Obecné principy endokrinních
funkcí.
• Integrace a koordinace = zajištění
integrity a činnosti organismu na
všech úrovních vzhledem k měnícím
se podmínkám zevního a vnitřního
prostředí
• Humorální systém
• Nervový systém
• Imunitní systém
Integrační systémy organismu
Žádný ze systémů
nepracuje nezávisle na
ostatních = funkční
integrace
• Hormony
• Neurohormony
• Neurotransmitery
• Parakrinně (autokrinně) působící
působky
Jak spolu buňky
komunikují?
• Intrakrinie
• Autokrinie
• Parakrinie
• Neurokrinie
• Endokrinie
• Neuroendokrinie
zdroj prostředí cílová buňka
endokrinieparakrinie,autokrinie
žláza
buňka
zdroj prostředí cílová buňka
- syntéza/sekrece
- žádné ovlivnění specifičnosti účinku
- syntéza/sekrece
- hlavní determinant cílové buňky
(dáno lokalizací)
krev
- univerzální prostředí
- diluce a interakce
matrix/intersticiální
tekutina
- difuze
- vazebné proteiny
- proteázy
- komponenty extracellulární matrix
- receptor = specifičnost
- buněčná odpověď
- počet receptorů
- signální dráhy
- další ligandy
- metabolizace ligandu/receptoru
- specifičnost a senzitivita
- difuzní bariéra
- determinanty gradientu
- inhibiční signální dráhy
- vliv dalších ligandů
- vazebné proteiny
parakrinie
autokrinie
makrofág 1,25-[OH]2D3
antimikrobiální
peptidy
ledviny
kost
Intersticiální tekutina
Intersticiální tekutina/IVF
BMP4
proteázy, chordin, noggin diferenciace
kostní formace
makrofág 1,25-[OH]2D3 ledvina – proximální tubulus1,25-[OH]2D3
autokrinie parakrinie endokrinie
Hormony
• Starling 1905 - sekretin
• Glandotropní hormony
• Aglandotropní hormony
• Cílové buňky
• Limitovaná doba působení
Chemická povaha hormonů
ODVOZENÉ OD AMINOKYSELIN
-Adrenalin
-Noradrenalin
-Dopamin
-Melatonin
-T3/T4
PEPTIDY A PROTEINY
-Hormony hypothalamu
-Hormony adenohypofýzy
-Inzulin, glukagon, somatostatin
-Gastrin, cholecystokinin, sekretin
-Natriuretické peptidy
-Erythropoietin, trombopoietin
-PTH, PHrP
-další
STEROIDNÍ
-Kortizol
-Aldosteron
-Testosteron
-Progesteron
-Estradiol
-Kalcitriol
Chemická povaha hormonů
CHEMICKÁ STRUKTURA HORMONŮ URČUJE JEJICH BIOSYNTÉZU, SKLADOVÁNÍ, UVOLNĚNÍ,
TRANSPORT, POLOČAS ELIMINACE, ZPŮSOB ELIMINACE A MECHANISMUS ÚČINKU NA CÍLOVÉ
BUŇKY
Hormon -
charakteristika
Peptidy -
proteiny
Katecholaminy
Steroidní
hormony
Tyreoidální
hormony
F-CH vlastnosti hydrofilní hydrofilní lipofilní lipofilní
syntéza proteosyntéza modifikace Tyr prekurzory CH modifikace Tyr
zásoba sekreční granula sekreční granula není koloid
sekrece řízená exocytóza řízená exocytóza difúze difúze
transport volné volné/ slabě vázané vázané vázané
eliminační poločas
krátký
(4 – 40 – 170 min)
velmi krátký
(2 – 3 min)
středně dlouhý
(až 180 min)
Dlouhý
(20 hod – 7 dní)
receptory membránové membránové cytosolové jaderné
účinek krátkodobý velmi krátkodobý dlouhodobý dlouhodobý
buněčná odpověď rychlá velmi rychlá pomalá pomalá
Hormony
• Pleiotropní účinek
• Multiplicita
• Permisivní působení
aldosteron
Ledviny
Potní žlázy
Slinné žlázy
Tenké střevo
Tlusté střevo
Tuková tkáň
lipolýza
adrenalin
noradrenalin
ghrelin
Růstový
hormon
glukagon
testosteron
kortizol
Arteriola – a2 receptory
katecholaminy
vazokonstrikce
Endokrinní orgány
• specializované buňky – specializované orgány
(endokrinní)
• „sekreční“ buňky – orgány s endokrinní funkcí
• buňky bez specializované sekreční funkce
• buňky konvertující prekurzory hormonů
Tuková tkáň Adipokiny
Cytokiny
(IL-6, TNF-a)
Chemokiny
(MCP-1)
Faktory
komplementu
(adipsin)
Faktory ovlivňující
angiogenezi, cévní
stěnu a srážení
(PAI-1, VEGF)
Homeostáza
glukózy
(adiponektin,
visfatin, apelin,
omentin)
Leptin
Metabolismus
lipidů
(rezistin, RBP,
CETP, )
Faktory ovlivňující
krevní tlak
(angiotenzinogen)
Klinické aspekty
• Produkce hormonů nádory – PARANEOPLASTICKÉ SYNDROMY
Nádory GIT
– ACTH (Cushingův syndrom)
Nádory plic
– ADH (hyponatrémie)
– ACTH (Cushingův syndrom)
– PTHrP (hyperkalcémie)
Nádory jater a ledvin
– erythropoietin
(polycytémie)
Sekrece hormonů a její regulace
• Neurální kontrola
• hypothalamus
• sympatikus, parasympatikus
• Hormonální kontrola
• Regulace sekrece ionty nebo substráty (Glu, AMK)
b-buňka
d-buňka
somatostatin
sympatikus
parasympatikus
Glu AMK
INZULIN
Zpětná vazba
Negativní X Pozitivní
Jednoduchá X Složitá
Sekrece hormonů je regulována zpětnovazebně
Převzato. Kittnar et al. Lékařská
fyziologie. 1. vydání. Grada 2011.
Pozitivní zpětná vazba – proč?
Pinilla, L., Aguilar, E., Dieguez, C., Millar, R. P., Tena-Sempere, M., 2012.
KISSPEPTINS AND REPRODUCTION: PHYSIOLOGICAL ROLES AND
REGULATORY MECHANISMS. Physiological Reviews. 92, 1235-1316.
estrogeny
2. pík
estrogeny
1. pík
negativnínegativní pozitivní
Cyklické změny sekrece hormonů
Nervové/hormonální
= SNC-dependentní
Sytost/hlad
Tělesná teplota
- Melatonin
- ADH
- ACTH – kortisol
- Inzulín
- Ghrelin
- Adiponektin
- Leptin
SCN:
- Aference – sítnice
- Eference – jádra
hypothalamu
Růstovýhormon
AdenohypofýzaHypothalamus
GHRHGHIHSCN
Tuková tkáň
leptin
GIT
prostředí
CRH
kortizol
leptin
melatonin
thyrotropin
LH
Transport hormonů
• Chemická povaha hormonu
• Vazba na transportní protein(y) a její význam
• Albumin
• Globuliny
• Specifické proteiny – TBG, SHBG, CBG
• Síla vazby
• „Alternativnost“ vazby – TBG versus transtyretin
•Protekce
•Rezervoár
•Ubikvitární distribuce
•Transport přes
plasmatickou membránu
(SHBG – megalin)
MEZI HORMONEM A TRANSPORTNÍM PROTEINEM SE USTAVUJE DYNAMICKÁ ROVNOVÁHA
Eliminace hormonů
• Odlišná doba setrvání v cirkulaci
• Metabolizace
• Cílovými buňkami
• Enzymovými systémy v krvi
• Orgány – zejména játra
• Eliminace
• Játra
• Ledviny
FÁZE I
- Hydroxylace, dekarboxylace
- Oxidace, redukce
FÁZE II
- Glukuronidace
- Sulfatace
- Methylace
- Konjugace s glutathionem
žluč moč
Cévní řečiště
metabolizaceeliminace
Hormony a buněčná odpověď
• Cílové buňky
• Specifičnost
• Vysoká afinita
• Selektivita
BUNĚČNÁ ODPOVEĎ JE ZPROSTŘEDKOVÁNA PŘÍSLUŠNÝMI RECEPTORY
SIGNÁLNÍ DRÁHY
BUNĚČNÁ
ODPOVĚĎ
hormon
amplifikace a transdukce signálu
efektorové molekuly
vazba na receptor
synergie
antagonismus
možná ztráta citlivosti
regulace zpětnovazebnými systémy
% obsazených receptorů
konformační změna
MECHANISMY
Konformační změny
Fosforylace/defosforylace + nábor
proteinů
Vazba GTP (G proteiny)
Vazba cAMP (efektorové proteiny)
Generování molekul s prekurzory v PM
Nekovalentní vazba Ca2+
Regulace buněčné odpovědi na úrovni
receptorů
• Downregulace
• Upregulace
• Homologní desensitizace
• Heterologní desensitizace
Fosforylace (specifické kinázy)
Defosforylace (specifické fosfatázy)
Modifikace proteiny inhibované signální dráhy
Sensitizace a desensitizace receptorů spřažených s G proteinem
• a podjednotka s
GTPázovou aktivitou
• desensitizace
• resensitizace
Hormony – proteiny a peptidy
preprohormon – prohormon – hormon (+ fragmenty)
„klasické“ hormony
Hormony produkované
nespecializovanými buňkami
Př. adipokiny
Parakrinně/autokrinně
působící peptidy
Receptory asociované s
plasmatickou membránou
Převzato. Ganong, W. F.
Přehled lékařské fyziologie.
20. vydání. Galén 2005.
Peptidové hormony jako součást preprohormonů
Ligandem vrátkované iontové kanály
SEKRECE HORMONŮ HYPOTHALAMU PO VAZBĚ LIGANDU (NEUROTRANSMITERU) PŘÍSLUŠNÉHO TYPU
Receptory spřažené s G proteinem (GPCR)
amplifikace
•GIRKs
•P/Q a N typ napěťově řízených Ca2+ kanálů
•Některé isoformy AC
•Některé isoformy PLC
Receptory spřažené s G proteinem (GPCR)
Gs – Gs, Golf – aktivace AC
Gi – inhibice AC
•G0 (2, mozek)
•Gt (2, fotorec. – cAMP-PDE)
•Gz (inhibice K+ kanálů)
Gq/11 – aktivace PLCb
G12/13 – inhibice a aktivace
RhoGEF
Ukončení aktivace a limitace buněčné odpovědi
• Vlastní GTPázová aktivita
• Endocytóza
Fosforylovaný receptor = neaktivní
U b-adrenergnícg receptorů – PKA – BARK-P
Receptorové tyrosinkinázy
• 58 RTKs/20 podrodin
• Po vazbě ligandu obvykle
nastává dimerizace
• ATP jako zdroj P pro
fosforylaci intracelulárních
domén/asociovaných
proteinů
• Inzulin
• IGF-1/2
Inzulínový receptor – genomické účinky
• IRS = insulin receptor substrate
• Grb = adaptorový protein (growth
factor receptor-bound protein)
• SoS = Son of sevenless homolog
• Ras = malé proteiny chovající se jako
GTPázy (schopnost vázat GTP)
• Raf = serin/threonin-specifické
proteinkinázy
Inzulínový receptor – metabolické účinky
• P13K = fosfatidylinositol-3-kináza
• Akt = proteinkináza B
Receptory asociované s cytosolickými TK
• GH, prolaktin, leptin,
erythropoietin
• Dimerní receptory BEZ vlastní
TK aktivity
• Asociace s JAK kinázou
• Po vazbě ligandu – dimerizace,
transfosforylace, aktivace
signal transducers and activators of transcription
SOCS proteiny
Receptorové serin/threonin kinázy
• Antimulleriánský hormon, inhibitin
• Forma disociovaného
heterodimeru
• SMAD = „latent transcription
factors“
gamma-activated sequence-like elements (GLEs,
promotorová oblast některých genů)
Receptorové guanylát cyklázy
• Natriuretické peptidy
• ANP, BNP, CNP
Přenos signálu – systém druhých poslů
EXTRACELULÁRNÍ SIGNÁL MUSÍ BÝT PŘEVEDEN DO INTRACELULÁRNÍ ODPOVĚDI
HORMON = PRVNÍ POSEL
INTRACELULÁRNÍ SIGNÁLNÍ MOLEKULA GENEROVANÁ PO VAZBĚ HORMON-RECEPTOR = DRUHÝ POSEL
• cAMP
• TSH, glukagon, ACTH,
hormony hypothalamu, ADH
a další
• Proteinkináza A
• Modulace signálních drah
kompartmentalizací (A-kinase anchoring
proteins (AKAPs))
• cGMP
• ANP, BNP, CNP
• NO jako signální
molekula
• Proteinkináza G
• DAG a IP3
• PIP2 – fosfolipáza C systém
• Ca2+
• Ca2+/Ca2+-kalmodulin
Systém AC - cAMP
• PKA
• CREB (cAMP-responsive
element–binding protein)
• Epac (E) jako další efektorová
molekula (exchange protein
activated by cAMP)
• cyclic nucleotide gated (CNG)
channels
• hyperpolarization-activated
cyclic nucleotide modulated
(HCN) channels
• fosfodiesterázy
Systém PLC - DAG a IP3
Systém Ca2+ - kalmodulin
ER
Ca2+
Extracelulární signály
(hormony, neurotransmitery)kalmodulin-dependentníkinázy
NO jako signální molekula - cGMP
Donald JA, Forgan LG, Cameron MS: The evolution of nitric oxide signalling in
vertebrate blood vessels. J Comp Physiol B-Biochem Syst Environ Physiol
2015, 185(2):153-171.
• eNOS
• nNOS
• iNOS
Shrnutí – membránové receptory a asociované systémy
Klinické aspekty
• Syndromy rezistencí k hormonům (př. IR, IGF-1, TRb)
• Syndromy způsobené mutacemi CPCRs a G proteinů
• ADH – nefrogenní diabetes insipidus
• ACTH – familiární ACTH rezistence
• GnRH – hypogonadotropní hypogonadismus
• FSH – hypergonadotropní ovariální dysgeneze
• LH – mužský pseudohermafroditismus
• Melanokortin 4 – obezita
• PTH/PTHrP – Blomstrandova letální chondrodysplazie
Hormony působící přes jaderné receptory
HORMONY
-Hormony štítné žlázy – TRa/b
-Estrogeny – ERa/b
-Testosteron - AR
-Progesteron - PR
-Aldosteron - MR
-Kortizol - GR
PRODUKTY METABOLISMU A XENOBIOTIKA
-Mastné kyselina – PPAR a,b,g
-Oxysteroly – jaterní X receptor LXR a,b
-Žlučové kyseliny - BAR
-Hem – RevErb a,b
-Fosfolipidy – homolog jaterního receptoru LRH-1, SF-1
-Xenobiotika – pregnanový X receptor PXR
- konstitutivní androstanový receptor CAR
VITAMÍNY
-1,25-[OH]2D3 - VDR
-All-trans-retinová kyselina – RA receptory a,b,g
-9-cis-retinová kyselina – retinoid X receptor RXR a,b,g
homodimery
heterodimery
-Orphan „sirotčí“ receptory
-Variantní receptory
Vysvětlení některých účinků a patologií
Obecný mechanismus
účinku hormonů
působících přes jaderné
receptory
-Vysoká afinita vazby ligandu = dáno strukturou R
-Rozeznání specifické promotorové oblasti
-Dimerizace receptorů (homodimery, heterodimery)
-Remodelace chromatinu pro genovou expresi (HDAC)
-Genová exprese ve výsledku snížená, nebo zvýšená
PROČ POUZE JADERNÉ RECEPTORY?
-Syntéza v cytoplasmě
-Zde setrvávají do vazby ligandu, nebo transport do J -Regulační mechanismus – modifikace a počet receptorů
-Významný parametr – selektivita cílových buněk
-Tkáňově specifické faktory, koaktivátory a korepresory
Jaderné receptory
ATD
(amino terminus domain)
DBD
(DNA binding domain)
LBD
(ligand binding domain)
-Vazba s koregulatorními proteiny
(nezávislá na ligandu)
- Fosforylační místa
-Vazba s DNA (zinkové prsty)
-Dimerizace
-ERE, PRE, GRE, MRE, ARE
-Vazba ligandu (agonista, antagonista)
-Vazba s koregulatorními proteiny
(závislá na ligandu)
-Dimerizace
-Jaderná translokace
-Asociace s chaperony (HSP)
Příklad – steroidní hormony
GTFs = obecné transkripční faktory
(remodulátory chromatinu)
HAT = histon acetyltransferáza
Příklad – hormony
štítné žlázy
THRs, VDR, PPARs, RXRs
THR = heterodimer
hormon
hormon
+
RA
základní transripce
stimulovaná transripce
Ukončení účinku hormonu
Receptorem
zprostředkovaná
endocytóza a následná
degradace v lysozómu
Fosforylace/defosforylace
receptoru nebo
proteinů signální dráhy
Ubikvitinace a
proteosomální
degradace
Vazba regulačního
faktoru na příslušný
protein (enzym)
Vnitřní enzymová
aktivita a její regulace
Klinické aspekty
• Nadprodukce hormonů
• Nedostatečná produkce hormonů
• Změny citlivosti cílových tkání a/nebo změna buněčné odpovědi
• Zvýšená inaktivace nebo degradace hormonů
• Nedostatečná produkce nebo zvýšená degradace transportních
proteinů
• Změny produkce transportních hormonů při fyziologických stavech
(těhotenství)
Klinické aspekty
- Snížení počtu receptorů
- Snížení koncentrace enzymu aktivujícího hormon
- Zvýšení koncentrace nekompetitivního inhibitoru
- Snížení počtu cílových buněk
- Snížení afinity hormonu k receptoru
- Snížení počtu receptorů
- Zvýšená rychlost degradace hormonu
- Zvýšená koncentrace antagonistů/competitivních
inhibitorů
Měření hladiny hormonů v krvi
EXTRÉMNĚ NÍZKÁ HLADINA HORMONŮ V KRVI
-ZNAČNÉ POŽADAVKY NA CITLIVOST METOD
-ŠIROKÉ KONCENTRAČNÍ ROZPĚTÍ
Metody založené na interakci antigen-protilátka
-Požadavky na protilátku (poly- X monoklonální)
-Monoklonální protilátky = specifické epitopy
-Radioaktivně značené protilátky
-Nutnost kvantifikace!
-RIA, ELISA
Metody založené na HPLC-MS
Aplikace separačních technik – volné X vázané hormony
- dialýza
Metody založené na nukleových kyselinách
-Hybridizační techniky
-Restrikční fragmentaca, elektroforéza, sekvenování
RIA =
radioimunoanalýza
HPLC-MS