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.