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

Desenzitizácia znamená zníženie odpovede systému počas trvalej alebo opakujúcej sa stimulácie.

V závislosti od typu receptoru môžu mechanizmy zahŕňať:

• fosforyláciu receptora;
• defosforiláciu;
• zmenu spojenia s signálnymi partnermi;
• internalizáciu receptora;
• zmenu počtu receptorov;
• zmeny bielkovín zúčastňujúcich sa na ďalších fázach signalizácie.

V štúdii receptoru guanylcyklázy A pre ANP bol opísaný zložitý vzorec fosforylácie a defosforylácie spojený so znížením odpovede. [15]

Výsledky nepotvrdzovali jednoduchý model, podľa ktorého každé fosforyláciu aktivuje receptor a každá defosforyláciu ho vypína.

Internalizácia receptora sa tiež nesmie automaticky považovať za úplné ukončenie signálu.

Výsledky závisia od typu receptora, jeho cieľového miesta vo vnútri bunky, možnosti opätovného využitia, degradácie a od toho, či môže signál pokračovať z intercelulárnych priestorov.

Čo ukazuje meranie hormónu a čo nie?

Meraná hodnota koncentrácie hormónu môže byť výsledkom niekoľkých procesov, ktoré prebiehajú súčasne:

výroba + spracovanie + odstraňovanie + distribúcia − degradácia − zachytávanie − eliminácia.

Analytická metóda môže tiež detegovať:

• nepretratážený hormón;
• predchodzujúce molekuly;
• metabolity;
• fragmenty vzniknuté následkom rozštiepenia;
• niekoľko súvisiacich molekulárnych foriem.

Ktoré formy budú zistené závisí od konštrukcie testu.

V štúdii degradácie GLP-1 sa tento problém analyzoval kombináciou chromatografického rozdelenia s imunologickými testami a štruktúrnou identifikáciou metabolitu. [14]

Rozlišenie bolo dôležité, pretože výsledok reprezentujúci celkovú imunoreakčnosť nemusel zodpovedať meraniu len neporušenej, biologicky aktívnej peptidu.

Koncentrácia hormónu, väzba na receptor, produkcia sekundárneho signálu, expresia génov a fyziologická funkcia sú teda samostatnými typmi meraní.

Spojenie týchto úrovní umožňuje vytvoriť oveľa silnejšie mechanistické vysvetlenie ako konzumovanie jedného výsledku ako reprezentácie celého hormonálneho systému.

Často kladené otázky

1. Prenikajú peptidové hormóny do buniek?

Väčšina peptidových hormónov začína signalizáciu väzbou na receptory nachádzajúce sa na povrchu bunky namiesto toho, aby sa voľne prenikali cez bunkovú membránu do cytoplazmy. Neskôr nastávajúca internalizácia viazanej s receptormi však môže viesť k prenosu komplexov hormón–receptor alebo súvisiacich receptorových systémov do obalových membránových interkalárnych priestorov. V štúdiách s receptorom ANP sa pozorovala migrácia receptora spolu s zachovaním produkcie cGMP v konkrétnom bunkovom modeli. To však neznamená bezprostredný preniknutie hormónu cez bunkovú membránu ani nepreukazuje, že každý peptidový hormón využíva ten istý mechanizmus. Úvodné rozpoznanie na povrchu bunky a následná internalizácia viazaná s receptormi sú samostatnými etapami signalizácie. [12]

2. Sú všetky peptidy hormóny?

Nie. Peptid sa definuje predovšetkým na základe jeho molekulárnej štruktúry založenej na aminokyselinách, zatiaľ čo hormón sa vymedzuje na základe jeho úlohy vo fyziologickej komunikácii. Potvrdenie hormonálnej funkcie vyžaduje údaje o produkcii, regulovanom uvoľňovaní, reagujúcich tkanivách, receptorovom účinku a biologickej odpovedi. Včasné štúdie GLP-1 u ľudí ukazujú, ako môžu rôzne druhy dôkazov spoločne potvrdiť úlohu hormónu. Mnohé ďalšie peptidy sú proteínovými fragmentmi, metabolickými molekulami, štrukturálnymi komponentami alebo plnia funkcie, ktoré nesúvisia s hormonálnym systémom. Existencia peptidových väzieb sama osebe však nestačí na to, aby sa látka považovala za hormón. [1]

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

Zvyčajne pôsobí hormón najprv na príslušný receptor nachádzajúci sa na povrchu bunky alebo priamo s ním súvisiacim. Táto väzba mení aktivitu alebo konformáciu receptora a spúšťa intracelulárnu signalizáciu. Následný priebeh závisí od typu receptora. V prípade inzulínového receptora štúdie spájali jeho aktiváciu s fosforyláciou tyrozínom a kinázovou aktivitou. Tieto výsledky sa týkajú jediného konkrétneho receptorového systému a nie všetkých peptidových hormónov. Identifikácia správneho receptora je teda jedným z prvých krokov potrebných na pochopenie odpovede danej bunky. [3]

4. Ako peptidové hormóny ovplyvňujú cieľové bunky?

Peptidové hormóny pôsobia na bunky prostredníctvom signálnych dráh spúšťaných receptormi. Môžu meniť aktivitu enzýmov, transport cez membrány, iontovú reguláciu, vylučovanie, metabolizmus, fosforyláciu bielkovín a expresiu génov. V myších bunkových líniách pankreatických žliaz pôsobil GLP-1 na koncentráciu cAMP, mRNA spojené s inzulínom a uvoľňovanie inzulínu. Tento experiment poukazuje na niekoľko úrovní účinku jedného peptidového signálu na bunku, ale neznamená to, že každá tkanina reaguje rovnakým spôsobom. Konečný účinok závisí od konkrétneho hormónu, receptora, intracelulárnych mechanizmov, stavu bunky a experimentálneho alebo fyziologického kontextu. [11]

5. Prečo niektoré bunky reagujú na hormón a iné nie?

Buňka musí obvykle mať vhodný funkčný receptor a signálne mechanizmy potrebné na spracovanie príjmaného signálu. Samotná prítomnosť hormónu teda nezaručuje odpoveď. Význam majú počet receptorov, ich štruktúra, lokalizácia, spojovacie proteíny a predchádzajúca stimulácia bunky. Výskumy mutácií receptorov peptidov natriuretických ukazujú, že zmeny v regulačnom regióne môžu narušiť správnu hormónovo závislú aktiváciu. Hoci ide o experimentálne štúdie, dobre ukazujú, prečo je okrem prítomnosti hormónu dôležitá aj štruktúra receptora a kontext bunky. [6]

6. Čo je rozdiel medzi preprohormónom a prohormónom?

Preprohormón obsahuje signálne sekvenciu, ktorá zvyčajne pomáha nasmerovať novo syntetizovanú molekulu do vylučovacieho kanálu. Odstránenie tejto sekvencie zvyčajne vedie k vytvoreniu prohormónu, ktorý potom môže podliehať ďalším etapám rozpadu a modifikácie, čo vedie k vzniku jedného alebo viacerých zrelých produktov. Výskum proglukagónu ukazuje, že konečné produkty môžu závisieť výrazne od tkaniva a enzýmov, ktoré ho spracúvajú. Preprohormón, prohormón, medziprodukt a zrelý hormón teda predstavujú rôzne molekulárne štádiá a nie zameniteľné názvy tej istej látky. [7] [8]

7. Môže jeden prekurzor viesť k vzniku rôznych hormónov?

Áno. Rôzne bunky môžu spracúvať ten istý prekurzor na rôzne produkty, pretože majú iné enzymatické mechanizmy. V štúdiách s ľudským proglukagonom sa zistili odlišné vzorce produktov v pankrease a čreve, pričom následné experimenty analyzovali podiel PC2 a PC3 na ich tvorbe. Výsledky neukazujú, že rovnaké spracovanie dochádza v každom druhu, tkanive alebo fyziologickom stave. Skôr ukazujú všeobecnú zásadu: tak ako sekvencia prekurzora, tak aj enzymatické prostredie bunky ovplyvňujú to, aké zrelé peptidové produkty sa nakoniec vytvoria. [7] [8]

8. Prečo je veľa peptidových hormónov uskladnených v zrnách?

Výparové množstvá zabezpečujú pripravený zásobník hormónu, ktorý môže byť uvoľnený po zaznamenaní príslušného fyziologického signálu. Vďaka tomu môže vylučovanie rýchlo narástnuť bez potreby syntetizácie každej molekuly od začiatku presne v tomto okamihu. Výparové množstvá sú aktívne regulované a rôzne ich zhluky sa môžu líšiť v závislosti od pripravenosti na uvoľnenie. Experimenty na ľudských beta bunkách poukazovali na úlohu Munc18c pri uvoľňovaní inzulínu z rôznych zhlukov výparových množstiev. Tento mechanizmus neposkytuje vysvetlenie fungovania všetkých endokrinných buniek, ale poukazuje na to, ako špecializovaná exocytotická mechanizácia spája skladovanie s kontrolovaným vylučovaním. [9]

9. Používajú všetky peptidové hormóny cAMP?

Nie. cAMP je dôležitým sekundárnym signálom pre niektoré receptory peptidových hormónov, ale celá skupina využíva mnoho rôznych receptorových systémov. Inzulín pôsobí cez kinázovú tyrozínovú receptorovú proteínku, zatiaľ čo ANP aktivuje receptor spojený s produkciou cGMP. Iné peptidové hormóny môžu využívať odlišné dráhy GPCR vrátane systémov ovplyvňujúcich vnútorný vápnik. Výskum receptorov inzulínu a ANP ukazuje, prečo signálovanie peptidových hormónov nemožno sústrediť na jeden cAMPový signál. Pred opísaním mechanizmu je preto potrebné určiť konkrétny hormón a jeho receptor. [3] [6]

10. Môžu peptidové hormóny meniť expresiu génov?

Áno. Signál začínajúci na povrchu bunky môže byť prenášaný cez ďalšie intracelulárne dráhy a nakoniec ovplyvňovať transkripciu. V štúdiách GLP-1 v kultivovaných myších bunkách sa pozorovali zmeny mRNA inzulínu, zatiaľ čo experimenty s impulzmi GnRH u potkanov preukázali zmeny transkripcie buniek gonadotropínu. Tieto výsledky sa týkajú konkrétnych modelov a neznamenajú, že každá odpoveď na peptidový hormón vyžaduje novú expresiu génov. Napriek tomu poukazujú na to, že signalizácia začínajúca sa na membránovom receptorovi môže ovplyvňovať tak rýchle biochemické procesy, ako aj reguláciu transkripcie prebiehajúcu v dlhšom časovom horizonte. [5] [11]

11. Fungujú peptidové hormóny vždy rýchlejšie ako steroidné hormóny?

Nie. Rýchlosť reakcie závisí od receptoru, signálneho dráhy, sledovaného biologického účinku a času vykonania merania. Peptidové hormóny môžu rýchlo meniť aktivitu existujúcich bielkovín, ale môžu tiež ovplyvňovať expresiu génov a spôsobiť následné reakcie. Na druhej strane endokrinologická literatúra opisuje rýchle účinky steroidov, ktoré nevyžadujú novú syntézu bielkovín. Zdroj pre steroidy použitý v tomto článku je prehľad a nie individuálny rozhodujúci experiment. Viac dôveryhodné rozlíšenie sa týka molekulárnej chemie a receptorových mechanizmov ako jednoduchého rozdelenia na „rýchle peptidy” a „voľné steroidy”. [11] [13]

12. Prečo frekvencia hormónových impulzov má význam?

Buňky môžu reagovať inak na opakujúce sa impulzy, rôzne frekvencie impulzov a stálu expozíciu, aj keď ide vždy o ten istý hormón. U potkanov s nedostatkom GnRH zmena frekvencie impulzov ovplyvňovala transkripčné vzorce podjednotiek gonadotropínu v hypofýze a lokálne regulačné odpovede. Tieto experimenty potvrdzujú význam času v tomto biologickom modeli, ale nepredstavujú schéma podávania hormónu ľuďom. Informačná látka môže byť teda kodovaná nielen koncentráciou molekuly, ale aj časovým vzorom, v ktorom sú cieľové bunky vystavené jej účinku. [5]

13. Čo je negatívny reverzný prenos v regulácii peptidových hormónov?

Nepriaznivý reverzný vzťah nastáva vtedy, keď následky činnosti daného dráhy znižujú podnet vedúci k ďalšiemu vylučovaniu hormónu alebo k aktivite predchádzajúcich prvkov hormonálneho systému. Príkladom je regulácia vápnika: v kontrolovanom teste so zdravými mužmi bol nárast dostupnosti vápnika spojený so znížením koncentrácie PTH. Tento experiment neprezentuje každý stav ochorenia ani dlhodobú adaptáciu, ale poukazuje na to, ako regulovaný parameter môže poskytovať spätnej väzbu do endokrinného systému. Reverzný vzťah môže zahŕňať vylučovanie, expresiu génov, citlivosť receptorov, interakciu s inými hormónmi a mnoho ďalších úrovní regulácie. [4]

14. Ako sa vypúšťa signál peptidového hormónu?

Niekoľko mechanizmov môže pôsobiť súčasne. Hormón nachádzajúci sa mimo bunky môže byť enzymaticky rozštiepený, zachytený v tkanivách alebo odstránený z obehu. Receptory môžu byť menej citlivé alebo sa môžu pohybovať medzi rôznymi bunkovými regiónmi, zatiaľ čo sekundárne signatáre môžu byť degradované a fosforylácia bielkovín môže byť zvrátená. V štúdiách GLP-1 bol identifikovaný enzymaticky vznikajúci metabolit, zatiaľ čo štúdie receptoru ANP spájali desenzitizáciu so zmenami jeho fosforylácie. Žiadny z týchto mechanizmov nie je univerzálny pre všetky hormóny. Najlepšie by sa teda signál mohol chápať ako koordinovanú kontrolu z vonkajšieho signatára aj zodpovedajúcej bunky. [14] [15]

15. Čo znamená deenzimácia receptora?

Desenzitizácia znamená, že receptorový systém začína vytvárať slabšiu odpoveď pri nepretržitom alebo opakovanom podaní stimulácie. V závislosti od receptora to môže vyplývať z zmien fosforylácie, spôsobu spolupráce s signálnymi proteínmi, presunu receptora, zmeny jeho počtu alebo adaptácie ďalších prvkov dráhy. V experimentoch s receptorm ANP sa zníženie odpovede spájalo s konkrétnym vzorcom zmien fosforylácie. To však neznamená, že každý receptor podlieha desenzitizácii rovnakým spôsobom ani že znížená odpoveď naznačuje zničenie receptora. Desenzitizácia je funkčná zmena, ktorej mechanizmus sa musí určiť osobitne pre daný systém. [15]

16. Znamená vyšší koncentrácia hormónu vždy silnejší účinok?

Nie. Koncentrácia hormónu je len jedným z faktorov ovplyvňujúcich biologickú odpoveď. Dôležitú úlohu zohráva aj počet receptorov, stupeň ich obsadenia, možnosti interneurálnej signálnej sústavy, spätná väzba, predchádzajúca expozícia, desenzitizácia a aktuálny fyziologický stav cieľovej bunky. Experimenty týkajúce sa desenzitizácie receptoru ANP ukazujú, že citlivosť sa môže znížiť aj napriek pretrvávajúcej expozícii aktivačnému hormónu. Takéto experimentálne údaje však neumožňujú predvídať individuálnu hormonálnu odpoveď na základe jediného merania koncentrácie. Koncentrácia hormónu a biologická odpoveď súvisia, ale nie sú tým istým parametrom. [15]

17. Môže hormonálny test odhaliť neaktívne alebo zmenené fragmenty?

Áno, v závislosti od použitej metódy sa rozpoznáva určitý fragment molekuly. Výskumy GLP-1 ukázali, prečo je rozlíšenie nedotknutého hormónu od metabolitov skrátených na N-konci dôležité pri interpretácii výsledkov imunologických testov. Test rozpoznávajúci obe formy môže odpovedať na iné otázky ako metóda navrhnutá výhradne na detekciu nedotknutého peptidu. Obmedzenie preto závisí od konkrétnej analytickej metódy. Pred interpretáciou výsledku ako koncentrácie aktívneho hormónu je potrebné určiť, ktoré molekulárne formy sú skutočne detekované. [14]

18. Sú peptidové hormóny a bielkovinové hormóny úplne odlišnými skupinami?

Nie nevyhnutne. Terminológia sa čiastočne zhoduje, pretože obe skupiny sú tvorené z reťazcov aminokyselin a neexistuje všeobecne akceptovaný limit dĺžky, ktorý by oddeľoval všetky peptidové hormóny od všetkých bielkovinových hormónov. Slovo „hormón” označuje signačnú funkciu, zatiaľ čo termíny „peptid” a „bielkovina” sa týkajú molekulárnej štruktúry a veľkosti. V praxi sa väčšie hormóny s aminokyselinovou štruktúrou častejšie označujú ako bielkovinové, zatiaľ čo kratšie ako peptidové. Dokonalejší názov kategórie však nie je tak informatívny ako identifikácia konkrétnej molekuly, jej zrelého štruktúry, receptora a experimentálne potvrdených funkcií.

19. Môže ten istý peptidový hormón pôsobiť inak v rôznych tkanivách?

Áno. Aktivácia hormónu závisí nielen od rozpoznania receptora, ale aj od molekulárnych mechanizmov dostupných vo vnútri cieľovej bunky. Rôzne tkanivá môžu mať rôzny počet receptorov, signálne proteíny, enzýmy, transportéry, transkripčné faktory a regulačné proteíny. V dôsledku toho nemusí aktivácia toho istého receptora viesť k rovnakému fyziologickému účinku v každom bunkovom prostredí. Z tohto dôvodu je najlepšie chápať hormonálnu signalizáciu ako interakciu medzi konkrétnym vonkajším signálom a konkrétnou schopnou reagovať bunkou, a nie ako pevný efekt zakódovaný výhradne v samotnej molekule hormónu.

20. Dovoláva sa meranie sekundárneho signálu pre potvrdenie fyziologického účinku?

Nie. Zmena koncentrácie cAMP, cGMP, vápnika, stupňa fosforylácie alebo iného intracelulárneho signálu predstavuje dôkaz toho, že určitý prvok tejto cesty reagoval, ale automaticky nezaručuje úplný účinok na úrovni tkaniva alebo celého organizmu. V štúdii GLP-1 v bunkách bola zmena cAMP spojená s ďalšími koncovými bodmi, zatiaľ čo štúdie receptorov inzulínu a ANP analyzovali iné konkrétne biochemické štádiá. [3] [6] [11] Silné mechanistické vysvetlenie by malo rozlišovať aktiváciu receptora, intracelulárnu signalizáciu, funkciu bunky, odpoveď tkaniva a fyziológiu celého organizmu, namiesto toho, aby sa jednotlivý meraný parameter považoval za dôkaz o všetkých týchto úrovniach.

Obmedzenia interpretácie štúdií o peptidových hormónoch

Pri prechode od základných mechanizmov hormonálnej signalizácie k širším biologickým záverom je potrebné mať na pamäti niekoľko obmedzení.

Po prvé, peptidové hormóny nepredstavujú funkčne jednotnú skupinu. Inzulín, GLP-1, vazopresín, PTH, GnRH a ANP patria do širokej kategórie aminokyselinových hormónov, ale pôsobia cez rôzne receptory a zúčastňujú sa na rôznych fyziologických systémoch. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Po druhé, detekcia prekurzora nemusí znamenať detekciu zrelého hormónu. Proces závislý od tkaniva môže viesť k vzniku rôznych produktov z toho istého prekurzora, ako je to prípad štúdií proglukagónu. [7] [8]

Po tretie, syntéza a sekrécia sú samostatnými procesmi. Zvýšené uvoľňovanie hormónu nemusí znamenať rovnaké a súčasné zvýšenie transkripcie génu kódujúceho jeho prekurzor. [10]

Po štvrté, väzba na receptor nie je synonymom pre úplnú fyziologickú odpoveď. Signál obsahuje niekoľko molekulárnych úrovní a rôzne bunky môžu premeniť aktiváciu toho istého receptora na rôzne odpovede.

Po piate, štúdie na bunkových kultúrach a čistých receptoroch nereprodukujú celý organizmus. Môžu poskytnúť dôležité informácie o molekulárnych mechanizmoch, ale závery by mali zostať spojené s použitým experimentálnym systémom. [3] [6] [11] [12]

Po šieste, čas má význam. Plynulá a opakujúca sa expozícia hormónu môže viesť k rozdielnym reakciám, pričom jednotlivý meraný počet v krvi nemusí odrážať úplný rytmus vylučovania. [5]

Po siedme, hormonálne testy sa líšia molekulárnou štruktúrou. Niektoré metódy dokážu detegovať metabolity, molekuly spojené s prekurzormi alebo niekoľko foriem súčasne, okrem samotného hormónu. [14]

Po ôsmom, internalizácia receptora nemusí znamenať okamžité ukončenie signálnej činnosti, pretože transport receptora a prenos signálu môžu za určitých podmienok dochádzať súčasne. [12]

Po deviate, deenzimácia závisí od konkrétneho receptora. Mechanizmy identifikované pre jeden receptor sa nemajú automaticky prenášať na všetky receptory peptidových hormónov. [15]

Konečne chemická klasifikácia nepotvrdzuje účinky na zdravie, výhody ani terapeutickú účinnosť. Výsledky týkajúce sa jediného konkrétneho hormónu a jediného experimentálneho systému sa nesmú generalizovať na ostatné, nepriame peptidy len preto, že aj tieto majú aminokyselinovú štruktúru.

Zhrnutie

Peptidové hormóny sú signálnymi molekulami zloženými z aminokyselín, ktoré umožňujú komunikáciu medzi bunkami a tkanivami v mnohých fyziologických systémoch.

Ich biológia je oveľa zložitejšia ako jednoduché tvrdenie, že peptid sa viaže na receptor.

Mnoho peptidových hormónov sa najprv tvorí ako väčšie prekurzorové molekuly, následne prechádza špecifickými pre danú tkanivovú fázu spracovania a je pakované do sekretných zrniečkov a uvoľňované v reakcii na regulované fyziologické signály. Výskum spracovania proglukagónu a exocytozy inzulínových zrniečkov ukazuje, ako mechanizmy spracovania prekurzorov a vylučovania ovplyvňujú to, ktorý hormón vstupuje do vonkajšieho mikroklimatu a kedy je uvoľnený. [7] [8] [9]

Po uvoľnení peptidových hormónov zvyčajne začínajú signálne signály prenášať receptory nachádzajúce sa na povrchu buniek, ale tieto receptory patria do niekoľkých rôznych molekulárnych tried.

Niektoré hormóny využívajú GPCR a sekundárne signálne dráhy, ako je cAMP alebo dráhy spojené s vápnikom.

Inzulín využíva receptorovú tyrozínovú kinázu.

ANP pôsobí prostredníctvom receptora spojeného s produkciou cGMP.

Tieto príklady ukazujú, že neexistuje jeden univerzálny intracelulárny kanál spoločný pre všetky peptidové hormóny. [3] [6] [11]

Mobilná odpoveď môže tiež prebiehať v rôznych časových rámci.

Signál môže rýchlo meniť existujúce proteíny, ovplyvňovať vylučovanie alebo transport a následne viesť k zmenám v transkripcii génov. Časové vzorce, ako je pulzujúce vylučovanie hormónov, môžu samy osebe prenášať biologicky dôležité informácie. [5] [11]

Hormonálna signalizácia je tiež aktívne obmedzovaná.

Degradácia hormónu, eliminácia v tkanivách, reverzovanie intracelulárnych signálov, presun receptorov, desenzitizácia a negatívny spätný spínač spolu pomáhajú regulovať silu a dobu trvania odpovede. [4] [12] [14] [15]

Najdôležitejšiu zásadu teda môžeme zhrnúť nasledovne:

účinky biologického peptidového hormónu nemožno predvídať len na základe toho, že ide o peptid. Jeho funkcia vyplýva z celého signálneho systému: z toho, aká molekulárna forma vzniká, ako je spracúvaná a uvoľňovaná, akým receptorom ju rozpoznáva, ako cieľová bunka interpretuje receptorový signál, ako sa expozícia v čase mení a ako systém obmedzuje a nakoniec ukončuje reakciu.

Zrieknutie sa zodpovednosti

Článok má výhradne edukatívny a vedecko-informačný charakter. Vysvetľuje biológiu peptidových hormónov, spracovanie prekurzorov, vylučovanie, receptorovú signalizáciu, mechanizmy spätného spúšťania, degradáciu a príklady pochádzajúce z publikovaných štúdií. Neobsahuje lekársku radu, diagnostické odporúčania, odporúčania týkajúce sa liečby, informácie o dávkovaní, pokynoch na podanie ani odporúčaniach týkajúcich sa použitia peptidových hormónov alebo príbuzných látok. Výsledky biochemických, bunkových a zvieracích štúdií a štúdií zahŕňajúcich ľudí sa musia interpretovať v kontexte projektu, podmienok, testovanej populácie a obmedzení jednotlivých prác.

Odkazy

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: Fyzologický inzulín v ľudskom tele. 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). Urinálna eliminácia aquaporínu-2 u ľudí: potenciálny marker citlivosti kolektívnych kanálikov na vazopresín. 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). Kinetické vlastnosti tyrozínovej proteínkinázy receptora inzulínu: Aktivácia prostredníctvom inzulínom stimulovanej špecifickej intramolekulárnej autofosforylácie tyrozínu. Archív biochemii a biofyziky, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A., & Cherubini, R. (2003). Rýchle potlačenie resorpcie kostí a sekrécie parathormónu pri akútnej perorálnej aplikácii vápnika u zdravých dospelých mužov. 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). Modulácia frekvencie impulzov GnRH pri transkripcii génov gonadotropných podjednotiek u normálnych gonadotropov – hodnotenie pomocou analýzy primárnych transkriptov poskytuje dôkazy o roľách GnRH a folistatínu. Endokrinológia, 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). Ochrana kinasovho regulačného domény je nevyhnutná pre aktiváciu guanylylcykáz receptorov natriuretických peptidov. Molekulárna a bunková biológia, 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). Pečeňová a črevná úprava proglucagónu u človeka. Diabetológia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Diferenciálne spracovanie proglucagónu prostredníctvom prohormónových konvertáz typu subtilisínových (PC2 a PC3), ktoré vedie k tvorbe buď glukagónu alebo glukagonom podobného peptidu. 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 zprostredkováva exocytoziu pred-pridelených a nových inzulínových granulátov, čo je podstatou dvojfázového vylučovania inzulínu stimulovaného glukózou v ľudských pankreatických beta-bunkách. Molekulárny metabolizmus, 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). Aktivácia peptidových génov, sekrécia a steroidná spätná väzba počas stimulácie neurónov neuroendokrinného hormónu kortikotropínu u potkanov. Endokrinológia, 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). Glukagón podobný peptid I stimuluje expresiu génu inzulínu a zvyšuje hladiny cyklického AMP v bunnej línií z rakovinových peľových buniek potkana. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Subcelulárna prenosnosť receptora guanylylcyklázy/natriuretického peptidu A spolu s simultánnym vznikom intracelulárneho cGMP. Bioscience Reports, 35(5), Článok e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Signálne témy zdieľané medzi peptidovými a steroidovými hormónmi na plazmovom membráne. STKE vedy, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., & Holst, J. J. (1995). Degradácia glukagónovo podobného peptidu-1 v ľudskej plazme in vitro vedie k tvorbe N-koncového zúženého peptidu, ktorý je hlavným endogénnym metabolitom in vivo. 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). Homologná deenzinifikácia guanylylcyklázy A, receptora pre atriálny natriuretický peptid, je spojená s komplexným vzorom fosforylácie. Časopis FEBS, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x