Peptide hormonen: receptoren, signalering en biologische functies

PeptDormonen zijn chemische boodschappers die zijn opgebouwd uit aminozuurketens. Gespecialiseerde cellen produceren ze, verwerken ze vaak vanuit grotere precursor-moleculen, geven ze af als reactie op specifieke fysiologische signalen en gebruiken ze vervolgens om de activiteit van andere cellen en weeën te coördineren.

Hun werking vloeit echter niet voort uit het feitelijke feit dat ze er zijn peptiden. De biologische respons hangt in de eerste plaats af van de vraag of de betreffende cel over de juiste receptor en het intracellulaire signaaltransductiemechanisme beschikt om het ontvangen signaal te interpreteren.

Insuline, glucagon, glucagon-like peptide-1 (GLP-1), vasopressine, parathyroïdhormoon (PTH), gonadotropine-vrijmakend hormoon (GnRH) en atriaal natriuretisch peptide (ANP) behoren tot deze brede groep. Ze zijn echter betrokken bij zeer uiteenlopende fysiologische systemen.

De term „peptidehormoon” beschrijft daarom een chemische categorie en een biologische communicatiewijze, en niet één enkele gemeenschappelijke werking.

Bijvoorbeeld betroffen GLP-1-onderzoeken bij mensen de communicatie tussen het maagdarmkanaal en de insulineafscheiding, terwijl onderzoeken naar op vasopressine reagerende waterkanalen zich concentreerden op de regulatie van de waterhuishouding door de nieren. Dit zijn afzonderlijke fysiologische systemen die gebruikmaken van andere receptoren, doellichamen en responsmechanismen. [1] [2]

De werking van een peptidehormoon is het gemakkelijkst te begrijpen door het hele proces van begin tot eind te volgen:

synthese van precursor → moleculaire verwerking → opslag → afgifte → receptorherkenning → intracellulaire signalering → cellulaire respons → terugkoppeling en beëindiging van het signaal.

Elke van deze fasen kan de uiteindelijke biologische respons beïnvloeden.

Deze benadering maakt het ook mogelijk een belangrijk misverstand te vermijden. Het detecteren van een peptide, het waarnemen van de binding ervan aan een receptor, het meten van de secundaire Boodschapper en het aantonen van een fysiologische respons van het hele organisme zijn verschillende niveaus van bewijs. Een volledige interpretatie vereist dat wordt vastgesteld welke van deze stadia daadwerkelijk is onderzocht.

Wat zijn peptidehormonen?

Aminozurenketen die een biologisch signaal overdraagt

Peptide hormonen bestaan uit aminozuurresiduen die verbonden zijn peptidebindingen.

Sommige zijn relatief korte ketens, terwijl andere aanzienlijk grotere moleculen zijn en ook wel eiwithormonen kunnen worden genoemd.

In de endocrinologische biologie overlappen deze categorieën elkaar gedeeltelijk. De terminologie met betrekking tot peptidehormonen omvat signaalmoleculen die zijn opgebouwd uit aminozuren en vereist niet het bestaan van één enkele universele kettinglengtegrens die alle peptiden van alle eiwitten scheidt.

Het woord „hormoon” beschrijft in de eerste plaats de signaalfunctie van een molecuul, en niet uitsluitend de chemische structuur ervan.

In het klassieke endocriene systeem geeft een cel of weefsel een hormoon af aan de bloedsomloop, zodat dit hormoon kan inwerken op doelcellen in andere delen van het lichaam.

Biologische communicatie beperkt zich echter niet uitsluitend tot dit mechanisme. Gerelateerde moleculen kunnen ook deelnemen aan lokale communicatie tussen naburige cellen en aan andere vormen van celsignalering.

De chemische structuur alleen is dus niet voldoende om een bepaald peptide als hormoon te beschouwen.

Veel peptieden zijn onder andere:

• intermediate metabolieten;
• fragmenten van grotere eiwitten;
• structurele componenten;
• intracellulaire regulerende moleculen;
• eiwitafbraakproducten;
• moleculen die andere functies vervullen die geen verband houden met het hormonale systeem.

Om de hormonale rol te bevestigen, hebben onderzoekers doorgaans bewijs nodig dat een bepaald molecuul verbindt met de aanmaak ervan, de gereguleerde afgifte, doelcellen en de fysiologische werking.

Vroegtijdig onderzoek naar GLP-1 bij mensen is een goed voorbeeld van deze benadering.

Onderzoekers ontdekten GLP-1-gerelateerd materiaal in de darmen en zagen de concentratie ervan in het bloed stijgen na orale toediening van glucose of na een maaltijd. In een klein infusie-experiment beïnvloedde een specifieke vorm van GLP-1 de insuline- en glucoserespons. [1]

Samen ondersteunden deze waarnemingen het concept van een fysiologische signaalfunctie van dit molecuul.

Dit onderzoek mag echter niet worden beschouwd als bewijs ter ondersteuning van elk mechanisme, elke klinische toepassing of elke latere bewering met betrekking tot de biologie van GLP-1.

Doelcellen worden bepaald door het vermogen om te reageren

Een hormoon kan langs vele cellen stromen zonder in elk daarvan dezelfde reactie op te wekken.

Wil een cel kunnen reageren, moet deze doorgaans over een geschikte receptor beschikken en over intracellulaire moleculaire mechanismen om het signaal dat ontstaat na de activatie ervan te verwerken.

Receptoren herkennen specifieke kenmerken van moleculen.

Herkenning kan onder meer afhangen van:

• aminozuursequentie;
• ruimtelijke structuren;
• ladingverdeling;
• chemische modificaties;
• receptorconformatie;
• beschikbaarheid van geschikte bindingsoppervlakken.

Het mere feit dat een bepaalde molecuul een peptide is, betekent dus niet dat het de receptor van een ander peptidehormoon kan activeren.

Het aantal receptoren is eveneens van belang.

Een cel met een groot aantal functionele receptoren kan anders reageren dan een cel die er minder heeft. De respons kan ook worden beïnvloed door de locatie van de receptoren, hun modificaties, de eiwitten die ermee in wisselwerking staan en eerdere stimulatie.

Zelfs twee weeën met dezelfde receptor kunnen verschillend reageren omdat ze verschillen in intracellulaire signaleringsmachinerie.

Activatie van de receptor kan onder andere invloed hebben op:

• enzymactiviteit;
• ionentransport;
• membraankanalen;
• bubbeltransport;
• uitscheiding;
• metabolisme;
• eiwitfosforylering;
• gentranscriptie;
• een combinatie van enkele van deze processen.

Receptorbinding is dus het begin van de verklaring van het werkingsmechanisme, en niet het volledige antwoord op de vraag naar het biologische effect.

Peptide hormonen zijn betrokken bij vele verschillende systemen

Deze voorbeelden illustreren verschillende fysiologische functies, en niet de gemeenschappelijke voordelen die voortvloeien uit het behoren tot de groep van peptiden.

Onderzoek naar de activiteit van de insuline-receptorkinase, de fysiologie van GLP-1, aquaporine-2 in de urine, de calcium-PTH-reactie, het GnRH-pulseritme en ANP-receptoren analyseert verschillende aspecten van afzonderlijke hormonale systemen. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Om die reden mogen de resultaten voor één peptidehormoon niet automatisch worden toegepast op een ander, alleen omdat beide moleculen tot dezelfde brede chemische categorie behoren.

Hoe worden peptidehormonen aangemaakt en afgegeven?

Veel hormonen ontstaan uit grotere voorlopermoleculen

Veel peptidehormonen worden aanvankelijk gesynthetiseerd als grotere moleculen, die preprohormonen worden genoemd.

Het voorvoegsel „pre-” verwijst meestal naar een signaalpeptide dat helpt om een nieuw gevormd molecuul naar de cellulaire secretieroute te leiden.

Nadat deze sequentie is verwijderd, wordt de overgebleven precursor doorgaans aangeduid als een prohormoon.

Verdere verwerking kan leiden tot de vorming van een volgroeid hormoon en, in sommige gevallen, tot verschillende biologisch relevante producten.

In de klassieke, gereguleerde secretieroute komt de gevormde precursor terecht in het endoplasmatisch reticulum, waarna het door het Golgi-apparaat gaat en naar de juiste secretiecompartimenten wordt geleid.

Afhankelijk van het molecuul kunnen de volgende stappen het volgende omvatten:

• plooiing;
• het vormen van disulfidebruggen;
• enzymatische gespletenheid;
• aanpassingen aan de uiteinden van de ketting;
• andere chemische modificaties;
• sorteren;
• verpakking op basis van de grootte van de afscheidingsdeeltjes.

Deze processen verlopen niet voor elk peptidehormoon op precies dezelfde manier.

Eén precursor kan meerdere potentiële peptideproducten bevatten, en verschillende celtypen kunnen dezelfde precursor op verschillende manieren verwerken.

De door het gen gecodeerde aminozuursequentie hoeft dus niet rechtstreeks overeen te komen met één volwassen hormoon dat in de bloedsomloop aanwezig is.

De verwerking van de voorloper bepaalt welk hormoon er wordt gevormd

Proglucagon is een bijzonder goed voorbeeld, omdat het weefsel van de alvleesklier en de darmen uit dezelfde voorloper verschillende moleculaire producten kunnen aanmaken.

Bij het onderzoek naar menselijk weefsel werden immunochemische en chromatografische methoden gebruikt om verschillende patronen van glucagon-gerelateerde moleculen in de alvleesklier en de dunne darm te identificeren. [7]

In latere celproeven werd de rol onderzocht van enzymen die PC2 en PC3 verwerken, waarbij PC3 ook vaak wordt aangeduid als PC1/3.

Uit de resultaten bleek dat de enzymatische omgeving sterk van invloed was op de vraag of de verwerking leek op het karakteristieke patroon van de alvleesklier of de darm. Het onderzoek bracht ook de beperkingen aan het licht van het nabootsen van alle splitsingsfasen met behulp van een gesoleerd enzymsysteem. [8]

De algemene regel is belangrijk:

De precursorsequentie bepaalt de mogelijke producten, terwijl verwerkingsmechanismen die aanwezig zijn in een bepaalde cel helpen bepalen welke moleculaire vormen daadwerkelijk zullen ontstaan.

Dit heeft ook gevolgen voor laboratoriummetingen.

Een test die meerdere vormen herkent die verband houden met één precursor, kan andere resultaten opleveren dan een methode die specifiek is ontworpen om één rijp hormoon te detecteren.

Het opgegeven concentratienummer moet daarom worden geïnterpreteerd in samenhang met de informatie over welke moleculaire vormen precies worden gedetecteerd door de gebruikte analytische methode.

Secretiejaren maken gecontroleerde afgifte mogelijk

Veel endocriene cellen slaan verwerkte peptidehormonen op in secretoire granula.

Na het verschijnen van de juiste stimulus leiden gereguleerde cellulaire mechanismen tot de fusie van de granula met het celmembraan.

De inhoud daarvan wordt vervolgens door exocytose naar buiten de cel vrijgegeven.

Opslag maakt het mogelijk om de afgifte snel te vergroten zonder dat voor elke vrij te komen molecuul de synthese helemaal opnieuw hoeft te worden gestart precies op het moment dat de prikkel zich aandient.

Dit betekent echter niet dat alle korrelgroottes even gemakkelijk toegankelijk zijn voor onmiddellijke vrijgave.

Cellen kunnen functioneel verschillende pools van granula bevatten, en langdurige secretie vereist verdere productie, verwerking en aanvulling van de voorraden.

Het vrijgeven van het hormoon is dus een actief gecontroleerd celproces en geen passieve lek van de volledige celinhoud.

Onderzoek aan humane eilandjes van Langerhans en bètacellen heeft aangetoond dat een vermindering van het exocytotische eiwit Munc18c de insuline-afgifte verstoorde en de vrijzetting ervan uit verschillende granulepools veranderde. [9]

Deze resultaten ondersteunen direct de rol van gespecialiseerde membraanfusiemechanismen.

Ze vormen echter geen volledige verklaring voor alle moleculaire processen die de insulineafscheiding reguleren.

Verschillende hormoonsystemen reageren op verschillende prikkels

Individuele endocriene cellen reageren op verschillende fysiologische signalen.

Deze kunnen omvatten:

• concentraties van voedingsstoffen;
• elektrische activiteit;
• neurotransmitters;
• andere hormonen;
• jony obecne poza komórką;
• osmotische omstandigheden;
• mechanische veranderingen;
• combinaties van verschillende regelgevende stimuli.

Intracellulair calcium is vaak betrokken bij de fusie van secretieblaasjes, maar de processen die leiden tot het calciumsignaal verschillen tussen celtypen.

In de bètacellen van de alvleesklier is het glucosemetabolisme bijvoorbeeld nauw verbonden met elektrische activiteit, de instroom van calcium en de afgifte van insulinebevattende granula.

Hypothalamische neuroendocriene cellen daarentegen functioneren in complexe netwerken van neurale, hormonale en fysiologische signalen.

Het zou daarom niet juist zijn om één gedetailleerde secretieroute voor te stellen als een universeel mechanisme voor alle peptidehormonen.

Vanuit een experimenteel oogpunt is het ook belangrijk om onderscheid te maken tussen de synthese van het hormoon en de afscheiding ervan.

Onderzoek naar neuronen bij ratten die corticotropine-vrijhormoon produceren, toonde aan dat genactivatie en secretiegerelateerde responsen verschillende reactiedrempels hadden tijdens aanhoudende stress. [10]

Een verhoogde afgifte van het hormoon hoeft dus niet te betekenen dat de transcriptie van het gen dat de precursor ervan codeert, in dezelfde mate en op exact hetzelfde moment verandert.

Tijd en ritme van afscheiding kunnen informatie overbrengen

Blootstelling aan een hormoon wordt niet uitsluitend beschreven door de gemiddelde concentratie ervan.

Een tijdspatroon kan omvatten:

• afzonderlijke impulsen;
• pulsfrequentiewijzigingen;
• amplitudevariaties van pulsen;
• aanhoudende verhoging van de concentratie;
• circadiaans ritme;
• antwoorden met betrekking tot maaltijden, slaap, stress of andere fysiologische gebeurtenissen.

Verschillende tijdspatronen kunnen leiden tot verschillende cellulaire reacties.

Experimenten uitgevoerd op mannelijke ratten met een GnRH-deficiëntie toonden aan dat verschillende GnRH-pulsfrequenties verscheidene transcriptiepatronen van gonadotropinesubeenheden veroorzaakten. De respons omvatte zowel directe GnRH-signaaltransductie als veranderingen in lokale hypofysaire regulatiemechanismen. [5]

Deze onderzoeken helpen verklaren waarom de timing en het ritme van een hormonaal signaal biologische informatie kunnen overdragen.

De resultaten van dergelijke dierproeven mogen echter niet worden vertaald naar doseringsschema's voor mensen.

De in het bloed gemeten hormoonconcentratie is dus slechts een weergave van een dynamisch veranderend systeem op een specifiek moment.

De interpretatie kan afhangen van:

• tijd van monsterafname;
• van het pulserende karakter van de secretie;
• gemeten moleculaire vorm;
• recente fysiologische gebeurtenissen;
• eliminatiesnelheden;
• specifieke kenmerken van de toegepaste test.

Receptoren en celsignalering

Wat gebeurt er wanneer een peptidehormoon de doelcel bereikt?

De meeste peptidehormonen beginnen hun werking door te binden aan receptoren op het celoppervlak of die direct daaraan zijn gekoppeld.

De binding van het hormoon aan de receptor verandert de activiteit of conformatie ervan, waardoor de overdracht van informatie naar de cel mogelijk wordt.

Het signaal passeert dus het celmembraan via een receptorsysteem.

Een peptidehormoon hoeft doorgaans niet zelf door het lipidencelmembraan te dringen en vrij de cytoplasma binnen te treden om de celsignalering te initiëren.

Dit maakt duidelijk hoe een relatief goed wateroplosbaar extracellulair molecuul processen in de cel kan beïnvloeden.

Het verdere verloop hangt af van het type receptor.

Receptoren voor peptidehormonen behoren tot verschillende mechanistisch onderscheiden klassen.

Sommige geven het signaal door via:

• heterotrimere G-eiwitten;
• receptorgerelateerde enzymen;
• van de eigen kinase-activiteit;
• guanylylcyclase-activiteiten;
• van andere eiwitten.

Algemeen schema:

hormoon → receptor → intracellulair signaal → cellulaire respons

is erg nuttig.

Er bestaat echter geen enkele gemeenschappelijke intracellulaire route die kenmerkend is voor alle peptidehormonen.

G-eiwitgekoppelde receptoren en secundaire boodschappers

Veel peptidehormonen dragen signalen over via G-proteïne-gekoppelde receptoren, oftewel GPCR's.

Dit zijn membraaneiwitten die communiceren met intracellulaire G-eiwitten, welke invloed kunnen uitoefenen op enzymen, ionkanalen en secundaire boodschappersystemen.

Een belangrijke secundaire boodschapper is cyclisch AMP (cAMP).

In een typische cAMP-route beïnvloedt receptoractivatie adenylylcyclase, het enzym dat verantwoordelijk is voor de productie van cAMP.

Veranderingen in de cAMP-concentratie kunnen vervolgens de activiteit van volgende signaaleiwitten beïnvloeden.

Verschillende GPCR-receptoren kunnen verschillende mechanismen gebruiken.

Belangrijk is dat niet elke GPCR-receptor de concentratie van cAMP verhoogt.

Sommige combinaties van receptoren en G-eiwitten kunnen de productie ervan verminderen, terwijl andere voornamelijk routes reguleren die verband houden met calcium of andere intracellulaire processen.

De bewering dat een hormoon een „secundaire boodschapper” gebruikt, beschrijft dus een algemene signaalstrategie en geen enkel universeel moleculair mechanisme.

In een vroeg onderzoek met een ratten-eilandjescellijn werd aangetoond dat de verwerkte vorm van GLP-1 de cAMP, het insuline-gerelateerde mRNA-niveau en de insulineafgifte verhoogde. [11]

Dit experiment koppelde het extracellulaire peptidesignaal aan biochemische veranderingen en genexpressie binnen de cel.

De conclusies blijven echter geldig voor het toegepaste model en de experimentele omstandigheden.

Calsiumsignaaltransductie en signaalversterking

Een andere veel voorkomende GPCR-route omvat fosfolipase C.

De activatie ervan kan leiden tot de vorming van intracellulaire second messengers, zoals inositoltrisrofosfaat (IP3) en diacylglycerol (DAG).

IP3 kan de afgifte van calcium uit intracellulaire opslagplaatsen bevorderen, terwijl DAG kan deelnemen aan de activering van proteïnekinase C.

Deze processen helpen receptoractivatie te omzetten in een verandering in celactiviteit.

Dit is echter geen route die door elke peptidehormoonreceptor wordt gebruikt.

Signaleringscascades kunnen het signaal ook versterken.

Elke geactiveerde receptor kan interageren met meerdere moleculen verder in de route, en één geactiveerd enzym kan meerdere secundaire boodschappermoleculen produceren.

Dit verklaart waarom een relatief klein extracellulair signaal soms een aanzienlijke cellulaire respons kan oproepen.

De versterking van het signaal is echter niet onbeperkt.

De kracht en duur ervan worden onder andere beïnvloed door:

• aantal receptoren;
• enzymbeschikbaarheid;
• beschikbaarheid van substraten;
• feedbackmechanismen;
• fosfatasen;
• degradatie van secundaire boodschappers;
• receptorontgevoediging;
• de functionele mogelijkheden van de doelcel.

Een secundaire boodschapper is daarom een intermediair element in de route, en niet het uiteindelijke fysiologische effect.

Het type, de concentratie, de locatie en de duur van de werking zijn van belang, evenals het vermogen van de cel om dit signaal te vertalen naar een concrete respons.

De insulreceptor werkt anders

De insulinerelceptor is een receptor-tyrosinekinase.

Zijn initiële signaleringsmechanisme verschilt dus fundamenteel van het klassieke GPCR-mechanisme.

De binding van insuline leidt tot de activatie van het intracellulaire kinasedomein van de receptor.

De geactiveerde receptor fosforyleert specifieke plaatsen in eiwitten en activeert verdere signaalnetwerken.

Biochemisch onderzoek met gezuiverde insulinereceptoren heeft tyrosine-autofosforylering in verband gebracht met een verhoogde kinaseactiviteit. [3]

Deze experimenten maakten het mogelijk om belangrijke eigenschappen van de receptor te bepalen.

Een gezuiverde receptor herhaalt echter niet alle processen die plaatsvinden in hele cellen van spieren, lever, vetweefsel of andere op insuline reagerende weefsels.

De belangrijkste conclusie is simpel:

Peptide hormonen kunnen verschillende klassen receptoren activeren.

Insuline is een belangrijk voorbeeld dat laat zien waarom de signalering van peptidehormonen niet moet worden samengevat met de bewering:

„een peptidehormoon bindt zich aan een GPCR en verhoogt het cAMP-gehalte.

Dit mechanisme heeft betrekking op bepaalde systemen, maar niet op de hele groep.

Natriuretisch-peptide-receptoren kunnen cGMP produceren

ANP vormt een voorbeeld van nog een ander receptormechanisme.

Zijn guanylylcyclasereceptor A is betrokken bij de vorming van cyclisch GMP (cGMP).

cGMP en cAMP zijn cyclische nucleotiden, maar ze zijn niet dezelfde molecule en worden gevormd met behulp van andere enzymsystemen.

Mutatie-experimenten met natriuretische-peptidereceptoren hebben aangetoond dat het kinase-achtige regulatoire domein een cruciale rol speelde bij het controleren van de receptoractiviteit. Veranderingen in dit gebied konden leiden tot het verlies van een correcte regulatie of tot activiteit die optreedt zonder typische hormonale stimulatie. [6]

In dit geval is precieze terminologie belangrijk.

De aanwezigheid van een kinase-achtig domein betekent niet dat de receptor via hetzelfde tyrosinekinasemechanisme werkt als de insulineresector.

Er moet rekening worden gehouden met de receptorarchitectuur, de katalytische activiteit en het type gemeten biochemisch product.

Binding aan het oppervlak betekent niet dat de receptor daar altijd blijft

Geactiveerde receptoren kunnen endocytose ondergaan, dat wil zeggen dat ze zich verplaatsen van het celmembraan naar interne compartimenten die door een membraan zijn omgeven.

Dit proces verschilt van de vrije passage van een peptidehormoon door het lipidenmembraan naar het cytoplasma.

In gemodificeerde humane niercellen volgden onderzoekers de verplaatsing van ANP-receptoren naar intracellulaire compartimenten terwijl de productie van cGMP aanhield. [12]

Deze waarnemingen tonen aan dat receptortransport en -signalisering tegelijkertijd kunnen plaatsvinden.

Dit bewijst echter niet dat elke receptor na internalisatie op identieke wijze signaleert, noch dat al het gemeten cGMP in één specifiek celcompartiment is ontstaan.

De bewering dat peptidehormonen de signalisering doorgaans initiëren via celoppervlakterreceptoren, is dus een nuttige generalisatie.

Het zou daarentegen te categorisch zijn om te stellen dat peptidehormonen en hun receptoren zich nooit in intracellulaire compartimenten kunnen bevinden.

De cellulaire respons kan snel zijn, vertraagd zijn of beide fasen omvatten

Receptorsignalisering kan de activiteit veranderen van eiwitten die al in de cel aanwezig zijn.

Dergelijke mechanismen kunnen leiden tot relatief snelle reacties.

Signaleringsroutes kunnen ook de transcriptie en eiwitsynthese beïnvloeden, wat leidt tot effecten die zich over een langere periode ontwikkelen.

Beide mechanismen kunnen gelijktijdig optreden.

Hetzelfde signaleringssysteem kan snelle biochemische veranderingen en latere transcriptieveranderingen veroorzaken.

In het GLP-1-celonderzoek werden zowel signaleringsgerelateerde veranderingen als de expressie van het insulinegen gemeten, wat laat zien waarom signalering die aan het celoppervlak begint, niet moet worden beschouwd als onvermogen om processen in de kern te beïnvloeden. [11]

De verhoging van de concentratie van de secundaire boodschapper vertegenwoordigt echter slechts één niveau van bewijs.

Het aantonen van het volledige fysiologische effect vereist, afhankelijk van de onderzoeksvraag, een combinatie van opeenvolgende niveaus:

receptoractivatie → intracellulaire signalering → celgedrag → weefselrespons → fysiologie van het gehele organisme.

Peptidenhormonen versus steroïdenhormonen

Andere chemische basissen

Peptide hormonen zijn opgebouwd uit aminozuurketens.

Steroïadhormonen ontstaan uit cholesterol en hebben een karakteristiek systeem van steroïdringen.

Chemische verschillen zijn van invloed op de wijze waarop beide groepen hormonen worden gesynthetiseerd, opgeslagen, getransporteerd, herkend en signalen doorgeven.

Pept이죠hormonen functioneren over het algemeen goed in een watermilieu, maar passeren meestal niet het hydrofobe binnenste van de celmembraan via eenvoudige diffusie.

Steroïdhormonen zijn beter compatibel met de lipidenomgeving en kunnen intracellulaire receptorsystemen bereiken.

Veel steroïdhormonen circuleren gedeeltelijk gebonden aan transporteiwitten.

De transporteigenschappen van peptidehormonen verschillen per molecuul.

Dit zijn algemene fysiologische patronen en geen absolute regels voor elke vertegenwoordiger van beide categorieën.

Moleculaire modificaties, bindende eiwitten, het type receptor en de weefselcontext kunnen de details veranderen.

Klassieke receptorvergelijking

Een klassieke vergelijking is nuttig in de hormonale biologie.

De beide categorieën moeten echter niet worden voorgesteld als volledig gescheiden signaalwerelden.

In een publicatie over peptide- en steroïdsignalering werd bewijs beschreven voor de snelle werking van steroïden, waarvoor geen nieuwe eiwitsynthese vereist is. [13]

De bron is een overzicht dat onder meer is gebaseerd op wetenschappelijke discussies en is geen enkel experiment dat één universeel mechanisme voor alle steroïdhormonen bevestigt.

Waarom is de bewering „peptiden werken snel en steroïden langzaam” te simpel?

Sommige reacties op peptidehormonen treden snel op omdat signaaltransductieroutes reeds in de cel aanwezige eiwitten modificeren.

Peptidesignalering kan echter ook de transcriptie en de synthese van nieuwe eiwitten beïnvloeden, wat leidt tot langzamer optredende reacties.

Aan de andere kant beperken steroïde hormonen zich niet uitsluitend tot trage, transcriptie-afhankelijke effecten.

Wetenschappelijk nuttigere vragen zijn:

• Welk hormoon wordt er geanalyseerd?
• Welke receptor wordt geactiveerd?
• Welk intracellulair signaalpad wordt vervolgens geactiveerd?
• Welk biologisch effect wordt gemeten?
• Hoe lang na de stimulatie is de meting uitgevoerd?

Het vergelijken van de vroege respons van een secundaire boodschapper met de latere transcriptierespons zonder het gemeten effect te specificeren, kan leiden tot een misleidende indeling in „snelle” en „langzame” hormonen. [11] [13]

Beide klassen hormonen kunnen elkaar reguleren.

Peptide- en steroïadhormonen nemen vaak deel aan dezelfde endocriene netwerken.

Een goed voorbeeld is de stressresponsas.

Peptidesignalen uit de hypothalamus en hypofyse zijn betrokken bij de regulatie van de steroïdeproductie door de bijnieren, terwijl glucocorticoïden deelnemen aan een terugkoppeling op eerdere elementen van dit systeem.

Terugkoppeling moet echter niet worden voorgesteld als een onmiddellijke aan-uitschakelaar.

Onderzoek naar CRH-neuronen bij ratten toonde aan dat de afscheiding, genactivatie en glucocorticoïd-afhankelijke terugkoppeling afhankelijk waren van het type stimulus en het tijdstip van de meting. [10]

Dit ondersteunt een gedetailleerder model van hormonale regulatie, waarin individuele componenten van het systeem op verschillende tijdschalen kunnen reageren.

Terugkoppeling en signaalbeëindiging

Negatieve terugkoppeling helpt fysiologische parameters te stabiliseren

Negatieve terugkoppeling treedt op wanneer de gevolgen van een fysiologische respons de prikkel verminderen die leidt tot verdere signalering.

Een instelbaar parameter kan onder meer omvatten:

• beschikbaarheid van voedingsstoffen;
• ioonconcentratie;
• waterbeheer;
• bloedvolume;
• endocriene orgaanactiviteit;
• ander fysiologisch kenmerk.

Een goed voorbeeld is het calcium-PTH-systeem.

Een lagere concentratie extracellulair calcium stimuleert doorgaans de secretie van PTH, terwijl een stijging hiervan deze secretie kan remmen.

In een onderzoek onder gezonde jonge mannen werd na een calciumstimulus een afname van de PTH-concentratie in het bloed waargenomen. [4]

Dit toont de fysiologische relatie aan die optreedt onder de omstandigheden van dit onderzoek.

Het vormt echter geen basis voor suppletie-adviezen en maakt het ook niet mogelijk om elke respons bij de ziekte te voorspellen.

Feedback kan op vele niveaus werken, onder andere door:

• hormoonsecretie;
• de productie van de precursor;
• gentranscriptie;
• receptorgevoeligheid;
• volgende fasen van de signalering;
• interacties tussen endocriene weefsels.

Het kan ook met enige vertraging werken.

Daarom moeten kortetermijnreacties en langetermijnaanpassing niet automatisch als hetzelfde proces worden beschouwd.

Hormonale afbraak beperkt de blootstellingstijd

Peptide hormonen kunnen worden gesplitst door enzymen, waardoor hun moleculaire structuur en biologische activiteit veranderen.

Afhankelijk van het specifieke molecuul kunnen ook weefselopname, de nieren, de lever en andere eliminatieprocessen deelnemen aan de uitscheiding ervan.

GLP-1-onderzoeken toonden aan dat er in menselijk plasma een aan de N-uiteinde verkort metaboliet werd gevormd en wezen op de betrokkenheid van dipeptidylpeptidase IV (DPP-IV) bij deze reactie. Onderzoekers onderscheidden ook het intacte peptide van zijn metabolieten in monsters afkomstig van mensen. [14]

Dit onderscheid is belangrijk omdat het verdwijnen van het intacte hormoon en het verschijnen van gerelateerde peptidefragmenten niet dezelfde meting zijn.

Evenmin mag de stabiliteit van een peptide, gemeten in een geïsoleerd plasma-experiment, automatisch worden gelijkgesteld aan de volledige werkingsduur ervan in een levend organisme.

Het waargenomen tijdverloop kan worden beïnvloed door secretie, distributie, bloedstroom, weefselopname, enzymatische splitsing en eliminatie.

De cel schakelt ook zijn eigen respons uit

Het beëindigen van het signaal hangt niet uitsluitend af van de verwijdering van het hormoon uit de circulatie.

Cellen beschikken over diverse mechanismen om de intracellulaire signalering te verminderen.

Bijvoorbeeld:

• G-eiwitten kunnen terugkeren naar de inactieve toestand;
• cyclische nucleotiden kunnen worden afgebroken;
• eiwitfosfaten kunnen fosfaatgroepen verwijderen;
• de concentratie en distributie van intracellulair calcium kunnen terugkeren naar de rustwaarden;
• signaaleiwitten kunnen worden geremd;
• receptoren kunnen desensitiseren;
• Receptoren kunnen worden verplaatst naar andere cellulaire compartimenten.

Deze mechanismen bieden vele controlepunten.

Het hormoon kan nog steeds aanwezig zijn, terwijl de cel minder gevoelig wordt voor de werking ervan.

Aan de andere kant kunnen sommige intracellulaire consequenties enige tijd aanhouden nadat de hormoonconcentratie buiten de cel is verlaagd.

De meting van slechts één spoorelement maakt het dan ook niet mogelijk om de toestand van het hele signaalnetwerk te bepalen.

Desensibilisatie verandert de gevoeligheid van de receptor

Desensibilisatie betekent het verminderen van de respons van het systeem tijdens continue of herhaalde stimulatie.

Afhankelijk van het type receptor kunnen de mechanismen het volgende omvatten:

• receptorfosforylering;
• defosforylatie;
• de wijziging van de koppeling met signaalpartners;
• receptorinternalisatie;
• verandering in het aantal receptoren;
• veranderingen in eiwitten die betrokken zijn bij latere stadia van de signalering.

In het onderzoek naar de ANP-gevoelige guanylylcyclasereceptor A werd een complex patroon van fosforylering en defosforylering beschreven dat geassocieerd is met een verminderde respons. [15]

De resultaten bevestigden niet het eenvoudige model waarin elke fosforylatie de receptor activeert en elke defosforylatie deze uitschakelt.

Internalisatie van de receptor moet ook niet automatisch worden gelijkgesteld aan de volledige beëindiging van het signaal.

De gevolgen hangen af van het type receptor, de doelocatie in de cel, de mogelijkheden voor hergebruik, degradatie en de vraag of de signaaltransductie kan worden voortgezet vanuit intracellulaire compartimenten.

Wat toont een hormoonmeting wel en wat toont deze niet?

De gemeten waarde van de hormonale concentratie kan het resultaat zijn van verschillende processen die tegelijkertijd plaatsvinden:

productie + verwerking + afgifte + distributie − degradatie − opname − eliminatie.

De analytische methode kan ook detecteren:

• intact hormoon;
• precursorsubstanties;
• metaboliet;
• splijtingsfragmenten;
• verschillende verwante moleculaire vormen.

Welke vormen worden gedetecteerd, hangt af van het ontwerp van de test.

In de GLP-1-degradatiestudie werd dit probleem geanalyseerd door chromatografische scheiding te combineren met immunoassay's en structurele identificatie van de metaboliet. [14]

Het onderscheid was belangrijk omdat het resultaat dat de totale immunoreactiviteit vertegenwoordigde niet hoefde te corresponderen met de meting van uitsluitend het intacte, biologisch relevante peptide.

Hormoonconcentratie, receptorbinding, secundaire boodschapperproductie, genexpressie en fysiologische functie zijn derhalve afzonderlijke soorten metingen.

Het combineren van deze niveaus maakt het mogelijk om een veel sterkere mechanistische verklaring te creëren dan wanneer één enkel resultaat wordt beschouwd als een vertegenwoordiging van het hele hormonale systeem.

Veelgestelde vragen

1. Dringen peptidehormonen cellen binnen?

De meeste peptidehormonen initiëren celdeling of signalering door te binden aan receptoren op het celoppervlak, in plaats van vrij door het celmembraan naar het cytoplasma te diffunderen. De daaropvolgende receptor-geassocieerde internalisatie kan echter leiden tot de translocatie van hormoon-receptorcomplexen of gekoppelde receptorsystemen naar membraanomgeven intracellulaire compartimenten. Bij onderzoek naar de ANP-receptor werd receptorverplaatsing waargenomen met aanhoudende cGMP-productie in een specifiek celmodel. Dit betekent niet dat het hormoon vrij door het membraan diffundeert, noch bewijst het dat elk peptidehormoon exact hetzelfde mechanisme gebruikt. Initiële herkenning aan het celoppervlak en daaropvolgende receptor-geassocieerde internalisatie zijn verschillende fasen van signalering. [12]

2. Zijn alle peptiden hormonen?

Nee. Een peptide wordt in de eerste plaats gedefinieerd op basis van zijn moleculaire structuur op basis van aminozuren, terwijl een hormoon wordt gedefinieerd op basis van zijn rol in fysiologische communicatie. Bevestiging van de hormonale functie vereist gegevens over aanmaak, gereguleerde afgifte, doelweefsels, receptorwerking en biologische respons. Vroeg onderzoek naar GLP-1 bij mensen laat zien hoe verschillende soorten bewijs samen de hormonale rol kunnen bevestigen. Veel andere peptiden zijn eiwitfragmenten, metabole moleculen, structurele componenten of vervullen functies die geen verband houden met het hormonale systeem. De mere aanwezigheid van peptidebindingen is dus niet voldoende om een molecuul als hormoon aan te merken. [1]

3. Wat gebeurt er als eerst wanneer een peptidehormoon de doelcel bereikt?

Meestal reageert een hormoon eerst met een specifieke receptor op het celoppervlak of direct daarmee verbonden. Binding verandert de activiteit of conformatie van de receptor en activeert intracellulaire signalering. Het verdere verloop hangt af van de receptorklasse. In het geval van de insulinerceptoren brachten studies de activatie ervan in verband met tyrosinerylering en kinaseactiviteit. Deze resultaten hebben betrekking op één specifiek receptorsysteem en niet op alle peptidehormonen. De identificatie van de juiste receptor is dan ook een van de eerste stappen die nodig zijn om de reactie van een bepaalde cel te begrijpen. [3]

4. Hoe beïnvloeden peptidehormonen doelcellen?

Peptide hormonen beïnvloeden cellen via signaaltransductieroutes die door receptoren worden geactiveerd. Ze kunnen de activiteit van enzymen, membraantransport, ionenhuishouding, secretie, metabolisme, eiwitfosforylering en genexpressie veranderen. In een ratten-eilandjescellijn beïnvloedde GLP-1 de cAMP-concentratie, insuline-gerelateerd mRNA en de afgifte van insuline. Dit experiment toont verschillende niveaus van effect van één peptidesignaal op een cel, maar betekent niet dat elk weeefsel op dezelfde manier reageert. Het uiteindelijke effect hangt af van het specifieke hormoon, de receptor, intracellulaire mechanismen, de toestand van de cel en de experimentele of fysiologische context. [11]

5. Waarom reageren sommige cellen wel op een hormoon en andere niet?

Een cel moet gewoonlijk over een geschikt functioneel receptor en de nodige signaleringsmechanismen beschikken om het ontvangen signaal te verwerken. De mere aanwezigheid van het hormoon garandeert dus geen respons. Het aantal receptoren, hun structuur, lokalisatie, koppelingsproteïnen en eerdere stimulatie van de cel zijn van belang. Mutatiestudies van natriuretische peptide-receptoren hebben aangetoond dat veranderingen in het regulatoire gebied de correcte hormoongafhankelijke activatie kunnen verstoreken. Hoewel dit experimentele studies betrof, tonen ze goed aan waarom naast de aanwezigheid van het hormoon ook de receptorstructuur en de cellulaire context van belang zijn. [6]

6. Wat is het verschil tussen een preprohormoon en een prohormoon?

Het preprohormoon bevat een signaalsector die doorgaans helpt om het nieuw gesynthetiseerde molecuul naar de uitscheidingsroute te leiden. Het verwijderen van deze sequentie leidt meestal tot de vorming van een prohormoon, dat vervolgens verdere stappen van knippen en modificatie kan ondergaan, wat leidt tot de vorming van een of meer rijpe producten. Studies naar proglucagon tonen aan dat de uiteindelijke producten sterk afhankelijk kunnen zijn van het weefsel en de verwerkingenzymen die daarin aanwezig zijn. Preprohormoon, prohormoon, intermediaire vorm en rijp hormoon vertegenwoordigen dus verschillende moleculaire stadia en zijn geen uitwisselbare namen voor dezelfde stof. [7] [8]

7. Kan één precursor leiden tot de vorming van verschillende hormonen?

Ja. Verschillende cellen kunnen dezelfde precursor verwerken tot verschillende producten omdat ze andere enzymatische mechanismen bezitten. Uit onderzoek naar menselijk proglucagon bleken verschillende patronen van producten in de alvleesklier en de darm, en latere experimenten analyseerden de rol van PC2 en PC3 bij de vorming ervan. De resultaten betekenen niet dat in elke soort, elk weefsel of elke fysiologische toestand een identieke verwerking plaatsvindt. Ze tonen echter wel een algemeen principe aan: zowel de precursorsequentie als de enzymatische omgeving van de cel beïnvloeden welke uiteindelijke mature peptideproducten er zullen ontstaan. [7] [8]

8. Waarom worden veel peptidehormonen opgeslagen in granula?

Secretiegranula zorgen voor een gereedstaande voorraad hormoon die kan worden vrijgegeven zodra er een geschikt fysiologisch signaal verschijnt. Hierdoor kan de afscheiding snel toenemen zonder dat elke molecule op dat exact moment vanaf de grond af hoeft te worden gesynthetiseerd. Granula worden actief gereguleerd en verschillende pools ervan kunnen in gereedheid voor afgifte verschillen. Experimenten met humane bètacellen wezen op de betrokkenheid van Munc18c bij de afgifte van insuline uit verschillende granula-pools. Dit mechanisme verklaart niet de werking van alle endocriene cellen, maar laat zien hoe gespecialiseerde exocytotische machinerie opslag koppelt aan gecontroleerde afscheiding. [9]

9. Maken alle peptidehormonen gebruik van cAMP?

Nee. cAMP is een belangrijke secundaire boodschapper voor sommige peptidehormoonreceptoren, maar de hele groep gebruikt een groot aantal verschillende receptorsystemen. Insuline werkt via een receptortyrosinekinase, terwijl ANP een receptor activeert die gekoppeld is aan de productie van cGMP. Andere peptidehormonen kunnen gebruikmaken van andere GPCR-routes, waaronder systemen die intracellulair calcium beïnvloeden. Onderzoek naar de receptoren van insuline en ANP laat zien waarom de signalering van peptidehormonen niet kan worden gereduceerd tot één enkele cAMP-route. Vóór het beschrijven van het mechanisme moet dus een specifiek hormoon en de bijbehorende receptor worden bepaald. [3] [6]

10. Kunnen peptidehormonen de genexpressie veranderen?

Ja. Een signaal dat op het celoppervlak begint, kan worden doorgegeven via opeenvolgende intracellulaire routes en uiteindelijk de transcriptie beïnvloeden. In GLP-1-onderzoeken in gekweekte ratmencellen werden veranderingen in insuline-mRNA waargenomen, terwijl experimenten met GnRH-pulsen bij ratten verandering in de transcriptie van gonadotropinesubeenheden aantoonden. Deze resultaten hebben betrekking op specifieke modellen en betekenen niet dat elke respons op een peptidehormoon nieuwe genexpressie vereist. Ze tonen echter aan dat signaaltransductie die begint bij een membranreceptor zowel snelle biochemische processen als transcriptieregulatie op de langere termijn kan beïnvloeden. [5] [11]

11. Werken peptidehormonen altijd sneller dan steroïdenhormonen?

Nee. De reactiesnelheid hangt af van de receptor, de signaalroute, het onderzochte biologische effect en het tijdstip van de meting. Peptidehormonen kunnen de activiteit van bestaande eiwitten snel veranderen, maar kunnen ook de genexpressie beïnvloeden en latere reacties veroorzaken. Daarentegen beschrijft de endocrinologische literatuur snelle effecten van steroïden die geen nieuwe eiwitsynthese vereisen. De in dit artikel gebruikte bron over steroïden is een overzichtsartikelen en geen enkel beslissend experiment. Een betrouwbaardere onderscheiding betreft de chemie van de moleculen en de receptormechanismen in plaats van een eenvoudige verdeling in „snelle peptides” en „langzame steroïden”. [11] [13]

12. Waarom is de frequentie van hormonale pulsen belangrijk?

Cellen kunnen verschillend reageren op herhaalde pulsen, verschillende pulsfrequenties en continue blootstelling, zelfs als het elke keer om hetzelfde hormoon gaat. Bij ratten met een GnRH-tekort beïnvloedde de verandering in pulsfrequentie de transcriptiepatronen van gonadotropinesubeenheden in de hypofyse en de lokale regulerende reacties. Deze experimenten bevestigen het belang van tijd in dit biologische model, maar bepalen niet het hormoontoedieningsschema voor mensen. Hormonale informatie kan dus niet alleen worden gecodeerd door de concentratie van het molecuul, maar ook door het temporele patroon waarin doellichamen worden blootgesteld aan de werking ervan. [5]

13. Wat is negatieve terugkoppeling bij de regulatie van peptidehormonen?

Negatieve terugkoppeling vindt plaats wanneer de consequenties van de activiteit van een bepaalde route de prikkel verminderen die leidt tot verdere hormoonsecretie of de activiteit van eerdere elementen van het hormoonsysteem. Een voorbeeld hiervan is de calciumregulatie: in een gecontroleerde studie bij gezonde mannen was een toename van de calciumbeschikbaarheid geassocieerd met een verlaging van de PTH-concentratie. Dit experiment weerspiegelt niet elke ziektetoestand of langdurige aanpassing, maar laat zien hoe een gereguleerde parameter terugkoppeling kan geven naar het endocriene systeem. Terugkoppeling kan betrekking hebben op secretie, genexpressie, receptorgevoeligheid, de interactie van andere hormonen en vele andere niveaus van regulatie. [4]

14. Op welke manier wordt het signaal van een peptidehormoon uitgeschakeld?

Een aantal mechanismen kunnen tegelijkertijd actief zijn. Een hormoon dat buiten de cel is kan enzymatisch afgebroken worden, door de weefsels opgenomen of uit het bloed verwijderd. Receptoren kunnen minder gevoelig worden of zich tussen verschillende celcompartimenten verplaatsen, terwijl secundaire signaleringsmechanismen kunnen degraderen en de fosforylering van eiwitten omkeren. In GLP-1-onderzoeken werd een enzymatisch geproduceerde metaboliet geïdentificeerd, terwijl onderzoeken naar het ANP-receptormechanisme desensitisatie in verband hebben gebracht met veranderingen in de fosforylering ervan. Een van deze mechanismen is universeel voor alle hormonen. Het is dus beter om het signaal als een gecoördineerde controle te beschouwen, zowel van de intracellulaire signaaloverdracht als van de daarop reagerende cellen. [14] [15]

15. Wat betekent de desensibilisatie van het receptor-systeem?

Desensibilisatie betekent dat het receptorcomplex bij voortdurende of herhaalde stimulatie een zwakkere respons begint te genereren. Afhankelijk van het receptortype kan dit het gevolg zijn van veranderingen in de fosforylering, de manier waarop het samenwerkt met signaalproteïnen, de verplaatsing van het receptorcomplex, een verandering in zijn aantal of aanpassing van andere elementen in het signaalrouteprofiel. In experimenten met het ANP-receptorcomplex is een vermindering van de respons geassocieerd met een bepaald patroon van fosforyleringsveranderingen. Dit betekent niet dat elk receptor op dezelfde manier desensibiliseert of dat een verminderde respons wijst op de vernietiging van het receptorcomplex. Desensibilisatie is een functionele verandering waarvan de mechanismen apart moeten worden bepaald voor elk systeem. [15]

16. Betekent een hoger hormoongehalte altijd een sterkere werking?

Nee. De concentratie van het hormoon is slechts een van de factoren die invloed hebben op het biologische antwoord. Ook het aantal receptoren, de mate van hun afhankelijke binding, de mogelijkheden van het intracellulaire signaalstelsel, de feedbackrelatie, de vroegere blootstelling, de desensitisatie en de huidige fysiologische toestand van de doelcel spelen een rol. Experimenten naar de desensitisatie van het ANP-receptor zijn aangetoond dat de gevoeligheid kan afnemen ondanks aanhoudende blootstelling aan het activerende hormoon. Dergelijke experimentele gegevens maken het niet mogelijk om een individuele hormonale respons op basis van een enkel meetpunt te voorspellen. De concentratie van het hormoon en het biologische antwoord zijn weliswaar met elkaar verbonden, maar zijn niet hetzelfde parameter. [15]

17. Kan een hormontest niet-actieve of veranderde fragmenten detecteren?

Ja, afhankelijk van de methode die wordt gebruikt om het fragment van de molecule te identificeren. Onderzoeken naar GLP-1 hebben aangetoond waarom het onderscheiden van het ongerepte hormoon en de metabolieten die op het N-eind zijn afgekort, belangrijk is bij de interpretatie van de resultaten van immunologische tests. Een test die beide vormen detecteert, kan een ander vraagstuk beantwoorden dan een methode die uitsluitend is ontworpen om ongerept peptide te detecteren. Daarom hangt de beperking af van de specifieke analytische methode. Voordat het resultaat wordt geïnterpreteerd als een concentratie van actief hormoon, moet worden vastgesteld welke moleculaire vormen daadwerkelijk worden gedetecteerd. [14]

18. Zijn peptidhormonen en eiwithormonen volledig verschillende categorieën?

Niet per se. De terminologie overlapt gedeeltelijk, aangezien beide groepen bestaan uit aminozuurketens en er bestaat geen algemeen aanvaard drempel voor de lengte die alle peptidhormonen van alle eiwithormonen onderscheidt. Het woord „hormoon” verwijst naar de signalerende rol, terwijl de termen „peptidhormoon” en „eiwit” verwijzen naar de moleculaire structuur en grootte. In de praktijk worden grotere hormonen met een aminozuurstructuur vaker als eiwit beschouwd, terwijl kortere hormonen als peptidhormoon worden beschouwd. De precieze naam van de categorie is echter minder informatief dan de identificatie van een specifieke molecule, haar volwassen structuur, receptor en experimenteel bevestigde functie.

19. Kan hetzelfde peptidhormoon anders werken in verschillende weefsels?

Ja. De werking van het hormoon is niet alleen afhankelijk van de detectie door de receptor, maar ook van de moleculaire mechanismen die aanwezig zijn binnen de doelcel. Verschillende weefsels kunnen verschillen in het aantal receptoren, eiwitten die signalen uitzenden, enzymen, transportermembranen, transkripsiefactoren en regulerende eiwitten. Hierdoor hoeft de activatie van hetzelfde receptor niet hetzelfde fysiologisch effect te hebben in elk celmilieu. Daarom is hormonale signalering het beste te begrijpen als een interactie tussen een bepaald exocytoal signaal en een specifieke, antwoordvaardige cel, in plaats van als een vast effect dat uitsluitend is gekoppeld aan de specifieke moleculaire structuur van het hormoon zelf.

20. Is de meting van de secundaire transmitter voldoende om het fysiologische effect te bevestigen?

Nee. Een verandering in de concentratie van cAMP, cGMP, calcium, fosforylering of een ander intracellulair signaal is een bewijs dat een bepaald element van het signaalspoor heeft gereageerd, maar bevestigt niet automatisch het volledige effect op het niveau van de weefsels of het hele organisme. In het GLP-1-onderzoek werden veranderingen in cAMP in cellen geassocieerd met extra eindpunten, terwijl onderzoeken naar insuline- en ANP-receptoren andere specifieke biochemische fasen analyseerden. [3] [6] [11] Een sterke mechanistische verklaring moet de receptoractivatie, de intracellulaire signalering, de celfunctie, de weefselreactie en de fysiologie van het hele organisme onderscheiden, in plaats van een enkel meetresultaat als bewijs van alle niveaus te beschouwen.

Beperkingen bij de interpretatie van studies naar peptidehormonen

Bij de overgang van de basale mechanismen van hormonale signalering naar bredere biologische conclusies is het belangrijk om rekening te houden met een aantal beperkingen.

Ten eerste vormen peptidhormonen geen één, functioneel homogeen groep. Insuline, GLP-1, vasopressine, PTH, GnRH en ANP behoren tot de brede categorie van aminozuurgebaseerde hormonen, maar ze werken via verschillende receptoren en zijn betrokken bij verschillende fysiologische systemen. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Ten tweede hoeft het detecteren van een voorloper niet gelijk te staan aan het detecteren van een volwassen hormoon. Weefselafhankelijk metabolisme kan leiden tot verschillende producten van dezelfde voorloper, zoals blijkt uit onderzoek naar proglucagon [7] [8].

Ten derde zijn synthese en secretie afzonderlijke processen. Een verhoogde hormoonproductie hoeft niet te betekenen dat de transcriptie van het gen dat de precursor van het hormoon codeert, ook daadwerkelijk toeneemt. [10]

Ten vierde, binding aan een receptor is niet gelijk aan een volledige fysiologische reactie. De signalering omvat meerdere moleculaire niveaus en verschillende cellen kunnen de activatie van hetzelfde receptor omzetten in verschillende reacties.

Vijfde, studies op cellen en gereinigde receptoren reproduceren niet het hele organisme. Ze kunnen belangrijke informatie over moleculaire mechanismen leveren, maar de conclusies moeten wel gekoppeld blijven aan het gebruikte experimentele systeem. [3] [6] [11] [12]

Ten tweede, tijd speelt een rol. Een pulserende en constante blootstelling aan het hormoon kan leiden tot verschillende reacties, en een enkelvoudige bloedmeting kan niet altijd de volledige afscheidingstijd weergeven. [5]

Zeventiende, hormoononderzoeken verschillen in moleculaire specificiteit. Sommige methoden kunnen metabolieten, deeltjes die aan een precursor zijn gekoppeld, of meerdere vormen tegelijk detecteren, naast het ongerepte hormoon zelf. [14]

Na acht, de internalisatie van de receptor hoeft niet noodzakelijkerwijs te betekenen dat de signalering onmiddellijk wordt beëindigd, omdat de transport van de receptor en de signaaloverdracht onder bepaalde omstandigheden tegelijkertijd kunnen plaatsvinden. [12]

Negende, de desensitisatie is afhankelijk van een specifieke receptor. Mechanismen die voor één receptor zijn geïdentificeerd mogen niet automatisch worden overgezet naar alle receptoren van peptidehormonen. [15]

Tenslotte bevestigt de chemische classificatie geen medisch effect, voordeel of therapeutische bruikbaarheid. De bewijzen betreffende één bepaald hormoon en één experimenteel systeem mogen niet worden opgevat als algemeen geldend voor andere niet-verbonden peptiden, alleen omdat ook deze een aminohouding hebben.

Samenvatting

Peptidehormonen zijn signaalmoleculen die zijn opgebouwd uit aminozuren en die communicatie tussen cellen en weefsels mogelijk maken in veel fysiologische systemen.

Hun biologie is veel complexer dan het simpele feit dat een peptide met een receptor bindt.

Veel peptidhormonen ontstaan aanvankelijk als grotere prekursormoleculen; vervolgens ondergaan ze een specifieke verwerkingsfase voor de betreffende weefselgroep; ze worden verpakt in de afscheidende vezels en worden vrijgegeven in reactie op gecontroleerde fysiologische signalen. Onderzoek naar de verwerking van proglucagon en de exocytoïse van de insulinevezels laat zien hoe de verwerkingsmechanismen van prekursormoleculen en afscheiding van deze moleculen van invloed zijn op de plaats waar het hormoon terechtkomt in het extracellulaire milieu en wanneer het vrijkomt. [7] [8] [9]

Na hun vrijlating starten peptidhormonen meestal een signaaloverdracht via receptoren die zich op het oppervlak van de cellen bevinden, maar deze receptoren behoren tot verschillende moleculaire groepen.

Sommige hormonen maken gebruik van GPCR's en secundaire signaleringsroutes, zoals cAMP of calciumgekoppelde signaleringsroutes.

Insuline maakt gebruik van de receptor-kinas-tyrosine.

ANP werkt via een receptor die verbonden is met de productie van cGMP.

Deze voorbeelden tonen aan dat er geen één universele intracelulaire route bestaat die voor alle peptidhormonen gemeenschappelijk is. [3] [6] [11]

De cellulaire reactie kan ook zich ontwikkelen in verschillende tijdschaal.

Signalisatie kan bestaande eiwitten snel veranderen, invloed hebben op de afscheiding of transport en vervolgens leiden tot veranderingen in de genexpressie. Tijdstijlen zoals pulserende hormoonafscheiding kunnen zelf biologisch belangrijke informatie overdragen. [5] [11]

De hormonale signalering wordt ook actief beperkt.

De degradatie van het hormoon, de eliminatie door weefsels, het omkeren van intracellulaire signalen, de verplaatsing van receptoren, de desensibilisatie en het negatieve feedback-systeem helpen gezamenlijk de kracht en duur van de reactie te controleren. [4] [12] [14] [15]

De belangrijkste regel kan dus als volgt samengevat worden:

De werking van het biologische peptidehormoon kan niet uitsluitend worden voorspeld op basis van het feit dat het een peptide is. Zijn functie is afhankelijk van het gehele signaalstelsel: van de moleculaire vorm die wordt gevormd, hoe deze wordt verwerkt en vrijgegeven, welke receptor het signaal herkent, hoe de doelcel het receptorsignaal interpreteert, hoe de blootstelling zich in de tijd verandert en hoe het systeem de reactie beperkt en uiteindelijk afsluit.

Disclaimer

Het artikel heeft uitsluitend educatieve en wetenschappelijke informatieve aard. Het licht op biologische aspecten van peptidehormonen, de verwerking van prekursorstoffen, de afscheiding, de receptor-signalisatie, de feedbackmechanismen, de degradatie en voorbeelden die voortkomen uit gepubliceerde onderzoeken. Het vormt geen medisch advies, diagnostische aanwijzingen, aanbevelingen voor behandeling, informatie over dosering, instructies voor toediening of aanbevelingen voor het gebruik van peptidehormonen of gerelateerde stoffen. De resultaten van biochemische en cellulaire onderzoeken, onderzoeken op dieren en onderzoeken met menselijke deelnemers moeten worden geïnterpreteerd in het kader van het onderzoeksproject, de omstandigheden, de onderzochte populatie en de beperkingen van de individuele onderzoeken.

Referenties

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: een fysiologisch incretin bij de mens. 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). Urineafscheiding van aquaporin-2 bij mensen: een potentieel marker voor de respons van de collectieweg op vasopressine. 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). Kinetische eigenschappen van de tyrosine-proteïnekinase van het insulinereceptor-systeem: Activering door een insulinegestimuleerde tyrosine-specifieke, intramoleculaire autophosphorylatiereactie. Archieven voor Biochemie en Biophysica, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A., & Cherubini, R. (2003). Rapid onderdrukking van botresorptie en parathyreoïdhormoonsecretie door acute orale toediening van calcium bij gezonde volwassen mannen. 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). De frequentie van de GnRH-pulsen wordt gemodificeerd bij de transkripteeractiviteit van de gonadotropine-ondereenheden in normale gonadotropen – een beoordeling met behulp van de primaire transcriptanalyse levert bewijs voor de rol van GnRH en follistatine. Endocrinologie, 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). Bescherming van het kinaselike regulerende domein is essentieel voor de activatie van de guanylylcyclasen van de natriureetische peptide-receptor. Moleculaire en cellulaire biologie, 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). Pancreatische en intestinale verwerking van proglucagon bij de mens. Diabetologie, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Differentiale verwerking van proglucagon door de subtilisine-achtige prohormoon-convertases PC2 en PC3 om glucagon of glucagon-achtige peptideën te produceren. 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 speelt een rol bij de exocytose van vooraf aangehechte en nieuwkomende insulinegranulaatjes en draagt daarmee bij aan de biphasische glucosegestuurde insulineseproductie in humane pancreasbeta-cellen. Moleculaire Metabolisme, 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). Peptidengebeurtenissen, secretie en steroïde feedback tijdens stimulatie van ratneuroendocriene corticotropine-releasing-hormoonneuronen. Endocrinologie, 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 stimuleert de expressie van het insulinegen en verhoogt de niveaus van cyclus-AMP in een ratte-isletcellijn. Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Subcelulaire transport van de guanylylcyclase/natriuretisch peptide-receptor-A met gelijktijdige generatie van intracellulair cGMP. Bioscience Reports, 35(5), Artikel e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Signalerende thema's die bij peptide- en steroïde hormonen voorkomen op het plasma-membraan. STKE van Science, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H. & Holst, J. J. (1995). De degradatie van glucagon-like peptide-1 in vitro door menselijk plasma leidt tot een N-terminal afgekort peptide dat in vivo een belangrijke endogene metaboliet is. 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). Homologische desensibilisatie van guanylyl cyclase A, de receptor voor het atriale natriuretisch peptide, is gekoppeld aan een complex fosforyleringspatroon. Het FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x