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Aspetti biochimici di specifici ormoni
The Endocrine System
Struttura dell’ipofisi e
trasporto degli ormoni
ipotalamici all’ipofisi
anteriore e posteriore
Notare che l’ipofisi posteriore ha un
apporto sanguigno arterioso mentre
l’anteriore è irrorata da un sistema
portale.
Gli ormoni glicoproteici condividono una subunità comune (α). CHO indica la localizzazione approssimativa delle catene glicosidiche.
Proopiomelanocortina (POMC)
Il gene della POMC è espresso non solo nella ipofisi, ma anche in altri organi come il cervello e la pelle. Dalla frammentazione proteolitica, tessuto-specifica, della POMC possono derivare vari peptidi con attività ormonale o di neurotrasmettitore. In funzione delle specifiche endopeptidasi (Proormone Convertasi, PC) espresse in un tessuto e quindi dei siti di taglio della POMC utilizzati, si possono generare peptidi diversi in tessuti diversi.
N C
Proopiomelanocortina (POMC)
Nelle cellule corticotrope dell’adenoipofisi, la POMC viene tagliata in siti specifici così da produrre i peptidi corticotropina (ACTH) e β-lipotropina, che sono secreti in circolo. In altre cellule possono essere utilizzati anche altri siti di taglio, generando peptidi più piccoli, alcuni dei quali dotati di attività biologica (MSH, endorfine).
N C
GHGrowth Hormon
e
191 aminoacidi
2 ponti S-S
GHRHÈ un peptide di 40 o 44 aminoacidi (sopra è mostrata la forma a 44 AA)
Il residuo di leucina C-terminale è modificato a formare un ammide (-LeuNH2)
Quello sulla destra è un topo transgenico che sovraesprime il gene del GHRH
Come ottenere un topo gigante?
Somatostatina (GHRIH o SRIH)
La somatostatina viene sintetizzata in due forme, chiamate SS-14 e SS-28 in base al numero di aminoacidi che le compongono
Regolazione della biosintesi del GH
GHF-1=Pit-1, un fattore di trascrizione specifico dell’ipofisi
Cellula somatotropa
Asse GH
IGF-I
SRIH = Somatostatin; GH-R = GH Receptor; GHBP = GH Binding Protein; IGF-I = Insulin-like Growth Factor-type I; IGF-R = IGF-I Receptor; IGFBP = IGF Binding Proteins
IGF-I-
JAK-2
STAT-5
Ghrelin(fast)
STOMACH+
SECREZIONE GH pulsante; sp. nel sonno; favorita da digiuno (ipoglicemia), pasto proteico (aminoacidi), stress, esercizio fisico.
Gli effetti del GH sono in parte
mediati dall’IGF-I, specie quelli sulla
crescita.Il fegato è la
principale fonte di IGF-I in circolo e i livelli plasmatici di
IGF-I dipendono dal GH.
IGF-I IGF-II Insulina
Struttura (P.M.) 1 catena (7649 da) 1 catena (7471 da) 2 catene (5734 da)
Origine Principalmente fegato fegato Cellule β pancreas
Dipendenza da GH ++++ (forte) + (debole) 0 (nulla)
Secrezione Rilascio lento e costante Rilascio lento e costante Rilascio pulsatile
Produzione 10 mg/giorno 13 mg/giorno 2 mg/giorno
Concentraz. adulti 200 ng/ml 700 ng/ml 0,5-5 ng/ml
Variaz. circadiana Poco o niente Poco o niente Sì
Forme circolanti Principalmente legato Principalmente legato Libera
Proteine leganti IGF-BP (6 isoforme) IGF-BP (6 isoforme) Nessuna
T ½ nel siero 12-15 ore 15 ore 5 minuti
Azione Endo/Para/Autocrina Endo/Para/Autocrina Endocrina
Recettori alta affin. IGF-I R IGF-I R, IR-A, IGF-II R IR-A, IR-B
Confronto fra IGF-I, IGF-II e insulina sierici
IR-A, IR-B = isoforme recettore Insulina. IR-A è espresso prevalentemente nel feto e nei tessuti bersaglio non-classici dell’insulina. IGF-II R serve solo per la rimozione di IGF-II, non trasmette segnale.
Effetti del GH sul metabolismo(effetti clinici della somministrazione di GH)
• Metabolismo azotato*
trasporto aminoacidi, sintesi proteica, sintesi DNA e RNA; urea
• Metabolismo lipidico**
Modesto lipolisi • Metabolismo glucidico**
Trasporto e utilizzo glucoso; gluconeogenesi
Bilancio azotato positivo
glicerolo e acidi grassi (FFA) nel sangue
glicemia
n.b. gli effetti sul metabolismo lipidico e glucidico dipendono dal background ormonale e dallo stato di alimentazione. In cellule e tessuti non esposti al GH da tempo, il GH provoca inizialmente effetti insulino-simili, come trasporto di glucoso e lipogenesi.
* L’effetto sul metabolismo azotato è simile a quello dell’insulina e può essere sia mediato da IGF-I che dovuto ad azioni dirette del GH
** effetti anti-insulinici
ProglucagoneGene
Proteina
Glucagone+IP I = Oxintomodulina, Glucagone (29
aminoacidi)GLP-I,
GLP-II
cells (PC2)L cells (PC1)
110 AA 86 AA21 AA + 30 AA
31 AA24 AA
Biosintesi e struttura della insulinaBiosintesi e struttura della insulina
Maturazione della Proinsulina
1. Endopeptidasi (Proormone Convertasi, PC)2. Carbossipeptidasi (CP)
Controllo della secrezione di insulina
GLUT-2
Glucocinasi
XGLP-1
receptor
Nutrienti,
Ormoni,
Neurotrasmettitori
Principali segnali di stimolazione (+) e inibizione (-) della secrezione di
insulina e glucagone
INSULINA GLUCAGONE
GLUCOSO
Aminoacidi
Acidi Grassi
+
+
+
-
+
-
Insulina
Glucagone
Somatostatina
GLP-I
GIP
+
+
-
+
+
-
-
-
Catecolamine
Acetilcolina
- ()
+
+ ()
+
GIP = Gastric Inhibitory Peptide = Glucose-dependent Insulinotropic Polypeptide; GLP-I = Glucagon-like peptide I
Effetti principali di insulina e glucagone sul metabolismo
Metabolismo Risposte metaboliche
INSULINA GLUCAGONE
GLUCIDI entrata glucoso nelle cellule glicogenosintesi
glicolisi
glicogenolisi gluconeogenesi
LIPIDI sintesi acidi grassi
lipogenesi
lipolisi chetogenesi
PROTEINE entrata aminoacidi
nelle cellule sintesi proteica
catabolismo degli aminoacidi
Effetti del glucagone sul metabolismo glucidico (fegato)
- +
INDUZIONE
REPRESSIONE
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006
Il glucagone stimola la lipolisi nel
tessuto adiposo
Schema generale degli effetti metabolici del glucagone
Glu=Glucoso
Principali vie di segnalazione
dell’insulina
IRS , “Insulin Receptor Substrate”;
PI3K, fosfoinositide 3-chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4;
PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione
La PI3K si ritiene molto importante per gli effetti metabolici della insulina
GluGlu 2Na+
3Na+
2K+
ATP ADP+Pi
Glu=Glucoso
Trasportatori del glucoso: 1. simporto accoppiato al trasporto di Na+
(trasporto attivo secondario)
Trasportatori Note sulla cinetica (Km, Vm)
Substrato Principali siti di espressione
Funzioni
SGLT-1 Affinità molto alta
Glucoso, galattoso
Intestino, rene
Assorbimento intestinale, riassorbimento renale
SGLT-2 Alta capacità
Glucoso Rene Maggior frazione del riassorbimento renale
SGLT = Sodium/Glucose cotransporter
Trasportatori del glucoso: 2. uniporto (trasporto passivo)
Trasportatori Note su Km, Vm e specificità
Siti di espressione principali
Funzioni principali
GLUT-1 Trasporta anche galattoso e mannoso
Ubiquitario (sp. eritrociti, barriera emato-encefalica)
Trasporto di base e stimolato da fattori di crescita, trasporto attraverso la barriera e.e.
GLUT-2 Bassa affinità, alta capacità; trasporta anche fruttoso
Fegato, cellule β isole del pancreas, intestino, rene
Parte del sensore del glucoso (fegato e isole del pancreas); trasporto transepiteliale (m. basolaterale intestino e rene)
GLUT-3 Alta affinità Neuroni e altre cellule
Trasporto nei neuroni del cervello
GLUT-4 Muscolo scheletrico e cardiaco, tessuto adiposo
Trasporto stimolato dall’insulina
GLUT-5 Trasportatore specifico del fruttoso
Intestino, spermatozoi
Assorbimento del fruttoso nell’intestino
La regolazione dell’assunzione di glucoso nel muscolo e nel tessuto adiposo mediante l’esocitosi stimolata dall’insulina di vescicole contenenti il trasportatore del glucosio GLUT4. Dopo la rimozione dell’insulina, il processo viene invertito dall’endocitosi
Principali vie di segnalazione
dell’insulina
IRS , “Insulin Receptor Substrate”;
PI3K, fosfoinositide 3-chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4;
PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione
In seguito all’inibizione di protein chinasi (GSK3, PKA) e all’attivazione di protein fosfatasi (PP1) in vari tessuti, molti enzimi si trovano in uno stato defosforilato.
L’attivazione della PI3K, in genere con la mediazione della PKB, conduce alla rapida regolazione di enzimi chiave del metabolismo
ATTIVITA’ ENZIMA CONSEGUENZE
Glicogeno sintasi Glicogenosintesi
Fosforilasi cinasi, Glicogeno fosforilasi
Glicogenolisi
/ Fosfofruttocinasi-2/Fruttoso 2,6-bisfosfatasi (enzima tandem)
Glicolisi - Glucogenesi
Piruvico cinasi Glicolisi
Piruvico deidrogenasi Ac. Piruvico→Acetil CoA
Acetil CoA carbossilasi Biosintesi Ac. Grassi
Trigligeride lipasi Lipolisi
HMG CoA reduttasi Biosintesi colesterolo
ALCUNI ENZIMI DEFOSFORILATI IN RISPOSTA ALL’INSULINA
Principali vie di segnalazione
dell’insulina
IRS, “Insulin Receptor Substrate”;
PI3K, fosfoinositide 3-chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4;
PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione
Cascate dipendenti dalla PI3K possono portare all’attivazione della sintesi proteica (traduzione) in molti tessuti e regolare l’espressione di specifici geni (trascrizione), inducendo così risposte più lente ma durature.
ESPRESSIONE ENZIMA CONSEGUENZE
Glucocinasi Utilizzazione glucoso
Fosfofruttocinasi-1,Piruvico cinasi,Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi
Glicolisi
Fosfoenolpiruvico carbossicinasi Gluconeogenesi
Glucoso 6-fosfato deidrogenasi Ciclo dei Pentosi
Enzima malico NADPH
Acido grasso sintasi Biosintesi Ac. Grassi
Carbamilfosfato sintetasi-I Ureogenesi
Lipoprotein lipasi Lipogenesi
ALCUNI ENZIMI REGOLATI DALL’INSULINA A LIVELLO TRASCRIZIONALE
L’insulina favorisce l’espressione e l’attivazione di SREBP-1c, un fattore di trascrizione critico
per l’espressione di enzimi chiave della glicolisi e della biosintesi degli acidi grassi
GK = Glucochinasi
L-PK = Piruvato
chinasi
ACC = Acetil-CoA carbossilasi;FAS= Acido grasso sintasi
FegatoPI3K
L’insulina favorisce la degradazione di FOXO1, un fattore di trascrizione critico per l’espressione di enzimi della glucogenesi
Ruolo dei classici tessuti bersaglio
Catecolamine: neurotrasmettitori ed ormoni
• Adrenalina (A) Noradrenalina (NA) Dopamina (D)
• Biosintesi:
1. Cellule cromaffini MIDOLLARE del surrene secerne in circolo A (per l’80%) e NA
2. Neuroni gangliari SN Simpatico NA
3. Neuroni SN Centrale D, NA o A
Cellula Midollare
A
Ach
NA
Ach
Neurone gangliare SNS
Neuroni pregangliari SNS
SN=Sistema Nervoso; Ach=Acetilcolina
Biosintesi delle catecolamine
Epinefrina = Adrenalina
Norepinefrina = Noradrenalina
COMT=catecol-o-metil transferasi; MAO=monoamino ossidasi
VMA è il principale prodotto del catabolismo delle catecolamine e può essere dosato nelle urine.
aldeide
Sottotipi di recettori
adrenergicied esempi di risposte
fisiologiche
A = AdrenalinaNA = Noradrenalina
Recettori Dopaminergici:
Tipo D1 Gs
Tipo D2 Gi
cAMP
cAMP
cAMP
Gli ormoni tiroidei (T3 e T4)
Gli ormoni tiroidei sono iodotironine: T3 = 3,5,3’-triiodotironina; T4 = 3,5,3’,5’-tetraiodotironina o tiroxina. Le iodotironine possono essere considerati come derivati della tirosina.
La captazione dello I- nei follicoli tiroidei: il simporto Na/I
Il trasporto dello ione ioduro (I-) dal sangue all’interno delle cellule follicolari tiroidee avviene contro gradiente elettrochimico, e coinvolge un cotrasportatore per il Na+ e lo I-, posto sulla membrana basale e accoppiato alla pompa Na+/K+ ATPasi. Il processo di cattura dello I- è molto efficiente e produce una concentrazione di I all’interno delle cellule dei follicoli molto superiore a quella ematica. Lo I- passa poi nel lume del follicolo.
Biosintesi delle iodotironine nei follicoli tiroidei
Le reazioni catalizzate dalla tireoperossidasi a livello della membrana apicale sono racchiuse nelrettangolo.
I* = forma reattiva, ossidata, dello iodio
TG, tireoglobulina (660 KDa)
H2O2
NADPH O2
SANGUE
Accoppiamento di iodotirosine con formazione di iodotironine nella
tireoglobulina
catena polipeptidica della tireoglobulina
Riassorbimento della colloide nelle cellule del follicolo tiroideo e secrezione delle
iodotironine
TG, tireoglobulina
MIT, DIT, mono- e di-iodotirosina
NADPH
Stimolazione di:
Sintesi Tireoglobulina,
Tireoperossidasi e Simporto Na/I
Captazione I-
Produzione NADPH e H2O2
Riassorbimento colloide e
secrezione T4 e T3
Azioni del TSH
Geni TSH
Il TSH è sintetizzato nelle cellule tireotrope dell’adenoipofisi. Appartenendo alla famiglia degli ormoni glicoproteici dell’adenoipofisi, è un eterodimero costituito da 2 catene polipeptidiche diverse, e β, codificate da 2 geni distinti.
Struttura dell’ormone stimolante il rilascio di TSH (TRH)
Il TRH è un tripeptide che stimola la secrezione e, in tempi più lunghi, anche la sintesi di TSH
TRH
Ipofisi*
Ipotalamo
Tiroide
Asse ipotalamo-ipofisi-tiroide
TSH
T4, T3
-
-
SomatostatinaDopamina-
+
+
*Cellule tireotrope
Ormoni tiroidei nel plasmaTotale circolante
Frazione libera
Emivita plasmatica
T4 8 µg/100 ml 2 ng/100 ml
(0,02 %)
6-8 giorni
T3 0,14 µg/100 ml 0,3 ng/100 ml
(0,2 %)
1-2 giorni
T4/T3 60 7
Le proteine plasmatiche TBG e in misura inferiore TBPA e l’albumina legano T4 e, con minore affinità, T3 nel plasma.
5’-deiodinazione 5-deiodinazione
Iodotironine deiodinasi
Attivazione! Inattivazione!
T4 T3
T4/T3
T3
T3T4
TRmtDNA
Gene Transcription
Proteins
Cellule bersaglio degli ormoni tiroidei: azioni nucleari ed extra-nucleari
Esempi di enzimi la cui sintesi è stimolata dalle iodotironine
Esocinasi Citocromo ossidasi
Glucocinasi Enzima malico
Glucoso 6-fosfato deidrogenasi
Acido grasso sintasi
Glucoso 6-fosfatasi Glicerolo cinasi
Piruvico carbossilasi Arginasi
Fosfoenolpiruvico carbossicinasi
Carbamilfosfato sintetasi I
Glicerolo 3-fosfato deidrogenasi
Na+, K+-ATPasi
Biosintesi ormoni steroidi
DHA = Deidroisoandrosterone = DHEA = Deidroepiandrosterone
Reazioni di idrossilazione degli steroidi
O2 + R-H R-OH + H2O
NADPH + H+ NADP+
NADPH FAD Fe3+ Fe3+ O2Flavo Proteina
Fe Proteina non eminica
Citocromo P450 (CYP)
Molti enzimi coinvolti nella sintesi degli steroidi sono membri della famiglia di monoossigenasi del citocromo P450 (CYP), che contengono eme e catalizzano reazioni di idrossilazione.
R = atomo di C di uno steroide
Biosintesi
cortisolo1. Colesterolo 20-22 desmolasi
2.17α-idrossilasi
9. 3-OH-steroide deidrogenasi/ 4,5 isomerasi
4. 21-idrossilasi
5. 11-idrossilasi
9
9
Disponibilità del colesterolo e compartimen-tazione subcellulare nella biosintesi del cortisolo
P450scc = enzima che taglia la catena laterale del colesterolo (C. Desmolasi) nella membrana mit. interna
lipasi (Colesterolo esterasi)
StAR = Proteina labile che favorisce il trasporto del colesterolo alla membr. mit. interna
R
Elementi principali della risposta delle cellule della corticosurrenale alla stimolazione dell’ACTH
(StAR)
Colesterolo desmolasi
(Colesterolo esterasi)
L’ACTH deriva dalla Proopiomelanocortina (POMC)
Proopiomelanocortina e prodotti della sua frammentazione. L’allineamento degli aminoacidi del precursore è mantenuto nella rappresentazione dei prodotti.
ACTH (39 aminoacidi)
Struttura dell’ormone stimolante il rilascio di ACTH (CRH)
Il CRH è un peptide di 41 aminoacidi che agisce sulle cellule corticotrope stimolando non solo il rilascio, ma anche la sintesi di ACTH ( espressione POMC). Il CRH agisce sulle cellule corticotrope tramite specifici recettori accoppiati a proteine Gs.
CRH
Ipofisi*
Ipotalamo
Cort. Surrene
Asse ipotalamo-ipofisi-surrene
ACTH
Glucocorticoidi
-
-
SNC (stress)
+
+
+
*Cellule corticotrope
SNC = Sistema Nervoso Centrale
Trasporto plasmatico e catabolismo dei glucocorticoidi
il 95% del cortisolo nel plasma è legato a trasportatori: CBG (lega anche altri steroidi a 21 C) e albumina.
In generale il catabolismo degli ormoni steroidi si svolge prevalentemente nel fegato e prevede:
1. Riduzione della potenza biologica per modificazione dei gruppi funzionali. Ad es. l’ossidrile in C-11 del cortisolo viene ossidato a chetone dalla 11-OH-Steroide Deidrogenasi con formazione di cortisone (inattivo)
2. Conversione in forme più idrosolubili (coniugazione con ac. glucuronico o solfato): penetrazione nelle cellule bersaglio eliminazione con le urine
INDUZIONE ENZIMI NEL FEGATO(esempi):
FOSFOENOLPIRUVICO CARBOSSICINASI
TIROSINA AMINOTRANSFERASI
TRIPTOFANO OSSIGENASI
Effetti metabolici dei glucocorticoidi
- inibizione; + stimolazione
ANABOLICO CC
AATTAABBOOLLIICCOO
Regolazione ormonale della trascrizione del gene della fosfoenolpiruvato carbossichinasi
(PEPCK)
Ormone Elemento di risposta
Effetto sulla sintesi della PEPCK
Glucocorticoidi GRE Stimolazione
Ormone tiroideo TRE Stimolazione
Glucagone CRE Stimolazione
Insulina IRE Inibizione
regione regolatrice (semplificata) del gene per la PEPCK
Il fattore di trascrizione NF-B è costituito da un eterodimero
(tipicamente p65 e p50) presente in forma inattiva nel citosol legato all’inibitore IB-
. Varie cascate di chinasi conducono all’attivazione del
complesso chinasico IKK, che fosforila IB- destinandolo
alla degradazione e permettendo l’attivazione di
NF-B. NF-B può così stimolare la trascrizione di
geni pro-infiammatori. I glucocorticoidi possono
inibire NF-B tramite vari meccanismi mediati dai loro
recettori (GR).
Attivazione di NF-B e risposta
infiammatoria
Meccanismi molecolari dell’azione anti-infiammatoria dei glucocorticoidi mediata dai recettori nucleari (GR)
1. Diretta inattivazione del fattore di trascrizione NF-kB2. Induzione trascrizionale di IkB, inibitore di NF-kB3. Diretta inattivazione del fattore di trascrizione AP-14. Induzione trascrizionale di Lipocortina, inibitore di PLA2
Il cortisolo e il recettore nucleare dei mineralcorticoidi nel Rene
MR = recettore nucleare dei mineralcorticoidi (aldosterone)
11 OH SD = 11-idrossi steroide deidrogenasi
MR
Un pensiero
noi (esseri umani) siamo qualcosa di più di un insieme di molecole, che generalmente funziona in modo mirabile e a volte un po’ meno:
siamo “persone”, uniche, irripetibili, libere, ciascuna in relazione ad altre persone.