Ormoni

Definizione classica:

messaggeri chimici prodotti da tessuti specializzati (ghiandole endocrine) che agiscono a distanza su cellule bersaglio

(segnali endocrini)

Definizione più ampia

la capacità di produrre ormoni non è una proprietà esclusiva delle ghiandole endocrine.

Gli ormoni possono anche agire localmente su cellule vicine per diffusione (segnali paracrini)

o anche sulle stesse cellule che li hanno prodotti (segnali autocrini)

In questi casi l’ormone non è secreto in circolo

Secondo questa definizione più ampia la separazione tra ormoni e neurotrasmettitori diventa labile

Certe molecole possono agire sia come ormoni che come neurotrasmettitori (es: catecolamine, ormoni ippotalamici, ipofisari, gastro-intestinali)

I neuroni possono rilasciare in circolo ormoni (neurormoni)

ossitocina

• L'ossitocina è un ormone prodotto dai nuclei ipotalamici e secreto dalla neuroipofisi

• E’ un ormone peptidico, un nonapeptide, molto simile a un altro ormone ipofisario, la vasopressina

• L'azione principale dell'ossitocina è quella di stimolare le contrazioni della muscolatura liscia dell'utero

• Governa il "riflesso di eiezione fetale", "riflesso di eiezione del latte", "riflesso di eiezione dello sperma”

• Recettori dell'ossitocina si trovano anche nel sistema limbico del cervello

• Esperimenti su animali hanno dimostrato l'importanza di tale ormone nell'accoppiamento, nel comportamento parentale e sociale

Oxytocin Infusion Reduces Repetitive Behaviors in Adults with Autistic and Asperger's Disorders

Neuropsychopharmacology (2003) 28, 193-198

Ricerche recenti sugli animali hanno evidenziato un importante ruolo dell'ossitocina anche nello sviluppo

del comportamento sociale

Questo ha indotto alcuni ricercatori a compiere ricerche sui soggetti autistici per evidenziare eventuali

alterazioni potenzialmente responsabili dell'alterato sviluppo sociale

Topi privi del gene che codifica per l’ossitocina sono indifferenti al distacco dalla madre e in generale

presentano assenza di attaccamento sociale, non cercano la compagnia dei pari e presentano

un'aumentata aggressività

questi topi recuperano la capacità a sviluppare una memoria sociale dopo somministrazione

intracerebrale di ossitocina

E' stata dimostrata una correlazione anche tra ossitocina e comportamenti ripetitivi

Sulla base delle caratteristiche chimiche gli ormoni possono essere suddivisi in quattro gruppi:

1) derivati da un solo aminoacido:

amine e ormoni tiroidei (T3 e T4)

2) steroidei: derivati dal colesterolo

3) eicosanoidi: derivati dei grassi polinsaturi C20 (azione autocrina e/o paracrina). Il PAF è una molecola ad azione ormonale di derivazione lipidica

4) peptidici a questo gruppo si possono ascrivere anche i fattori di crescita (GF) e le citochine che agiscono con meccanismi autocrini e/o paracrini

Gli ormoni liposolubili (steroidei, tiroidei) attraversano le membrane cellulari

gli ormoni proteici poco liposolubili non attraversano le membrane cellulari

Al gruppo degli ormoni peptidici appartengono i fattori di crescita GF e le citochine

La concentrazione plasmatica degli ormoni è 10-6 -10-12 M

Gli ormoni peptidici hanno concentrazioni più basse rispetto agli steroidei e tiroidei

Quest’ultimi sono trasportati nel plasma legati alle proteine palsmatiche

Anche se le catecolamine e gli ormoni peptidici sono generalmente presenti in forma libera, recentemente si sono trovate proteine specifiche che legano l’ormone della crescita (GH) e altri fattori di crescita (IGF)

Il legame trasportatore (T) ormone (H) è reversibile (non covalente) e si crea un equilibrio:

H + T HT

che è molto spostato verso il complesso, per cui la frazione libera dell’ormone (forma attiva) può essere estremamente piccola

Il complesso HT è di fatto una riserva circolante dell’ormone e inoltre lo protegge dai meccanismi di degradazione ed escrezione (tempo di emivita più alto)

Tiroxina: H = 0.02% t1/2 = 7 giorni

Analogamente si instaura un equilibrio tra ormone e recettore:

H + R HR

KD = [H] [R]

[HR]

[R] = [RT] - [HR]

= [RT] [HR]

KD KD

-[HR]

[H]

[RT] [HR] max

Se nello Scatchard plot si ottiene un andamento non rettilineo significa che il recettore possiede più siti a diversa affinità o che c’è cooperatività

HR = B H = F RT = Bmax

- Saturabilità:

il numero dei recettori è piccolo

da [HR]max si ricava il numero totale dei recettori (siti d legame)

- Elevata affinità:

KD bassa (KA alta)

KD dello stesso ordine di grandezza della concentrazione fisiologica dell’ormone

- Elevata specificità:

un recettore lega un solo tipo d’ormone (oppure ormoni dotati della stessa attività biologica)

Quando la concentrazione dell’ormone è anormalmente elevata si ha il fenomeno detto spillover in cui un ormone interagisce con il recettore di un altro ormone

Lo spillover può generare sia un effetto agonista che antagonista

La funzionalità e il numero dei recettori può variare in risposta agli stimoli

Diminuzione dell’affinità: desensibilizzazione

Diminuzione del numero dei recettori: down-regulation

Aumento del numero dei recettori: up-regulation

La down-regulation è:

omologa se causata dallo stesso ormone a cui è specifico il recettore

eterologa se causata da un altro ormone che interagendo con i propri recettori ha effetti anche su un altro recettore

Uno dei meccanismi attraverso cui si esplica la down-regulation è quello della internalizzazione dei recettori di membrana:

dopo stimolazione i complessi recettore-ormone si addensano in punti della membrana dove sul lato citosolico è presente la proteina clatrina

si creano delle invaginazioni che generano poi delle vescicole, e i recettori sono sequestrati all’interno della cellula e non sono più disponibili per il legame con l’ormone

L’effetto degli ormoni si esplica su un numero limitato di proteine: prevalentemente proteine di regolazione

Nelle vie metaboliche esistono poche reazioni irreversibili con G << 0

Queste costituiscono le cosiddette tappe limitanti

La regolazione degli enzimi che catalizzano le reazioni delle tappe limitanti risulta in un effetto sull’intera via metabolica

La regolazione enzimatica può avvenire per alterazione :

- della attività catalitica (veloce)

- della concentrazione dell’enzima (lenta)

La fosforilazione è il meccanismo di regolazione più diffuso nelle cellule eucariote

Le proteine cinasi (PK) catalizzano la fosforilazione di residui di serina nella maggioranza dei casi (90%) e meno frequentemente di treonina e ancora più di rado di tirosina (0.1%)

A tutt’oggi sono state individuate più di 200 proteine cinasi suddivisibili sostanzialmente in due grandi gruppi:

Queste PK sono state individuate di recente e per ora se ne conoscono poche

Le PK agiscono su siti di riconoscimento determinati dalla sequenza aminoacidica

La PK AMPc - dipendente fosforila i residui Ser inseriti nella sequenza:

X-Arg-Arg-X-Ser-X

Le PK possono agire su una sola proteina oppure su numerosi substrati proteici, e sidicono allora multifunzionali

Le proteine possono essere fosforilate in un solo sito oppure in più siti da diverse PK con effetti sia additivi che inibitori

La fosforilazione oltre che agire direttamente sulla attività catalitica può anche modificarne le proprietà come la velocità di degradazione o la localizzazione subcellulare (modificandone la lipofilicità)

Esistono due tipi di recettori

- nucleari: ormoni steroidei e tiroidei

- membrana: ormoni peptidici, aminici, eicosanoidi

Anche se la maggior parte degli ormoni steroidei e tiroidei agisce a livello nucleare è verosimile (anche se non ancora dimostrata) l’esistenza di recettori di membrana anche per questi ormoni

Gli ormoni steroidei sono lipofili e sono in grado di attraversare le membrane

Esistono due ipotesi sulla localizzazione dei recettori degli ormoni steroidei:

- citosol

- nucleo (più attuale)

In ogni caso il legame con l’ormone provoca la trasformazione del recettore:

- distacco di proteine (proteine dello shock termico) a cui è associato il recettore libero

- formazione di un omodimero per legame a un altro recettore

- legame del dimero a sequenze di DNA dette elementi di risposta dell’ormone (HRE)

Esiste una forma di recettore per ciascun tipo di ormone steroide

Hanno caratteristiche strutturali e funzionali simili e sono accomunati in una classe assieme ai recettori degli ormoni tiroidei e di derivati della vitamina D e A

Nei recettori nucleari si identificano almeno cinque domini con specifiche proprietà funzionali

Al dominio C compete la funzione specifica di formare il legame col DNA grazie alla presenza dei cosiddetti Zn finger

Gli Zn finger interagiscono con gli HRE (spesso localizzati nella regione del promotore) riconoscendone la specifica sequenza nucleotidica

GRE = glucocorticoidi, progesterone, androgeni

ERE = estrogeni

TREp = ormoni tiroidei, Vitamina D, Vitamina A

DR4 = ormoni tiroidei (Direct Repeat)

Le sequenze consenso sono formate da 6 coppie di basi:

- palindromiche con 3 nucleotidi spaziatori (n) per GRE e ERE

-palindromiche senza nucleotidi spaziatori o ripetute non palindromiche per gli ormoni tiroidei

Si ipotizza che ciascuna molecola del dimero recettoriale interagisca con metà palidromo (o sequenza diretta)

Il meccanismo d’azione degli ormoni tiroidei è analogo a quello degli steroidei

I recettori degli ormoni tiroidei si ritiene siano saldamente legati alla cromatina diversamente da quelli steroidei la cui localizzazione è ancora controversa

Inoltre i recettori tiroidei non sono legati alle proteine dello shock termico

Altra differenza è la possibilità di formare degli eterodimeri recettoriali con i recettori del 9-cis-retinoico (caratteristica comune con i recettori della vitamina D e A)

I recettori di membrana sono suddivisibili in tre classi:

Vi sono pure dei recettori che non interagiscono con proteine G e non possiedono di per sé attività enzimatica, ma si pensa possano associarsi a enzimi citoplasmatici attivandoli

I recettori che interagiscono con le proteine G sono costituiti da polipeptidi che attraversano la membrana sette volte

(sette eliche transmembrana)

L’estremità N-teminale è all’esterno e può essere glicosilata

L’estremità C-terminale è all’interno e ha residui Ser o Thr disponibili alla fosforilazione

Le proteine G sono costituite da tre sub-unità: , , ancorate alla membrana

La sub-unità ha un sito di legame per i nucleotidi guanilici:

- legato a GDP è in forma inattiva si ancora alle sub-unità e e forma un complesso inattivo

- legato a GTP è in forma attiva e si dissocia dalle sub-unità e

La sub-unità possiede una intrinseca attività GTPasica ed è quindi in grado di idrolizzare lentamente il GTP legato autoinattivandosi

La velocità della reazione GTPasica determina il tempo durante il quale l’effettore rimane attivo

La GTPasi della sub-unità è una sorta di timer che controlla un interruttore

Esistono numerosi tipi di proteine G, e ognuna può regolare uno specifico effettore (anche più di uno)

Differiscono principalmente per la diversa sub-unità

L’AMPc è stato il primo “secondo messaggero” scoperto

Lo schema d’azione è:

H R G AC AMPc PKA

Esistono diversi isoenzimi di AC, ma tutti sono enzimi transmembrana che presentano il sito catalitico sul lato citosolico che promuove la conversione di ATP in AMPc:

La PKA nello stato inattivo è un tetramero costituito da due unità regolatrici R con ciascuna due siti di legame per l’AMPc e due unità catalitiche C

Il legame con AMPc promuove il distacco delle unità C che sono poi le responsabili dell’attività di fosforilazione

R2C2 + 4AMPc R2(AMPc)4 + 2C

La cascata della via dell’AMPc non comporta solo la trasduzione del segnale, ma anche una amplificazione:

il complesso HR può attivare circa 10 proteine Gs

ognuna di queste può mantenere attiva l’AC per un tempo (prima dell’idrolisi di GTP) tale da produrre circa 100 molecole di AMPc

l’amplificazione risultante è di 103

Una ulteriore amplificazione si verifica se la PKA fosforila più di una proteina

Caratteristiche peculiari di questa via sono:

- rapidità

- transitorietà

la risposta allo stimolo ormonale ( AMPc) avviene in pochi minuti (2-5) dopodichè si ha un rapida diminuzione della concentrazione di AMPc

Principali responsabili del rapido calo di [AMPc] sono le fosfodiesterasi (PDE) specifiche per i nucleotidi ciclici di cui ne esistono molte isoforme

degradano AMPc AMP

L’AMPc può controllare l’espressione genica a livello della trascrizione

Nei regione del promotore dei geni che rispondono all’AMPc sono stati individuati

elementi di risposta specifici (CRE)

La sequenza consenso palindromica è:

5’-TGACGTCA-3’

I CRE sono riconosciuti da una proteina detta

CREB (CRE binding protein) che si lega in

forma di dimero e funziona come un fattore di

trascrizione controllato mediante fosforilazione

da parte della PKA

Certi ormoni legandosi a certi recettori inibiscono la via dell’AMPc con un meccanismo analogo (anche se non ancora del tutto chiarito) a quello dell’attivazione

Molecole che stimolano la via dell’AMPc

Molecole che inibiscono la via dell’AMPc

Una ipotesi è che le sub-unità e possano associarsi alla s rilasciata dagli attivatori bloccandone l’attività