Obecné principy endokrinních funkcí. Integrace nervového, endokrinního a imunitního systému Physical; emotional; chemical; etc. Hormony Neurohormony Neurotransmitery • Parakrinně (autokrinně) působící působky CRH neurons Pituitary gland Adrenal gland Medulla • • • • Epinephrine and O Norepinephrine Cytokines such as IL-1 Viruses; bacteria; tumors Jak spolu buňky komunikují? • Intrakrinie * Autokrinie • Parakrinie • Neurokrinie • Endokrinie • Neuroendokrinie zdroj prostředí cílová buňka 1. INTRACRINE 2. AUTOCRINE 3. PARACRINE TARGET CELLS SIGNALING CELL 5. ENDOCRINE BLOOD VESSEL ENDOCRINE CELLS TARGET CELLS 4. NEUROCRINE NEURONS 6. NEUROENDOCRINE NEUROSECRETORY NEURON BLOOD VESSEL ANTERIOR PITUITARY CELLS (U C i- O TJ C (U zdroj prostředí c syntéza/sekrece žádné ovlivnění specifičnosti účinku univerzální prostředí diluce a interakce receptor = specifičnost buněčná odpověď - počet receptoru - signální dráhy - další ligandy - metabolizace ligandu/receptoru - syntéza/sekrece - hlavní determinant cílové buňky (dáno lokalizací) matrix/intersticiální tekutina difúze vazebné proteiny proteázy komponenty extracellulární matrix specifičnost a senzitivita difuzní bariéra determinanty gradientu inhibiční signální dráhy vliv dalších ligandů vazebné proteiny Hormony • Starling 1905 - sekretin Glandotropní hormony • Aglandotropní hormony Cílové buňky Limitovaná doba působení Hypothalamus Releasing hormones: GHRH, CRH, TRH, GnRH Inhibitory hormones: somatostatin, dopamine, vasopressin oxytocin Thyroid gland T3, T4, & calcitonin Adrenal glands Cortisol Aldosterone Adrenal androgens Epinephrine Norepinephrine Ovaries Estrogens Progesterone Pituitary gland Growth hormone, Prolactin. ACTH, MSH. TSH. FSH, & LH Parathyroid glands Parathyroid hormone Pancreas Insulin Glucagon Somatostatin Testes Testosterone Source: Molina ft: Endocrine Physiology, 4th Edition: www.accessrrtedicine.com Copyright c The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Chemická povaha hormonů ODVOZENÉ OD AMINOKYSELIN -Adrenalin -Noradrenalin H3C^Q -Dopamin -Melatonin -T3/T4 STEROIDNI -Kortizol -Aldosteron -Testosteron -Progesteron -Estradiol -Kalcitriol HIM.XH3 T o PEPTIDY A PROTEINY -Hormony hypothalamu -Hormony adenohypofýzy -Inzulín, glukagon, somatostatin -Gastrin, cholecystokinin, sekretin -Natriuretické peptidy -Erythropoietin, trombopoietin -PTH, PHrP další H2N O NH N-,- HN ' Ö y—NH gH /— i.....U0 Chemická povaha hormonů 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 CHEMICKÁ STRUKTURA HORMONŮ URČUJE JEJICH BIOSYNTÉZU, SKLADOVÁNÍ, UVOLNĚNÍ, TRANSPORT, POLOČAS ELIMINACE, ZPŮSOB ELIMINACE A MECHANISMUS ÚČINKU NA CÍLOVÉ BUŇKY Hormony Pleiotropní účinek Multiplicita • Permisivní působení Arteriola - a.2 receptory lipolýza 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 Klinické aspekty Nádory jater a ledvin - erythropoietin Nádory plic -ADH (hyponatrémie) - ACTH (Cushingův syndrom) (polycytémie) - PTHrP (hyperkalcémie) Nádory GIT -ACTH (Cushingův synd Sekrece hormonů a její regulace • Neurální kontrola • hypothalamus • sympatikus, parasympatikus • Hormonální kontrola • Regulace sekrece ionty nebo substráty (Glu, AMK) INZULÍN Sekrece hormonů je regulována zpětnovazebně —* hypotalamus [© adenohypofýza ^^^^^^^^^ | tropní hormon cílová žláza I hormon cílové žlázy I biologický účinek biologická odpověď er endokrinní buňka I hormon kalcem Zpětná vazba Negativní X Pozitivní Jednoduchá X Složitá Převzato. Kittnar et al. Lékařská fyziologie. 1. vydání. Grada 2011. SCN: - Aference - sítnice - Eference-jádra hypothalami! Melatonin ADH ACTH - kortisol Inzulín Ghrelin Adiponektin Leptin Cyklické změny sekrece hormonů External 24 h light-dark cycle Endogenous circadian rhythm SCN (Master clock) Photic Zeitgeber Entrainment Synchronization Non photic Zeitgeber ■ Sleep-wake cycle ■ Physical activity ■ Social time ■ Meals Peripheral oscillators Cellular oscillators Nervové/hormonální = SNC-dependentní Sytost/hlad Tělesná teplota Sekrece hormonů je pulzní CRH I kortizol □ B 0 ■z) 1 r.1 600 T-r-1-r-1-í-r 0600 1200 1600 2000 2400 0400 0800 1200 1600 2000 24-hoLir ctook lime ■z o _ E 2 a) E, % c a-D melatonin □ thyrotropin 1 r30 g li £0 1 =T í E ě "a ú Ji At Lo £ A ■ ■ A I LH 0800 1200 1600 2000 2400 0400 0800 1200 16O0 2000 24-hour clock lime Transport hormonů • Chemická povaha hormonu • Vazba na transportní protein(y) a její význam • Albumin • Globulíny • 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 FAZEI Hydroxylace, dekarboxylace - Oxidace, redukce FÁZE II Glukuronidace - Sulfatace Methylace Konjugace s glutathionem \7 Cevni reciste \7 \7 moč Hormony a buněčná odpověď Cílové buňky Specifičnost hormon o oo Vysoká afinita 0°°0o O ' Selektivita MECHANISMY Konformační změny Fosforylace/defosforylace + nábor proteinů Vazba GTP (G proteiny) Vazba cAMP (efektorové proteiny) Generování molekul s prekurzory v PM Nekovalentní vazba Ca2+ SIGNÁLNI DRAHY vazba na receptor amplifikace a transdukce signálu efektorové molekuly % obsazených receptoru konformační změna BUNECNA ODPOVĚĎ synergie antagonismus možná ztráta citlivosti regulace zpětnovazebnými systémy BUNECNA ODPOVEĎ JE ZPROSTŘEDKOVANÁ PRÍSLUŠNÝMI RECEPTORY Regulace buněčné odpovědi na úrovni receptoru Active receptor Desensitized receptor Downregulace Upregulace Homologni desensitizace Heterologni desensitizace Fosforylace (specifické kinázy) Defosforylace (specifické fosfatázy) Modifikace proteiny inhibované signální dráhy Receptor protein Agonist ■xmíxm J-..y<.'.ti,.'rxiei»^Äw..M'.•»:»>wot O o •immnmm,in.i,■ml [a Wj ©f1^) Immature secretory granules Mature secretory granules počet aminokyselin v prekurzoru 166 prekurzorový peptid prepropresofyzin 242 267 265 236 AVP prepro TRH TRH TRH TRH TRH TRH TRH preproenkefalin A |~] Met-enk | Leu-enk preproopiomelanokortin "Met-enk oktapeptid 'Met-enk heptapeptid MSH ACTH MSH konec preprodynorfin (preproenkefalin B) I Leu-enk N-konec Dyn počet aminokyselin v hormonu 5. 7. 8 39 ACTH 31(i-endortin 17 dynorfin Obr. 1-22. Příklady velkých prekurzoru (preprohormonů) malých peptidových hormonů. Viz také obr. 14-12. TRH - hormon uvolňující thyrotropin; AVP - argininvazopresin, Met-enk - met-enkefalin, Leu-enk - leu-enkefalin, MSH - hormon stimulující melanocyty, ACTH - adrenokortíkotropní hormon, konec - p-endorfín. Dyn - dynorín, N-konec - neoendorfin preprohormon - prohormon - hormon (+ fragmenty) Receptory spřažené s G proteinem (GPCR) GPCR (inactive) Q Hormone i GPCR-Hormone complex --O (active) (jinn 6w) GDP " <%YGTP"(5 GDP VGTP amphfikace fAdenylyl cyclase >■ GTP-® - Effector proteins \ Phospholipase I ^Others Increased level of 2nd messengers •GIRKs •P/Q a N typ napěťově řízených Ca2+ kanálů •Některé isoformy AC •Některé isoformy PLC cAMP {Fig 1-13) DAG (Fig 1-15) -> IP3 -+> Ca2+ (Fig 1-15) Specific cellular response to specific hormone-GPCR signal Receptory spřažené s G proteinem (GPCR) Gs - Gs, G0|f - aktivace AC inhibice AC •G0 (2, mozek) •Gt (2, fotorec. - cAMP-PDE) •Gz (inhibice K+ kanálů) Gq/11 - aktivace PLCß G12/13- inhibice a aktivace RhoGEF Peptide and protein: Glucagon, Angiotensin, GnRH, SS, GHRH, FSH, LH, TSH, ACTH Amino acid derived: Epinephrine, norepinephrine Ion channels, PI3KY) PLC-ß, adenylate cyclases Biological responses Adenylate cyclase i cAMP PLC-ß DAG Ca++ PKC Adenylate cyclase t cAMP Gene expression regulation factors Nucleus Receptorové tyrosinkinázy i EGF receptor PDGF receptor I Insulin receptor Cys-rich domain lg-like domain Tyrosine kinase domain • 58 RTKs/20 podrodin • Po vazbě ligandu obvykle nastává dimerizace • ATP jako zdroj P pro fosforylaci intracelulárních domén/asociovaných proteinů • Inzulín • IGF-1/2 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 r Hormone/cytokine H o rmone/cylo ki n e rec e pto r SOCS proteiny signal transducers and activators of transcription STAT regulation of gene expression Receptorové serin/threonin kinázy Antimulleriánský hormon, inhibitin Forma disociovaného heterodimeru SMAD = „latent transcription factors" TGF-ß-related hormones Rll/Rl dimer Cytoplasm (smäd) Cco-SMÁŤD GŽ-smadL) Regulation of specific gene expression gamma-activated sequence-like elements (GLEs, promotorova oblast některých genů) Receptorové guanylát cyklázy Přenos signálu - systém druhých poslů - přehled HORMON = PRVNÍ POSEL INTRACELULÁRNÍ SIGNÁLNÍ MOLEKULA GENEROVANÁ PO VAZBĚ HORMON-RECEPTOR = DRUHÝ POSEL CAMP • TSH, glukagon, ACTH, hormony hypothalami ADH a další • Proteinkináza A Modulace signálních drah kompartmentalizací (A-kinase anchoring proteins (AKAPs)) • cGMP • DAG a IP3 • ANP, BNP, CNP • PIP2-fosfolipáza C systém • NO jako signální molekula • Proteinkináza G • Ca2+/Ca2+-kalmodulin EXTRACELULARNI SIGNAL MUSI BYT PŘEVEDEN DO INTRACELULÁRNÍ ODPOVEDI Systém AC-cAM P • 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 ATP cAMP IL Protein phosphorylation (membrane, cytosolic, & nuclear proteins) Ionic current (e.g., K+) RAP GTP Activation of effector proteins Cellular response Systém PLC - DAG a IP3 Systém cGMP - NO jako signální molekula NOS °2\ Arginine / eNOsY M NO Citrulline Cellular response (\ smooth muscle tone) Protein Modification Gene Expression Mitochondrial Respiration Cytoprotection cGMP signalling y signalling f \ ONOOJ In situ NO T le NO ^ j Q'*/ Oxidation Reduction (Normoxia) {Hypoxia) > NO,' NO/ROS 8-nitro-cGMP 1 S-Guartylation 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. Systém Ca2+ - kalmodulin O Calmodulin binds Ca2+ four calcium ions Calmodulin Calcium- calmodulin complex Q Calmodulin change conformation, resulting in an active complex Target protein Q The two globular hands" of the complex wrap around a binding site on a target protein Calmodulin-binding site (a) Structure of Ca2^-calmodulin complex (b) Function of Ca2^-calmodulin complex Copyright © 2009 Pearson Education, inc. 3 o Q. C fr •a fl> 3 Q. fl> 3 1*" Extracellular fluid Channel closed Change in electrical properties of cell Calcium enters cell through open channel As second messenger Muscle Secretion Calmodulin contraction Ca O -O O 1 lm< Ca-calinodulin Activates enzymes Protein- P Cytosol Response in cell (muscle contraction, altered metabolism, altered transport) Extracelulární signály (hormony, neurotransmitery) Shrnutí - membránové receptory a asociované systémy i___ 1 PKA DAG •>¥ Ca2+ cGMP 1 I 1 PKC calmodulin _ * _ PKG proteiny proteinkinázy -1 *» proteinkinázy proteinové substráty cílové kinázy multifunkční kinázy proteinové substráty a* ** / \ proteinové substráty další fosfolipázy Klinické aspekty • Syndromy rezistencí k hormonům (př. IR, IGF-1, TR(3) • 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 působící přes jaderné receptory HORMONY -Hormony štítné žlázy-TRa/p <^ -Estrogeny- ERa/p -Testosteron - AR -Progesteron - PR -Aldosteron - MR -Kortizol - G R heterodimery homodimery VITAMINY -l,25-[OH]2D3 - VDR -All-řrons-retinová kyselina - RA receptory a,p,y -9-c/s-retinová kyselina - retinoid X receptor RXR ot,p,y PRODUKTY METABOLISMU A XENOBIOTIKA -Mastné kyselina - PPAR a,p,y -Oxysteroly - jaterní X receptor LXR a,p -Žlučové kyseliny - BAR -Hem - RevErb ot,p -Fosfolipidy- homolog jaterního receptoru LRH-1, SF-1 -Xenobiotika - pregnanový X receptor PXR - konstitutivní androstanový receptor CAR -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 receptoru (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 Prohormone (ligand precursor) Hormone (ligand) -Regulační mechanismus - modifikace a počet receptoru -Významný parametr - selektivita cílových buněk -Tkáňově specifické faktory, koaktivátory a korepresory Příklad - steroidní hormony a hormony V g A g W VIA stitne zlazy Pathway 1 (Steroid hormones) (-) Hormone {+) Hormone HRE Gene Basal transcription Recruitment of co-activators Recruitment and activation of general transcription factor Chromatin structure Gene T Stimulated transcription hormon Pathway 2 (Thyroid hormones, vitamin 0, PPARs) (-) Hormone Blocking general Iranscnpuon lactor HRE (4) Hormone Gene Repressed transcription Dissociation ol co-repressors Gene Basal transcription Recruitment ol co-activators Recruitment of activation ol ^ general transcription (actors Gene stimulovaná transripce T Stimulated transcription Ukončení účinku hormonu Receptorem zprostředkovaná endocytóza a následná degradace v lysozómu Fosforylace/defosfo-rylace 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 A. Decreased hormone responsiveness B. Decreased hormone sensitivity Log [hormone] Log [hormone] Source: Holina PE: Endocrine Physiology, 4th Edition: www.accessmediclne.coin source: Molina PE: fndocrine Physiology. 4Eh Edition: ww^atcessmedicHie,to Copyright © The McGraw-Hill Com frames, Inc. All rights reserved. Copyright & The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Snížení počtu receptorů I- Snížení afinity hormonu k receptoru Snížení koncentrace enzymu aktivujícího hormon I - Snížení počtu receptoru Zvýšení koncentrace nekompetitivního inhibitoru I - Zvýšená rychlost degradace hormonu - Snížení počtu cílových buněk I - Zvýšená koncentrace antagonistů/competitivních inhibitorů Měření hladiny hormonů v krvi -ZNACNE 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 Metody založené na nukleových kyselinách -Hybridizační techniky -Reštrikční fragmentaca, elektroforéza, sekvenování Aplikace separačních technik - volné X vázané hormony - dialýza "1*4 Cortisol Vitamin D-2S-OH -Progesterone -DHEA -T3 - Testosterone—mala -Norepinephrine - !- SH Prolactin Testosterone—female Vitamin D 1.25-OH Estradiol—lemale Estradiol—male -LH -Aldosterone TSH FT, -fnsuiin - FT3 -Epinephrine Growth hormone —I- 100 10,000 Concentration in picomolesA. r 1,000,000 EXTRÉMNE NÍZKA HLADINA HORMONU V KRVI