Prof. RNDr Richard Hampl, DrSc., Endokrinologický ústav, Praha Telefon: zaměstnání ,

Transkript

1 OSNOVA PŘEDNÁŠKY HORMONY PRO POSLUCHAČE BIOCHEMIE NA PŘÍRODOVĚDECKÉ FAKULTĚ UK V PRAZE Prof. RNDr Richard Hampl, DrSc., Endokrinologický ústav, Praha Telefon: zaměstnání , rhampl@endo.cz I. O b e c n á č á s t 1. Obecná endokrinologie a) Základní pojmy a definice Hormony jako regulátory biochemických pochodů Hormonální systém jako jeden z regulačních systémů využívajících komplementárních interakcí; pojem receptor Vztah hormonálního (endokrinního) systému k ostatním regulačním systémům, využívaným vyššími organismy Etážový systém řízení, pojem zpětná vazba, endokrinní, parakrinní a autokrinní regulace b) Přehled žláz z vnitřní sekrecí: Hypofýza, štítná žláza, kůra nadledvin, dřeň nadledvin, gonády, epifýza, insulární aparát pankreatu, příštítná tělíska Klasické a současné pojetí endokrinologie c) Kriteria rozdělení hormonů Podle původu Podle chemické podstaty Podle mechanismu účinku 2. Mechanismus účinku hormonů a) Biologické a biochemické účinky hormonů a jejich pestrost b) Mechanismy využívající receptory na buněčných membránách c) Mechanismy,využívající receptory uvnitř buňky II. S p e c i á l n í č á s t U každé kapitoly, pojednávající o jednotlivých skupinách hormonů bude stručně probráno: původ (v kterých orgánech, případně tkáních či buňkách se tvoří), biosyntéza, metabolismus, případně transport hlavní biologické účinky mechanismus působení (viz kapitola 2 obecné části) řízení (zapojení do endokrinního systému) 3. Peptidové hormony I a) Hormony předního laloku hypofýzy (adenohypofýzy) 1

2 STH, TSH, ACTH, LH, FSH, prolaktin b) Hypotalamické působky (liberiny, statiny) somatoliberin - somatostatin - somatomediny, tyreoliberin, kortikoliberin, gonadoliberin, PIF 4. Peptidové hormony II c) Hormony zadního laloku hypofýzy ocytocin, vasopresin d) Kalcitonin, parathormon a regulace kalciofosfátového metabolismu 5. Hormony štítné žlázy a) Vlastní hormony štítné žlázy: thyroxin, trijodthyronin b) Jiné hormony tvořené ve štítné žláze 6. Steroidní hormony I a) Sexuální hormony androgeny, estrogeny, progestiny (gestageny) 7. Steroidní hormony II b) Kortikoidy mineralokortikoidy, glukokortikoidy c) Deriváty vitaminu D 8. Hormony ostrůvků pankreatu a) Insulin, glukagon b) Hormonální regulace hladiny glukosy v krvi 9. Katecholaminy a sympatikoadrenální systém a) Katecholaminy 10. Ostatní hormony a) Melatonin b) Deriváty kyseliny arachidonové c) Hormony gastrointestinálního traktu (GIT) III. V y u ž i t í v k l i n i c k é b i o c h e m i i 11. Biochemická analytika a klinická biochemie hormonů a) Metody stanovení hormonů Imunoeseje, RIA, NIIA, chromatografické metody ostatní metody b) Nejznámější klinické projevy poruch tvorby hormonů a jejich funkce. 12. Prolínání endokrinologie s dalšími biomedicínskými obory: molekulární endokrinologie imunologie Obecné principy endokrinních regulací 2

3 IV. Doporučená literatura: 1. Vybrané kapitoly z učebnic biochemie a obecné biologie, pojednávající o hormonech a hormonálních regulacích, například : Vodrážka Z.: Biochemie, Praha 1996 Kolektiv pracovníků katedry biochemie Přírodovědecké fakulty: Skripta biochemie Základní kurz, Praha Devlin TM, (Ed.):Textbook of biochemistry with clinical correlations, A John Willey and Sons, Inc., New York, 4th Edition Kapitoly 20 a Goodman H.M.: Basic Medical Endocrinology, 3rd Edition, Academic Press, An Imprint of Elsevier Science, Amsterdam, Boston - Tokyo Voet D, Voet JG: Biochemistry, 3rd Edition, John Wiley and Sons, 2004, Kapitola 19 (Signal Transductions) 5. Gomperts B.A., Kramer I.J., Tatham P.E.R.: Signal Transduction, Elsevier Acad. Press, Amsterdam and other, 2003 Studentům bude zaslán stručný text přednášky elektronicky. Přednáška bude zakončena krátkým "zaškrtávacím" testem a ústní zkouškou, ve které bude probrán test a doplňující otázky. 3

4 HORMONY Richard Hampl Text přednášky Verze 2015 Úvod Základní pojmy Hormony dnes chápeme jako v organismu tvořené regulátory biochemických pochodů, přenášené z místo svého působení tělními tekutinami, především krví. Účinky látek, splňujících tuto definici nazýváme endokrinními. Existuje řada působků sloučenin, které působí stejně jako hormony, ale pouze na sousední buňky (ať už stejného typu nebo odlišných), potom hovoříme o parakrinních účincích. Autokrinní účinky pak jsou ty, kterými pomocí uvedených regulátorů biochemických pochodů ovlivňují samy buňky svoji činnost. Hormony a para- či autokrinní působky tak zprostředkovávají komunikaci mezi buňkami, ( cell signaling ). Stejně jako nervové regulace jsou i hormonální regulace charakteristické pro vyšší organismy. Připomeňme na tomto místě, že mezi nervovou a hormonální regulací není tak ostrý rozdíl: působení jak nervové soustavy tak hormonů na cílové buňky je látkové. Některé mediátory nervového přenosu jsou chemicky blízké nebo totožné s hormony (např. katecholaminy). Specifickým rysem hormonální regulace je, že ovlivňuje děje pomalé až velmi pomalé a že její účinek zasahuje současně orgány (tkáně, buňky) na různých místech organismu. Tyto děje mohou být velice pestré - dotýkají se prakticky všech v organismu probíhajících pochodů. Na celotělové úrovni tak regulují metabolické děje dodávající energii (např. metabolismus sacharidů, regulaci glykémie, oxidativní fosforylaci), podílejí se na regulaci termogeneze, regulují hospodaření s vodou a minerály, kalciofosfátový metabolismus, či odezvu na vnější podněty. Hormony řídí také biorytmy. Na buněčné úrovni jde o konkrétní biochemické reakce jako jsou aktivace či deaktivace enzymů, transport iontů a substrátů přes buněčnou membránu, energetické změny uvnitř buněk, tvorba nových bílkovin - enzymů, strukturních bílkovin, jiných hormonů, receptorů a pod. Molekulární podstatu těchto dějů pak nazýváme mechanismem účinku. Mechanismem účinku hormonu tak rozumíme sled chemických dějů od okamžiku, kdy se hormon dostane cirkulací k cílové buňce ( target cell ), až do uskutečnění příslušného regulačního zásahu. Jedním ze zásadních objevů v endokrinologii na přelomu 60. a 70. let bylo zjištění, že hormony působí mechanismem receptorovým. Jinak řečeno, chemický signál nesený hormonem je v cílové buňce zachycen díky přítomným látkám - receptorům. Receptorem zde rozumíme látky, které jsou schopny hormon rozpoznat a s ním specificky reagovat (interagovat). Receptory jsou vesměs bílkoviny, od jednoduchých oligopeptidů (např. tripeptid tyreoliberin) po složité heteromerní sloučeniny. Jde o interakci reverzibilní, tzn. nevzniká zde nová sloučenina, ale hormon-receptorový komplex, který se po splnění své úlohy rozpadne. Pro interakci 4

5 platí zákon o působení aktivní hmoty, tato interakce je charakterizována asociačníresp. její převrácenou hodnotou disociační konstantou (podíl rychlosti tvorby a disociace komplexu), vyjadřující za daných podmínek afinitu hormonu vůči receptoru. Asociační konstanty pro interakci hormonů s receptory jsou vysoké v řádu l/mol, v některých případech i vyšší. Pro představu: uvážíme-li, že hormon dokáže vyvolat příslušnou fyziologickou odezvu již při koncentraci mol/l, odpovídá to asi x 6 x molekulám v litru. Počítáme-li průměr jedné buňky asi 12 µm, pak jedna buňka zaujímá objem asi litru. Tomuto objemu tak odpovídá asi 60 molekul hormonu. Zdůrazněme, že hormonální receptory jsou definované resp. definovatelné sloučeniny, konkrétně jednoduché či složené bílkoviny, tedy struktury molekulární, nikoliv buněčné (jakými jsou například smyslové receptory - čidla). Specifická interakce hormon - receptor je dalším příkladem komplementární interakce v biochemii (srov. např. interakce nukleových bází, DNA - RNA, enzym - substrát, antigen - protilátka, substrát - transportní bílkovina, feromon - feromonový receptor). Dalším typickým znakem hormonálních regulací je tzv. etážový systém řízení: hormony na vyšší etáži (např. hypotalamické hormony) stimulují tvorbu a uvolnění do cirkulace hormonů na nižší etáži (např. hypofyzárních hormonů), které pak stimulují tvorbu a sekreci na nejnižší ( žlázové, periferní ) úrovni (např. hormonů štítné žlázy). Toto uspořádání má dvojí význam: umožňuje zesílení (amplifikaci) signálu neseného hormonem a citlivou regulaci celého systému prostřednictvím zpětných vazeb (feed-back mechanisms). Rozdělení hormonů Hormony můžeme klasifikovat podle původu, chemického složení či mechanismu, kterým vykonávají své účinky. Klasické rozdělení hormonů podle žláz, ve kterých se tvoří může být zavádějící: např. hypotalamický hormon somatostatin (regulující výdej hypofysárního růstového hormonu) secernují i D-buňky Langerhansových ostrůvků pankreatu, řada hypotalamických působků se tvoří rovněž ve střevech, endorfiny vznikají mj. ve varlatech apod. Chemicky nejvíce hormonů tvoří bílkoviny a peptidy, od jednoduchých sloučenin, jakou je například tripeptid tyreoliberin (TRH) až po velké heteroproteiny, jakými jsou např. některé hormony gastrointestinálního traktu. Řada bílkovinných hormonů se tvoří ve formě pro- nebo prepro-hormonů, jejichž postupným enzymatickým štěpením vznikají vlastní, biologicky účinné hormony. Typickým příkladem jsou hormony gastrointestinálního traktu, jako je gastrin známe pre- a prohormony big-big gastrin, big gastrin a vlastní gastrin. Další skupinou jsou hormony odvozené od jednoduchých aminokyselin, konkrétně tyrosinu (hormony štítné žlázy a katecholaminy) a od tryptofanu (melatonin a jeho prekurzory). Velkou skupinou jsou steroidní hormony, s typickým steranovým (cyklopentanoperhydrofenantrenovým skeletem). Mezi hormonálně či para- případně autokrinně účinné působky patří také některé metabolity kyseliny arachidonové (prostanoidy, leukotrieny). 5

6 O chemii hormonů pojednáváme v následujících kapitolách o jednotlivých hormonech. Poznamenejme zde pouze, že stejné konečné biologické účinky mohou mít hormony chemicky zcela odlišné (např. peptid glukagon a steroid kortisol). Jak ukážeme v dalším, jakkoliv pestré jsou biologické účinky hormonů, mechanismy, kterými působí jsou v podstatě tři: 1. Mechanismus zprostředkovaný receptory na povrchu buněk 2. Mechanismus zprostředkovaný intracelulárními receptory a 3. Mechanismy smíšené. Úrovně účinků hormonů U biologických účinků hormonů obvykle rozlišujeme tři úrovně: celoorganismovou (celotělovou), buněčnou a molekulární. Typickým příkladem hormonálních regulací na úrovni celého organismu je udržování energetické rovnováhy především glykoregulace: participují na ní tři klíčové hormony peptidy insulin a glukagon a steroid kortisol. Jiným příkladem je udržování rovnováhy vody a elektrolytů, kde působí peptidy adiuretin (vasopresin), atriový natriuretický hormon (ANH) a steroid - mineralokortikoid aldosteron. Nejdůležitější hormony, které zajišťují homeostázu Ca 2+ jsou parathormon, kalcitonin a kalcitriol (1,25-dihydroxy-vitamin D 3 ). Hormony štítné žlázy spolu s katecholaminy zajišťují klidovou (obligatorní) respektive fakultativní tvorbu tepla (termogenezi). K celotělovým regulacím také patří růst, vývoj a reprodukce. O hormonální regulaci zmíněných fyziologických dějů pojednáme v příslušných kapitolách. Na buněčné úrovni rozlišujeme účinky hormonů na různé buňky a tkáně. Jako příklady uveďme rozmanité účinky glukokortikoidů v různých typech buněk a tkání: v játrech (hepatocytech) je typickým projevem stimulace glykogenolýzy, zatímco ve svalu a v pojivu jsou to katabolické pochody a následně glukoneogeneze. Velice pestrými jsou účinky, kterými kortikoidy zasahují do imunitního systému resp. funkce imunokompetentních buněk (T a B lymfocytů). Mezi hormonálními zásahy na buněčné úrovni patří i účinky ve specializovaných buňkách, jakými jsou buňky mužského a ženského reprodukčního systému (např. Leydigovy a Sertoliho buňky varlat či thekální a granulosové buňky vaječníků). Molekulární pochody, které za těmito účinky stojí, pak označujeme jako (molekulární) mechanismy účinku hormonů a jsou předmětem následující kapitoly. Mechanismy účinku hormonů Mechanismus účinku hormonů s receptory na povrchu buněk Receptorové bílkoviny jsou v tomto případě součástí buněčné membrány. Každá molekula receptoru obsahuje obvykle jedno vazebné místo pro hormon. V aktivním stavu jsou receptory funkčně i prostorově spojeny s katalytickými systémy na vnitřní straně membrány, jejichž aktivací se tvoří z přítomných prekurzorů sloučeniny, které přenášejí signál na další systémy buňky, tzv. druzí poslové. Enzymy na vnitřní straně membrány označujeme jako tzv. efektory. Protože (až na výjimky) se 6

7 aktivují již existující systémy v buňce a nedochází k ovlivnění genové exprese, nazýváme tyto účinky negenomové Mechanismy, využívané hormony s receptory na membránách můžeme dále rozdělit na několik typů: a) Ty které využívají k přenosu signálu neseného hormonem tzv. G-proteinů, jejichž prostřednictvím se aktivují enzymy katalyzující vznik cyklických nuklesidmonofosfátů, které pak slouží jako druzí poslové. Hormon obecně může jak stimulovat výše uvedené enzymy, tak je inhibovat. Závisí to na typu zmíněného G- proteinu, které se pak označují Gs (stimulační) resp. Gi (inhibiční). Nejznámějším a nejlépe prozkoumaným mechanismem tohoto typu je adenylátcyklasový systém. K propojení receptoru po navázání hormonu s enzymem adenylátcyklasou, lokalizovanou na vnitřní straně membrány dojde prostřednictvím zmiňovaného G-proteinu, jenž obsahuje vazebné místo pro guanosin trifosfát - GTP; (někdy se setkáme i s označení N = nukleotidový protein). Ten je tvořen několika podjednotkami, z nichž jedna (tzv. α-podjednotka) obsahuje vazebné místo pro GTP (ve skutečnosti v klidovém stavu je na ní navázán GDP a teprve vazbou hormonu je GDP nahrazen GTP). Vazba hormonu dále vyvolá přeskupení jednotlivých článků (podjednotek) tak, aby se vytvořilo funkční spojení. To je umožněno i pohyblivostí G- proteinu membránou, který tak může být použit podle aktuální potřeby pro různé hormony. G-proteinů je více (dnes je známo okolo 12) a hormony, které je využívají se označují jako skupina G-proteinových hormonů. Hydrolýza navázaného GTP (příslušná podjednotka G-proteinu funguje jako slabá guanosinfosfatasa) vede k deaktivaci adenylátcyklasy, což představuje jeden z kontraregulačních mechanismů, vedoucích k recyklaci hormonu a uvedení systému do původního stavu. Adenylátcyklasa katalyzuje přeměnu všudypřítomného adenosintrifosfátu (ATP) na cyklický adenosin-monofosfát ( camp ), což je nejznámější 2.posel. Můžeme jej přirovnat k jakémusi biochemickému šemu - jde o universální sloučeninu, která se váže na různé nitrobuněčné bílkoviny, zejména enzymy, především kinasy (tj. fosfotransferasy přenášející zbytek kyseliny fosforečné) a tím je aktivuje. Aktivace kinas pak vede k nastartování celé řady biochemických dějů, zahajovaných fosforylací substrátů. Vedle camp dnes známe systémy (mechanismy) využívající cgmp. Příkladem hormonu, využívajícího cgmp jako druhého posla je tzv. atriový natriuretický hormon (faktor) (ANH, ANF). Jakkoliv jde o mechanismus komplikovaný (v tomto nástinu jsme se dopustili zjednodušení), je z hlediska organismu vysoce ekonomický: interakce hormonu s receptorem je signálem pro spuštění celé kaskády navzájem propojených dějů, které je buňka schopna vykonávat, jež se týkají mnohem většího množství látek, než bylo původní množství hormonu. Tohoto mechanismu využívají mnohé peptidové hormony, jako hormony předního laloku hypofýzy (ACTH, LH, FSH, TSH), katecholaminy, hypotalamické působky (liberiny) a také glukagon. b) Mechanismy, využívající rovněž G-proteinů, ale efektorem nejsou enzymy katalyzující tvorbu cyklických nukleosid monofosfátů jako druhých poslů: Nejznámějším příkladem tohoto typu je mechanismus, využívající jako druhých poslů štěpných produktů membránového fosfatidylinositolu a následně jako druhého druhého posla vápenatých iontů (Ca 2+ ). Podle efektoru, kterým je jedna z membránových fosfolipas, fosfolipasa C) je mechanismus nazývaný fosfolipasový C. Poznámka: Fosfolipasy tvoří početnou rodinu membránových enzymů 7

8 hydrolyzující esterové vazby fosfolipidů. Mají svoji vlastní nomenklaturu. V kapitole o mechanismech účinků glukokortikoidů se setkáme např. s fosfolipasou A 2 Zjednodušeně jde o následující děje: Hormon se váže na membránový receptor, který prostřednictvím G-proteinu aktivuje membránovou fosfolipasu C, která štěpí v membráně přítomný fosfatidyl inositol na inositol-trifosfát a diacylglycerol, které slouží jako první z řady druhých poslů. Inositol trifosfát aktivuje systémy, ovlivňující propustnost kalciového kanálu, jehož otevření vede ke vstupu Ca 2+ do buňky. Současně dojde k mobilizaci (uvolnění) nitrobuněčného Ca 2+, kde je vázán na endoplasmatické retikulum. Vápenaté ionty, stejně jako diacylglycerol se váží na některé kinasy a tím je aktivují. Vápenaté ionty spolu se štěpnými produkty fosfatidylinositolu mají tak podobnou úlohu jako cyklické nukleosid-monofosfáty. Ca 2+ může aktivovat příslušné kinasy buď přímo, nebo v komplexu s nitrobuněčným transportním proteinem kalmodulinem, obsahujícím 4 vazebná místa pro vápenatý ion. Tento mechanismus není charakteristický výlučně pro některé hormony, ale je často využíván paralelně s ostatními uvedenými mechanismy. c) Mechanismy nezávislé na G-proteinech Posledním typem mechanismu účinku hormonů s receptory na membránách jsou ty, které nepotřebují k přenosu signálu neseného hormonem do nitra buňky G- proteiny. Receptor sám je v tomto případě tvořen z více podjednotek, jež zasahují na vnitřní stranu membrány a vykazují katalytickou aktivitu, konkrétně schopnost přenosu fosfátu na řadu bílkovin, především enzymů (kinasová aktivita). Prvním krokem obvykle je autofosforylace na tyrosinových zbytcích části receptoru zanořené do cytoplasmatického prostoru. Příslušná podjednotka má tyrosinkinasovou doménu, tj. katalytickou část, schopnou fosforylovat řadu bílkovin na tyrosylových postranních řetězcích. Někdy se proto tento typ mechanismu označuje jako tyrosinkinasový, aby se zdůraznila určitá vyjímečnost tyrosinkinas (z celé řady kinas se nejčastěji fosforylují bílkoviny především na serinových a threoninových zbytcích). Tímto mechanismem (značně zjednodušeně) působí např. insulin a také růstový, insulinu-podobný faktor-1 (IGF-1) a další tzv. růstové faktory, o nichž bude řeč u růstového hormonu. Hormony účinkující na membránách se mohou v některých případech dostat i s receptory do nitra buňky mechanismem endocytosy. To se děje např. i v případě insulinu. Vchlípené membrány s receptory s navázaným hormonem vytvoří tzv. coated vesicles, tj. váčky, ze kterých se hormony uvnitř buňky mohou uvolnit působením proteas a případně znovu využít ( recyklace ). Z klinického pohledu není bez zajímavosti, že poznání receptorového mechanismu působení peptidových hormonů vedlo k odhalení podstaty některých onemocnění, přisuzovaných nadbytečné tvorbě hormonu, jako autoimunních procesů. Při nich organismus vytváří mj. protilátky proti receptorovým bílkovinám, které se mohou vázat na membránové receptory a paradoxně účinkovat jako sám hormon (stimulující protilátky). Tento jev je dlouho znám u thyreotropinu (TSH). Zopakujme, že těchto mechanismů přenosu informace (signálu) do buňky, vedoucího k nastartování událostí uvnitř buňky využívají i působky účinné parakrinně a autokrinně. G-proteiny jako mediátory přenosu signálu od receptoru do nitra buňky tak využívají i jiné molekuly než hormony. Typickým příkladem jsou některé 8

9 (parakrinně či autokrinně) působící růstové faktory; zřejmě nejznámější je již zmíněný IGF-1. Dodejme, že těchto signálních drah z membrány do nitra buňky se využívá i při imunitní odpovědi. Je to příklad prolínání endokrinologie a imunologie. Nověji se ukazuje, že mechanismů s receptory na membránách mohou využívat i steroidní hormony; jde o tzv. negenomové účinky těchto hormonů. Mechanismy využívající intracelulární receptory Na rozdíl od výše popsaných mechanismů, při kterých vazbou hormonu na membránový receptor došlo pouze k aktivaci různých biochemických pochodů v buňce resp. na její membráně, účinkují hormony s receptory uvnitř buňky jako regulátory genové exprese (též genomové účinky). Znamená to, že ovlivňují tvorbu bílkovin (enzymů, strukturních proteinů ale i např. receptorů) od samého počátku, kterým je transkripce příslušných genů. Odezva na hormonální signál je u tohoto typu regulace podstatně pomalejší - řádově jde o desítky minut ve srovnání s minutami až vteřinami u prvního typu. Mechanismem regulace genové exprese působí všechny steroidní hormony včetně látek skupiny vitaminu D a hormony tzv. folikulárních buněk štítné žlázy (viz příslušná kapitola). Hormon se váže na intracelulární receptor, čímž dochází ke konformačním, případně dalším změnám v molekule receptorové bílkoviny, která zaujme formu, schopnou interakce s jadernou DNA (tzv. aktivace nebo též transformace). V některých případech heteromerních receptorů (např. u glukokortikoidních receptorů) se po navázání hormonu odštěpí tzv. proteiny teplotního šoku (heat shock proteins, hsp), které se mj. uplatňují při zánětlivých reakcích a při imunitní odpovědi. Je dosud sporné, zda původním sídlem receptorů je jádro buňky či cytoplasma. Imunohistochemické studie svědčí spíš pro druhou možnost. Struktura receptorů tohoto typu je ve většině případů známa, rovněž jsou známy geny pro jednotlivé receptory a jejich domény. U receptorů rozeznáváme tři části - domény - plnící odlišné funkce. První je oblast - doména, odpovědná za vazbu na DNA (viz níže), druhou doména, obsahující vazebné místo pro hormon a třetí (Nterminální, transaktivační) zprostředkuje vlastní spuštění ( triggerring ) transkripce příslušného genu. V jádře buňky se pak aktivovaný hormon-receptorový komplex svou DNAvázající doménou (DBD) váže na určité úseky DNA, tzv.hormony regulované elementy - HRE příslušného genu. HRE přitom nejsou totožné s iniciačním místem pro přepis (transkripci) genu do mrna, dokonce mohou být od něj dosti vzdálené. K překlenutí vzdálenosti mezi HRE a iniciačním místem pro transkripci, jež se zpřístupňuje pro jadernou RNA polymerasu, slouží celá molekula receptorové bílkoviny, zejména však její N-terminální část ( třetí z domén ), za spoluúčasti dalších jaderných proteinů, tzv. transkripčních faktorů. Tyto proteiny a jejich úloha patří v současnosti k intenzivně studovaným. Přes pokroky molekulární endokrinologie (zmapování a popsání jak genů pro řadu bílkovin, jejichž tvorba je hormony kontrolována, tak genů pro samotné receptory), není mechanismus tohoto procesu, označovaného někdy jako transdukce hormonem neseného signálu dosud úplně jasný. 9

10 Mechanismy smíšené (zprostředkované) Méně časté jsou takzvané mechanismy smíšené (zprostředkované), které začínají stejně jako u mechanismů s receptory na membránách, ale vyúsťují v regulaci transkripce jako u genomových mechanismů. Prvním krokem je vazba ligandu na membránový receptor, následuje přenos informace do nitra buňky - aktivace efektorů na vnitřní straně membrány, tvorba 2.poslů a nastartování signálních drah a vazba jejich dalších produktů (zpravidla jaderných forforylovaných proteinů) na responzivní elementy regulovaného genu a zpřístupnění iniciačního místa pro RNA-polymerasu vedoucí k zahájení transkripce. Příkladem je signální dráha zahájená aktivací proteinkinasy A (PKA) vazbou camp. Aktivovaná PKA difunduje přes jadernou membránu kde fosforyluje tzv camp Response Element Binding protein (CREB P), který se poté váže na určité sekvence DNA v promotorové oblasti (responzivní elementy), čímž zpřístupní iniciační místo transkripce a zahájí tak expresi (nebo naopak inhibici) regulovaného genu, stejně jako při genomovém mechanismu. Tohoto mechanismu využívají např. katecholaminy (srov. kapitolu Hormony dřeně nadledvin a sympatiko-adrenální systém) působící přes beta-2-adrenergní receptory nebo glykoproteinové hormony regulující expresi receptorů pro některé hypofyzární hormony. Zmíněná proteinkinasa A může být aktivována nejen vazbou s camp, ale i přes fosforylační kaskádu druhými posly (v tomto případě ionty Ca 2+ ) fosfatidylinositolového systému. Vidíme, že se zde signální dráhy sbíhají oba systémy vedou k aktivaci stejného enzymu (zde PKA). Proto v moderních učebnicích (např. citovaná monografie Signal Transduction ) jsou mechanismy často řazeny podle signálních drah kde klíčovým krokem je aktivace určitého enzymu. Závěrem dodejme, že mechanismy uvedené v předchozích odstavcích využívají nejen hormony, ale řada dalších regulačních molekul neurotransmitery, feromony, antigeny a další složky imunitního systému. Mluví se o společném biochemickém jazyku. Systematická část Hormony předního laloku hypofýzy a příslušné hypotalamické působky Zjednodušené anatomické a fyziologické poměry Hypofýza neboli podvěsek mozkový (angl. pituitary) je žláza velikosti třešňové pecky ( g), uložená v tzv.tureckém sedle (sella turcica) klínové kosti. Skládá se ze dvou nestejně velkých laloků: předního, většího zvaného adenohypofýza a zadního, menšího - neurohypofýzy. Hypofýza je spojena s hypotalamem, jenž je součástí tzv. limbického systému, (t.j. části mozku, řídící nižší mozkovou činnost) stopkou (infundibulum), ve které jsou jednak cévy, přivádějící hypotalamické působky do adenohypofýzy, jednak nervové dráhy, spojující hypotalamus s neurohypofýzou. Cévní spojení mezi hypotalamem a adenohypofýzou se nazývá portální hypotalamohypofyzární krevní oběh. 10

11 Hypotalamus a hypofýza spolu s některými periferními žlázami produkujícími hormony (konkrétně s kůrou nadledvin, štítnou žlazou a gonády) tvoří již zmíněný etážový systém hormonálních regulací. Označují se jako osy: hypotalamo-pituitární-tyroidální (HPT), hypotalamo-pituitární-adrenální (HPA), hypotalamo-pituitární-gonadální (HPG) Hypotalamické působky vyvolávají (případně i inhibují) sekreci hypofyzárních hormonů, které stimulují tvorbu a výdej žlázových (periferních) hormonů. Koncentrace posledně zmíněných hormonů v krvi zpětovazebně ovlivňuje výdej hypotalamických i hypofyzárních hormonů. Při těchto dějích se opět využívají receptorové mechanismy (v hypotalamu i v hypofýze jsou rovněž receptory pro žlázové ( periferní ) hormony. Hypotalamické působky (hormony) Podle toho, zda stimulují nebo inhibují tvorbu a výdej adenohypofyzárních hormonů rozlišujeme liberiny a statiny. Jsou to oligopeptidy (nejmenší, TRH je tripeptid!), tvořené v nervových buňkách hypotalamu (protože jsou tvořeny v neuronech, nazývají se také peptidergní ). Kromě zmíněných zpětnovazebných mechanismů, zprostředkovaných membránovými receptory, jsou tvorba a výdej hypotalamických hormonů regulovány podněty z vyšších ( nadřazených ) mozkových center, prostřednictvím neurotransmiterů. Neurotransmitery (někdo dává přednost pojmu "neuromediátory", který je širší) jsou sloučeniny, jež zprostředkovávají nervový přenos, uvolňované z nervových zakončení. Jde o látkový přenos, který představuje jedno z propojení nervové a endokrinní regulace. Mezi neurotransmitery patří pravé hormony, jakými jsou adrenalin, noradrenalin a dopamin, tvořené také ve dřeni nadledvin, endogenní opioidy (endorfiny) i látky, které nesplňují definici hormonu, jako jsou serotonin, acetylcholin, kyselina gama-aminomáselná (GABA) či histamin a řada dalších látek, včetně některých "tkáňových" peptidových hormonů. Tvorba i výdej hypotalamických působků závisí na dodávce energie (zmiňme modulační vliv koncentrace glukosy v místě tvorby těchto hormonů) i koncentrace jednotlivých aminokyselin, jako stavebních kamenů těchto oligopeptidů. V dalším stručně pojednáme o jednotlivých hypotalamických hormonech vždy v souvislosti s příslušnými hyfyzárními hormony, jejichž výdej a tvorbu řídí. Zdůrazněme na tomto místě, že starší představa, podle níž hypotalamické hormony stimulují (inhibují) pouze výdej (sekreci) hypofyzárních hormonů, případně jejich odštěpení z makromolekulárních prekurzorů - pre(pro)hormonů - (srovnej níže POMC ) neplatí. Hypotalamické působky mohou ovlivnit rovněž expresi genů pro hypofyzární hormony (viz zmíněné smíšené mechanismy). V obojím případě se využívá mechanismů zprostředkovaných receptory. Jednotlivé hormony adenohypofýzy a příslušné hypotalamické působky (hormony) V adenohypofýze člověka se tvoří 7 hormonů. Můžeme je rozdělit na ty, které ovlivňují činnost endokrinních žláz na nižší etáži - konkrétně štítné žlázy, kůry nadledvin a gonád, a na ty, které působí přímo na neendokrinní tkáně (buňky, 11

12 orgány). Do první skupiny patří (zkratky viz níže): TSH, ACTH, LH a FSH, do druhé pak STH (= GH), prolaktin (PRL) a α-msh. TSH ( Thyroid stimulating hormone, Tyreotropin) TSH je glykoprotein o mol.hmotnosti Da, tvořený v adenohypofýze v buňkách tyreotropech. Skládá se ze dvou podjednotek, α-, která je společná pro LH i FSH (a také pro placentární analog LH, lidský choriový gonadotropin - hcg) a ze specifické β-podjednotky. Hlavní cílovou tkání pro TSH jsou tzv. folikulární buňky štítné žlázy, kde dochází pod vlivem TSH k akumulaci jodu a k tvorbě a uvolňování hormonů štítné žlázy - thyroxinu (T 4 ) a trijodthyroninu (T 3 ). Podrobněji viz kapitola hormony štítné žlázy. Mechanismus je receptorový s receptory na membráně, přičemž se využívá jak adenylcyklasový systém, tak fosfatidylinositolový (oba využívají G-proteiny). Výdej a tvorbu TSH řídí a stimuluje hypotalamický tripeptid tyreoliberin (Thyreotropin Releasing Hormone, TRH), mechanismus je receptorový. Sekreci TSH naopak brzdí somatostatin (viz níže). Jak TRH tak somatostatin se tvoří v hypotalamu i v jiných tkáních, např. u mužů i v prostatě (!). Hormony štítné žlázy působí negativní zpětnou vazbou na úrovni hypotalamu i hypofýzy (tzv. dlouhá a krátká zpětnovazebná smyčka), tzn. inhibují výdej TRH i TSH. ACTH (Adrenokortikotropní hormon, kortikotropin) ACTH je jednoduchý peptid o 39 aminokyselinách (mol.hmotnost 4500 Da), přičemž biologicky účinný je ještě fragment, tvořený prvními 24 aminokyselinami (využívá se v experimentálních studiích). ACTH vzniká štěpením prohormonu proopiomelanokortinu (POMC), jehož dalšími biologicky aktivními fragmenty jsou některé endogenní opioidy - β-endorfiny, dále tzv. β2-mikroglobulin a melanocyty stimulující hormon (α-msh). ACTH působí v kůře nadledvin (především ve vnitřních zónách fasciculata a reticularis, produkujícími glukokortikoidy), kde spouští tvorbu kortikosteroidů. Využívá adenylcyklasového systému s G-proteiny. Sekreci ACTH jakož i ostatních fragmentů POMC stimuluje hypotalamický kortikoliberin ( Corticotropin Releasing Hormone, CRH ) o 41 aminokyselinách. Kortikosteroidy, tvořené v nadledvinách (u člověka a primátů kortisol, u hlodavců kortikosteron), zpětnovazebně brzdí výdej jak CRH tak ACTH (analogie s TSH). Potlačení výdeje ACTH a následně tvorby kortisolu syntetickými kortikosteroidy se využívá v medicíně v dynamických testech. Gonadotropiny LH - luteinizační hormon (lutropin, Intersticial Cells Stimulating Hormone, ICSH) a FSH - folikuly stimulující hormon, folitropin, jsou glykoproteiny, tvořené v hypofýze v buňkách gonadotropech. Jak již jsme se zmínili, jsou to heteroproteiny, se společnou tzv. α-podjednotkou, kterou sdílejí s TSH. Cílovými tkáněmi pro gonadotropiny jsou mužské i ženské pohlavní žlázy, kde obecně ovlivňují tvorbu a sekreci sexuálních steroidních hormonů a další funkce potřebné k reprodukci. Mechanismus, kterým gonadotropiny působí je receptorový, s receptory na membráně, využívající adenylátcyklasový systém s G-proteiny. Oba 12

13 hormony se tvoří u mužů i u žen, i když jejich terminologie pochází převážně z oblasti z ženské reprodukce, jejich biologické účinky u mužů a žen jsou však odlišné. U mužů LH stimuluje tvorbu androgenů v tzv. Leydigových buňkách varlat (= vmezeřené, intersticiální buňky, starší název ICSH = interstitial cells stimulating hormone), podobně jako ACTH stimuluje steroidogenesu v kůře nadledvin. FSH ovlivňuje zrání spermií v semenotvorných kanálcích, tvořených různými typy buněk, z nichž pro hormonální regulace mají zvláštní význam tzv. Sertoliho buňky, v nichž se tvoří další peptid inhibin, který působí (krátkou smyčkou) inhibičně na výdej FSH hypofýzou. U žen LH i FSH stimulují tvorbu sexuálních steroidů ve vaječnících a podílejí se na cyklických změnách funkce ženských reprodukčních orgánů, jejichž smyslem je připravit podmínky pro oplodnění a následný vývoj vajíčka. Výdej jakož i syntéza LH a FSH v gonadotropech je stimulována hypotalamickým pro obě pohlaví společným dekapeptidem gonadoliberinem (GnRH, luliberin). Analogicky jako u mužů se u žen tvoří v tzv. granulosových buňkách vaječníků (viz kapitolu o ženských sexuálních hormonech) inhibin. Pro sekreci GnRH je typický jeho pulzní charakter - hormon je vydáván hypotalamem do oběhu v krátkých rázech (pulzech). Mužské a ženské sexuální steroidy zpětnovazebně ovlivňují tyto pulzy různě: mění jejich frekvenci nebo amplitudu. Porucha pulzní sekrece GnRH vede ke ztrátě jeho účinnosti. GnRH účinkuje v adenohypofýze receptorovým mechanismem, s využitím Ca 2+ jako druhého posla. Sexuální steroidy působí negativní (u žen rovněž pozitivní) zpětnou vazbou na úrovni hypotalamu (viz pulzní charakter) i hypofýzy. Růstový hormon (Somatotropin, STH) (nezaměňovat s TSH,) hgh = human Growth Hormone). Růstový hormon je nejdůležitějším hypofyzárním hormonem, působícím na neendokrinní tkáně (buňky, orgány). Lidský růstový hormon je peptid o 191 aminokyselinách o molekulové hmotnosti Da. Jak již naznačuje název, jeho hlavním účinkem je růst. Podporuje růst prakticky všech buněk a tkání přičemž z fyziologického hlediska (vzhledem k zastoupení jednotlivých tkání) je nejdůležitější jeho účinek na kost a na svalovou tkáň. U kostí podporuje jejich růst do délky. Důležitým biochemickým účinkem STH je vychytávání ( záchyt, uptake ) glukosy buňkami na něž působí, čímž se získává potřebná energie pro výstavbové procesy a vychytávání aminokyselin pro jejich využití jako stavebních kamenů bílkovin. Obecně podporuje anabolické děje. Receptory STH jsou na membránách cílových buněk, přičemž k aktivaci nitrobuněčných systémů se využívá různých výše uvedených mechanismů. Pro růstový hormon je charakteristické, že vyvolá zmnožení peptidů, zvaných růstové faktory (dříve označované jako somatomediny). Růstové faktory se uplatňují na různých místech při regulaci genové exprese a proteosyntézy (srov. kapitolu o mechanismu účinku hormonů s receptory uvnitř buňky). Růstové faktory působí i parakrinně na sousední buňky a autokrinně. Účinek STH prostřednictvím růstových faktorů je dalším příkladem amplifikace signálu, neseného hormonem. Nejznámějším růstovým faktorem je insulinu podobný růstový faktor I = insulin like growth factor I, IGF-I, velikostí a aminokyselinovým složením skutečně podobný insulinu. IGF-1 má svoje vlastní plazmatické transportní bílkoviny, u tohoto peptidu je jich dokonce 6, které ovlivňují jeho biologickou dostupnost. Označují se obvykle zkratkou IGF-1 BP a číslem (IGF-1 binding protein). 13

14 Sekrece ale i biosyntéza STH je regulována jak pozitivně, hypotalamickým působkem somatoliberinem (GHRH = growth hormone releasing hormone), tak negativně, již zmiňovaným somatostatinem. Somatostatin se tvoří nejen v různých buňkách mozku včetně hypotalamu, ale i v jiných tkáních, např. v D buňkách Langerhansových ostrůvků pankreatu (srov. s kapitolou o hormonech pankreatu). Nověji se používá i léčebně. Na sekreci STH má vliv řada hormonů; přes somatoliberin je výrazně ovlivněna podněty z mozku resp. z nervového systému. Prolaktin (PRL) Prolaktin je druhým z hypotalamických hormonů, působící přímo na neendokrinní tkáně (buňky). Chemicky i účinky se podobá STH. U žen má význam jako hormon, ovlivňující růst a funkci mléčné žlázy. Tvoří se však i mužů. Výdej prolaktinu je řízen statinem, tzv. prolactin inhibiting factorem, PIF, což, jak se ukázalo, není nic jiného než dopamin. Nadbytek prolaktinu u mužů je jedním z ukazatelů možného maligního procesu, patří proto v klinické biochemii mezi tzv. tumorové markery. Melanocyty stimulující hormon (MSH, α-msh) MSH je třetím z hypotalamických hormonů, jehož cílovou tkání nejsou složky endokrinního systému. Je jedním ze štěpných produktů POMC. Účinkuje v kožních buňkách melanocytech. Patří mezi významné hormony u obojživelníků. Pozor: Nezaměňovat s melatoninem! Hormony zadního laloku hypofýzy Nejdůležitějšími hormony z nejméně devíti hormonů neurohypofýzy jsou vasopresin (adiuretin) a oxytocin (ocytocin). Hlavní, nikoliv však jedinou úlohou vasopresinu je regulace příjmu a výdeje vody organismy s ohledem na zajištění stálosti vnitřního prostředí, v tomto případě poměru mezi obsahem vody v buňkách a v extracelulární tekutině a jejího celkového objemu. Oxytocin se uplatňuje při reprodukci, nezastupitelnou úlohu má při porodu, kromě toho má některé podobné účinky jako vasopresin. Potřeba regulace vodního a solného hospodářství vyvstala při přechodu původně vodních živočichů, obývajících pravěká moře, na suchou zem. Podílí se na ní více systémů a hormonů. Původ Vasopresin a oxytocin se tvoří v nervových buňkách hypotalamu, odkud se dlouhými axony dostávají do neurohypofýzy, tvořené rovněž nervovými buňkami. Zde jsou uskladněny v sekrečních granulích. Z buněk kde se skladují se uvolňují na základě nervových podnětů mechanismem exocytosy. Z prostoru vně buněk se dostávají, díky prokrvení neurohypofýzy, do krevního oběhu a odtud k cílovým buňkám (tkáním, orgánům). V hypofýze se tedy netvoří, pouze skladují. Geny pro vasopresin a oxytocin a pro jejich prekurzory byly nalezeny i v jiných mozkových strukturách a také v gonadách. 14

15 Biosyntéza Vasopresin a oxytocin jsou štěpnými produkty makromolekulárního prekurzoru (mol. hmotnost okolo Da) propresofysinu (též nazývaného prooxyfysin ). Dalšími štěpnými produkty tohoto peptidu jsou plazmatické transportní bílkoviny, selektivně vážící oba hormony, nazvané neurofysiny. Podobně jako u hypotalamických hormonů má výdej obou výše zmíněných hormonů neurohypofýzy pulzní charakter. Chemie Vasopresin a oxytocin jsou nonapeptidy (mol. hmotnost 1084 a 1007), obsahující jeden disulfidický cysteinový můstek. Molekula má tvar číslice 6, tj. tvoří ji cyklický útvar (díky disulfidickému můstku) a tři aminokyseliny postranního řetězce. Oxytocin se od vasopresinu liší pouze jednou aminokyselinou v poloze 3: oxytocin zde má isoleucin, zatímco vasopresin fenylalanin. Vasopresin je druhově specifický, lidský vasopresin má jako koncovou aminokyselinu arginin, odtud někdy užívaný název arginin-vasopresin (AVP). Účinky a jejich mechanismus Hlavním biologickým účinkem vasopresinu je resorpce (záchyt) vody ledvinami. Z dalších účinků uveďme jeho působení na stahy (konstrikci) hladkého svalstva. Receptory vasopresinu v ledvinách (jako hlavní cílové tkáně) jsou dvojího typu: využívající 1. adenylcyklasový systém a 2. fosfatidylinositolový s Ca 2+ jako druhým druhým poslem. Vazbou vasopresinu na receptor se v buňkách ledvinných tubulů aktivují děje, zahájené fosforylací zúčastněných bílkovin, vedoucí ke změně cytoarchitektury mikrotubulů a mikrofilament, což vede ke změně propustnosti pro vodu a ionty, tedy sumárně ke změně ultrafiltrační schopnosti. Oxytocin vyvolává změny kontraktibility hladkého svalstva, což se uplatňuje zejména při reprodukci - při porodu a během laktace. Mechanismus účinku je podobný jako u vasopresinu. Oba hormony, spolu s dalšími zde nejmenovanými hypotalamickými působky, skladovanými a uvolňovanými neurohypofýzou, účinkují na různých místech rovněž jako neurotransmitery i jako modulátory nervového přenosu. Řízení Výdej (uvolňování) vasopresinu a oxytocinu je řízen nervovými podněty. Signálem pro výdeje vasopresinu jsou změny osmolality krve a krevního tlaku. V hypotalamu jsou buňky tvořící vasopresin mimořádně citlivé na změny osmolality vnější tekutiny a na změny krevního tlaku. Stoupne-li např. koncentrace osmoticky aktivních látek, tj. především sodíku, draslíku a glukosy v krvi, voda z těchto buněk uniká, ty se smrští, což vyvolá nervový signál, který je podnětem ke zvýšení sekrece a syntézy vasopresinu a následně ke snížení vylučování vody ledvinami (odtud název adiuretin zabraňuje vylučování vody močí). Současně tyto změny vyvolají v příslušném mozkovém centru pocit žízně. 15

16 Parathormon, kalcitonin a regulace kalciofosfátového metabolismu Jak jsme ukázali, vápenaté ionty se uplatňují jako druzí poslové při hormonální regulaci řady biochemických pochodů. Kyselina fosforečná respektive fosfáty se účastní mnoha biochemických reakcí (řada biochemických pochodů začíná fosforylací substrátů, makroergické fosfáty jsou universálním zdrojem energie). Koncentrace zejména vápenatých iontů v extracelulárním prostoru (krev, lymfa, mezibuněčná tekutina) a v buňkách se musí udržovat v poměrně úzkém fyziologickém rozmezí: u člověka hladina Ca 2+ v krvi se pohybuje od 2.25 do 2.60 mmol/l. Z toho okolo 46 % Ca 2+ se váže na plasmatické bílkoviny, zejména na albumin, 48 % tvoří volný ion ( ionizované kalcium ), zbytek je přítomen ve formě komplexů s různými látkami, přítomnými v krvi. Volný a na komplexy vázaný vápník se někdy označuje jako "difusibilní kalcium". Vápník přítomný v krvi přitom tvoří jen asi promile celkového kalciového poolu ; poměr vápníku v jednotlivých oddílech ( kompartmentech ), tj. uvnitř buněk (intracelulární prostor), v tělních tekutinách (= krev, lymfa, extracelulární prostor) a v kostech lze přibližně vyjádřit čísly 1:10:1000. Koncentrace fosfátu v extracelulárním prostoru je organismem tolerována v širším rozmezí ( nmol/l). Hlavní zásobárnou vápníku i fosfátu je jak patrno kostní hmota. Kalciofosfátový metabolismus představuje významnou složku celkového metabolismu. K jeho regulaci se u vyšších organismů vytvořil systém, založený na souhře tří hormonů - dvou peptidů, parathormonu a kalcitoninu a nízkomolekulárního hormonu, odvozeného chemicky od vitaminu D. Vedle těchto hormonů se při regulaci kalciofosfátového metabolismu uplatňují i další hormony, z nichž na prvním místě je třeba zmínit hormony štítné žlázy, trijodothyronin a thyroxin. Hlavní úlohou tohoto systému je udržení stálých hladin Ca 2+ v extracelulárním prostoru a v buňkách, při současném udržení integrity kostí. O derivátech vitaminu D a o jeho úloze pojednáme podrobněji v kapitole věnované steroidním hormonům, vzhledem k chemické podobnosti i k analogii mechanismů, kterými tyto látky jako hormony působí. Zde si všimneme především obou peptidových hormonů. Parathormon (PTH) Původ, tvorba, metabolismus: Parathormon se tvoří v příštitných tělíscích (parathyroidea), tvořených dvěma páry (horním a dolním) žláznatých tělísek, nasedajících na štítnou žlázu. Se štítnou žlázou mají společný embryonální původ. Příštitné žlázy jsou tvořeny několika typy buněk, z nichž pro sekreci PTH jsou nejvýznamnější tzv. hlavní buňky (major cells). V nich se PTH skladuje v sekrečních granulích, z nichž je vydáván do okolního prostoru endocytosou. Prekurzorem PTH je preproparathormon (115 aminokyselin), z něhož odštěpením 25 aminokyselin vzniká proparathormon, z něhož se teprve tvoří v Golgiho aparátu vlastní PTH o 84 aminokyselinách (mol. hmotnost 9500 Da). Ještě aktivní je fragment o 34 aminokyselinách (od NH 2 -konce). V krvi je poměrně rychle odbouráván biologický poločas je asi 15 min - na řadu fragmentů, z nichž některé vykazují různé biologické účinky. 16

17 Biologické účinky a jejich mechanismus: Parathormon celkově vyvolává zvýšení hladiny Ca 2+ v krvi. Děje se tak několika způsoby: 1. Odbouráváním (osteolýzou, rozpouštěním ) kostní tkáně (kosti jsou tvořeny různými typy buněk, - osteoblasty, osteoklasty, osteocyty) jež obsahují vedle minerální složky rovněž bílkoviny; účinek PTH vedoucí k uvolňování vápníku se týká minerálních složek pouze určitých kostních buněk, jinak může PTH účinkovat i anabolicky, např. podporou záchytu a utilizace aminokyselin pro výstavbu kostních proteinů). 2. Stimulací resorpce (zpětného vstřebávání) Ca 2+ ledvinami (spolu s hořečnatými ionty), za současného poklesu resorpce fosfátu a bikarbonátu (HCO 3 -) a zvýšení jejich vylučování. 3. Zvýšením resorpce Ca 2+ v tenkém střevě, analogicky jako v ledvině. Kromě toho PTH v cílových tkáních, především ve střevě, stimuluje aktivitu klíčového enzymu pro tvorbu hormonálně aktivního derivátu vitaminu D, kalcitriolu, tzv. 1α-hydroxylasu 25-OH-D3. Molekulární mechanismus účinku PTH využívá adenylcyklasového systému. Na membránách cílových buněk (ve střevě, v ledvinách i v kostech) byly prokázány jeho receptory. Zmiňme v souvislosti s úlohou PTH, jaké jsou vlastně hlavní funkce ledvin s ohledem na udržování homeostázy Ca 2+ : 1. Ultrafiltrace spočívající v zadržení vysokomolekulárních látek a substrátů, probíhající v klubcích (glomerulech) o obrovském povrchu. Tento proces se Ca 2 bezprostředně netýká, glomeruly vápník nezachytí. 2. Vlastní reabsorbce Ca 2+, které glomeruly jinak propouští, probíhající v renálních tubulech tvořených nefrony a z menší části v tzv. Henleyho kličce. Buňky tzv. distální části nefronu jsou na jedné straně tvořeny bohatě zřasenou strukturou ( lumen ), která nasedá na přívodný kanál a bazální membránou, sousedící s odvodnou cévou. Na této membráně jsou receptory pro PTH patřící do rodiny 7T (transmembránové proteiny které7x prostupují membránou). Navázáním hormonu, přes adenylátcyklasový systém s G-proteiny a camp, se aktivuje fosforylační kaskáda (jako první proteinkinasa A, PKA), vedoucí k migraci váčků přítomných v cytoplasmě a bohatých na kalciové transportéry. Ty fůzují s membránou lumenu a usnadňují (facilitují) transport Ca 2 do cytoplasmy ve směru koncentračního gradientu. Je to určitá analogie s účinkem insulinu na transport glukosy do buněk, kde fůzí endosomů obsahujících glukosové transportéry dochází k navýšení jejich počtu v membráně (srov. s kapitolou o transportu glukosy do buněk). Dodejme, že exprese těchto transportérů (transmembránových kanálů pro Ca 2 ) je regulována cholekalciferolem = kalcitriolem (1α,25-dihydroxycholekalciferol, [1,25(OH)2D 3 ] = biologicky aktivní metabolit vitaminu D); srov. s kapitolou o hormonech vitaminu D. Současně, opět přes fosforylační kaskádu, dochází k aktivnímu transportu Ca 2 (za spotřeby ATP) přes bazální membránu, kde se aktivuje antiport Ca 2 /Na + (a další iontový Na + /K + kanál zajišťující rovnováhu kationtů) a Ca 2 se tak dostává zpátky do krve. Řízení: Sekrece PTH příštitnými žlázami je stimulována sníženými hladinami Ca 2+ v krvi, zvýšení hladin Ca 2+ vyvolá naopak pokles sekrece PTH. Opačný efekt mají změny koncentrace fosfátu. Novější studie (založené na měření mrna pro gen kódující PTH v buňkách příštitných žláz) ukázaly, že tvorba a sekrece PTH je (rovněž) funkcí nitrobunečného 17

18 Ca 2+. Mechanismus této regulace si můžeme představit tak, že změny v koncentraci nitrobuněčného kalcia, která opět závisí na koncentraci Ca 2+ vně buněk, vyvolají řadu událostí, při kterých Ca 2+, buď samotný nebo ve vazbě s kalmodulinem, aktivuje jako druhý posel různé děje, mezi jiným i průchodnost kalciových kanálů a následně zvýšení nebo naopak snížení vstupu Ca 2+ z cirkulace do buněk. V buňkách příštitných žláz pak změny koncentrace Ca 2+ (jakožto druhého posla) vyvolají aktivaci nebo naopak útlum tvorby (na úrovni genové exprese) a sekrece parathormonu. Kalcitonin (CT) Původ, tvorba, metabolismus: Kalcitonin se tvoří v tzv. parafolikulárních ( C ) buňkách štítné žlázy (srov. anatomie a morfologie štítné žlázy). Kalcitonin byl prokázán i v jiných tkáních a orgánech (gastrointestinální trakt, plíce, játra, CNS a také v hypofýze). Prekurzorem je podobně jako u parathormonu preprohormon (136 aminokyselin, 15 kda), jehož štěpením ve dvou krocích v Golgiho aparátu se získá lineární peptid o 32 aminokyselinách a mol. hmotnosti 3500 Da, kalcitonin. Podléhá proteolytickému štěpení podobně jako PTH, některé fragmenty jsou rovněž biologicky aktivní. Biologický poločas kalcitoninu je asi 10 min. Biologické účinky a jejich mechanismus Kalcitonin je antagonistou parathormonu, tzn. působí opačné změny v cílových tkáních (kosti, ledviny, tenké střevo) než PTH. Celkově CT snižuje hladinu Ca 2+ v krvi. Na rozdíl od parathormonu však změny v hladinách kalcia a následně biologické projevy nejsou tak prudké jako u parathormonu. K mechanismu účinku: receptory pro CT jsou na membránách, využívá se adenylcyklásového sustému s camp jako druhým poslem. Řízení: Také kalcitonin reaguje na změny cirkulujícího resp. nitrobuněčného Ca 2+ a fosfátu jako PTH, jenže opačně; mechanismus je obdobný. Hormony štítné žlázy Hormony štítné žlázy jsou nezbytné pro život organismu. Jak ještě ukážeme, jejich biologické účinky jsou velice pestré: uvádí se, že působí na celkový metabolismus, čímž se rozumí, že regulují celou řadu biochemických reakcí, včetně regulace příjmu, výdeje a přeměn energie. Cílové buňky pro hormony štítné žlázy proto najdeme prakticky ve všech tkáních a orgánech. Úlohou štítné žlázy a jejích hormonů není, jak se často mylně traduje, hospodaření s jodem. Jod se pouze účastní, jako jedna z klíčových reakčních složek, biosyntézy a metabolismu hormonů štítné žlázy. Anatomie a morfologie štítné žlázy Štítná žláza je tvořena dvěma laloky o výšce asi 4 cm, šířce cm a tloušťce asi 1 cm, o celkovém objemu asi 20 ml. Hormony štítné žlázy se v tomto orgánu tvoří ve váčcích - folikulech, jež tvoří podstatnou část tkáně. Mezi folikuly 18

19 jsou roztroušeny. parafolikulární buňky (setkali jsme se s nimi již jako s místem tvorby kalcitoninu). Folikuly jsou kulovité útvary o průměru cca 300 µm, jejich stěna je tvořena jednou vrstvou krychlovitých, epiteliálních buněk, vnitřek folikulu je vyplněn hmotou koloidem, bohatou na typickou bílkovinu štítné žlázy - tyreoglobulin ( Tg ). V popisu buněk tohoto typu se často setkáme s pojmem vnější = bazální membrána, která je ve styku s okolními cévami (všechny endokrinní žlázy, štítnou nevyjímaje jsou bohatě prokrveny) a vnitřní = apikální membrána, která odděluje nitrobuněčný prostor od koloidu. Chemie Hlavními hormony štítné žlázy jsou thyroxin (3,5,3,5 -tetrajodothyronin, T 4 ) a 3,5,3 -trijodothyronin (T 3 ), odvozené od aminokyseliny tyrosinu resp. jeho derivátu thyroninu (číslování poloh v obou aromatických kruzích: polohy na aromatickém jádře (kruhu) bližším ke karboxylovému konci mají číslování obyčejné, na vzdálenějším kruhu čárkované). Biosyntéza hormonů štítné žlázy, její řízení a metabolické přeměny hormonů štítné žlázy Biosyntéza tyroidálních hormonů, její řízení, transport těchto hormonů, jejich metabolické přeměny v cílových buňkách a konečně jejich odbourávání představuje souhru na sebe navazujících dějů, při nichž významnou úlohu hraje transport a chemické přeměny jodu. Jednotlivé stupně biosyntézy zároveň poskytují možnost dalších regulačních zásahů a jsou ukázkou komplexnosti endokrinního regulačního systému. Považujeme za účelné, právě s ohledem na provázanost jednotlivých pochodů, v této kapitole pojednat současně jak o biosyntéze hormonů štítné žlázy, tak o jejím řízení a o dalších osudech těchto hormonů. Biosyntéza hormonů štítné žlázy zahrnuje následující kroky: 1. Vychytávání jodu žlázou: Jod ve formě jodidového iontu je z krevního řečiště buňkami žlázy vychytáván, za účasti ATPas. Dochází zřejmě jak k aktivnímu, tak pasivnímu transportu, přičemž se uplatňuje ještě rozdílný elektrický potenciál vnější membrány folikulárních buněk a okolí. Jodidový ion se difuzí buňkami dostává až do koloidu, kde podléhá chemickým přeměnám. Poměrně novým objevem je průkaz tzv. Na + /I - symportéru, v podstatě jodo-sodíkové pumpy jako transmembránového proteinu usnadňujícího vstup iodidového iontu do folikulárních buněk. 2. V buňkách, při apikální membráně, dochází k reakci mezi kyslíkem a NADPH za vzniku peroxidu vodíku. Oxidace NADPH je katalyzována přítomnou cytochrom c-oxidoreduktasou. 3. Vznikající peroxid vodíku proniká přes apikální membránu do koloidu, kde je využit k oxidaci jodidu na jod (případně na radikál I. ), za účasti tyroidální peroxidasy (TPO), která je jedním z typických enzymů štítné žlázy. 4. Vzniklý jod se váže kovalentně na tyrosinové zbytky tyr(e)oglobulinu (Tg). Dochází tím rovněž ke změnám kvarterní struktury Tg, umožňující další krok, kterým je pospojování - kopulace jodotyrosinů na jodothyroniny (dojde k zesíťování tyreoglobulinu). 19