Endocrinologia Granata parte 1

Lezione 1

Voi vedrete che non farò tutta la endocrinologia, faremo solo alcuni aspetti, ma è importante che voi sappiate come funzionano questi meccanismi e qual è il loro ruolo fondamentale. Il programma sarà questo, potrà subire delle variazioni nel corso delle lezioni:

Argomenti della lezione

• Oggi faremo la comunicazione fra gli ormoni e le cellule;
• Classificazione di ormoni, quelli che funzionano attraverso la membrana e quelli che funzionano all'interno della cellula e i meccanismi di funzionamento;
• I recettori nucleari e il loro ruolo nelle diverse patologie;
• Peptide 1), gli ormoni incretinici, sono ormoni come il GLP1 (Glucagon-like peptide) che agisce sulla beta cellula, importante nel diabete (e nella sua terapia) perché induce il rilascio di insulina che protegge la beta cellula;
• Il peptide grelina che ha degli effetti sia a livello centrale sia a livello periferico;
• L'asse GH/Igf-1/Igf-1 Binding Proteins è un altro sistema importante che ha un ruolo nella regolazione della crescita non solo di tutto l'organismo, ma anche a livello cellulare è coinvolto nella crescita tumorale e nell'apoptosi e nella sopravvivenza delle cellule;
• L'angiogenesi fisiologica e tumorale (potrebbe non essere fatta perché già affrontata in altri corsi);
• Somatostatina ed analoghi, la loro funzione nei tumori e in altre patologie con i relativi meccanismi di azione;
• Gli sfingolipidi, lipidi di membrana che hanno un ruolo importante nella regolazione dei tumori, ma anche a livello cellulare fanno un sacco di cose un po' inaspettate che molti non conoscono;
• Il tessuto adiposo perché è un tessuto importante che rilascia molti ormoni e ha un ruolo importante nella regolazione dell'insulino-resistenza, nel diabete, e rilascia inoltre molti fattori di crescita;
• La Dott.ssa Favaro farà due lezioni: una sulla immunoregolazione nel diabete di tipo I e l'altra sulle cellule staminali nella terapia del diabete di tipo;
• Il Dott. Gesmundo tratterà gli ormoni dell'asse HPA (ipotalamo/ipofisi/surrene);
• Una lezione sul trapianto delle isole pancreatiche e su come funziona nel diabete, è un aspetto terapeutico importante;
• Alla fine farò anche una lezione su come si scrive un articolo scientifico, come funziona la preparazione di un lavoro scientifico, dalla progettazione a quando viene inviato il lavoro, perché la ricerca non vuol dire solo fare gli esperimenti ma vuol dire soprattutto ragionare sui risultati che sono stati ottenuti e su come sviluppare il lavoro.

L'endocrinologia e gli ormoni

L'endocrinologia riguarda lo studio degli ormoni, un ormone è un mediatore chimico che viene rilasciato dall'organismo e agisce nei diversi distretti del corpo, sono fondamentali per qualunque funzione del nostro organismo, dalla crescita allo sviluppo alla riproduzione, la sopravvivenza in sé è determinata dagli ormoni. Una caratteristica importante degli ormoni è che c'è un trasporto di un segnale di una forma di comunicazione fra un organo e una cellula, ovvero fra chi produce l'ormone e fra chi riceve questo segnale, l'ormone non viene solo rilasciato dalle ghiandole ma da un tessuto e anche da una cellula stessa, e può agire anche a concentrazioni minime, nell'ordine delle nM. Noi studieremo l'azione degli ormoni a livello cellulare e molecolare.

Schema della produzione ormonale

Qui vedete uno schema dei diversi organi che producono ormoni, partiamo dall'ipotalamo che è un organo che si trova a livello del SNC, produce ormoni che a loro volta stimolano il rilascio di altri ormoni dall'ipofisi, quindi diciamo che il primo step a livello centrale viene gestito dalle cellule neurosecretrici con liberazione di ormoni inibitori o ormoni di stimolo di rilascio. L'ipotalamo rilascerà degli ormoni che agiranno sull'ipofisi, o in modo stimolatorio con releasing hormones, o in modo inibitorio con inhibiting hormones tipo la dopamina e somatostatina, (la dopamina ha la funzione di inibire il rilascio della prolattina, mentre la somatostatina ha la funzione di inibire il rilascio dell'ormone della crescita GH) a livello della ipofisi anteriore. Poi ci sono invece gli ormoni che stimolano il rilascio di altri ormoni, in particolare studieremo il GHRH (growth hormone releasing hormone) che è l'ormone che stimola il rilascio dell'ormone della crescita nell'ipofisi anteriore, agisce dall'ipotalamo all'ipofisi per stimolare il rilascio di una varietà di ormoni. La maggior parte degli ormoni è rilasciata a livello dell'ipofisi anteriore, ma ci sono anche alcuni ormoni che sono rilasciati dall'ipofisi posteriore, fra cui l'ossitocina, l'ormone antidiuretico ADH, la prolattina che agisce sull'allattamento, il TSH che agisce sulla tiroide, l'ACTH che agisce sulla corteccia surrenalica per il rilascio di cortisolo, l'FSH e LH ormoni sessuali che agiscono sul testicolo e sull'ovaio, il GH ormone importante perché regola la crescita e il suo organo bersaglio, ovvero il fegato, che stimolato dal GH attraverso un recettore specifico rilascia a sua volta Igf-1, importante per la regolazione della sopravvivenza cellulare.

Ormoni e fattori di crescita

Una volta c'era una distinzione precisa fra gli ormoni e i fattori di crescita, si pensava che gli ormoni fossero prodotti solo dalle ghiandole endocrine e avessero effetti a livello periferico attraverso il torrente circolatorio. Ora si sa che non c'è tutta questa distinzione fra ormoni e fattori di crescita; i fattori di crescita vengono rilasciati dai tessuti stessi e possono agire a livello autocrino o paracrino oppure a distanza, quindi è un po' decaduta questa concezione dell'ormone che agisce soltanto a distanza. Quindi l'ormone si può definire anche come una sostanza che trasporta un segnale nell'organismo in grado di generare un'alterazione o risposta a livello cellulare o in un tessuto. Gli ormoni vengono trasportati, anche e non solo, nel torrente circolatorio, agiscono sulle cellule bersaglio e ci possono essere dei recettori sulle cellule che vengono stimolati da questi ormoni, possono appartenere a diverse classi: possono essere ormoni steroidei, proteine, polipeptidi, derivati da aminoacidi, oppure le prostaglandine che derivano dall'acido arachidonico.

Funzioni degli ormoni

Qual è la funzione degli ormoni? Hanno un ruolo fondamentale nella crescita e nello sviluppo, regolano l'omeostasi dell'organismo, sia idroelettrolitica, pressoria arteriosa, equilibrio acido-base e temperatura corporea, la riproduzione con la regolazione della gametogenesi e delle funzioni sessuali essenziali per la riproduzione, e il metabolismo che è un argomento molto interessante, e riguarda in particolare il metabolismo del glucosio e anche tutti gli aspetti legati al diabete dove c'è una deregolazione delle vie metaboliche (sia glucidica che lipidica) che concorrono a determinare l'insorgenza di obesità. Gli organi principali deputati alla liberazione di ormoni sono l'ipotalamo, la tiroide, l'ipofisi anteriore e posteriore, lo stomaco (che rilascia ormoni che possono poi agire a livello del SNC, è un aspetto molto interessante perché si ritiene che lo stomaco, e gli organi gastroenteropancreatici che rilasciano ormoni che possono agire a livello centrale, funzionino come un secondo sistema nervoso proprio perché vanno ad agire sul comportamento alimentare, come ad esempio la grelina che agisce stimolando l'appetito a livello centrale).

Comunicazione cellulare

• Un ormone deve essere prodotto da una cellula, quindi deve essere sintetizzata una molecola segnale che stimola la cellula a produrre questo ormone;
• Ci dev’essere la secrezione di questa molecola segnale;
• Il trasporto della molecola segnale, che può avvenire o per diffusione attraverso la membrana di cellule adiacenti o attraverso il sangue;
• Deve avvenire poi il riconoscimento della molecola segnale da parte di recettori specifici;
• Deve esserci poi una risposta da parte della cellula in seguito al riconoscimento della molecola segnale;
• Infine deve esserci anche una rimozione della molecola segnale con conseguente arresto della risposta cellulare, perché la cellula non può essere costantemente attivata dai recettori, ci dev’essere quindi per forza un meccanismo di controllo sulla risposta del recettore.

Tipi di comunicazione endocrina

Questa è una comunicazione endocrina semplicissima, dove l'ormone viene rilasciato a livello del torrente circolatorio, attraversa i capillari sanguigni e poi va ad agire a distanza sulle cellule bersaglio. Ci può essere una comunicazione paracrina, ossia le cellule rilasciano l'ormone che agisce sulle cellule adiacenti attraverso dei recettori, oppure attraversando la membrana nel caso di ormoni lipofili. La comunicazione autocrina invece si ha quando la cellula rilascia degli ormoni che vanno ad agire sulla cellula stessa su diversi recettori, quindi c'è un loop di risposta. Per esempio, se avete delle cellule in coltura, che lasciate crescere per un po' di tempo, andando in confluenza inizieranno a rilasciare delle sostanze che inibiscono la crescita cellulare, questo è il motivo per il quale si tende a non far crescere troppo le cellule in colture. O viceversa, quando crescono rilasciano delle sostanze che facilitano invece la crescita delle cellule adiacenti, e questo avviene grazie ad una comunicazione autocrina o paracrina. Ci sono poi ancora le proteine direttamente attaccate alla membrana cellulare che possono attivare i recettori di cellule adiacenti. L'immagine sottostante è un riassunto, che comprende anche la neurotrasmissione delle cellule nervose, che avviene attraverso il sistema neuroendocrino con rilascio di ormoni che agiscono poi o direttamente a contatto con le cellule o in modo endocrino su cellule bersaglio (neurotrasmettori/sinapsi/rilascio di ormoni sulle cellule bersaglio).

La cascata ormonale

Come funziona la cascata ormonale che parte dal SNC e arriva agli organi bersaglio? A livello del SNC ci sarà uno stimolo, che può essere uno stress, o qualunque tipo di cambiamento di temperatura per esempio, che innesca a livello ipotalamico l'attivazione di una cellula neuroendocrina che rilascerà un ormone (che può essere o inibitorio o liberatorio) che agirà o sull'ipofisi anteriore o su quella posteriore, per promuovere il rilascio di altri ormoni, come per esempio il GH, che a sua volta andrà ad agire su un organo o un tessuto o una ghiandola bersaglio, come il fegato nel caso del GH. Si parte da concentrazioni minime, e si arriva a concentrazioni che possono via via aumentare fino ad arrivare a microgrammi fino a milligrammi di ormone, ossia il fegato per esempio può rilasciare Igf-1 che andrà ad agire su tessuti e organi per stimolare la crescita. Come in tutti i sistemi devono essere presenti dei meccanismi di feedback negativo, deve quindi esserci una regolazione, per cui quando viene rilasciato un ormone questo a sua volta agisce a monte per comunicare all'ipotalamo che è presente a sufficienza e non è necessario rilasciarne ancora. Importante è anche conoscere come interagiscono gli ormoni con i recettori, ossia la cellula risponde in base al recettore che viene attivato da una molecola specifica, deve essere presente un’interazione specifica anche fra recettore e ligando. Il recettore affronterà una serie di cambiamenti conformazionali in risposta, cambiamenti che sono determinati proprio da questa interazione specifica L/R. Per uno stesso L ci possono essere anche dei R diversi, e possono dare anche delle risposte cellulari diversi, infatti ad esempio l'acetilcolina su una fibra muscolare striata può far aumentare la contrazione muscolare, mentre se presente a livello di cellule muscolari cardiache diminuiscono la contrazione muscolare, quindi su uno stesso R localizzato su tessuti diversi può dare risposte diverse. Anche i diversi complessi R/L possono innescare la stessa risposta, infatti se si trovano in tessuti diversi possono entrambi stimolare la stessa reazione pur essendo complessi diversi, un esempio sono il glucagone e la noradrenalina che stimolano il rilascio di glucosio dagli epatociti. È importante che ci sia una specificità di legame da parte del ligando sul recettore e anche la specificità della risposta, per cui come agisce il recettore rispetto a quell'ormone e come innesca la risposta cellulare.

Classificazione degli ormoni

Gli ormoni possono essere classificati in lipofili e idrofili. Gli ormoni lipofili come gli ormoni steroidei (cortisolo, testosterone, progesterone, estradiolo), Vit.D e tiroxina che possono diffondere attraverso la membrana plasmatica (sono molto piccoli di solito e questo permette loro di diffondere), entrare nel citoplasma e legare dei recettori nucleari, che a loro volta attivano dei programmi di trascrizione genica che andranno a regolare molti processi/funzioni cellulari, che può riguardare il metabolismo del glucosio e molti processi cellulari. La differenza fra i recettori nucleari e i recettori di membrana è che nel caso dei primi le risposte sono molto più lente e durature, perché ovviamente attivando dei programmi di trascrizione genica la risposta richiederà più tempo rispetto all’attivazione di cascate di segnale intracellulari da parte dei recettori di membrana, che sono più rapide. I recettori di superficie che invece legano molecole che non possono attraversare la membrana cellulare, e di solito o attivano dei secondi messaggeri come l’cAMP o il Ca, oppure possono indurre la fosforilazione e cascate di segnale che sono attivate dalle chinasi. Gli ormoni solubili si legano ai recettori di superficie includono ormoni peptidici come l’insulina, ormone molto importante per il metabolismo del corpo, i fattori di crescita e il glucagone; abbiamo poi altre piccole molecole cariche come l'adrenalina e l’istamina, e gli effetti sono di tipo enzimatico o effetti sulla fosforilazione, quindi sono molto più rapidi rispetto a quelli degli ormoni che agiscono a livello dei recettori nucleari. Nelle vie di segnale è presente un ligando che lega un recettore, ci sono una serie di proteine intracellulari che sono organizzate a seconda del tipo di recettore, e ci sarà poi una risposta che può essere di tipo metabolico attraverso delle vie enzimatiche (come il metabolismo del glucosio) o ancora una risposta sull’espressione genica come nel caso dei recettori nucleari, o ancora risposte che possono riguardare la motilità di una cellula, come il citoscheletro, o movimento e adattamento all'ipertrofia per esempio.

Classificazione dei recettori

Questa è la classificazione dei recettori: ci sono recettori nucleari che attivano fattori di trascrizione, poi abbiamo i recettori di membrana che a loro volta sono suddivisi in:

• Recettori accoppiati a proteine G (GPCR);
• I recettori canali ionici;
• I recettori accoppiati a tirosine chinasi;
• E i recettori con attività enzimatica intrinseca, dove lo stesso recettore contiene attività tirosin chinasica;
• I recettori che attivano segnali di sviluppo, come la Wnt/beta catenina.

Questo è uno schema dove a sinistra vedete i recettori di membrana e a destra quelli nucleari; i recettori di membrana possono essere tirosin chinasici oppure GPCR, e la differenza sostanzialmente è che i GPCR attivano prima la via enzimatica e in seguito il secondo messaggero come l’cAMP, e ci può essere una risposta diretta enzimatica oppure una risposta sull’attivazione di trascrizione a livello del DNA con sintesi di nuove proteine e quindi effetto biologico, mentre nel caso dei recettori tirosin chinasici il più delle volte si tratta di un effetto di fosforilazione di substrati, l’effetto finale è lo stesso con trascrizione genica e risposta biologica. Per quanto riguarda i recettori nucleari invece è presente un ormone che nella cellula li lega e che a sua volta va ad attivare la trascrizione a livello del DNA con sintesi di nuove proteine, oppure ci possono essere effetti non genomici, che sono un po’ più rari, di variazioni enzimatiche e quindi effetti più rapidi. I recettori accoppiati a proteine G sono molto frequenti in natura, sono molto più rappresentati rispetto ai recettori tirosin chinasici, e hanno un funzionamento qui schematizzato, ossia c’è un ligando che si accoppia ad un recettore in forma inattiva, le proteine G accoppiate al recettore (alfa, beta e gamma), un enzima effettore che può essere l’cAMP o la fosfolipasi c, quando il ligando lega il recettore si ha l’attivazione di queste G proteins grazie a una GTP che va a spiazzare un GDP e promuove la forma attiva del recettore, ci sarà il coinvolgimento di un enzima come l’adenilato ciclasi che a sua volta andrà ad attivare il secondo messaggero come l’cAMP o il diacilglicerolo e che in qualche modo farà continuare la cascata di segnale e promuoverà l’effetto biologico sulla cellula. I recettori accoppiati a proteine G sono dei recettori trans membrana aventi 7 domini che hanno diversi siti di legame, ad esempio hanno un sito per l’agonista che è l’ormone, un sito per l’antagonista che compete con l’agonista per il legame con il recettore. Ci sono anche in questo caso dei siti per i meccanismi di regolazione come la fosforilazione oppure il beta adrenergico receptor kinase (BARK) che è un altro sistema di inibizione del recettore attraverso la fosforilazione, quindi tutti i recettori hanno dei siti specifici per ciascuna funzione a cui devono sottostare.