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?

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.

Samenvatting

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

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

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

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

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

Insulina wykorzystuje receptorową kinazę tyrozynową.

ANP działa poprzez receptor związany z wytwarzaniem cGMP.

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

Odpowiedź komórkowa może również rozwijać się w różnych skalach czasowych.

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

Sygnalizacja hormonalna jest również aktywnie ograniczana.

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

Najważniejszą zasadę można więc podsumować następująco:

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

Disclaimer

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

Referenties

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: A physiological incretin in man. The Lancet, 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
2. Elliot, S., Goldsmith, P., Knepper, M., Haughey, M., & Olson, B. (1996). Urinary excretion of aquaporin-2 in humans: A potential marker of collecting duct responsiveness to vasopressin. Journal of the American Society of Nephrology, 7(3), 403–409. https://doi.org/10.1681/ASN.V73403
3. Kwok, Y. C., Nemenoff, R. A., Powers, A. C., & Avruch, J. (1986). Kinetic properties of the insulin receptor tyrosine protein kinase: Activation through an insulin-stimulated tyrosine-specific, intramolecular autophosphorylation. Archives of Biochemistry and Biophysics, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A., & Cherubini, R. (2003). Rapid suppression of bone resorption and parathyroid hormone secretion by acute oral administration of calcium in healthy adult men. Journal of Endocrinological Investigation, 26(4), 353–358. https://doi.org/10.1007/BF03345184
5. Burger, L. L., Dalkin, A. C., Aylor, K. W., Haisenleder, D. J., & Marshall, J. C. (2002). GnRH pulse frequency modulation of gonadotropin subunit gene transcription in normal gonadotropes-assessment by primary transcript assay provides evidence for roles of GnRH and follistatin. Endocrinology, 143(9), 3243–3249. https://doi.org/10.1210/en.2002-220216
6. Koller, K. J., de Sauvage, F. J., Lowe, D. G., & Goeddel, D. V. (1992). Conservation of the kinaselike regulatory domain is essential for activation of the natriuretic peptide receptor guanylyl cyclases. Molecular and Cellular Biology, 12(6), 2581–2590. https://doi.org/10.1128/mcb.12.6.2581-2590.1992
7. Orskov, C., Holst, J. J., Poulsen, S. S., & Kirkegaard, P. (1987). Pancreatic and intestinal processing of proglucagon in man. Diabetologia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Differential processing of proglucagon by the subtilisin-like prohormone convertases PC2 and PC3 to generate either glucagon or glucagon-like peptide. Journal of Biological Chemistry, 270(44), 26488–26496. https://doi.org/10.1074/jbc.270.44.26488
9. Zhu, D., Xie, L., Karimian, N., Liang, T., Kang, Y., Huang, Y. C., & Gaisano, H. Y. (2015). Munc18c mediates exocytosis of pre-docked and newcomer insulin granules underlying biphasic glucose stimulated insulin secretion in human pancreatic beta-cells. Molecular Metabolism, 4(5), 418–426. https://doi.org/10.1016/j.molmet.2015.02.004
10. Tanimura, S. M., Sanchez-Watts, G., & Watts, A. G. (1998). Peptide gene activation, secretion, and steroid feedback during stimulation of rat neuroendocrine corticotropin-releasing hormone neurons. Endocrinology, 139(9), 3822–3829. https://doi.org/10.1210/endo.139.9.6191
11. Drucker, D. J., Philippe, J., Mojsov, S., Chick, W. L., & Habener, J. F. (1987). Glucagon-like peptide I stimulates insulin gene expression and increases cyclic AMP levels in a rat islet cell line. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Subcellular trafficking of guanylyl cyclase/natriuretic peptide receptor-A with concurrent generation of intracellular cGMP. Bioscience Reports, 35(5), Article e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Signaling themes shared between peptide and steroid hormones at the plasma membrane. Science’s STKE, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., & Holst, J. J. (1995). Degradation of glucagon-like peptide-1 by human plasma in vitro yields an N-terminally truncated peptide that is a major endogenous metabolite in vivo. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 80(3), 952–957. https://doi.org/10.1210/jcem.80.3.7883856
15. Schröter, J., Zahedi, R. P., Hartmann, M., Gassner, B., Gazinski, A., Waschke, J., Sickmann, A., & Kuhn, M. (2010). Homologous desensitization of guanylyl cyclase A, the receptor for atrial natriuretic peptide, is associated with a complex phosphorylation pattern. The FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x