Peptidové hormóny: receptory, signalizácia a biologické funkcie

Peptidové hormóny sú chemické posly zložené z reťazcov aminokyselín. Špecializované bunky ich produkujú, často ich spracúvajú z väčších prekurzorových molekúl, uvoľňujú v reakcii na špecifické fyziologické signály a následne využívajú na koordináciu aktivity iných buniek a tkanív.

Ich pôsobenie však nevyplýva zo samotného faktup, že sú peptidmi. Biologická odpoveď závisí predovšetkým od toho, či daná bunka disponuje príslušným receptorom a vnútrobunkovým signálnym mechanizmom, ktorý umožňuje interpretovať prijatý signál.

Inzulín, glukagón, glukagónu podobný peptid-1 (GLP-1), vazopresín, parathormon (PTH), gonadotropíny uvoľňujúci hormón (GnRH) a atriálny natriuretický peptid (ANP) patria do tejto širokej skupiny. Zúčastňujú sa však na veľmi odlišných fyziologických systémoch.

Pojem „peptidový hormón” preto opisuje chemickú kategóriu a spôsob biologickej komunikácie, a nie jeden spoločný účinok.

Príkladom sú štúdie GLP-1 u ľudí, ktoré sa týkali komunikácie medzi tráviacim traktom a vylučovaním inzulínu, zatiaľ čo štúdie vodných kanálov reagujúcich na vazopresín sa zameriavali na reguláciu hospodárenia s vodou obličkami. Ide o odlišné fyziologické systémy využívajúce iné receptory, cieľové tkanivá a mechanizmy odpovede. [1] [2]

Účinok peptidového hormónu možno najľahšie pochopiť, keď budeme sledovať celý proces od začiatku do konca:

syntéza prekursorov → spracovanie molekuly → ukladanie → uvoľňovanie → rozpoznanie receptorom → vnútrobunková signalizácia → bunková odpoveď → spätná väzba a ukončenie signálu.

Každá z týchto fáz môže ovplyvniť konečnú biologickú odpoveď.

Tento prístup tiež umožňuje vyhnúť sa dôležitému nedorozumeniu. Detekcia peptidu, pozorovanie jeho väzby na receptor, meranie sekundárneho posla a preukázanie fyziologickej odpovede celého organizmu sú rôzne úrovne dôkazov. Úplná interpretácia si vyžaduje stanovenie, ktorý z týchto krokov bol skutočne preskúmaný.

Čo sú to peptidové hormóny?

Reťazec aminokyselin prenášajúci biologický signál

Peptidové hormóny sa skladajú z aminokyselinových zvyškov spojených peptidovými väzbami.

Niektoré sú relatívne krátke reťazce, zatiaľ čo iné sú oveľa väčšie molekuly a môžu sa označovať aj ako bielkovinové hormóny.

V biológii endokrinného systému sa tieto kategórie čiastočne prekrývajú. Terminológia týkajúca sa peptidových hormónov zahŕňa signálne molekuly zložené z aminokyselín a nevyžaduje existenciu jednej univerzálnej hranice dĺžky reťazca oddeľujúcej všetky peptidy od všetkých bielkovín.

Slovo „hormon” opisuje predovšetkým signálnu úlohu molekuly, a nie výlučne jej chemickú štruktúru.

V klasickom endokrinnom systéme uvoľňuje bunka alebo tkanivo hormón do krvného obehu, vďaka čomu môže pôsobiť na cieľové bunky nachádzajúce sa v iných častiach organizmu.

Biologická komunikácia sa však neobmedzuje len na tento mechanizmus. Príbuzné molekuly sa môžu zúčastňovať aj na lokálnej komunikácii medzi susednými bunkami a na iných formách bunkovej signalizácie.

Samotná chemická štruktúra teda nestačí na to, aby sa daný peptid považoval za hormón.

Mnohé peptidy sú okrem iného:

• medziprodukty metabolizmu;
• fragmenty väčších bielkovín;
• štrukturálne zložky;
• vnútrobunkové regulačné molekuly;
• produkty degradácie bielkovín;
• molekuly plniace iné funkcie nesúvisiace s hormonálnym systémom.

Aby potvrdili hormonálnu úlohu, výskumníci zvyčajne potrebujú dôkazy spájajúce danú molekulu s jej produkciou, regulovaným uvoľňovaním, cieľovými bunkami a fyziologickým účinkom.

Skoré štúdie liekov s GLP-1 u ľudí dobre ilustrujú takýto prístup.

Výskumníci zistili prítomnosť materiálu súvisiaceho s GLP-1 v črevách a pozorovali zvýšenie jeho koncentrácie v krvi po perorálnom podaní glukózy alebo po jedle. V malom infúznom experimente určitá forma GLP-1 ovplyvnila inzulínovú a glukózovú odpoveď. [1]

Tieto pozorovania spoločne podporovali koncepciu fyziologickej signálnej úlohy tejto molekuly.

Túto štúdiu by však nemalo považovať za dôkaz potvrdzujúci každý mechanizmus, klinické použitie alebo neskoršie tvrdenie týkajúce sa biológie GLP-1.

Cieľové bunky sú určené schopnosťou odpovedať

Hormón môže prúdiť popri mnohých bunkách bez toho, aby v každej z nich vyvolal rovnakú odpoveď.

Aby bunka mohla zareagovať, zvyčajne musí mať príslušný receptor a vnútrobunkové molekulárne mechanizmy umožňujúce spracovať signál vzniknutý po jeho aktivácii.

Receptory rozpoznávajú určité vlastnosti molekúl.

Rozpoznávanie môže okrem iného závisieť od:

• aminokyselinovej sekvencie;
• priestorovej štruktúry;
• rozmístenia nákladu;
• chemických modifikácií;
• konformácie receptora;
• dostupnosti vhodných spojovacích povrchov.

Samotný fakt, že daná molekula je peptidom, ešte neznamená, že môže aktivovať receptor iného peptidového hormónu.

Význam má aj počet receptorov.

Bunka s veľkým počtom funkčných receptorov môže reagovať inak ako bunka, ktorá ich má menej. Na odpoveď môžu vplývať aj lokalizácia receptorov, ich modifikácie, proteíny, ktoré s nimi interagujú, a predchádzajúca stimulácia.

Dokonca aj dve tkanivá s rovnakým receptorom môžu reagovať odlišne, pretože sa líšia vo vnútrobunkovom signálnom aparáte.

Aktivácia receptora môže okrem iného ovplyvniť:

• enzymová aktivita;
• transport iónov;
• membránové kanály;
• pohyb pezúchov;
• vylučovanie;
• metabolizmus;
• fosforyláciu bielkovín;
• transkripciu génov;
• kombináciu viacerých z týchto procesov.

Viazanie sa na receptor je teda začiatkom objasnenia mechanizmu účinku, a nie úplnou odpoveďou na otázku o biologickom účinku.

Peptidové hormóny sa podieľajú na mnohých rôznych systémoch

Tieto príklady znázorňujú odlišné fyziologické funkcie, a nie spoločné výhody vyplývajúce z príslušnosti k jednej skupine peptidov.

Výskum aktivity kinázy inzulínového receptora, fyziológie GLP-1, akvaporínu-2 v moči, vápnik-PTH odpovede, rytmu pulzov GnRH a ANP receptorov analyzuje rôzne prvky odlišných hormonálnych systémov. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Z tohto dôvodu by sa výsledky týkajúce sa jedného peptidového hormónu nemali automaticky prenášať na iný len preto, že obe molekuly patria do tej istej širokej chemickej kategórie.

Ako vznikajú a sú uvoľňované peptidové hormóny?

Mnohé hormóny začínajú ako väčšie prekurzorové molekuly

Mnoho peptidových hormónov sa pôvodne syntetizuje ako väčšie molekuly nazývané preprohormóny.

Predpona „pre-” sa zvyčajne vzťahuje na signálnu sekvenciu, ktorá pomáha smerovať novovznikajúcu molekulu do bunkovej sekrečnej dráhy.

Po odstránení tejto sekvencie sa zostávajúci prekurzor zvyčajne označuje ako prohormón.

Ďalšie spracovanie môže viesť k vzniku zrelého hormónu a v niektorých prípadoch k niekoľkým biologicky významným produktom.

V klasickej regulovanej sekrečnej dráhe sa vznikajúci prekurzor dostáva do endoplazmatického retikula, potom prechádza cez Golgiho aparát a je smerovaný do príslušných sekrečných kompartmentov.

V závislosti od molekuly môžu ďalšie kroky zahŕňať:

• vrásnenie;
• tvorba disulfidových mostíkov;
• enzymatické štěpenie;
• modifikácie koncov reťazca;
• iné chemické modifikácie;
• triedenie;
• zabalenie do sekrečných granúl.

Tieto procesy neprebiehajú identicky pre každý peptidový hormón.

Jeden prekurzor môže obsahovať niekoľko potenciálnych peptidových produktov a rôzne typy buniek môžu ten istý prekurzor spracovať odlišným spôsobom.

Aminokyselinová sekvencia kódovaná génom teda nemusí priamo zodpovedať jednému zrelému hormónu prítomnému v obehu.

Spracovanie prekursoru ovplyvňuje to, aký hormón vznikne

Proglukagón je mimoriadne dobrým príkladom, pretože tkanivo pankreasu a čreva dokáže z toho istého prekurzora vytvárať rôzne molekulárne produkty.

Pri výskume ľudských tkanív sa použili imunochemické a chromatografické metódy na identifikáciu rôznych vzorcov molekúl súvisiacich s glukagonom v pankrease a tenkom čreve. [7]

V neskorších bunkových experimentoch sa analyzoval podiel enzymov spracúvajúcich PC2 a PC3, pričom PC3 sa často označuje aj ako PC1/3.

Výsledky ukázali, že enzymatické prostredie silne ovplyvňovalo, či spracovanie pripomínalo vzor charakteristický pre pankreas alebo črevo. Štúdia taktiež odhalila obmedzenia pri napodobňovaní všetkých fáz štiepenia pomocou izolovaného enzymatického systému. [8]

Všeobecné pravidlo je dôležité:

Sekvencia prekurzora určuje možné produkty, zatiaľ čo mechanizmy spracovania prítomné v danej bunke pomáhajú určiť, ktoré molekulárne formy skutočne vzniknú.

Má to význam aj pre laboratórne merania.

Test, ktorý rozpoznáva viacero foriem spojených s jedným prekurzorom, môže poskytovať iné výsledky ako metóda navrhnutá špeciálne na detekciu jedného zrelého hormónu.

Uvádzanú koncentráciu je preto potrebné interpretovať spolu s informáciou o tom, aké presne molekulárne formy deteguje použitá analytická metóda.

Sekrečné granuly umožňujú kontrolované uvoľňovanie

Mnoho endokrinných buniek uchováva spracované peptidové hormóny v sekrečných granulách.

Po objavení sa vhodného podnetu regulované bunkové mechanizmy vedú k splynutiu granúl s bunkovou membránou.

Ich obsah sa potom uvoľní von z bunky prostredníctvom exocytózy.

Skladovanie umožňuje rýchle zvýšenie sekrécie bez toho, aby bolo nutné začínať syntézu každej uvoľňovanej molekuly od začiatku presne v momente objavenia sa podnetu.

To však neznamená, že všetky zrnitosti sú rovnako ľahko dostupné na okamžité uvoľnenie.

Bunky môžu obsahovať funkčne odlišné zásoby granúl a dlhodobá sekrécia si vyžaduje ďalšiu produkciu, spracovanie a dopĺňanie zásob.

Uvoľňovanie hormónu je teda aktívne kontrolovaným bunkovým procesom, a nie pasívnym únikom celého obsahu bunky.

Výskum ľudských ostrovčekov a beta buniek ukázal, že zníženie množstva exocytotického proteínu Munc18c narúšalo vylučovanie inzulínu a menilo jeho uvoľňovanie z rôznych poolov granúl. [9]

Tieto výsledky priamo podporujú úlohu špecializovaných mechanizmov membránovej fúzie.

Nie sú však úplným vysvetlením všetkých molekulárnych procesov regulujúcich sekréciu inzulínu.

Rôzne hormonálne systémy reagujú na rôzne podnety

Jednotlivé endokrinné bunky reagujú na rôzne fyziologické signály.

Môžu medzi ne patriť:

• koncentrácie živín;
• elektrická aktivita;
• neurotransmiteri;
• iné hormóny;
• ióny obvykle mimo bunky;
• osmotické podmienky;
• mechanické zmeny;
• kombinácie rôznych regulačných podnetov.

Vnútrobunkový vápnik sa často podieľa na fúzii sekrečných vezikúl, avšak procesy vedúce k vzniku vápnikového signálu sa medzi typmi buniek líšia.

V beta bunkách pankreasu je napríklad metabolizmus glukózy úzko spojený s elektrickou aktivitou, prítokom vápnika a uvoľňovaním granúl obsahujúcich inzulín.

Hypotalamické neuroendokrinné bunky na druhej strane fungujú v zložitých sieťach nervových, hormonálnych a fyziologických signálov.

Preto by nebolo správne prezentovať jednu podrobnú sekrečný dráhu ako univerzálny mechanizmus pre všetky peptidové hormóny.

Z experimentálneho hľadiska je dôležité rozlišovať aj medzi syntézou hormónu a jeho uvoľňovaním.

Výskum neurónov potkanov produkujúcich kortikotropín uvoľňujúci hormón ukázal, že aktivácia génu a odpovede súvisiace so sekréciou mali počas pretrvávajúceho stresu rôzne prahové hodnoty reakcie. [10]

Zvýšené uvoľňovanie hormónu tak nemusí znamenat, že sa transkripcia génu kódujúceho jeho prekurzor mení v rovnakom rozsahu a presne v rovnakom čase.

Čas a rytmus vylučovania môžu prenášať informácie

Expozícia hormónu nie je opísaná výlučne jeho priemernou koncentráciou.

Časový vzor môže zahŕňať:

• samostatné impulzy;
• zmeny frekvencie impulzov;
• zmeny amplitúdy impulzov;
• pretrvávajúce zvýšenie koncentrácie;
• cirkadiánny rytmus;
• odpovede súvisiace s jedlom, spánkom, stresom alebo inými fyziologickými udalosťami.

Rôzne časové vzorce môžu viesť k odlišným bunkovým odpovediam.

Experimenty uskutočnené na samcoch potkanov s nedostatkom GnRH ukázali, že rôzne frekvencie pulzov GnRH vyvolávali odlišné vzorce transkripcie podjednotiek gonadotropínov. Odpoveď zahŕňala priamu signalizáciu GnRH aj zmeny lokálnych regulačných mechanizmov hypofýzy. [5]

Tieto výskumy pomáhajú vysvetliť, prečo časovanie a rytmus hormonálneho signálu môžu prenášať biologické informácie.

Výsledky takýchto pokusov na zvieratách by sa však nemali premieňať na schémy podávania látok ľuďom.

Hladina hormonu zmeraná v krvi je teda len obrazom dynamicky sa meniaceho systému v určitom okamihu.

Interpretácia môže závisieť od:

• času odberu vzorky;
• pulzujúceho charakteru sekrécie;
• meranej molekulárnej formy;
• nedávnych fyziologických udalostí;
• rýchlosti eliminácie;
• špecifickosti použitého testu.

Receptory a bunková signalizácia

Čo sa stane, keď peptidový hormón dorazí do cieľovej bunky?

Väčšina peptidových hormónov začína svoj účinok viazaním sa na receptory nachádzajúce sa na povrchu bunky alebo s ňou priamo spojené.

Viazanie hormonu na receptor meni jeho aktivitu alebo konformáciu, čo umožňuje prenos informácie do vnútra buňky.

Signál teda prechádza cez membránu vďaka receptorovému systému.

Peptidový hormón zvyčajne nemusí sám prenikať cez lipidovú bunkovú membránu a voľne vstupovať do cytoplazmy, aby spustil prenos signálu.

Umożliwia to pochopenie, ako môže pomerne dobre vo vodnom prostredí rozpustná extracelulárna molekula ovplyvňovať procesy prebiehajúce vo vnútri bunky.

Ďalší priebeh závisí od druhu receptora.

Receptory peptidových hormónov patria do niekoľkých mechanizmovo odlišných tried.

Niektoré prenášajú signál prostredníctvom:

• heterotrimérnych G-proteínov;
• enzýmov asociovaných s receptorom;
• vlastnej kinázovej aktivity;
• aktivity guanylylcyklázy;
• iných signálnych bielkovín.

Všeobecná schéma:

hormon → receptor → vnútrobunkový signál → bunková odpoveď

je veľmi užitočný.

Neexistuje však jedna spoločná vnútrobunková dráha charakteristická pre všetky peptidové hormóny.

Receptory spriahnuté s G-proteínom a sekundárni poslíčkovia

Mnohé peptidové hormóny prenášajú signály prostredníctvom receptorov spojených s G-bielkovinami, teda GPCR.

Ide o membránové proteíny komunikujúce s vnútrobunkovými G-proteínmi, ktoré môžu ovplyvňovať enzýmy, iónové kanály a systémy druhých poslov.

Jedným z dôležitých sekundárnych poslov je cyklický AMP (cAMP).

V typickej dráhe cAMP ovplyvňuje aktivácia receptora adenylylcyklázu, čo je enzým zodpovedný za produkciu cAMP.

Zmeny koncentrácie cAMP môžu následne ovplyvniť aktivitu ďalších signálnych proteínov.

Iné receptory GPCR môžu využívať odlišné mechanizmy.

Dôležité je, že nie každý GPCR receptor zvyšuje koncentráciu cAMP.

Niektoré kombinácie receptorov a G-bielkovín môžu znižovať jeho produkciu, zatiaľ čo iné regulujú predovšetkým dráhy spojené s vápnikom alebo inými vnútrobunkovými procesmi.

Tvrdenie, že hormón „využíva druhého posla”, teda opisuje všeobecnú signálnu stratégiu, a nie jeden univerzálny molekulárny mechanizmus.

V skoršej štúdii uskutočnionej na bunkovej línii potkaních pankreatických ostrovčekov sa zistilo, že spracovaná forma GLP-1 zvyšuje hladinu cAMP, hladinu mRNA súvisiacej s inzulínom a uvoľňovanie inzulínu. [11]

Tento experiment spojel extracelulárny peptidový signál s biochemickými zmenami a génovou expresiou vnútri bunky.

Závery však zostávajú platné pre použitý model a experimentálne podmienky.

Vápniková signalizácia a zosilnenie signálu

Ďalšia bežná dráha GPCR zahŕňa fosfolipázu C.

Jej aktivácia môže viesť k vzniku vnútrobunkových poslíčkov, akými sú inozitoltrifosfát (IP3) a diacylglycerol (DAG).

IP3 môže podporovať uvoľňovanie vápnika z vnútrobunkových zásob, zatiaľ čo DAG sa môže podieľať na aktivácii proteínkinázy C.

Procesy tie pomáhajú premeniť aktiváciu receptora na zmenu bunkovej aktivity.

Nie je to však dráha, ktorú by využíval každý receptor peptidového hormónu.

Signálové kaskády môžu taktiež zosilňovať signál.

Jeden aktivovaný receptor môže ovplyvniť viacero molekúl nachádzajúcich sa ďalej v dráhe a jeden aktivovaný enzým môže vytvoriť viacero molekúl druhého posla.

To vysvetľuje, prečo pomerne malý extracelulárny signál môže niekedy vyvolať významnú bunkovú odpoveď.

Zosilnenie signálu však nie je neobmedzené.

Na jeho silu a trvanie vplývajú okrem iného:

• počet receptorov;
• dostupnosť enzýmov;
• dostupnosť substrátov;
• mechanizmy spätnej väzby;
• fosfatázy;
• degradácia sekundárnych poslov;
• desenzitizácia receptorov;
• funkčné možnosti cieľovej bunky.

Sekundárny posol je teda medzičlánkom dráhy, a nie konečným fyziologickým efektom.

Význam majú jeho druh, koncentrácia, lokalizácia a čas pôsobenia, ako aj schopnosť bunky preložiť tento signál na konkrétnu odpoveď.

Inzulínový receptor funguje inak

Inzulínový receptor je receptorová tyrozínkináza.

Jeho počiatočný signálny mechanizmus sa teda zásadne líši od klasického mechanizmu GPCR.

Naviazanie inzulínu vedie k aktivácii vnútrobunkovej kinázovej časti receptora.

Aktivovaný receptor fosforyluje špecifické miesta v bielkovinách a spúšťa ďalšie signálne siete.

Biochemické výskumy využívajúce očistené inzulínové receptory dali do súvisu tyrozínovú autofosforyláciu so zvýšením kinázovej aktivity. [3]

Tieto experimenty umožnili určiť dôležité vlastnosti receptora.

Prečistený receptor však neobnovuje všetky procesy prebiehajúce v celých bunkách svalov, pečene, tukového tkaniva alebo iných tkanív reagujúcich na inzulín.

Najdôležitejší záver je jednoduchý:

Peptidové hormóny môžu aktivovať rôzne triedy receptorov.

Inzulín je dôležitým príkladom ukazujúcim, prečo by sa signalizácia peptidových hormónov nemala sumarizovať vyhlásením:

„peptidový hormón sa viaže na GPCR a zvyšuje cAMP.

Tento mechanizmus sa týka niektorých systémov, ale nie celej skupiny.

Receptory natriuretických peptidov môžu produkovať cGMP

ANP predstavuje príklad ešte iného receptorového mechanizmu.

Jeho receptor guanylátcyklázy A je spojený s tvorbou cyklického GMP (cGMP).

cGMP a cAMP sú cyklické nukleotidy, ale nie sú tou istou molekulou a vznikajú za úasti iných enzymatických systémov.

Mutagénézne experimenty s receptormi natriuretických peptidov ukázali, že regulačná oblasť podobná kináze hrala dôležitú úlohu pri kontrole aktivity receptora. Zmeny v tejto oblasti mohli viesť k strate správnej regulácie alebo k aktivite vyskytujúcej sa bez typickej hormonálnej stimulácie. [6]

V tomto prípade je dôležitá presná terminológia.

Prítomnosť domény podobnej kináze neznamená, že receptor funguje prostredníctvom rovnakého mechanizmu tyrozínkinázy ako inzulínový receptor.

Musí sa zohľadniť architektúra receptora, jeho katalytická aktivita a typ meraného biochemického produktu.

Väzba na povrchu neznamená, že receptor tam vždy zostáva

Aktivované receptory môžu podliehať endocytóze, čiže sa presúvať z bunkovej membrány do vnútorných oddielov obklopených membránou.

Tento proces sa líši od voľného prechodu peptidového hormónu cez lipidovú membránu do cytoplazmy.

V modifikovaných ľudských obličkových bunkách výskumníci sledovali premiestňovanie receptorov ANP do vnútrobunkových oddelení pri súčasnom pretrvávaní tvorby cGMP. [12]

Tieto pozorovania ukazujú, že transport receptora a signalizacija môžu prebiehať súčasne.

Nezdokazujú však, že každý receptor po internalizácii signalizuje rovnakým spôsobom ani že celé namerané cGMP vzniklo v jednom konkrétnom bunkovom kompartmente.

Tvrdenie, že peptidové hormóny zvyčajne iniciujú signalizáciu prostredníctvom povrchových receptorov, je preto užitočným zovšeobecnením.

Tvrdenie, že peptidové hormóny a ich receptory sa nikdy nemôžu nachádzať vo vnútrobunkových kompartmentoch, by bolo naopak príliš kategorické.

Bunkrová odpoveď môže byť rýchla, oneskorená alebo zahŕňať obe fázy

Signalizácia receptorová môže meniť aktivitu bielkovín, ktoré sa už v bunke nachádzajú.

Takéto mechanizmy môžu viesť k pomerne rýchlym odpovediam.

Signálové dráhy môžu tiež ovplyvňovať transkripciu a syntézu bielkovín, čo vedie k účinkom, ktoré sa prejavujú v dlhšom časovom horizonte.

Oba mechanizmy sa môžu vyskytovať súčasne.

Ten istý signálny systém môže vyvolávať rýchle biochemické zmeny a neskoršie transkripčné zmeny.

V štúdii GLP-1 na bunkách sa merali tak zmeny súvisiace so sinalizáciou, ako aj expresia inzulínového génu, čo ukazuje, prečo by sa signalizácia začínajúca na povrchu bunky nemala považovať za neschopnú ovplyvňovať procesy prebiehajúce v jadre. [11]

Zvýšenie koncentrácie sekundárneho posla však predstavuje len jednu úroveň dôkazov.

Preukázanie plného fyziologického účinku si, v závislosti od výskumnej otázky, vyžaduje kombináciu nasledujúcich úrovní:

aktivácia receptora → vnútrobunková signalizácia → správanie bunky → odpoveď tkaniva → fyziológia celého organizmu.

Peptidové hormóny a steroidné hormóny

Iné chemické základy

Peptidové hormóny sú tvorené z aminokyselinových reťazcov.

Steroidové hormóny vznikajú z cholesterolu a majú charakteristické usporiadanie steroidných kruhov.

Chemické rozdiely ovplyvňujú spôsob syntézy, ukladania, transportu, rozpoznávania a prenosu signálu oboma skupinami hormónov.

Peptidové hormóny zvyčajne dobre fungujú vo vodnom prostredí, ale vo všeobecnosti neprechádzajú hydrofóbnym vnútrom bunkovej membrány prostredníctvom jednoduchej difúzie.

Steroidové hormóny sú kompatibilnejšie s lipidovým prostredím a môžu prenikať do vnútrobunkových receptorových systémov.

Mnohé steroidové hormóny cirkulujú čiastočne viazané na transportné bielkoviny.

Transportné vlastnosti peptidových hormónov sa u jednotlivých molekúl líšia.

Ide o všeobecné fyziologické vzorce, nie o absolútne pravidlá pre každého predstaviteľa oboch kategórií.

Molekulárne modifikácie, viažuce sa proteíny, typ receptora a tkanivový kontext môžu meniť podrobnosti.

Klasické porovnanie receptorov

Klasické porovnanie je užitočné v biológii hormónov.

Tieto dve kategórie by sa však nemali prezentovať ako úplne oddelené signalizačné svety.

V publikácii zaoberajúcej sa peptidovou a steroidovou signalizáciou sú opísané dôkazy o rýchlom pôsobení steroidov, ktoré nevyžaduje novú syntézu bielkovín. [13]

Tento zdroj je prehľadom založeným okrem iného na vedeckých diskusiách, a nie na jedinom experimente potvrdzujúcom jeden univerzálny mechanizmus pre všetky steroidné hormóny.

Prečo je tvrdenie „peptidy účinkujú rýchlo a steroidy pomaly” príliš zjednodušené?

Niektoré odpovedi na peptidové hormóny sa objavujú rýchlo, pretože signálne dráhy modifikujú bielkoviny, ktoré sú už v bunke prítomné.

Peptidová signalizácia však môže ovplyvňovať aj transkripciu a syntézu nových bielokovín, čím vyvoláva pomalšie sa rozvíjajúce odpovede.

Na druhej strane steroidové hormóny sa neobmedzujú výlučne na pomalé účinky závislé od transkripcie.

Vedecky užitočnejšie otázky znejú:

• Aký hormón sa analyzuje?
• Aký receptor sa aktivuje?
• Aký vnútrobunkový signálny dráha sa potom spustí?
• Aký biologický efekt sa meria?
• Po akom čase od stimulácie bolo vykonané meranie?

Porovnávanie skoršej odpovede sekundárneho posla s neskoršou transkripčnou odpoveďou bez definovania meraného účinku môže viesť k zavádzajúcemu deleniu na „rýchle” a „pomalé” hormóny. [11] [13]

Oba typy hormonov sa môžu navzájom regulovať

Peptidové a steroidové hormóny sa často podieľajú na tých istých endokrinných sieťach.

Dobrým príkladom je os odpovede na stres.

Peptidové signály z hypotalamu a hypofýzy sa zúčastňujú na regulácii produkcie steroidov nadobličkami, zatiaľ čo glukokortikosteroidy sa zúčastňujú na spätnej väzbe pôsobiacej na skoršie prvky tohto systému.

Spätnú väzbu však netreba chápať ako okamžitý prepínač „zapnuté – vypnuté”.

Výskum CRH neurónov u potkanov ukázal, že sekrécia, aktivácia génov a glikokortikosteroidmi podmienená spätná väzba záviseli od typu podnetu a času merania. [10]

Podporuje to podrobnejší model hormonálnej regulácie, v ktorom jednotlivé prvky systému môžu reagovať v rôznych časových sahlách.

Spätná väzba a ukončenie signálu

Negatívna spätná väzba pomáha stabilizovať fyziologické parametre

Negatívna spätná väzba nastáva vtedy, keď dôsledky fyziologickej odpovede zmenšujú podnet vedúci k ďalšej signalizácii.

Medzi nastaviteľné parametre môžu patriť okrem iného:

• dostupnosť živín;
• koncentrácia iónov;
• vodné hospodárstvo;
• objem krvi;
• činnosť endokrinného orgánu;
• iný fyziologický parameter.

Dobrým príkladom je systém vápnik–PTH.

Nižšia koncentrácia extracelulárneho vápnika zvyčajne podporuje sekréciu PTH, zatiaľ čo jej zvýšenie môže túto sekréciu inhibovať.

V štúdii, do ktorej sa zapojili zdraví mladí muži, bolo po podaní vápnikového stimulantu pozorované zníženie koncentrácie PTH v krvi. [4]

To poukazuje na fyziologickú závislosť, ktorá sa prejavuje v podmienkach tohto výskumu.

Nepredstavuje však základ pre odporúčania týkajúce sa doplnkov stravy ani neumožňuje predvídať každú reakciu, ktorá sa pri tomto ochorení vyskytuje.

Spätná väzba môže pôsobiť na viacerých úrovniach, okrem iného prostredníctvom:

• vylučovanie hormónu;
• výrobu prekurzora;
• transkripciu génov;
• citlivosť receptorov;
• ďalšie etapy signalizácie;
• interakcje między tkankami endokrynnymi.

Môže to tiež fungovať s určitým oneskorením.

Preto by sa krátkodobá reakcia a dlhodobá adaptácia nemali automaticky považovať za ten istý proces.

Degradácia hormónov obmedzuje čas expozície

Peptidové hormóny môžu byť štiepené enzýmami, čo mení ich molekulárnu štruktúru a biologickú aktivitu.

V závislosti od konkrétnej molekuly sa na jej vylučovaní môžu podieľať aj absorpcia tkanivami, obličkami, pečeňou a ďalšie vylučovacie procesy.

Štúdie s GLP-1 preukázali, že v ľudskom plazme vzniká metabolit skrátený na N-konci, a poukázali na účasť dipeptidylpeptidázy IV (DPP-IV) na tejto reakcii. Výskumníci tiež rozlišovali neporušený peptid od jeho metabolitov vo vzorkách odobratých od ľudí. [14]

Toto rozlíšenie je dôležité, pretože pokles hladiny neporušeného hormónu a výskyt súvisiacich peptidových fragmentov nie sú to isté.

Podobne sa stabilnosti peptidu meranej v izolovanom experimente s plazmou by sa nemalo automaticky namietať jeho úplnému času účinku v živom organizme.

Na pozorovaný časový priebeh môže vplývať vylučovanie, distribúcia, prietok krvi, vychytávanie tkanivami, enzymatické štiepenie a eliminácia.

Bunka tiež vypína vlastnú odpoveď

Ukončenie signálu nezávisí výlučne od odstránenia hormónu z obehu.

Bunky disponujú mnohými mechanizmami na zníženie vnútrobunkovej signalizácie.

Například:

• proteíny G sa môžu vrátiť do neaktívneho stavu;
• cyklické nukleotidy môžu byť degradované;
• proteínové fosfatázy môžu odstraňovať fosfátové skupiny;
• koncentrácia a rozloženie intracelulárneho vápnika sa môže vrátiť k pokojovým hodnotám;
• signálne proteíny môžu byť inhibované;
• receptory môžu podliehať desenzibilizácii;
• Receptory sa môžu premiestňovať do iných bunkových kompartmentov.

Tieto mechanizmy zabezpečujú množstvo kontrolných bodov.

Hormón môže byť naďalej prítomný, pričom bunka sa stáva menej citlivou na jeho pôsobenie.

Na druhej strane niektoré intracelulárne dôsledky môžu pretrvávať určitý čas aj po znížení koncentrácie hormónu mimo bunky.

Meranie iba jedného prvku trasy teda neumožňuje určiť stav celej signalizačnej siete.

Desenzitizácia mení citlivosť receptora

Desensytyzacja oznacza zmniejszenie odpowiedzi układu podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji.

W zależności od rodzaju receptora mechanizmy mogą obejmować:

• fosforylację receptora;
• defosforylację;
• zmianę sprzężenia z partnerami sygnalizacyjnymi;
• internalizację receptora;
• zmianę liczby receptorów;
• zmiany białek uczestniczących w dalszych etapach sygnalizacji.

W badaniu receptora cyklazy guanylanowej A dla ANP opisano złożony wzorzec fosforylacji i defosforylacji związany ze zmniejszeniem odpowiedzi. [15]

Wyniki nie potwierdzały prostego modelu, w którym każda fosforylacja aktywuje receptor, a każda defosforylacja go wyłącza.

Internalizacji receptora również nie należy automatycznie utożsamiać z całkowitym zakończeniem sygnału.

Konsekwencje zależą od rodzaju receptora, jego miejsca docelowego wewnątrz komórki, możliwości ponownego wykorzystania, degradacji oraz tego, czy sygnalizacja może być kontynuowana z przedziałów wewnątrzkomórkowych.

Co pokazuje pomiar hormonu, a czego nie pokazuje?

Zmierzona wartość stężenia hormonu może być wynikiem kilku procesów zachodzących jednocześnie:

produkcja + przetwarzanie + wydzielanie + dystrybucja − degradacja − wychwyt − eliminacja.

Metoda analityczna może również wykrywać:

• nienaruszony hormon;
• cząsteczki prekursorowe;
• metabolity;
• fragmenty powstałe w wyniku rozszczepienia;
• kilka powiązanych form molekularnych.

To, które formy zostaną wykryte, zależy od konstrukcji testu.

W badaniu degradacji GLP-1 problem ten analizowano poprzez połączenie rozdziału chromatograficznego z testami immunologicznymi i identyfikacją strukturalną metabolitu. [14]

Rozróżnienie było istotne, ponieważ wynik reprezentujący całkowitą immunoreaktywność nie musiał odpowiadać pomiarowi wyłącznie nienaruszonego, biologicznie istotnego peptydu.

Stężenie hormonu, wiązanie z receptorem, wytwarzanie wtórnego przekaźnika, ekspresja genów i funkcja fizjologiczna są więc oddzielnymi rodzajami pomiarów.

Połączenie tych poziomów pozwala stworzyć znacznie silniejsze wyjaśnienie mechanistyczne niż traktowanie jednego wyniku jako reprezentacji całego układu hormonalnego.

Často kladené otázky

1. Czy hormony peptydowe wnikają do komórek?

Większość hormonów peptydowych rozpoczyna sygnalizację poprzez związanie z receptorami znajdującymi się na powierzchni komórki, zamiast swobodnie przenikać przez błonę komórkową do cytoplazmy. Późniejsza internalizacja związana z receptorem może jednak prowadzić do przeniesienia kompleksów hormon–receptor lub powiązanych układów receptorowych do otoczonych błoną przedziałów wewnątrzkomórkowych. W badaniach receptora ANP obserwowano przemieszczanie receptora przy jednoczesnym utrzymywaniu się produkcji cGMP w określonym modelu komórkowym. Nie oznacza to swobodnego przenikania hormonu przez błonę ani nie dowodzi, że każdy hormon peptydowy wykorzystuje ten sam mechanizm. Początkowe rozpoznanie na powierzchni komórki i późniejsza internalizacja związana z receptorem są odrębnymi etapami sygnalizacji. [12]

2. Czy wszystkie peptydy są hormonami?

Nie. Peptyd definiuje się przede wszystkim na podstawie jego budowy molekularnej opartej na aminokwasach, natomiast hormon określa się na podstawie jego roli w komunikacji fizjologicznej. Potwierdzenie funkcji hormonalnej wymaga danych dotyczących wytwarzania, regulowanego uwalniania, tkanek reagujących, działania receptorowego oraz odpowiedzi biologicznej. Wczesne badania GLP-1 u ludzi pokazują, jak różne rodzaje dowodów mogą wspólnie potwierdzać rolę hormonalną. Wiele innych peptydów jest fragmentami białek, cząsteczkami metabolicznymi, składnikami strukturalnymi lub pełni funkcje niezwiązane z układem hormonalnym. Sama obecność wiązań peptydowych nie wystarcza więc do uznania cząsteczki za hormon. [1]

3. Co dzieje się najpierw, gdy hormon peptydowy dociera do komórki docelowej?

Zazwyczaj hormon najpierw oddziałuje z odpowiednim receptorem znajdującym się na powierzchni komórki lub bezpośrednio z nią związanym. Wiązanie zmienia aktywność lub konformację receptora i uruchamia sygnalizację wewnątrzkomórkową. Dalszy przebieg zależy od klasy receptora. W przypadku receptora insulinowego badania powiązały jego aktywację z fosforylacją tyrozynową i aktywnością kinazową. Wyniki te dotyczą jednego konkretnego systemu receptorowego, a nie wszystkich hormonów peptydowych. Identyfikacja właściwego receptora jest więc jednym z pierwszych kroków potrzebnych do zrozumienia odpowiedzi danej komórki. [3]

4. Jak hormony peptydowe wpływają na komórki docelowe?

Hormony peptydowe wpływają na komórki poprzez szlaki sygnałowe uruchamiane przez receptory. Mogą one zmieniać aktywność enzymów, transport przez błony, gospodarkę jonową, wydzielanie, metabolizm, fosforylację białek i ekspresję genów. W szczurzej linii komórek wysp trzustkowych GLP-1 wpływał na stężenie cAMP, mRNA związane z insuliną oraz uwalnianie insuliny. Eksperyment ten pokazuje kilka poziomów oddziaływania jednego sygnału peptydowego na komórkę, ale nie oznacza, że każda tkanka reaguje w ten sam sposób. Końcowy efekt zależy od konkretnego hormonu, receptora, mechanizmów wewnątrzkomórkowych, stanu komórki oraz kontekstu eksperymentalnego lub fizjologicznego. [11]

5. Dlaczego niektóre komórki reagują na hormon, a inne nie?

Komórka zazwyczaj musi posiadać odpowiedni funkcjonalny receptor oraz mechanizmy sygnalizacyjne potrzebne do przetworzenia otrzymanego sygnału. Sama obecność hormonu nie gwarantuje więc odpowiedzi. Znaczenie mają liczba receptorów, ich struktura, lokalizacja, białka sprzęgające oraz wcześniejsza stymulacja komórki. Badania mutacyjne receptorów peptydów natriuretycznych wykazały, że zmiany w regionie regulatorowym mogą zaburzać prawidłową aktywację zależną od hormonu. Choć były to badania eksperymentalne, dobrze pokazują, dlaczego oprócz obecności hormonu istotna jest również struktura receptora i kontekst komórkowy. [6]

6. Czym różni się preprohormon od prohormonu?

Preprohormon zawiera sekwencję sygnałową, która zazwyczaj pomaga skierować nowo syntetyzowaną cząsteczkę do szlaku wydzielniczego. Usunięcie tej sekwencji zwykle prowadzi do powstania prohormonu, który może następnie podlegać kolejnym etapom rozszczepiania i modyfikacji, prowadzącym do powstania jednego lub kilku dojrzałych produktów. Badania proglukagonu pokazują, że końcowe produkty mogą silnie zależeć od tkanki oraz obecnych w niej enzymów przetwarzających. Preprohormon, prohormon, forma pośrednia i dojrzały hormon oznaczają więc różne etapy molekularne, a nie wymienne nazwy tej samej substancji. [7] [8]

7. Czy jeden prekursor może prowadzić do powstania różnych hormonów?

Tak. Różne komórki mogą przetwarzać ten sam prekursor w odmienne produkty, ponieważ posiadają inne mechanizmy enzymatyczne. W badaniach ludzkiego proglukagonu stwierdzono odmienne wzorce produktów w trzustce i jelicie, a późniejsze eksperymenty analizowały udział PC2 i PC3 w ich powstawaniu. Wyniki nie oznaczają, że identyczne przetwarzanie zachodzi w każdym gatunku, tkance czy stanie fizjologicznym. Pokazują natomiast ogólną zasadę: zarówno sekwencja prekursora, jak i środowisko enzymatyczne komórki wpływają na to, jakie dojrzałe produkty peptydowe ostatecznie powstaną. [7] [8]

8. Dlaczego wiele hormonów peptydowych jest magazynowanych w ziarnistościach?

Ziarnistości wydzielnicze zapewniają przygotowany zapas hormonu, który może zostać uwolniony po pojawieniu się odpowiedniego sygnału fizjologicznego. Dzięki temu wydzielanie może szybko wzrosnąć bez konieczności syntetyzowania każdej cząsteczki od początku dokładnie w tym momencie. Ziarnistości są aktywnie regulowane, a różne ich pule mogą różnić się gotowością do uwolnienia. Eksperymenty na ludzkich komórkach beta wskazywały na udział Munc18c w uwalnianiu insuliny z różnych pul ziarnistości. Mechanizm ten nie wyjaśnia funkcjonowania wszystkich komórek endokrynnych, ale pokazuje, jak wyspecjalizowana maszyneria egzocytotyczna łączy magazynowanie z kontrolowanym wydzielaniem. [9]

9. Czy wszystkie hormony peptydowe wykorzystują cAMP?

Nie. cAMP jest ważnym wtórnym przekaźnikiem dla niektórych receptorów hormonów peptydowych, ale cała grupa wykorzystuje wiele różnych systemów receptorowych. Insulina działa poprzez receptorową kinazę tyrozynową, natomiast ANP aktywuje receptor związany z wytwarzaniem cGMP. Inne hormony peptydowe mogą korzystać z odmiennych szlaków GPCR, w tym układów wpływających na wapń wewnątrzkomórkowy. Badania receptorów insuliny i ANP pokazują, dlaczego sygnalizacji hormonów peptydowych nie można sprowadzić do jednego szlaku cAMP. Przed opisaniem mechanizmu należy więc określić konkretny hormon i jego receptor. [3] [6]

10. Czy hormony peptydowe mogą zmieniać ekspresję genów?

Tak. Sygnał rozpoczynający się na powierzchni komórki może być przekazywany przez kolejne szlaki wewnątrzkomórkowe i ostatecznie wpływać na transkrypcję. W badaniach GLP-1 w hodowanych komórkach szczura obserwowano zmiany mRNA insuliny, natomiast eksperymenty z impulsami GnRH u szczurów wykazały zmiany transkrypcji podjednostek gonadotropin. Wyniki te dotyczą konkretnych modeli i nie oznaczają, że każda odpowiedź na hormon peptydowy wymaga nowej ekspresji genów. Pokazują jednak, że sygnalizacja rozpoczynająca się od receptora błonowego może wpływać zarówno na szybkie procesy biochemiczne, jak i na regulację transkrypcji zachodzącą w dłuższym czasie. [5] [11]

11. Czy hormony peptydowe zawsze działają szybciej niż hormony steroidowe?

Nie. Szybkość odpowiedzi zależy od receptora, szlaku sygnałowego, badanego efektu biologicznego i czasu wykonania pomiaru. Hormony peptydowe mogą szybko zmieniać aktywność istniejących białek, ale mogą również wpływać na ekspresję genów i powodować późniejsze odpowiedzi. Z kolei literatura endokrynologiczna opisuje szybkie działania steroidów niewymagające nowej syntezy białek. Źródło dotyczące steroidów wykorzystane w tym artykule jest przeglądem, a nie pojedynczym rozstrzygającym eksperymentem. Bardziej wiarygodne rozróżnienie dotyczy chemii cząsteczek i mechanizmów receptorowych niż prostego podziału na „szybkie peptydy” i „wolne steroidy”. [11] [13]

12. Dlaczego częstotliwość impulsów hormonalnych ma znaczenie?

Komórki mogą inaczej reagować na powtarzające się impulsy, różne częstotliwości impulsów i ciągłą ekspozycję, nawet jeśli za każdym razem chodzi o ten sam hormon. U szczurów z niedoborem GnRH zmiana częstotliwości impulsów wpływała na wzorce transkrypcji podjednostek gonadotropin w przysadce oraz lokalne odpowiedzi regulacyjne. Eksperymenty te potwierdzają znaczenie czasu w tym modelu biologicznym, ale nie określają schematu podawania hormonu ludziom. Informacja hormonalna może być więc kodowana nie tylko przez stężenie cząsteczki, ale również przez czasowy wzorzec, w jakim komórki docelowe są wystawione na jej działanie. [5]

13. Czym jest ujemne sprzężenie zwrotne w regulacji hormonów peptydowych?

Ujemne sprzężenie zwrotne występuje wtedy, gdy konsekwencje działania danego szlaku zmniejszają bodziec prowadzący do dalszego wydzielania hormonu lub aktywności wcześniejszych elementów układu hormonalnego. Przykładem jest regulacja wapnia: w kontrolowanym badaniu z udziałem zdrowych mężczyzn wzrost dostępności wapnia był związany ze zmniejszeniem stężenia PTH. Eksperyment ten nie odzwierciedla każdego stanu chorobowego ani długotrwałej adaptacji, ale pokazuje, jak regulowany parametr może przekazywać informację zwrotną do układu endokrynnego. Sprzężenie zwrotne może obejmować wydzielanie, ekspresję genów, wrażliwość receptorów, oddziaływanie innych hormonów i wiele innych poziomów regulacji. [4]

14. W jaki sposób wyłączany jest sygnał hormonu peptydowego?

Kilka mechanizmów może działać jednocześnie. Hormon znajdujący się poza komórką może zostać enzymatycznie rozszczepiony, wychwycony przez tkanki lub usunięty z krążenia. Receptory mogą stawać się mniej wrażliwe albo przemieszczać się pomiędzy różnymi przedziałami komórki, natomiast wtórne przekaźniki mogą być degradowane, a fosforylacja białek odwracana. W badaniach GLP-1 zidentyfikowano enzymatycznie powstający metabolit, natomiast badania receptora ANP powiązały desensytyzację ze zmianami jego fosforylacji. Żaden z tych mechanizmów nie jest uniwersalny dla wszystkich hormonów. Zakończenie sygnału najlepiej więc rozumieć jako skoordynowaną kontrolę zarówno zewnątrzkomórkowego przekaźnika, jak i odpowiadającej na niego komórki. [14] [15]

15. Co oznacza desensytyzacja receptora?

Desensytyzacja oznacza, że układ receptorowy podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji zaczyna generować słabszą odpowiedź. W zależności od receptora może to wynikać ze zmian fosforylacji, sposobu współpracy z białkami sygnałowymi, przemieszczania receptora, zmiany jego liczby lub adaptacji dalszych elementów szlaku. W eksperymentach dotyczących receptora ANP zmniejszenie odpowiedzi powiązano z określonym wzorcem zmian fosforylacji. Nie oznacza to, że każdy receptor ulega desensytyzacji w ten sam sposób ani że zmniejszona odpowiedź świadczy o zniszczeniu receptora. Desensytyzacja jest zmianą funkcjonalną, której mechanizm należy określić osobno dla danego układu. [15]

16. Czy wyższe stężenie hormonu zawsze oznacza silniejsze działanie?

Nie. Stężenie hormonu jest tylko jednym z czynników wpływających na odpowiedź biologiczną. Znaczenie mają również liczba receptorów, stopień ich zajęcia, możliwości wewnątrzkomórkowego układu sygnałowego, sprzężenie zwrotne, wcześniejsza ekspozycja, desensytyzacja oraz aktualny stan fizjologiczny komórki docelowej. Eksperymenty dotyczące desensytyzacji receptora ANP pokazują, że wrażliwość może się zmniejszyć pomimo utrzymującej się ekspozycji na aktywujący hormon. Takie dane eksperymentalne nie pozwalają przewidzieć indywidualnej odpowiedzi hormonalnej na podstawie pojedynczego pomiaru stężenia. Stężenie hormonu i odpowiedź biologiczna są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym parametrem. [15]

17. Czy test hormonalny może wykrywać nieaktywne lub zmienione fragmenty?

Tak, w zależności od tego, jaki fragment cząsteczki rozpoznaje zastosowana metoda. Badania GLP-1 pokazały, dlaczego rozróżnienie nienaruszonego hormonu od metabolitów skróconych na N-końcu jest istotne podczas interpretacji wyników testów immunologicznych. Test rozpoznający obie formy może odpowiadać na inne pytanie niż metoda zaprojektowana wyłącznie do wykrywania nienaruszonego peptydu. Ograniczenie zależy więc od konkretnej metody analitycznej. Przed interpretacją wyniku jako stężenia aktywnego hormonu należy ustalić, jakie formy molekularne są rzeczywiście wykrywane. [14]

18. Czy hormony peptydowe i hormony białkowe są całkowicie różnymi kategoriami?

Niekoniecznie. Terminologia częściowo się pokrywa, ponieważ obie grupy są zbudowane z łańcuchów aminokwasowych, a nie istnieje powszechnie zaakceptowany próg długości oddzielający wszystkie hormony peptydowe od wszystkich hormonów białkowych. Słowo „hormon” określa rolę sygnałową, natomiast określenia „peptyd” i „białko” odnoszą się do aspektów budowy molekularnej i wielkości. W praktyce większe hormony o budowie aminokwasowej częściej określa się jako białkowe, a krótsze jako peptydowe. Dokładna nazwa kategorii jest jednak mniej informacyjna niż identyfikacja konkretnej cząsteczki, jej dojrzałej struktury, receptora i eksperymentalnie potwierdzonej funkcji.

19. Czy ten sam hormon peptydowy może działać inaczej w różnych tkankach?

Tak. Działanie hormonu zależy nie tylko od rozpoznania przez receptor, ale również od mechanizmów molekularnych dostępnych wewnątrz komórki docelowej. Poszczególne tkanki mogą różnić się liczbą receptorów, białkami sygnałowymi, enzymami, transporterami, czynnikami transkrypcyjnymi i białkami regulatorowymi. W rezultacie aktywacja tego samego receptora nie musi prowadzić do identycznego efektu fizjologicznego w każdym środowisku komórkowym. Dlatego sygnalizację hormonalną najlepiej rozumieć jako interakcję pomiędzy określonym sygnałem zewnątrzkomórkowym a konkretną komórką zdolną do odpowiedzi, a nie jako stały efekt zakodowany wyłącznie w samej cząsteczce hormonu.

20. Czy pomiar wtórnego przekaźnika wystarcza do potwierdzenia efektu fizjologicznego?

Nie. Zmiana stężenia cAMP, cGMP, wapnia, stopnia fosforylacji lub innego sygnału wewnątrzkomórkowego stanowi dowód, że określony element szlaku zareagował, ale nie potwierdza automatycznie pełnego efektu na poziomie tkanki lub całego organizmu. W badaniu GLP-1 w komórkach zmiany cAMP powiązano z dodatkowymi punktami końcowymi, natomiast badania receptorów insuliny i ANP analizowały inne określone etapy biochemiczne. [3] [6] [11] Silne wyjaśnienie mechanistyczne powinno rozróżniać aktywację receptora, sygnalizację wewnątrzkomórkową, funkcję komórki, odpowiedź tkankową i fizjologię całego organizmu, zamiast traktować pojedynczy pomiar jako dowód wszystkich tych poziomów.

Ograniczenia interpretacji badań nad hormonami peptydowymi

Podczas przechodzenia od podstawowych mechanizmów sygnalizacji hormonalnej do szerszych wniosków biologicznych należy pamiętać o kilku ograniczeniach.

Po pierwsze, hormony peptydowe nie stanowią jednej funkcjonalnie jednolitej grupy. Insulina, GLP-1, wazopresyna, PTH, GnRH i ANP należą do szerokiej kategorii hormonów opartych na aminokwasach, ale działają poprzez różne receptory i uczestniczą w różnych układach fizjologicznych. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Po drugie, wykrycie prekursora nie musi być równoznaczne z wykryciem dojrzałego hormonu. Przetwarzanie zależne od tkanki może prowadzić do powstawania różnych produktów z tego samego prekursora, czego przykładem są badania proglukagonu. [7] [8]

Po trzecie, synteza i wydzielanie są odrębnymi procesami. Zwiększone uwalnianie hormonu nie musi oznaczać identycznego i jednoczesnego zwiększenia transkrypcji genu kodującego jego prekursor. [10]

Po czwarte, wiązanie z receptorem nie jest równoznaczne z pełną odpowiedzią fizjologiczną. Sygnalizacja obejmuje kilka poziomów molekularnych, a różne komórki mogą przekształcać aktywację tego samego receptora w odmienne odpowiedzi.

Po piąte, badania na hodowlach komórkowych i oczyszczonych receptorach nie odtwarzają całego organizmu. Mogą dostarczać ważnych informacji o mechanizmach molekularnych, ale wnioski powinny pozostawać związane z zastosowanym systemem eksperymentalnym. [3] [6] [11] [12]

Po szóste, czas ma znaczenie. Pulsacyjna i ciągła ekspozycja na hormon mogą prowadzić do odmiennych odpowiedzi, a pojedynczy pomiar we krwi może nie odzwierciedlać pełnego rytmu wydzielania. [5]

Po siódme, testy hormonalne różnią się swoistością molekularną. Niektóre metody mogą wykrywać metabolity, cząsteczki związane z prekursorem lub kilka form jednocześnie, oprócz nienaruszonego hormonu. [14]

Po ósme, internalizacja receptora nie musi oznaczać natychmiastowego zakończenia sygnalizacji, ponieważ transport receptora i przekazywanie sygnału mogą w określonych warunkach zachodzić równocześnie. [12]

Po dziewiąte, desensytyzacja jest zależna od konkretnego receptora. Mechanizmów zidentyfikowanych dla jednego receptora nie należy automatycznie przenosić na wszystkie receptory hormonów peptydowych. [15]

Wreszcie klasyfikacja chemiczna nie potwierdza działania medycznego, korzyści ani przydatności terapeutycznej. Dowodów dotyczących jednego określonego hormonu i jednego systemu eksperymentalnego nie należy uogólniać na inne, niepowiązane peptydy wyłącznie dlatego, że również mają budowę aminokwasową.

Zhrnutie

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.

Zrieknutie sa zodpovednosti

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.

Odkazy

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