Peptīdu hormoni: receptori, signalizācija un bioloģiskās funkcijas

Peptīdu hormoni ir ķīmiskie ziņnesis, kas veidoti no aminoskābju ķēdēm. Specializētas šūnas tos ražo, bieži pārstrādājot no lielākām prekursoru molekulām, izdala, reaģējot uz noteiktiem fizioloģiskiem signāliem, un pēc tam izmanto, lai koordinētu citu šūnu un audu darbību.

Tomēr viņu darbība neizriet no paša fakta, ka viņi ir peptīdiem. Bioloģiskā atbilde primāri ir atkarīga no tā, vai attiecīgajai šūnai ir atbilstošs receptors un intracelulārais signālu pārneses mehānisms, kas ļauj interpretēt saņemto signālu.

Insulīns, glukagons, glukagonam līdzīgais peptīds-1 (GLP-1), vazopresīns, parathormons (PTH), gonadotropīnu atbrīvotājhormons (GnRH) un ātriju natriurētiskais peptīds (ANP) pieder pie šīs plašās grupas. Tomēr tie piedalās ļoti dažādās fizioloģiskajās sistēmās.

Termins „peptīda hormons” tātad raksturo ķīmisko kategoriju un bioloģiskās komunikācijas veidu, nevis vienu kopīgu efektu.

Piemēram, GLP-1 pētījumi cilvēkiem attiecās uz saziņu starp kuņģa-zarnu traktu un insulīna sekrēciju, savukārt vazopresīnam apgādāto ūdens kanālu pētījumi koncentrējās uz nieru ūdens bilances regulēšanu. Tie ir atsevišķi fizioloģiskie sistēmas, kas izmanto citus receptorus, mērķa audus un atbildes mehānismus. [1] [2]

Peptīda hormona darbību var visvieglāk saprast, izsekojot līdzi visam procesam no sākuma līdz beigām:

prekursora sintēze → molekulas apstrāde → uzglabāšana → atbrīvošana → receptoru atpazīšana → intracelulārā signālu pārtrude → šūnas atbilde → atgriezeniskā saite un signāla izbeigšana.

Katrs no šiem posmiem var ietekmēt galīgo bioloģisko atbildi.

Šāda pieeja ļauj arī izvairīties no būtiska pārpratuma. Peptīda noteikšana, tā saistīšanās novērošana ar receptoru, sekundārā starpnieka mērīšana un visa organisma fizioloģiskās atbildes reakcijas demonstrēšana ir dažādi pierādījumu līmeņi. Pilnīga interpretācija prasa noskaidrot, kurš no šiem posmiem patiesībā ir pētīts.

Tie ir hormoni, kas sastāv no aminoskābju ķēdēm.

Aminoskābju ķēde, kas pārnesa bioloģisku signālu

Peptīdu hormoni sastāv no aminoskābju atlikumiem, kas savienoti peptīda saitēm.

Dažas ir salīdzinoši īsas ķēdes, savukārt citas ir daudz lielākas molekulas, un tās var saukt arī par olbaltumvielu hormoniem.

Bioloģijā hormonālā sistēma šīs kategorijas daļēji pārklājas. Terminoloģija attiecībā uz peptīdu hormoniem ietver no aminoskābēm veidotas signālmolekulas un neprasa vienas universālas ķēdes garuma robežas pastāvēšanu, kas atdalītu visus peptīdus no visiem olbaltumvielām.

Vārds „hormons” primāri raksturo molekulas signāllomu, nevis tikai tās ķīmisko uzbūvi.

Klasiskajā endokrīnajā sistēmā šūna vai auds izdala hormonu asinsritē, lai tas varētu iedarboties uz mērķšūnām, kas atrodas citās ķermeņa daļās.

Bioloģiskā komunikācija tomēr neaprobežojas tikai ar šo mehānismu. Saistītās molekulas var piedalīties arī vietējā saziņā starp blakus esošajām šūnām un citās šūnu signalizācijas formās.

Tātad tikai ķīmiskā uzbūve vien nav pietiekama, lai attiecīgo peptīdu uzskatītu par hormonu.

Daudzi peptīdi cita starpā ir:

• starpprodukti metabolismā;
• lielāku olbaltumvielu fragmenti;
• strukturālie komponenti;
• šūnu iekšējās regulējošās molekulas;
• olbaltumvielu noārdīšanās produkti;
• molekulas, kas pilda citas funkcijas, kas nav saistītas ar hormonālo sistēmu.

Lai apstiprinātu hormona lomu, pētniekiem parasti ir nepieciešami pierādījumi, kas saista attiecīgo molekulu ar tās ražošanu, regulētu atbrīvošanu, mērķšūnām un fizioloģisko darbību.

Agrīnie GLP-1 pētījumi ar cilvēkiem labi ilustrē šo pieeju.

Pētnieki konstatēja ar GLP-1 saistītu materiālu zarnās un novēroja tā koncentrācijas palielināšanos asinīs pēc glikozes lietošanas iekšķīgi vai pēc maltītes. Nelielā infūzijas eksperimentā noteikta GLP-1 forma ietekmēja insulīna un glikozes atbildes reakciju. [1]

Kopumā šie novērojumi apstiprināja šīs molekulas fizioloģiskās signālnozīmes koncepciju.

Tomēr šis pētījums nebūtu jāuzskata par pierādījumu, kas apstiprina katru mehānismu, klīnisko pielietojumu vai vēlāku apgalvojumu par GLP-1 bioloģiju.

Mērķšūnas nosaka spēja atbildēt

Hormons var plūst gar daudzām šūnām, neizraisot katrā no tām vienādu atbildes reakciju.

Lai šūna varētu reaģēt, tai parasti ir jābūt attiecīgam receptoram un iekššūnas molekulārajiem mehānismiem, kas ļauj apstrādāt signālu, kurš rodas pēc tā aktivācijas.

Receptori atpazīst noteiktas molekulu īpašības.

Atpazīšana var būt atkarīga cita starpā no:

• aminoskābju secības;
• telpiskās struktūras;
• kravas izvietošanas;
• ķīmisko modifikāciju;
• receptora konformācijas;
• atbilstošo saistvirsmu pieejamības.

Pats fakts, ka konkrētā molekula ir peptīds, tāpēc nenozīmē, ka tā var aktivizēt cita peptīdu hormona receptoru.

Nozīme ir arī receptoru skaitam.

Šūna ar lielu skaitu funkcionāro receptoru var reaģēt citādi nekā šūna, kurai to ir mazāk. Uz atbildes reakciju var ietekmēt arī receptoru lokalizācija, to modifikācijas, ar tiem mijiedarbojošās olbaltumvielas, kā arī agrāka stimulācija.

Pat divi audi, kuriem ir tas pats receptors, var reaģēt atšķirīgi, jo tie atšķiras ar intracelulāro signālu pārvades mehānismu.

Receptora aktivācija cita starpā var ietekmēt:

• fermentu aktivitāte;
• jonu transports;
• membrānas kanāli;
• burbuļu pārvietošana;
• izdalīšana;
• metabolisms;
• olbaltumvielu fosforilāciju;
• gēnu transkripciju;
• vairāku no šiem procesiem kombināciju.

Saistīšanās ar receptoru ir tātad darbības mehānisma skaidrojuma sākums, nevis pilnīga atbilde uz jautājumu par bioloģisko efektu.

Peptīdu hormoni piedalās daudzās un dažādās sistēmās

Šie piemēri atspoguļo atšķirīgas fizioloģiskās funkcijas, nevis kopīgus ieguvumus no piederības peptīdu grupai.

Pētījumi par insulīna receptora kināzes aktivitāti, GLP-1 fizioloģiju, akvaporīnu-2 urīnā, kalcija un PTH atbildes reakciju, GnRH pulsa ritmu un ANP receptoriem analizē dažādus atsevišķu hormonālo sistēmu elementus. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Šī iemesla dēļ viena peptīda hormona rezultātus nevajadzētu automātiski attiecināt uz citu tikai tāpēc, ka abas molekulas pieder pie vienas un tās pašas plašās ķīmiskās kategorijas.

Kā veidojas un tiek atbrīvoti peptīdhormoni?

Daudzi hormoni sāk savu ceļu kā lielākas prekursoru molekulas

Daudzi peptīdu hormoni sākotnēji tiek sintezēti kā lielākas molekulas, ko sauc par preprohormoniem.

Prefikss „pre-” parasti attiecas uz signālsecvenci, kas palīdz novirzīt jaunizveidoto molekulu uz šūnas sekretoro ceļu.

Pēc šīs sekvenču atdalīšanas atlikušo prekursoru parasti dēvē par prohormonu.

Turpmāka apstrāde var izraisīt nobrieduša hormona veidošanos, bet dažos gadījumos – vairāku bioloģiski nozīmīgu produktu rašanos.

Klasiskajā regulētajā sekrēcijas ceļā izveidojies prekursoru nonāk endoplazmatiskajā tīklā, pēc tam iziet cauri Golgija aparātam un tiek novirzīts uz atbilstošajiem sekrēcijas nodalījumiem.

Atkarībā no molekulas nākamie posmi var ietvert:

• locīšana;
• disulfīda saišu veidošana;
• enzimātiskā šķelšana;
• ķēdes gala modifikācijas;
• citas ķīmiskās modifikācijas;
• kārtošana;
• iepakošana sekrēta granulsaktuvēs.

Šie procesi nenoris noris identiski katram peptīdhormonam.

Viens prekisors var saturēt vairākus potenciālos peptīdu produktus, un dažādi šūnu tipi var apstrādāt to pašu prekisoru dažādos veidos.

Tāpēc gēna kodētā aminoskābju secība ne vienmēr tieši atbilst vienam nobriedušam hormonam, kas atrodas asinīs.

Prekursora apstrāde ietekmē to, kāds hormons izveidosies

Proglukagons ir īpaši labs piemērs, jo aizkuņģa dziedzera un zarnu audi no viena un tā paša prekursora var ražot dažādus molekulārus produktus.

Cilvēka audu izpētē tika izmantotas imūnķīmiskās un hromatogrāfiskās metodes, lai identificētu dažādus ar glikagonu saistīto molekulu raksturlielumus aizkuņģa dziedzerī un tievajā zarnā. [7]

Vēlākos šūnu eksperimentos tika analizēta PC2 un PC3 apstrādājošo enzīmu iesaistīšanās, pie kam PC3 bieži dēvē arī par PC1/3.

Rezultāti parādīja, ka enzīmu vide spēcīgi ietekmēja to, vai apstrāde līdzinājās aizkuņģa dziedzerim vai zarnu traktam raksturīgajam paraugam. Pētījumi atklāja arī ierobežojumus visu sašķelšanas posmu atkārtošanā, izmantojot izolētu enzīmu sistēmu. [8]

Vispārīgais princips ir svarīgs:

Prekursora secība nosaka iespējamos produktus, savukārt šūnā esošie apstrādes mehānismi palīdz noteikt, kuras molekulārās formas patiesībā radīsies.

Tam ir nozīme arī laboratorijas mērījumiem.

Tests, kas atpazīst vairākas formas, kas saistītas ar vienu prekursoru, var dot citādākus rezultātus nekā metode, kas īpaši izstrādāta viena apgatavota hormona noteikšanai.

Tāpēc norādītā koncentrācija ir jāinterpretē kopā ar informāciju par to, kādas tieši molekulārās formas nosaka izmantotā analītiskā metode.

Sekrētās granulas nodrošina kontrolētu atbrīvošanu

Daudzas endokrīnās šūnas uzglabā apstrādātos peptīdu hormonus sekretorajās granulās.

Pēc attiecīga kairinājuma parādīšanās regulētie šūnas mehānismi izraisa granulu saplūšanu ar šūnas membrānu.

To saturs pēc tam tiek atbrīvots ārpus šūnas eksocitozes ceļā.

Uzglabāšana ļauj strauji palielināt sekrēciju, nebūvums jāsāk katras izdalītās molekulas sintēze no jauna tieši stimula parādīšanās brīdī.

Tomēr tas nenozīmē, ka visi graudi ir vienlīdz viegli pieejami tūlītējai atbrīvošanai.

Šūnas var saturēt funkcionāli atšķirīgas granulētības baseinus, un ilgstoša sekrēcija prasa turpmāku ražošanu, apstrādi un krājumu atjaunošanu.

Hormona izdalīšanās tāpēc ir aktīvi kontrolēts šūnas process, nevis pasīva visas šūnas satura noplūde.

Cilvēka aizkuņģa dziedzera saliņu un beta šūnu pētījumi parādīja, ka ekzocitiskā olbaltumuma Munc18c daudzuma samazināšanās traucēja insulīna sekrēciju un izmainīja tā atbrīvošanos no dažādiem granulu baseiniem. [9]

Šie rezultāti tieši apstiprina specializēto membrānu saplūšanas mehānismu lomu.

Tomēr tie nesniedz pilnīgu skaidrojumu par visiem molekulārajiem procesiem, kas regulē insulīna izdalīšanos.

Dažādas hormonālās sistēmas reaģē uz dažādiem kairinājumiem

Atsevišķas endokrīnās šūnas reaģē uz dažādiem fizioloģiskiem signāliem.

Tie var būt:

• uzturvielu koncentrācijas;
• elektriskā aktivitāte;
• neirotransmiteri;
• citi hormoni;
• Jonijs pašlaik atrodas ārpus šūnas;
• osmotiskie apstākļi;
• mehāniskas izmaiņas;
• dažādu regulatīvo stimulu kombinācijas.

Šūnas iekšējais kalcijs bieži piedalās sekretoro paziršu fuzijā, bet procesi, kas ved uz kalcija signāla izveidi, atšķiras starp šūnu tipiem.

Aizkuņģa dziedzera beta šūnās glikozes metabolisms ir, piemēram, cieši saistīts ar elektrisko aktivitāti, kalcija ieplūdi un insulīnu saturošo granulu atbrīvošanos.

Savukārt hipotalāma neiroendokrīnās šūnas funkcionē sarežģītos neironu, hormonu un fizioloģisko signālu tīklos.

Tāpēc nebūtu pareizi vienu detalizētu sekrēcijas ceļu pasniegt kā visu peptīdu hormonu universālu mehānismu.

No eksperimentālā viedokļa ir svarīgi arī atšķirt hormona sintēzi no tā sekrēcijas.

Žurku neironu pētījums, kas ražo kortikotropīnu atbrīvojošo hormonu, parādīja, ka gēnu aktivācijai un ar sekrēciju saistītajām atbildes reakcijām ilgstoša stresa laikā bija dažādi reakcijas sliekšņi. [10]

Tāpēc palielināta hormona izdalīšanās nebūt nenozīmē, ka tā prekursoru kodējošā gēna transkripcija mainās tādā pašā apjomā un precīzi tajā pašā laikā.

Laiks un izdales ritms var pārnest informāciju

Hormona iedarbību neraksturo tikai tā vidējā koncentrācija.

Laika paraugs var ietvert:

• atsevišķi impulsi;
• impulsu frekvences izmaiņas;
• impulsu amplitūdas izmaiņas;
• ilgstoši paaugstināts koncentrācijas līmenis;
• diennakts ritms;
• atbildes, kas saistītas ar maltīti, miegu, stresu vai citiem fizioloģiskiem procesiem.

Dažādi laika modeļi var izraisīt atšķirīgas šūnu atbildes reakcijas.

Eksperimenti, kas veikti ar GnRH deficīta tēviņu žurkām, parādīja, ka dažādas GnRH impulsu frekvences izraisīja atšķirīgus gonadotropīnu apakšvienību transkripcijas modeļus. Atbilde ietvēra gan tiešu GnRH signālu pāridi, gan vietējo hipofīzes regulācijas mehānismu izmaiņas. [5]

Šie pētījumi palīdz izskaidrot, kā hormonālā signāla laiks un ritms var pārvadīt bioloģisko informāciju.

Tomēr šādu ar dzīvniekiem veikto eksperimentu rezultātus nevajadzētu pārvērst par vielu ievadīšanas shēmām cilvēkiem.

Līdz ar to asinīs izmērītā hormona koncentrācija ir tikai dinamiski mainīgās sistēmas attēls noteiktā laika brīdī.

Interpretācija var būt atkarīga no:

• paraugaņemšanas laika;
• pulsveida sekrēcijas rakstura;
• izmērītās molekulārās formulas;
• neseno fizioloģisko notikumu;
• eliminācijas ātrumi;
• izmantotā testa īpatnības.

Receptori un šūnu signālu pārvade

Kas notiek, kad peptīda hormons sasniedz mērķšūnu?

Lielākā daļa peptīdu hormonu sāk savu darbību, saistoties ar receptoriem, kas atrodas uz šūnas virsmas vai ir tieši saistīti ar to.

Hormona saistīšanās ar receptoru maina tā aktivitāti vai konformāciju, ļaujot nodot informāciju šūnas iekšienē.

Signāls tāpēc šķērso membrānu, pateicoties receptoru sistēmai.

Peptīda hormoniem parasti nav pašiem jāizkļūst cauri lipīdu šūnas membrānai un brīvi jāiekļūst citoplazmā, lai uzsāktu signāla pārnesi.

Tas ļauj saprast, kā ūdens vidē relatīvi labi šķīstoša ārpusšūnas molekula var ietekmēt šūnas iekšienē notiekošos procesus.

Turpmākā gaita ir atkarīga no receptora veida.

Peptīdu hormonu receptori pieder pie vairākām mehāniski atšķirīgām klasēm.

Dažas pārraida signālu, izmantojot:

• heterotrimēro G olbaltumvielu;
• ar receptoru saistīto enzīmu;
• pašas kināzes aktivitātes;
• guanilāta ciklāzes aktivitātes;
• citu signālproteīnu.

Vispārējais shēmas:

hormons → receptors → intracelulārais signāls → šūnas atbilde

tā ir ļoti noderīga.

Tomēr nepastāv viena kopēja intracelulārā signālceļš, kas būtu raksturīgs visiem peptīdu hormoniem.

G-olbaltplecă piesaistītie receptori un sekundārie starpnieki

Daudzi peptīdu hormoni pārraida signālus, izmantojot G olbaltumvielu saistītos receptorus jeb GPCR.

Tie ir membrānas proteīni, kas sazinās ar intracelulāriem G proteīniem, kuri var ietekmēt enzīmus, jonu kanālus un sekundāro vēstnešu sistēmas.

Viens no svarīgajiem sekundārajiem starpniekiem ir cikliskais AMP (cAMP).

Tipiskā cAMP signālceļā receptora aktivācija ietekmē adenilātciklāzi – enzīmu, kas atbild par cAMP ražošanu.

cAMP koncentrācijas izmaiņas var pēc tam ietekmēt nākamo signālbaltumu aktivitāti.

Citi GPCR receptori var izmantot atšķirīgus mehānismus.

Svarīgi, ka ne katrs GPCR receptors palielina cAMP koncentrāciju.

Dažas receptoru un G olbaltumvielu kombinācijas var samazināt tā veidošanos, savukārt citas regulē galvenokārt ceļus, kas saistīti ar kalciju vai citiem intracelulāriem procesiem.

Apgalvojums, ka hormons „izmanto sekundāro starpnieku”, tāpēc raksturo vispārējo signālu pārraides stratēģiju, nevis vienu universālu molekulāro mehānismu.

Agrīnā pētījumā, kas veikts ar žurku aizkuņģa dziedzera saliņu šūnu līniju, konstatēts, ka apstrādātā GLP-1 forma palielināja cAMP, ar insulīnu saistītā mRNS līmeni un insulīna izdalīšanos. [11]

Šis eksperiments apvienoja ārpusšūnu peptīdu signālu ar bioķīmiskajām izmaiņām un gēnu ekspresiju šūnas iekšienē.

Tomēr secinājumi joprojām ir spēkā izmantotajam modelim un eksperimentālajiem apstākļiem.

Kalcija signalizācija un signāla pastiprināšana

Cits bieži sastopams GPCR signālceļš ietver fosfolipāzi C.

Tās aktivācija var izraisīt iekššūnu starpnieku, piemēram, inozitola trifosfāta (IP3) un diacilglicerīna (DAG), veidošanos.

IP3 var veicināt kalcija atbrīvošanos no šūnas iekšējiem krājumiem, savukārt DAG var piedalīties proteīnkināzes C aktivācijā.

Šie procesi palīdz pārvērst receptora aktivāciju šūnas aktivitātes izmaiņā.

Tomēr šis nav ceļš, ko izmanto katrs peptīdhormona receptors.

Signālu kaskādes var arī pastiprināt signālu.

Viens aktivēts receptors var mijiedarboties ar daudzām tālākām signālceļa molekulām, un viens aktivēts enzīms var saražot daudz otrā līmeņa starpnieka molekulu.

Tas ļauj izskaidrot, kāpēc salīdzinoši neliels ārpusšūnu signāls dažkārt var izraisīt nozīmīgu šūnas atbildes reakciju.

Signāla pastiprināšana tomēr nav neierobežota.

Uz tā spēku un ilgumu cita starpā ietekmē:

• receptoru skaits;
• fermentu pieejamība;
• substrātu pieejamība;
• atgriezeniskās saites mehānismi;
• fosfatāze;
• sekundāro starpnieku degradācija;
• receptoru desensibilizācija;
• mērķšūnas funkcionālās iespējas.

Otrantraidītājs ir tātad ceļa starpelements, nevis galīgais fizioloģiskais efekts.

Nozīme ir tā veidam, koncentrācijai, lokalizācijai un darbības laikam, kā arī šūnas spējai šo signālu pārvērst konkrētā atbildes reakcijā.

Insulīna receptors darbojas citādi

Insulīna receptors ir receptorā tirozīnkināze.

Tā sākotnējais signāla pārraides mehānisms tātad būtiski atšķiras no klasiskā GPCR mehānisma.

Insulīna saistīšanās izraisa receptora intracelulārās kināzes daļas aktivāciju.

Aktivētais receptors fosforilē noteiktas vietas olbaltumvielās un ierosina nākamos signālu tīklus.

Biochemiskie pētījumos, kuros izmanto attīrītus insulīna receptorus, tirozīna autofosforilācija ir saistīta ar kināzes aktivitātes palielināšanos. [3]

Šie eksperimenti ļāva noteikt svarīgas receptora īpašības.

Tomēr attīrītais receptors neatveido visus procesus, kas norisinās veselās muskuļu, aknu, taukaudu vai citu insulīnam jutīgu audu šūnās.

Vissvarīgākais secinājums ir vienkāršs:

Peptīdu hormoni var aktivēt dažādas receptoru klases.

Insulīns ir svarīgs piemērs, kas parāda, kāpēc peptīdu hormonu signālu pārnesi nevajadzētu rezumēt ar apgalvojumu:

„peptīda hormons saistās ar GPCR un paaugstina cAMP.

Šis mehānisms attiecas uz dažām sistēmām, bet ne uz visu grupu.

Nātriurētisko peptīdu receptori var ražot cGMP

ANP ir vēl viena receptoru mehānisma piemērs.

Viņa gualilātciklāzes A receptors ir saistīts ar cikliskā GMP (cGMP) veidošanos.

cGMP un cAMP ir cikliskie nukleotīdi, bet tās nav vienas un tās pašas molekulas, un tās veidojas, piedaloties citām enzīmu sistēmām.

Natriurētisko peptīdu receptoru mutācijas eksperimentos tika parādīts, ka kināzei līdzīgais regulatorais reģions spēlē būtisku lomu receptora aktivitātes kontrolē. Izmaiņas šajā reģionā varēja izraisīt pareizas regulācijas zudumu vai aktivitāti, kas norisinās bez tipiskas hormonālās stimulācijas. [6]

Šajā gadījumā svarīga ir precīza terminoloģija.

Kināzei līdzīga domēna klātbūtne nenozīmē, ka receptors darbojas ar tādu pašu tirozīnkināzes mehānismu kā insulīna receptors.

Ir jāņem vērā receptora arhitektūra, tā katalītiskā aktivitāte un mērāmā bioķīmiskā produkta veids.

Saistīšanās uz virsmas nenozīmē, ka receptors tur vienmēr paliek

Aktivētie receptori var tikt pakļauti endocitozei, proti, pārvietoties no šūnu membrānas uz iekšējiem nodalījumiem, kurus apņem membrāna.

Šis process atšķiras no peptīdu hormona brīvas migrācijas cauri lipīdu membrānai uz citoplazmu.

Modificētās cilvēka nieru izcelsmes šūnās pētnieki novēroja ANP receptoru pārvietošanos uz intracelulārajiem nodalījumiem, vienlaikus saglabājot cGMP veidošanos. [12]

Šie novērojumi liecina, ka receptora transports un signalizācija var notikt vienlaikus.

Tomēr tās nepierāda, ka katrs receptors pēc internalizācijas signalizē identiskā veidā vai ka viss izmērītais cGMP radās vienā noteiktā šūnas nodalījumā.

Tāpēc apgalvojums, ka peptīdhormoni parasti uzsāk signālu pārraidi caur virsmas receptoriem, ir noderīgs vispārinājums.

Tomēr būtu pārāk kategoriski apgalvot, ka peptīdhormoni un to receptori nekad nevar atrasties intracelulārajos nodalījumos.

Šūnu atbilde var būt ātra, aizkavēta vai ietvert abus posmus

Receptoru signalizēšana var mainīt šūnā jau esošo olbaltumvielu aktivitāti.

Šādi mehānismi var novest laika ziņā pie salīdzinoši ātrām atbildēm.

Signālu ceļi var ietekmēt arī transkripciju un olbaltumvielu sintēzi, radot ilgākā laika posmā attīstīšanos efektus.

Abi mehānismi var darboties vienlaicīgi.

Tas pats signālu ceļš var izraisīt straubas biochemisktas izmaiņas un vēlākas transkripcijas izmaiņas.

GLP-1 šūnu pētījumā tika mērītas gan ar signālu pārnesi saistītās izmaiņas, gan insulīna gēna ekspresija, kas parāda, kāpēc signālu pārnesi, kas sākas uz šūnas virsmas, nevajadzētu uzskatīt par nespējīgu ietekmēt kodolā notiekošos procesus. [11]

Tomēr sekundārā starpnieka koncentrācijas pieaugums ir tikai viens pierādījumu līmenis.

Pilna fizioloģiskā efekta demonstrēšana, atkarībā no pētījuma jautājuma, prasa secīgu līmeņu apvienošanu:

receptora aktivācija → intracelulārā signalizācija → šūnas uzvedība → audu atbilde → visa organismu fizioloģija.

Peptīdu hormoni un steroīdu hormoni

Citas ķīmiskās bāzes

Peptīdu hormoni sastāv no aminoskābju ķēdēm.

Steroidu hormoni veidojas no holesterīna, un tiem ir raksturīga steroidu gredzenu sistēma.

Ķīmiskās atšķirības ietekmē to, kā abas hormonu grupas tiek sintezētas, uzglabātas, transportētas, atpazītas un kā tās pārvada signālu.

Peptīdu hormoni parasti labi funkcionē ūdens vidē, bet parasti nešķērso šūnas membrānas hidrofobo iekšpusi, izmantojot vienkāršu difūziju.

Steroīdu hormoni ir vairāk saderīgi ar lipīdu vidi un spēj iekļūt intracelulārajās receptoru sistēmās.

Daudzi steroīdu hormoni cirkulē daļēji saistītā veidā ar transporta olbaltumvielām.

Peptīdhormonu transporta īpašības dažādām molekulām atšķiras.

Šie ir vispārīgi fizioloģiski modeļi, nevis absolūti noteikumi katram abu kategoriju pārstāvim.

Molekulārās modifikācijas, saistošie olbaltumvielas, receptora veids un audu konteksts var mainīt detaļas.

Klasiska receptoru salīdzināšana

Klasiskais salīdzinājums ir noderīgs hormonu bioloģijas studijās.

Tomēr abas kategorijas nevajadzētu attēlot kā pilnīgi atsevišķas signālu pasaules.

Publikācijā, kurā apskatīta peptīdu un steroīdu signalizācija, ir aprakstīti pierādījumi par ātru steroīdu darbību, kurai nav nepieciešama jauna olbaltumvielu sintēze. [13]

Šis avots ir pārskats, kura pamatā cita starpā ir zinātniskas diskusijas, nevis viens eksperiments, kas apstiprina vienu universālu mehānismu visiem steroīdu hormoniem.

Kāpēc apgalvojums „peptīdi iedarbojas ātri, bet steroīdi lēni” ir pārāk vienkāršots?

Dažas atbildes uz peptīdhormoniem parādās ātri, jo signālceļi modificē olbaltumvielas, kas jau atrodas šūnā.

Tomēr peptīdu signalizācija var ietekmēt arī transkripciju un jaunu olbaltumvielu sintēzi, izraisot lēnāk attīstītas atbildes reakcijas.

No otras puses, steroīdu hormoni neaprobežojas tikai ar lēniem transkripcijas atkarīgiem efektiem.

Zinātniski noderīgāki jautājumi ir:

• Kāds hormons tiek analizēts?
• Kāds receptors tiek aktivizēts?
• Kāds intracelulārais signālceļš tiek aktivizēts tālāk?
• Kāds bioloģiskais efekts tiek mērīts?
• Pēc cik ilga laika pēc stimulācijas tika veikts mērījums?

Agrīnas sekundārā mediatora atbildes salīdzināšana ar vēlāku transkripcijas atbildi, nenorādot mērāmo efektu, var novest pie mulsinoša dalījuma „ātrajos” un „lēnajos” hormonos. [11] [13]

Abas hormonu klases var savstarpēji regulēties

Peptīdu un steroīdu hormoni bieži piedalās tajos pašos endokrīnajos tīklos.

Labs piemērs ir stresa atbildes ass.

Peptīdu signāli no hipotalāma un hipofīzes piedalās virsnieru steroīdu ražošanas regulācijā, savukārt glikokortikosteroīdi piedalās atgriezeniskajā saitē, kas iedarbojas uz šīs sistēmas agrākajiem elementiem.

Tomēr atgriezenisko saiti nevajadzētu itēloties kā tūlītēju slēdzi „ieslēgts–izslēgts”.

Pētījums par CRH neironiem žurkām parādīja, ka sekrēcija, gēnu aktivācija un no glikokortikoīdiem atkarīgā atgriezeniskā saite bija atkarīgas no kairinātuma veida un mērījuma brīža. [10]

Tas atbalsta detalizētāku hormonālās regulācijas modeli, kurā sistēmas atsevišķie elementi var reaģēt dažādās laika skalās.

Atgriezeniskā saite un signāla noslēgums

Negatīvā atgriezeniskā saite palīdz stabilizēt fizioloģiskos parametrus

Negatīvā atgriezeniskā saite rodas tad, kad fizioloģiskās atbildes sekas samazina stimulu, kas izraisa turpmāku signalizāciju.

Regulētais parametrs var ietvert, cita starpā:

• uzturvielu pieejamība;
• jonu koncentrācija;
• ūdenssaimniecību;
• asiņu tilpums;
• endokrīnā orgāna aktivitāte;
• cits fizioloģiskais parametrs.

Labs piemērs ir kalcija un PTH sistēma.

Zemāka ārpusšūnu kalcija koncentrācija parasti veicina PTH sekrēciju, savukārt tās palielināšanās šo sekrēciju var kavēt.

Pētījumā, kurā piedalījās veseli jauni vīrieši, pēc kalcija stimula piemērošanas tika novērots PTH koncentrācijas samazinājums asinīs. [4]

Tas parāda fizioloģisko sakarību, kas pastāv šī pētījuma apstākļos.

Tomēr tas nav pamats ieteikumiem par uztura bagātinātāju lietošanu un neļauj paredzēt katru slimības laikā sastopamo reakciju.

Atgriezeniskā saite var darboties daudzos līmeņos, cita starpā:

• hormona izdalīšanās;
• prekursora ražošanu;
• gēnu transkripciju;
• receptoru jutība;
• turpmākie signalizācijas posmi;
• mijiedarbība starp endokrīnajiem audiem.

Tas var darboties arī ar zināmu aizkavēšanos.

Tāpēc īstermiņa atbildi un ilgtermiņa adaptāciju nevajadzētu automātiski uzskatīt už vienu un to pašu procesu.

Hormonu degradācija ierobežo ekspozīcijas laiku

Peptīdu hormoni var tikt šķelti ar enzīmiem, kas maina jų molekulāro struktūru un bioloģisko aktivitāti.

Atkarībā no konkrētās molekulas tās izvadīšanā var piedalīties arī uzņemšana audos, nieres, aknas un citi eliminācijas procesi.

GLP-1 pētījumi parādīja, ka cilvēka plazmā veidojas N-gala saīsināts metabolīts, un norādīja uz dipeptidlpeptidāzes IV (DPP-IV) iesaistīšanos šajā reakcijā. Pētnieki cilvēku paraugos atšķīra arī neskarto peptīdu no tā metabolītiem. [14]

Šī atšķirība ir svarīga, jo neskartā hormona izzušana un saistīto peptīdu fragmentu parādīšanās nav viens un tas pats mērījums.

Tāpat peptīda stabilitāti, kas izmērīta izolētā plazmas eksperimentā, nevajag automātiski pielīdzināt tā pilnīgajam darbības laikam dzīvā organismā.

Novēroto laika gaitu var ietekmēt sekrēcija, izkliede, asins plūsma, uzņemšana audos, enzimātiskā šķelšana un eliminācija.

Šūna arī izslēdz savu atbildi

Signāla beigas nav atkarīgas tikai no hormona izvadīšanas no asinsrites.

Šūnām ir daudzi mehānismi, kas samazina intracelulāro signalizāciju.

Piemēram:

• G olbaltumvielas var atgriezties neaktīvā stāvoklī;
• cikliskie nukleotīdi var tikt noārdīti;
• olbaltumvielu fosfatāzes var noņemt fosfātu grupas;
• iekššūnu kalcija koncentrācija un izvietojums var atgriezties miera stāvokļa vērtību virzienā;
• signāalproteīni var tikt inhibēti;
• receptori var tikt desensibilizēti;
• Receptorus var pārvietot uz citiem šūnu nodalījumiem.

Šie mehānismi nodrošina vairākus kontroles punktus.

Hormons var joprojām būt klāt, lai gan šūna kļūst mazāk jutīga pret tā iedarbību.

No otras puses, dažas intracelulārās sekas var saglabāties noteiktu laiku pēc hormona koncentrācijas samazināšanās ārpus šūnas.

Līdz ar to viena ceļa elementa mērījums neļauj noteikt visas signalizācijas tīkla stāvokli.

Desensibilizācija maina receptora jutīgumu

Desensibilizācija nozīmē organisma imūnās atbildes samazināšanos nepārtrauktas vai atkārtotas stimulācijas laikā.

Atkarībā de receptora veida mehānismi var ietvert:

• receptora fosforilāciju;
• defosforilāciju;
• signālu partneru savienojuma maiņu;
• receptora internalizācija;
• receptoru skaita maiņu;
• olbaltumvielu izmaiņas, kas piedalās signalizācijas vēlākajos posmos.

ANP receptoru guanilātciklāzes A pētījumā tika aprakstīts sarežģīts fosforilēšanās un defosforilēšanās raksts, kas saistīts ar atbildes reakcijas samazināšanos. [15]

Rezultāti neapstiprināja vienkāršu modeli, kurā katra fosforilēšana aktivizē receptoru un katra defosforilēšana to izslēdz.

Arī receptoru internalizāciju nevajag automātiski pielīdzināt pilnīgai signāla beigai.

Sekas ir atkarīgas de receptora veida, tā mērķa vietas šūnas iekšienē, atkārtotas izmantošanas iespējām, degradācijas un tā, vai signalizācija var turpināties no intracelulārajiem nodalījumiem.

Ko uzrāda hormona mērījums un ko tas neuzrāda?

Izmērītā hormona koncentrācijas vērtība var būt vairāku vienlaikus notiekošu procesu rezultāts:

ražošana + apstrāde + sekrēcija + izplatīšana − noārdīšanās − uztveršana − eliminācija.

Analītiskā metode var arī noteikt:

• nesabojāts hormons;
• prekursoru molekulas;
• metabolīti;
• fragmenti, kas radušies sadalīšanās rezultātā;
• vairākas saistītas molekulārās formas.

Tas, kuras formas tiks atklātas, ir atkarīgs no testa uzbūves.

Pētījumā par GLP-1 noārdīšanos šo problēmu analizēja, apvienojot hromatogrāfisko atdalīšanu ar imūnoloģiskajiem testiem un metabolīta struktūras identifikāciju. [14]

Atšķirība bija būtiska, jo rezultāts, kas atspoguļo kopējo imunoreaktīvus, neobligāti atbilda mērījumam, kurā ņemts vērā tikai neskarts, bioloģiski nozīmīgs peptīds.

Hormona koncentrācija, saistīšanās ar receptoru, sekundārā starpnieka veidošanās, gēnu ekspresija un fizioloģiskā funkcija tādējādi ir atsevišķi mērījumu veidi.

Šo līmeņu apvienošana ļauj izveidot daudz pārliecinošāku mehānistisku skaidrojumu nekā viena rezultāta uzskatīšana par visa hormonālā sistēmas atspoguļojumu.

Biežāk uzdotie jautājumi

1. Vai peptīdu hormoni iekļūst šūnās?

Lielākā daļa peptīdu hormonu sāk signālu pārraidi, saistoties ar receptoriem, kas atrodas uz šūnas virsmas, nevis brīvi iekļūstot caur šūnas membrānu citoplazmā. Tomēr vēlākā ar receptoru saistītā internalizācija var novest pie hormona–receptora kompleksu vai saistītu receptoru sistēmu pārvietošanas uz ar membrānu apņemtiem intracelulāriem nodalījumiem. Pētījumos par ANP receptoru noteiktā šūnu modelī tika novērota receptora pārvietošanās, vienlaikus saglabājoties cGMP ražošanai. Tas nenozīmē, ka hormons brīvi šķērso membrānu, kā arī nepierāda, ka katrs peptīda hormons izmanto to pašu mehānismu. Sākotnējā atpazīšana uz šūnas virsmas un turpmākā ar receptoru saistītā internalizācija ir atsevišķi signālu pārraides posmi. [12]

2. Vai visi peptīdi ir hormoni?

Nē. Peptīdu definē galvenokārt, pamatojoties uz tā molekulāro uzbūvi, kas balstās uz aminoskābēm, savukārt hormonu definē, pamatojoties uz tā lomu fizioloģiskajā komunikācijā. Hormonālās funkcijas apstiprināšanai ir nepieciešami dati par sintēzi, regulētu izdalīšanos, reaģējošajiem audiem, iedarbību uz receptoriem un bioloģisko reakciju. Agrīnie GLP-1 pētījumi cilvēkiem parāda, kā dažāda veida pierādījumi kopā var apstiprināt hormonālo lomu. Daudzi citi peptīdi ir proteīnu fragmenti, vielmaiņas molekulas, strukturālas sastāvdaļas vai pilda funkcijas, kas nav saistītas ar endokrīno sistēmu. Tādējādi vienīgi peptīdu saišu klātbūtne nav pietiekama, lai molekulu atzītu par hormonu. [1]

3. Kas notiek vispirms, kad peptīda hormons sasniedz mērķa šūnu?

Parasti hormons vispirms mijiedarbojas ar atbilstošo receptoru, kas atrodas uz šūnas virsmas vai ir tieši saistīts ar to. Saistīšanās maina receptora aktivitāti vai konformāciju un iedarbina intracelulāro signālu pārraidi. Turpmākā norise ir atkarīga no receptora klases. Insulīna receptora gadījumā pētījumos tā aktivācija ir saistīta ar tirozīna fosforilāciju un kināzes aktivitāti. Šie rezultāti attiecas uz vienu konkrētu receptoru sistēmu, nevis uz visiem peptīdu hormoniem. Tādējādi pareizā receptora identificēšana ir viens no pirmajiem soļiem, kas nepieciešami, lai izprastu konkrētās šūnas reakciju. [3]

4. Kā peptīdu hormoni ietekmē mērķa šūnas?

Peptīdu hormoni iedarbojas uz šūnām, izmantojot signālceļus, ko aktivizē receptori. Tie var ietekmēt enzīmu aktivitāti, transportu caur membrānām, jonu līdzsvaru, sekrēciju, vielmaiņu, proteīnu fosforilāciju un gēnu ekspresiju. Žurku aizkuņģa dziedzera salu šūnu līnijā GLP-1 ietekmēja cAMP koncentrāciju, ar insulīnu saistīto mRNA un insulīna atbrīvošanos. Šis eksperiments parāda vairākus līmeņus, kādos viens peptīda signāls iedarbojas uz šūnu, taču tas nenozīmē, ka katrs auds reaģē vienādi. Galīgais efekts ir atkarīgs no konkrētā hormona, receptora, intracelulārajiem mehānismiem, šūnas stāvokļa, kā arī eksperimentālā vai fizioloģiskā konteksta. [11]

5. Kāpēc dažas šūnas reaģē uz hormonu, bet citas — nē?

Šūnai parasti ir jābūt atbilstošam funkcionējošam receptoram un signālu pārraides mehānismiem, kas nepieciešami saņemtā signāla apstrādei. Tādējādi paša hormona klātbūtne negarantē reakciju. Nozīme ir receptoru skaitam, to struktūrai, lokalizācijai, saistījošajām olbaltumvielām un iepriekšējai šūnas stimulācijai. Natriuretisko peptīdu receptoru mutāciju pētījumi ir parādījuši, ka izmaiņas regulējošajā reģionā var traucēt normālu hormona atkarīgu aktivāciju. Lai gan šie bija eksperimentāli pētījumi, tie labi parāda, kāpēc papildus hormona klātbūtnei ir svarīga arī receptora struktūra un šūnas konteksts. [6]

6. Ar ko preprohormons atšķiras no prohormona?

Preprohormons satur signāla sekvenci, kas parasti palīdz novirzīt jaunsintetizēto molekulu uz sekrēcijas ceļu. Šīs sekvences izņemšana parasti noved pie prohormona veidošanās, kas pēc tam var tikt pakļauts turpmākiem sadalīšanās un modifikācijas posmiem, rezultātā veidojot vienu vai vairākus nobriedušus produktus. Pētījumi par proglukagonu liecina, ka galaprodukti var būt ļoti atkarīgi no auda un tajā esošajiem pārveidojošajiem enzīmiem. Tātad preprohormons, prohormons, starpprodukts un nobriedis hormons apzīmē dažādus molekulāros posmus, nevis ir savstarpēji aizvietojami nosaukumi vienai un tai pašai vielai. [7] [8]

7. Vai viens prekursors var novest pie dažādu hormonu veidošanās?

Jā. Dažādas šūnas var pārveidot vienu un to pašu prekursoru par atšķirīgiem produktiem, jo tām ir atšķirīgi fermentu mehānismi. Pētījumos par cilvēka proglukagonu tika konstatēti atšķirīgi produktu veidošanās modeļi aizkuņģa dziedzerī un zarnās, un turpmākie eksperimenti analizēja PC2 un PC3 lomu to veidošanās procesā. Rezultāti nenozīmē, ka identiska pārveidošanās notiek katrā sugā, audā vai fizioloģiskajā stāvoklī. Tie tomēr parāda vispārēju likumsakarību: gan prekursora sekvence, gan šūnas enzīmu vide ietekmē to, kādi nobrieduši peptīdu produkti galu galā veidosies. [7] [8]

8. Kāpēc daudzi peptīdu hormoni tiek uzkrāti granulās?

Sekrēcijas granulas nodrošina sagatavotu hormona krājumu, kas var tikt atbrīvots pēc atbilstoša fizioloģiska signāla parādīšanās. Tādējādi sekrēcija var strauji palielināties, bez nepieciešamības katru molekulu sintēzēt no jauna tieši šajā brīdī. Granulas tiek aktīvi regulētas, un to dažādie krājumi var atšķirties pēc gatavības atbrīvošanai. Eksperimenti ar cilvēka beta šūnām liecināja par Munc18c lomu insulīna atbrīvošanā no dažādiem granulu krājumiem. Šis mehānisms nepaskaidro visu endokrīno šūnu darbību, taču parāda, kā specializētais eksocitotiskais mehānisms apvieno uzglabāšanu ar kontrolētu sekrēciju. [9]

9. Vai visi peptīdo hormoni izmanto cAMP?

Nē. cAMP ir svarīgs sekundārais signālvadītājs dažiem peptīdu hormonu receptoriem, taču visa šī grupa izmanto daudzas dažādas receptoru sistēmas. Insulīns darbojas caur tirozīna kināzes receptoru, savukārt ANP aktivizē receptoru, kas saistīts ar cGMP sintēzi. Citi peptīdu hormoni var izmantot atšķirīgas GPCR signālceļus, tostarp sistēmas, kas ietekmē intracelulāro kalciju. Pētījumi par insulīna un ANP receptoriem parāda, kāpēc peptīdu hormonu signālu pārraidi nevar reducēt uz vienu cAMP signālceļu. Tāpēc, pirms aprakstīt mehānismu, ir jānosaka konkrētais hormons un tā receptors. [3] [6]

10. Vai peptīdu hormoni var ietekmēt gēnu ekspresiju?

Jā. Signāls, kas rodas uz šūnas virsmas, var tikt pārraidīts pa secīgiem intracelulāriem ceļiem un galu galā ietekmēt transkripciju. GLP-1 pētījumos ar kultivētām žurku šūnām tika novērotas izmaiņas insulīna mRNA līmenī, savukārt eksperimenti ar GnRH impulsiem žurkām parādīja izmaiņas gonadotropīnu apakšvienību transkripcijā. Šie rezultāti attiecas uz konkrētiem modeļiem un nenozīmē, ka katra reakcija uz peptīda hormonu prasa jaunu gēnu ekspresiju. Tomēr tie liecina, ka signālu pārraide, kas sākas no membrānas receptora, var ietekmēt gan ātrus bioķīmiskos procesus, gan transkripcijas regulāciju, kas notiek ilgākā laika posmā. [5] [11]

11. Vai peptīdu hormoni vienmēr iedarbojas ātrāk nekā steroīdie hormoni?

Nē. Reakcijas ātrums ir atkarīgs no receptora, signāla ceļa, pētāmā bioloģiskā efekta un mērījuma veikšanas laika. Peptīdu hormoni var ātri mainīt esošo proteīnu aktivitāti, bet tie var ietekmēt arī gēnu ekspresiju un izraisīt vēlākas reakcijas. Savukārt endokrinoloģijas literatūrā aprakstīta steroīdu ātra iedarbība, kas neprasa jaunu proteīnu sintēzi. Šajā rakstā izmantotais avots par steroīdiem ir pārskats, nevis atsevišķs izšķirošs eksperiments. Uzticamāks nošķīrums attiecas uz molekulu ķīmiju un receptoru mehānismiem, nevis uz vienkāršu iedalījumu „ātrdarbīgos peptīdos” un „lēnās steroīdos”. [11] [13]

12. Kāpēc hormonu impulsu biežumam ir nozīme?

Šūnas var atšķirīgi reaģēt uz atkārtotiem impulsiem, dažādām impulsu frekvencēm un ilgstošu iedarbību, pat ja katru reizi runa ir par to pašu hormonu. Žurkām ar GnRH deficītu impulsu frekvences izmaiņas ietekmēja gonadotropīnu apakšvienību transkripcijas modeļus hipofīzē, kā arī lokālās regulatīvās reakcijas. Šie eksperimenti apstiprina laika nozīmi šajā bioloģiskajā modelī, taču nenosaka hormona ievadīšanas shēmu cilvēkiem. Tādējādi hormonālā informācija var tikt kodēta ne tikai ar molekulas koncentrāciju, bet arī ar laika modeli, kurā mērķa šūnas tiek pakļautas tās iedarbībai. [5]

13. Kas ir negatīvā atgriezeniskā saite peptīdu hormonu regulācijā?

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.

Kopsavilkums

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.

Atruna

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.

Atsauces

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. Endokrinoloģisko pētījumu žurnāls, 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