Biochemie hormonů odvozených od aminokyselin a proteinů Alice Skoumalová

Osnova přednášky Definice peptidových hormonů Společné vlastnosti: syntéza, vazba na receptory na povrchu buněk Rozdělení peptidových hormonů Hormonální kaskáda hypothalamo-hypofyzární (amplifikace signálu, negativní zpětná vazba) Geny a peptidové hormony (genové rodiny) Jednotlivé hormony hypothalamu a hypofýzy Syntéza a degradace katecholaminů Biochemie parathormonu a insulinu Degradace peptidových hormonů

Definice peptidových hormonů Peptidy s endokrinní funkcí Syntetizovány v procesu transkripce a translace Pre-prohormony - dále upravovány (posttranslační modifikace); štěpí se pre-sekvence, glykosylace, vzniká prohormon Prohormon - skladován a uvolňován po specifickém stimulu; pro- sekvence potřebná pro získání funkční terciální struktury je štěpena před uvolněním do cirkulace Zralý hormon se váže na receptory na povrchu cílových buněk

Peptidové hormony se váží na specifické receptory na povrchu buněk

Receptory působící prostřednictvím G-proteinů K přenosu signálu dochází cestou: 1. Zvýšení cAMP a přenos signálu přes kaskádu proteinkinasy A Kortikotropin uvolňující hormon, thyreotropin, luteinizační hormon, folikly stimulující hormon, adrenokortikotropní hormon, vasopresin, opioidní peptidy, noradrenalin, adrenalin 2. Hydrolýza fosfatidylinositol-4,5-bisfosfátu a přenos signálu přes kaskádu proteinkinasy C a inositoltrifosfát-Ca2+ Thyreotropin uvolňující hormon, gonadotropiny uvolňující hormon, thyreotropin, adrenalin, noradrenalin, angiotensin 3. Zvýšení cGMP a přenos signálu přes kaskádu proteinkinasy G Atriální natriuretický faktor Receptory s proteinkinasovou aktivitou Např. tyrosinkinasovou (Insulin)

Typy hormonů podle chemické struktury 1. Deriváty aminokyselin Katecholaminy, thyroxin 2. Peptidové hormony Malé peptidové hormony (thyreotropin uvolňující hormon, oxytocin, vasopresin) Proteinové hormony (insulin, růstový hormon) Glykoproteinové hormony (luteinizační hormon, folikly stimulující hormon, thyreoideu stimulující hormon) 3. Steroidní hormony

Peptidové hormony Hormony hypothalamo-hypofyzární kaskády Secernované v jiných tkáních srdce (atriální natriuretický faktor) pankreas (insulin, glukagon, somatostatin) gastrointestinální trakt (cholecystokinin, gastrin) tuková tkáň (leptin) příštitná tělíska (parathormon) ledviny (erytropoetin)

Hormonální kaskáda Amplifikace signálu CNS Vnější či vnitřní signál Elektricko-chemický signál Limbický systém Elektricko-chemický signál Hypothalamus Uvolňující hormony (ng) Adenohypofýza Adenohypofyzární hormony (μg) Cílová „žláza“ Gonády, štítná žláza, kůra nadledvin Cílové hormony (mg) Systémový efekt

Glukokortikoidní receptory v nejrůznějších buňkách CRH-ACTH-Hydrokortizon Vnější stres-jednoduchý stresor (změna teploty, hluk, trauma) CNS Elektricko-chemický signál Limbický systém Elektricko-chemický signál Hypothalamus Kortikotropin uvolňující hormon (CRH) v ng, poločas minuty Portální systém Kortikotrofy Adenohypofýza Adrenokortikotropní hormon (ACTH) v μg, delší poločas Kůra nadledvin Hydrokortizon v mg, poločas hodiny Glukokortikoidní receptory v nejrůznějších buňkách Systémový efekt

Hormonální kaskáda Negativní zpětná vazba CNS Limbický systém Hypothalamus Dlouhá zpětná vazba Uvolňující hormony Krátká zpětná vazba Adenohypofýza Adenohypofyzární hormony Cílová „žláza“ Cílové hormony Systémový efekt

Klinická korelace hormonální kaskády Testování aktivity adenohypofýzy Infertilita (insuficience hypothalamu, adenohypofýzy či gonád) Krok 1 Ověření fungování gonád Krok 2 Funkce adenohypofýzy Podání LH či FSH Testujeme, zda jsou tvořeny hormony gonád Syntetický GnRH (zvyšuje hladinu LH a FSH; pomocí RIA) Odpověď je → Hypofýza funguje dobře a patologie se týká hypothalamu Odpověď není → Poškozená funkce adenohypofýzy

Hypothalamické uvolňovací hormony (RH) Uvolňující hormony Počet Ak Hormony adenohypofýzy Thyreotropin uvolňující hormon (TRH) 3 Thyreoideu stimulující hormon (TSH) Gonadotropiny uvolňující hormon (GnRH) 10 Luteinizační hormon (LH), Folikly stimulující hormon (FSH) Kortikotropin uvolňující hormon (CRH) 41 Adrenokortikotropní hormon (ACTH), β-lipotropin, β-endorfiny Hormon uvolňující růstový hormon (GHRH) 44 Růstový hormon (RH) Somatostatin 14 Inhibice uvolnění RH Faktor uvolňující prolaktin (PRF) Prolaktin (PRL) Faktor inhibující uvolnění prolaktinu (PIF), Dopamin Inhibice uvolnění PRL

Hypothalamus GRH TRH CRH Dopamine PRF, PIF GnRH Adenohypofýza GH TSH ACTH LPH β-Endorfin MSH PRL FSH LH Ovaria Ovaria Játra Štítná žláza Kůra nadledvin Mléčná žláza Testes Testes Tmavnutí kůže β-Endorfin Ovulace, Corpus luteum, progesteron Diferenciace buněk, sekrece mléka Kortikosteroidy Hyperglykemický efekt Analgesie Tvorba thyroidních hormonů Leydigovy buňky, testosteron Vývoj ovariálních foliklů, sekrece estradiolu Ovlivňuje nejrůznější buňky, tvorba IGFs, buněčný růst, metabolismus kostí Růst semenotvorných kanálků, spermatogeneze GH-Růstový hormon, TSH-Thyreoideu stimulující hormon, ACTH-Adrenokortikotropní hormon, LPH-Lipotropin, MSH-Melanocyty stimulující hormon, PRL-Prolaktin, FSH-Folikly stimulující hormon, LH-Luteinizační hormon

Děložní kontrakce, laktace Hypothalamus Oxytocin Axonální transport Vasopresin (ADH) Neurohypofýza Oxytocin Vasopresin (ADH) Děložní kontrakce, laktace Vodní hospodaření

Snížená funkce hypofýzy (snížené uvolňování hormonů) Hypopituitarismus Snížená funkce hypofýzy (snížené uvolňování hormonů) Přerušení komunikace mezi hypothalamem a hypofýzou v důsledku úrazu (autonehoda) Tumor hypofýzy Snížená tvorba hormonů hypofýzy a cílových hormonů Život ohrožující situace Léčba perorálním podáváním cílových hormonů (hydrokortizon, thyreoidní hormony, hormony gonád, progestin, růstový hormon u dětí)

Struktura genů a tvorba polypeptidových hormonů 1. Z jednoho genu vzniká více produktů Proopiomelanokortinová rodina peptidů Vasopresin a neurofysin II; oxytocin a neurofysin I 2. Na jednom genu se nachází více kopií produktu Př. Enkefaliny 3. Jeden gen kóduje pouze jeden produkt Př. CRH

Genový produkt proopiomelanokortin kóduje 8 hormonů ACTH, β-lipotropin, γ-lipotropin, γ-MSH, α-MSH, CLIP, β-endorfin, enkefaliny Proopiomelanokortin se nachází v buňkách adenohypofýzy i v intermediární laloku, ale produkty jsou rozdílné

Peptidová rodina proopiomelanokortinu Peptidy působící jako hormony (ACTH, LPH, MSH) a neurotransmitery Prekursorová molekula 285 Ak Gen je exprimován v hypofýze, ale i v periferních tkáních (střevo, placenta, mužský reprodukční trakt) ACTH: reguluje růst a funkci kůry nadledvin (syntéza a sekrece adrenálních steroidů); nadměrná tvorba Cushingův syndrom β-lipotropin: vyvolává lypolysu, stimuluje melanocyty, prekurzor β-endorfinu Endorfiny: váží se na opiové receptory v mozku, kontrola vnímání bolesti MSH: navozuje melanogenezi (tmavnutí kůže)

Prepro-vasopresin a prepro-oxytocin gen Prepro-vasopresin - sekvence vasopresinu, neurofysinu II a glykoproteinu Prepro-oxytocin - sekvence oxytocinu a neurofysinu II (neurofysiny-váží se na hormon a stabilizují ho)

Vasopresin a oxytocin Syntetizovány v hypothalamu (nucleus supraopticus a paraventricularis) Transportovány axony ve spojení s nosičovými proteiny neurofysiny Jsou to nonapeptidy, obsahují disulfidický můstek Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Arginin vasopresin Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Lys-Gly-NH2 Lysin vasopresin Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Oxytocin Oxytocin: laktace Vasopresin: reabsorpce vody v distálních tubulech ledvin

Příklad mnohonásobných kopií hormonu na jednom genu Genový produkt pro enkefaliny (nacházející se v dřeni nadledvin) Enkefaliny jsou pentapeptidy s opioidní aktivitou Tyr-Gly-Gly-Phe-Met (methionin-enkefalin) Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (leucin-enkefalin) Prekurzor enkefalinů obsahuje několik kopií Met-enkefalinu (M) a jeden Leu-enkefalin (L)

Příklad genu kódujícího pouze jeden hormon proCRH gen Informace pro hormon je kódována ve druhém exonu CRH se nachází v hypothalamu a adenohypofýze, ale i v testes, mozkovém kmenu a nadledvinkách

Růstový hormon (GH), prolaktin (PRL) a choriový somatomamotropin (CS) Rodina proteohormonů se značnou sekvenční homologií (duplikace ancestrálního genu) Více genů pro GH a CS (chromosom 17), jediný pro PRL (chromosom 6) GH-N CS-L CS-A GH-V CS-B 5´ 3´ Umístění a orientace lidské GH-CS genové rodiny na chromosomu 17 Jeden funkční gen pro GH (N) a jeho varianta (V); dva geny CS (A,B) jsou exprimovány, jeden není (L) Kódovací sekvence těchto genů je organizována do 5 exonů, proložených 4 introny 1 2 3 4 5 5´ 3´ A B C D Struktura genu pro hGH (šrafování zn. nekódující oblasti)

Růstový hormon (GH) Biochemické účinky Syntéza v adenohypofýze, koncentrace 5-15 mg/g Polypeptid, 191 Ak, 2 disulfidové vazby Nezbytný pro postnatální růst Biochemické účinky 1. Zvyšuje proteosyntézu 2. Metabolismus sacharidů: antagonizuje účinky insulinu (hyperglykemie); snížená periferní utilizace glukosy, zvýšená glukoneogenese v játrech 3. Metabolismus lipidů: uvolňování MK a glycerolu z tukové tkáně, zvýšení hladiny MK v krvi, zvýšení oxidace MK v játrech 4. Metabolismus minerálů: positivní bilance Ca2+, Mg2+ a fosfátů (podporuje růst kostí) 5. Účinky podobné prolaktinu Patofysiologie: nanismus, gigantismus, akromegalie

Prolaktin (PRL) Syntéza v adenohypofýze Biochemické účinky: navození a udržení laktace Patofysiologie: tumory adenohypofýzy s nadměrnou sekrecí PRL způsobují amenoreu a galaktoreu u žen, gynekomastii a impotenci u mužů

Hypofyzární a placentární glykoproteiny: Thyreoideu stimulující hormon (TSH), luteinisační hormon (LH), folikly stimulující hormon (FSH) a choriový gonadotropin (CG) Strukturně podobné (společný ancestrální gen): podjednotky α (stejné ve všech hormonech) a β (určuje specifickou biologickou aktivitu), z odlišných genů Syntetizovány jako pre-prohormony, posttranslační zpracování (glykosylace) LH a FSH působí na gametogenesi a steroidogenesi v gonádách hCG je syntetizovaný v syncytiotrofoblastových buňkách placenty, zvyšuje se v krvi a močí krátce po implantaci, těhotenské testy hCG- β podjednotka

Syntéza adrenalinu v dřeni nadledvin 1 2 3 4 Tyrosinhydroxylasa: oxidoreduktasa, kofaktor tetrahydropteridin; inhibice katecholaminy, deriváty tyrosinu, cheláty železa Dopa-dekarboxylasa: kofaktor pyridoxalfosfát; inhibitor α-methyldopa Dopamin-β-hydroxylasa: oxidasa se smíšenou funkcí, askorbát donor elektronů, měď v aktivním místě Fenylethanolamin-N-methyltransferasa: syntéza je indukována glukokortikoidy

Katecholaminy jsou rychle metabolisovány katechol-O-methyltransferasou (COMT) a monoaminooxidasou (MAO) Tvoří se velké množství metabolitů; diagnostický význam mají metanefriny a kyselina 3-methoxy-4-hydroxymandlová (vanilmandlová) v moči, zvýšení u feochromocytomu.

Parathormon (PTH) Endoplasmatické retikulum Příštitná tělíska Pre Pro PTH 31 6 1 84 Endoplasmatické retikulum Příštitná tělíska Golgiho aparát Formy v krvi (biologicky aktivní) Játra Parathormon působí na homeostasu Ca2+ Zvyšuje rychlost odbourávání kostí, snižuje renální vylučování Ca2+, zvyšuje účinnost resorpce Ca2+ ve střevě stimulací tvorby kalcitriolu

Insulin Polypeptid složený ze 2 řetězců A a B, které jsou spojeny disulfidovými můstky

Syntéza a posttranslační úprava insulinu Hydrofobní pre-sekvence (signální peptid) je odštěpena po transportu do ER Proinsulin je dále transportován do GA a štěpen enzymem podobným trypsinu a karboxypeptidase podobnými enzymy Vzniká heterodimer a C-peptid

Struktura prekurzorů insulinu podobných peptidů Homologní oblasti relaxinu, insulinu a IGF jsou znázorněny plnými úseky Spojující Ak sekvence jsou znázorněny prázdnými úseky (odstraní se při úpravě prekurzorů) Spojující sekvence IGF není odstraněna

Gen lidského insulinu byl isolován Syntéza lidského insulinu v bakteriálních systémech exprese za použití technologie rekombinantní DNA poskytuje výhodný zdroj insulinu pro nemocné diabetem Schématické znázornění struktury lidského insulinového genu Šrafované oblasti nevedou k translaci, tečkované oblasti představují kódující sekvence

Inaktivace a degradace polypeptidových hormonů Většina je degradována na aminokyseliny hydrolysou v lysosomech Některé hormony obsahují modifikované aminokyseliny Hypothalamické uvolňovací hormony Pyroglutamátovou kyselinu (pGlu) C-terminální amid aminokyseliny (Gly-NH2, Ala-NH2, Leu-NH2) pGlu C---Peptide O NH O Rozštěpení pGlu či odštěpení terminálního amidu inaktivuje enzym (krátký poločas těchto enzymů v krvi)

Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Hormony obsahující cyklickou strukturu tvořenou disulfidovým můstkem (oxytocin, vasopresin, somatostatin) 2. Glutathion transhydrogenasa Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2 Oxytocin 1. Cystin aminopeptidasa

Shrnutí Peptidové hormony jsou tvořeny v procesu transkripce a translace (DNA-mRNA-peptid) a dále upravovány posttranslační modifikací Peptidové hormony působí přes receptory na povrchu buněk a spouští kaskádu následných reakcí v cytoplasmě (cAMP, druhé posly) Peptidové hormony tvoří genové rodiny, které vznikají ze společného ancestrálního genu Hlavní skupinou peptidových hormonů jsou hormony kaskády hypothalamo-hypofyzární (amplifikace signálu, negativní zpětná vazba) Mezi peptidové hormony patří mnoho látek syntetizovaných v periferních tkáních