi su sudėtingu fosforilinimo modeliu. „The FEBS Journal“, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x