Ormoni (biochimica II)

Biochimica ormonale

Gli ormoni

Quando si parla di ormoni si intendono degli "stimoli che cambiano il comportamento della cellula". Si tratta di un’accezione molto più ampia rispetto a quella a cui siamo abituati, secondo cui gli ormoni sono solo quelli endocrini. In realtà, qualsiasi stimolo, anche meccanico, luminoso o sonoro, che induca la cellula a cambiare il proprio comportamento, deve essere considerato un segnale ormonale.

Gli ormoni hanno molte funzioni diverse:

• Regolano processi metabolici = si intendono gli ormoni classici, quelli endocrini (insulina, glucagone, adrenalina ecc.);
• Regolano la duplicazione cellulare = tengono sotto controllo l’innesco e la velocità del ciclo cellulare;
• Regolano la motilità cellulare = gli ormoni sono anche responsabili del controllo della chemiotassi, quel fenomeno per cui una cellula si avvicina o si allontana da un certo stimolo;
• Regolano il comportamento della cellula in base a cambiamenti ambientali.

Gli stimoli che possono essere considerati di tipo ormonale sono molteplici: gli antigeni (attivano una risposta immunitaria influenzando il comportamento del linfocita), le proteine della superficie cellulare, le proteine della matrice extracellulare, i fattori di crescita, gli ormoni endocrini, gli stimoli luminosi e meccanici, i neurotrasmettitori, gli odorants (molecole che ci permettono di percepire gli odori), i tastants (molecole che ci permettono di recepire i sapori), i feromoni.

Metabolismo dell’informazione

Esistono tre categorie di molecole portatrici di informazioni. Le molecole che trasportano l’informazione vera e propria, il cosiddetto "segnale", sono gli ormoni, detti anche primi messaggeri. Le molecole che ricevono il segnale stanno di solito sulla superficie cellulare o all’interno della cellula (nei due casi cambia molto il meccanismo di trasduzione del segnale) e sono detti recettori.

All’interno della cellula si trovano poi una serie di molecole e di ioni che cooperano per fare in modo che la cellula recepisca il segnale e moduli, in base ad esso, il suo comportamento. Sono dette secondi messaggeri e sono i trasduttori del segnale.

La comunicazione di tipo ormonale può avvenire attraverso molecole solubili o attraverso molecole di membrana.

Nel primo caso, una prima cellula, quella che invia il segnale, genera il primo messaggero, che è appunto una molecola solubile. In questo caso la secrezione può essere di tre tipi:

• Endocrina = l’ormone viene secreto da una ghiandola nel torrente circolatorio e trasportato fino alla sede, posta anche a grande distanza, in cui è necessaria la sua azione;
• Paracrina = riguarda due cellule che si trovano a breve distanza l’una dall’altra. La cellula ghiandolare secerne l’ormone, che raggiunge la cellula bersaglio vicina o limitrofa (non per forza adiacente) che lo recepisce per mezzo di recettori specifici;
• Autocrina = la cellula che secerne l’ormone e la cellula che lo riceve coincidono. In questo modo, la cellula autoregola in proprio comportamento, secernendo un ormone che va ad agire su se stessa.

Nel secondo caso, si parla di due cellule adiacenti. La prima può indurre un cambiamento nella seconda tramite una molecola di membrana, che non viene secreta. In questo caso si possono avere due tipi di secrezione:

• Omotipica = la molecola che impartisce il segnale sulla prima cellula è la stessa che lo riceve sulla seconda cellula;
• Eterotipica = la molecola che impartisce il segnale sulla prima cellula è diversa da quella che lo riceve sulla seconda cellula.

Un esempio di segnalazione omotipica è quella che avviene tra due cellule epiteliali adiacenti per mezzo di molecole dette caderine, che sono uguali sulle due cellule: non c’è più distinzione tra chi è il recettore e chi è l’ormone, però c’è un cambiamento a livello di entrambe le cellule, che aderiscono tra loro.

Caratteristiche della trasduzione del segnale

Le caratteristiche fondamentali della trasduzione del segnale sono tante e si possono applicare a tutti i segnali che possono essere recepiti dalla cellula:

• Specificità = un segnale è specifico perché può essere recepito solo dalla cellula che possiede il determinato recettore in grado di riconoscerlo. In realtà ci sono delle eccezioni a questa regola: vedremo che esistono dei recettori che presentano una gradazione di risposta nei confronti degli ormoni prodotti dalla midollare del surrene (adrenalina e noradrenalina), con lo scopo di differenziare la risposta ormonale in tessuti diversi;
• Amplificazione del segnale = un ormone agisce su un recettore, il quale agisce a sua volta su altre molecole presenti all’interno della cellula, i secondi messaggeri. In questo modo si attiva un meccanismo a cascata che è tipico di tutti i sistemi ormonali;
• Desensitizzazione = un segnale ormonale deve essere generato, recepito, trasdotto e terminato. È fondamentale che, una volta portata a termine la sua funzione, il segnale cessi, altrimenti la cellula tende ad "abituarsi" a quel determinato comportamento. Grosso modo, un segnale ormonale viene recepito da un recettore e dà luogo ad una risposta che ha durata finita, poi, il segnale torna indietro e va ad inibire il recettore, in modo che la stimolazione venga percepita meno o terminata del tutto;
• Integrazione del segnale = gli ormoni sono tantissimi e tendono a convergere contemporaneamente su una stessa cellula. La cellula deve integrare le varie informazioni provenienti dai diversi ormoni e trarre una sommatoria.

Segnali fast e segnali slow

I segnali ormonali possono esplicare il loro effetti in due momenti, precoce o tardivo. Esistono dei segnali slow (ore e giorni) e dei segnali fast (secondi e minuti), ma che possono essere attivati dallo stesso tipo di recettore.

I segnali fast quasi mai comprendono la regolazione genica (il processo per cui l’ormone interagisce con il proprio recettore, che genera dei secondi messaggeri, i quali raggiungono il nucleo attivando i fattori trascrizionali, che, a loro volta, mettono in moto il macchinario biosintetico è piuttosto lungo). Ci sono delle eccezioni, ma, in generale, i sistemi fast non vanno ad interferire con l’espressione genica, ma alterano semplicemente le funzioni proteiche, andando ad interagire con le modificazioni post-traduzionali delle proteine (non agiscono mai su DNA e RNA).

I sistemi slow, invece, intaccano anche l’espressione genica, in quanto la loro trasduzione del segnale può durare anche molte ore. Uno stesso ormone può avere effetti diversi su tessuti diversi. Esistono anche dei casi fuorvianti, come quello dell’adrenalina, che agisce a livello di tessuti diversi provocando effetti diametralmente opposti.

N.B.: i morfogeni sono ormoni correlati allo sviluppo embrionale, chiamati così perché danno luogo a cambiamenti di forma degli organi. Hanno la caratteristica di agire in maniera diversa in base alla concentrazione a cui vengono secreti.

Ormoni lipofili e ormoni idrofili

Gli ormoni, dal punto di vista della natura chimica, si distinguono in due grandi gruppi, quelli idrofili e quelli lipofili. Gli ormoni idrofili sono solubili in soluzione acquosa, quindi potranno tranquillamente circolare nel torrente sanguigno, nel liquido extracellulare e nel citoplasma, ma non saranno in grado di attraversare le membrane.

Gli ormoni lipofili non sono solubili in soluzione acquosa, quindi non potranno circolare liberamente nel torrente sanguigno o nel liquido extracellulare, ma saranno in grado di attraversare le membrane. La diversa natura chimica dei due gruppi di ormoni determina enormi differenze dal punto di vista del loro meccanismo di azione.

Gli ormoni idrofili dovranno servirsi di recettori di membrana e saranno dipendenti dai secondi messaggeri che si vengono a formare all’interno della cellula in risposta al loro legame con il recettore. Però, per la maggior parte, non avranno bisogno di trasportatori per potersi muovere nel torrente circolatorio. Alcuni ormoni idrofili vengono accompagnati da trasportatori nel circolo sanguigno, ma semplicemente perché in questo modo l’ormone è sequestrato e reso non biodisponibile per altre molecole.

Gli ormoni lipofili si serviranno, invece, di recettori citoplasmatici o, addirittura (come nel caso degli ormoni tiroidei), di recettori nucleari, essendo in grado di attraversare le membrane. Molto spesso, i recettori stessi degli ormoni lipofili sono i fattori trascrizionali, quindi non sono necessari secondi messaggeri. Esistono però dei casi in cui gli ormoni lipofili, oltre ad avere un recettore citoplasmatico o nucleare, si servono anche di un recettore di membrana: questo tipo di trasduzione del segnale, più complessa, viene utilizzata per espletare funzioni che hanno bisogno di una regolazione più fine (che possa avvenire a più livelli).

Gli ormoni lipofili avranno però bisogno di trasportatori specifici per poter circolare nel torrente sanguigno (carrier blood proteins). I tipici ormoni lipofili sono quelli derivati dal colesterolo (cortisolo, estradiolo, testosterone, aldosterone, vitamina D).

Recettori di membrana

Esistono vari tipi di recettori di membrana:

• Recettori accoppiati a proteine G;
• Canali ionici;
• Recettori che si basano su un’attività enzimatica:
• Recettori dotati di un’attività tirosincinasica (intrinseca o reclutata),
• Recettori dotati di altri tipi di attività enzimatica (ad esempio, il recettore guanilato-ciclasico attivato dal monossido di azoto, che dà luogo a vasodilatazione, oppure il recettore del tumor growth factor β – TGFβ – un morfogeno che attiva un segnale di fosforilazione Ser/Thr-dipendente);
• Recettori che sono attivati da proteolisi limitata (viene “tagliata” una porzione della proteina, che in questo modo viene attivata).

Recettori accoppiati a proteine G (GPCR)

Questi sono una classe molto importante e diffusa di recettori (ne fanno parte i recettori per il glucagone, per l’adrenalina, per l’angiotensina). La proteina G associata al recettore è un trimero costituito da una subunità α, una subunità β e una subunità γ. Quando l’ormone va ad agire sul recettore di membrana, quest’ultimo cambia conformazione e si associa ad una proteina G, che si attiva e si dissocia nelle sue subunità. La subunità α migra sulla membrana e va ad agire su di un effettore, rappresentato da un enzima. L’enzima differisce in base all’ormone che sta agendo (per esempio, il glucagone e l’adrenalina hanno un effettore, l’angiotensina ne ha un altro). Questo enzima andrà a generare un secondo messaggero (tra i secondi messaggeri troviamo cAMP, inositolo-1,4,5-trisfosfato e 1,2-diacilglicerolo).

Le proteine G sono una classe di "interruttori molecolari" molto efficiente. Si tratta di proteine che possono legare sia il GDP che il GTP: quando legano il GTP, sono attive, quando legano il GDP, sono inattive. Si parla di "interruttori" in quanto hanno la capacità – importantissima per la segnalazione ormonale – di autospegnersi in maniera automatica. Infatti, quando legano GTP si attivano, ma, idrolizzandolo, si inattivano, autoterminando la propria attività.

Questi recettori sono molecole dotate di 7 domini transmembrana (possiedono cioè 7 α-eliche idrofobiche che si inseriscono nel bilayer fosfolipidico), di una zona C-terminale, di una zona N-terminale e di una porzione che interagisce con il ligando, ossia l’ormone extracellulare. Una volta avvenuta l’interazione con l’ormone, tutta la molecola cambia conformazione e ciò determina l’attivazione del recettore.

La proteina G associata al recettore presenta 3 subunità, Gα, Gβ e Gγ (β e γ rimangono sempre unite, mentre α è destinata a staccarsi). Le varie subunità hanno ruoli completamente diversi. La subunità α sarà il regolatore dell’effettore, mentre le subunità β e γ saranno le principali responsabili della terminazione del segnale sul recettore (desensitizzazione). Dopodiché, andranno ad agire sull’effettore, il quale sarà responsabile della generazione di una serie di secondi messaggeri.

La trasduzione del segnale nei recettori accoppiati a proteine G avviene in più fasi:

1. L’ormone lega il recettore, il quale cambia conformazione e lega una proteina G trimerica, la quale si sposta e si posiziona vicino al recettore. Le proteine G sono di solito lipidate con un farnesile. Il farnesile è un derivato dell’isoprene, molecola a 15 atomi di carbonio, nonché precursore del colesterolo. La biosintesi canonica del colesterolo può interrompersi a metà e divergere verso la lipidazione di una proteina. Il significato della lipidazione delle proteine G è quella di mantenerle legate alla faccia interna membrana, in quanto devono svolgere la loro funzione attaccate al recettore;
2. La subunità Gα della proteina G percepisce il cambiamento conformazione e si stacca, attivandosi. Infatti, rilascia il GDP e lega un GTP;
3. La subunità Gα va a legare un effettore (ad esempio, l’adenilato ciclasi) e lo attiva, stimolandolo a generare un secondo messaggero (in questo caso, il cAMP). La subunità Gα possiede anche un’attività idrolasica e può scindere il GTP, convertendolo in GDP e determinando l’autospegnimento dell’attivazione. La proteina G a questo punto torna ad essere trimerica. Il recettore, però, potrebbe essere sempre attivo perché sta ancora reagendo con l’ormone: per far sì che il recettore rilasci l’ormone è necessaria l’attività della coppia di subunità Gβ e Gγ, che interagiscono con il recettore e lo vanno a desensitizzare. Le subunità β e γ, infatti, legano una chinasi, la β-arrestina chinasi (βARK), che ha la funzione di arrestare il segnale del recettore. Questa chinasi fosforila il recettore su una serina nel versante citosolico: il recettore fosforilato risulta molto meno recettivo nei confronti dell’ormone. Il segnale, però, come si è detto, rimane e per questo si parla di desensitizzazione. Il complesso β-arrestina-recettore fosforilato viene poi "internalizzato" all’interno di vescicole citosoliche, cioè viene eliminato dalla superficie della cellula. Dopo che le vescicole sono state internalizzate per endocitosi, i recettori vengono distrutti per proteolisi ubiquitina-dipendente: a questo punto, o si sintetizza nuovamente il recettore, oppure il segnale non verrà percepito per lungo tempo (desensitizzazione a lungo tempo). In altri casi, invece, il recettore viene semplicemente mantenuto all’interno delle vescicole endocitotiche, facendo comunque in modo che il sistema ormone-recettore non funzioni, ma per breve tempo. Quando poi avviene la defosforilazione del recettore, queste vescicole possono nuovamente coalescere con la membrana e quindi nuovamente esporre la molecola del recettore sulla superficie (desensitizzazione a breve tempo).

Tipi di subunità Gα

Esistono vari tipi di subunità Gα, che possono agire con tanti effettori diversi per generare diversi secondi messaggeri:

• Gαs = subunità Gα stimolatoria dell’adenilato ciclasi. Tutti gli ormoni che agiscono con recettori accoppiati con proteine G aventi subunità Gαs, genereranno come secondo messaggero l’AMP ciclico (questo va a sua volta a regolare la protein kinasi A, o pkA). Un esempio di recettori accoppiati a proteina G con subunità Gαs sono quelli β dell’adrenalina (β1, β2 e β3);
• Gαi = subunità Gα inibitoria dell’adenilato ciclasi. Tutti gli ormoni che agiscono con recettori accoppiati con proteine G aventi subunità Gαi, andranno a diminuire la concentrazione di AMP ciclico (la subunità inibitoria, quindi, regola negativamente la pkA). Anche la diminuzione di concentrazione di un secondo messaggero viene recepita dalla cellula come un segnale, in quanto la cellula percepisce comunque un "cambiamento". Un esempio di recettore accoppiato a proteina G con subunità Gαi è quello per la vasopressina;
• Golf (Gα olfattiva) = subunità Gα che si associa ai recettori dell’epitelio olfolfattivo che danno la capacità di percepire le molecole odorose (ad esempio, OR1 e OR2). Anche Golf si associa all’adenilato ciclasi, quindi andrà ad aumentare la concentrazione di AMP ciclico. Nelle cellule dell’epitelio nasale, però, non avviene la classica segnalazione metabolica attraverso la pkA, bensì, si assiste alla regolazione del passaggio di ioni attraverso dei canali, che saranno fosforilati (la pkA si attiva e fosforila il canale, che si apre);
• Ggust = subunità Gα correlata al recettore per il gusto dolce. Essa stimola l’adenilato ciclasi, con conseguente aumento della concentrazione di AMP ciclico, con attivazione della pkA e fosforilazione del canale del potassio e sua chiusura;
• Gq = subunità Gα che va a regolare un effettore detto fosfolipasi C-β, il quale genera due diversi secondi messaggeri, l’inositolo-1,4,5-trisfosfato e il diacil glicerolo;
• Gt (Gα trasducina) = subunità Gα associata al meccanismo della visione, che ha come secondo messaggero il GMP ciclico. La subunità stimola l’attività di una fosfodiesterasi che diminuisce la concentrazione del cGMP: quindi, non agisce sulla ciclasi che sintetizza il cGMP, ma sulla fosfodiesterasi che determina la rottura del legame fosfodiesterenel.