Lezioni biochimica met 2 2013

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  • Ciao! Potresti dirmi, per favore, su quale testo hai preso le immagini delle slides 45, 46, 47 (relative alla biosintesi delle iodotironine)?
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  • HCG (Gonadotropina Corionica) differisce da LH solo per 32 aa addizionali nella subunità beta. Le catene oligosaccaridiche terminano con una unità di acido sialico che conferisce protezione dalla degradazione. Il T ½ plasmatico di questi ormoni è relativamente elevato per essere ormoni proteici. Una volta rimosso l’acido sialico, la degradazione procede rapidamente da parte del fegato.
  • Il gene della POMC è espresso non solo nella ipofisi, ma anche in altri organi come il cervello (neuroni del nucleo arcuato dell’ipotalamo e altri centri nervosi), la placenta e la pelle. PC = Proormone convertasi (proteasi che operano specifici tagli nei proormoni promuovendone la maturazione).
  • Il gene della POMC è espresso non solo nella ipofisi, ma anche in altri organi come il cervello (neuroni del nucleo arcuato dell’ipotalamo e altri centri nervosi), la placenta e la pelle. Nelle cellule corticotrope dell’adenoipofisi, la POMC viene tagliata in siti specifici così da produrre i peptidi ACTH e β -lipotropina, che sono secreti in circolo. In altre cellule questi peptidi possono essere ulteriormente tagliati generando peptidi più piccoli, alcuni dei quali dotati di attività biologica. In particolare dall’ACTH e dalla β -lipotropina si originano rispettivamente i peptidi α -MSH e β -MSH, noti soprattutto per la loro capacità di stimolare la pigmetazione cutanea, agendo sui melanociti (cellule della pelle che producono il pigmento melanina, derivato della tirosina)*. MSH = ormone melanocito-stimolante, ormone melanotropo, intermedina. Successivamente si è scoperto che α -MSH può svolgere funzioni diverse in altre sedi, ad es. come neuropeptide e tramettitore nel cervello. Dal taglio della β -lipotropina, si origina la β -endorfina e altre endorfine derivate. Le endorfine sono peptidi oppiodi, noti soprattutto come importanti neurotrasmettitori del sistema nervoso centrale, e agiscono stimolando specifici recettori. I peptidi oppiodi (endorfine, encefaline e dinorfine, derivanti da geni distinti) sono i ligandi endogeni dei recettori per gli oppiacei (oppiacei sono ad es. la morfina, l’eroina, ecc., utilizzati come farmaci analgesici o droghe voluttuarie). * I peptidi  MSH e β MSH non sono normalmente prodotti nell’ipofisi umana, ma l a produzione locale di peptidi come  MSH e ACTH è stata dimostrata in melanociti, cheratinociti e altre cellule della pelle, e tramite modalità autocrine e paracrine può favorire la pigmentazione cutanea. La produzione e il rilascio di questi peptidi è stimolata da citochine e radiazioni UV. L’ACTH contiene la stessa sequenza aminoacidica dell’  MSH responsabile della stimolazione dei melanociti, e può stimolare i recettori dell’ MSH.
  • GH = Ormone della crescita, somatotropina, ormone somatotropo. Il GH è indispensabile per la crescita postnatale e per un normale metabolismo azotato, glucidico, lipidico e minerale.
  • Il GHRH, codificato da un gene, esiste in due forme, di 40 e 44 aminoacidi, entrambe prodotte nelle cellule di alcuni nuclei dell’ipotalamo.
  • Somatostatin was first discovered in hypothalamic extracts and identified as a hormone that inhibited secretion of growth hormone. Subsequently, somatostatin was found to be secreted by a broad range of tissues, including pancreas, intestinal tract and regions of the central nervous system outside the hypothalamus. Two forms of somatostatin are synthesized. They are referred to as SS-14 and SS-28, reflecting their amino acid chain length. Both forms of somatostatin are generated by proteolytic cleavage of prosomatostatin, which itself is derived from preprosomatostatin. Two cysteine residules in SS-14 allow the peptide to form an internal disulfide bond. The relative amounts of SS-14 versus SS-28 secreted depends upon the tissue. For example, SS-14 is the predominant form produced in the nervous system and apparently the sole form secreted from pancreas, whereas the intestine secretes mostly SS-28. In addition to tissue-specific differences in secretion of SS-14 and SS-28, the two forms of this hormone can have different biological potencies. SS-28 is roughly ten-fold more potent in inhibition of growth hormone secretion, but less potent that SS-14 in inhibiting glucagon release. Five stomatostatin receptors have been identified and characterized, all of which are members of the G protein-coupled receptor superfamily. Each of the receptors activates distinct signalling mechanisms within cells, although all inhibit adenylyl cyclase . Four of the five receptors do not differentiate SS-14 from SS-28. Somatostatin acts by both endocrine and paracrine pathways to affect its target cells. A majority of the circulating somatostatin appears to come from the pancreas and gastrointestinal tract. If one had to summarize the effects of somatostatin in one phrase, it would be: " somatostatin inhibits the secretion of many other hormones ". Somatostatin also has antiproliferative effects.
  • (Gli ormoni lipofili sono richiesti per l’espressione normale del GH, ma un loro aumento oltre la norma non aumenta la produzione e i livelli di GH). La secrezione di GH è pulsante ed avviene in misura maggiore durante il sonno (circa i 2/3 del totale secreto nell’arco delle 24 ore; specie nelle fasi di sonno profondo ad onde lente) (“i bambini crescono col sonno”); inoltre è favorita da: 1) digiuno (ipoglicemia), pasto proteico (aminoacidi, sp. Arg); 2) stress (dolore, freddo, apprensione, interventi chirurgici, pirogeni); 3) esercizio fisico. È diminuita da depressione, iperglicemia, obesità.
  • Ghrelin is a peptide hormone secreted from the stomach. Ghrelin binds to receptors (GPCR) on pituitary somatotrophs and potently stimulates secretion of growth hormone. It acts also on GHRH positive cells in the hypothalamus triggering GHRH release. Ghrelin functions to increase hunger through its action on hypothalamic feeding centers. Blood concentrations of ghrelin are lowest shortly after consumption of a meal, then rise during the fast just prior to the next meal. Il GH è un peptide di 22 kDa solubile in acqua avente una emivita plasmatica compresa fra 20 e 50 minuti. Gli effetti del GH sono in parte mediati dall’IGF-I (=somatomedina C), specie quelli sulla crescita. Il fegato è la principale fonte di IGF-I in circolo e i livelli plasmatici di IGF-I dipendono dalla produzione e dall’attività di GH. IGF-I in circolo esercita un’attività negativa sulle cellule somatotrope, limitando la secrezione di GH, inoltre inibisce il rilascio di GHRH e stimola il rilascio di somatostatina (feed-back negativo).
  • IGF-I è una catena lineare di 70 aminoacidi altamente omologa alla proinsulina. Anche IGF-II (67 aa) ha somiglianza strutturale alla proinsulina. Gli IGF e l’insulina producono vari effetti qualitativamente simili, ma gli IGF mostrano un’azione mitogenica molto più marcata su molti tipi di cellula, mentre l’insulina è specializzata nella regolazione generale del metabolismo agendo soprattutto sui classici tessuti bersaglio (muscolo, adiposo, fegato).
  • In particolare gli effetti anti-insulinici sul metabolismo lipidico e glucidico si esplicano durante l’ipoglicemia e richiedono la presenza del cortisolo. Negli anziani si può avere riduzione dei livelli di GH e quindi ipoglicemia. L’effetto sul metabolismo azotato, che si esplica su molte cellule, è simile a quello dell’insulina e può essere sia mediato da IGF-I che dovuto ad azioni dirette del GH. Il GH stimola la sintesi proteica nel muscolo. Il GH riduce l’assorbimento di glucoso sia da parte degli adipociti che delle cellule muscolari, tramite un’inibizione post-recettoriale dell’attività dell’insulina. A causa degli effetti metabolici del GH (anti-insulinici), il decorso clinico della acromegalia (che comporta un aumento protratto della secrezione di GH) può essere complicato da un’alterata tolleranza al glucoso o da diabete mellito manifesto.
  • I tre principali ormoni prodotti dal pancreas possono influenzare reciprocamente la loro secrezione mediante azioni paracrine o endocrine.
  • Glucagon is synthesized initially as the protein proglucagon, which, in mammals, is encoded by a single gene (Gene GLG coding for preproglucagon, 180 aa). Within α -cells of the pancreas, proglucagon is processed by proteolytic cleavage into glucagon itself (29 aa), and several biologically inactive peptides. Interestingly, the proglucagon gene is also expressed in the terminal small intestine and large intestine, where it is cleaved into a number of peptides other than glucagon. This alternative pathway for processing of proglucagon occurs in gut endocrinocytes called L cells. Because these peptides were discovered by cross reactions with antisera against glucagon, they were originally given the name "enteroglucagon“. Regardless of activity, each of these peptides is secreted into blood after ingestion of a meal containing carbohydrates or lipids. Glucagon-like peptide-1 (GLP-I) and glucagon-like peptide-2 (GLP-II) are approximately 50% homologous to glucagon. Glucagon-like peptide-1 has a major effect of enhancing the release of insulin in response to a glucose stimulus , and coincidentally, suppressing secretion of glucagon. As a result, injections of this hormone lower blood glucose levels. GLP-1 has been shown to potently inhibit several aspects of digestive function, including gastric emptying, gastric secretion and pancreatic secretion. Like many gut peptides, GLP-1 is also synthesized in the brain, and may play a role in control of food intake. Glucagon-like peptide-2 may stimulate proliferation of intestinal epithelial cells via a specific GPCR (trophic action). Oxyntomodulin is identical to glucagon, but with an 8 amino acid extension on the C-terminus. Experimentally, it has glucagon-like activity, but this is of doubtful physiologic significance, as it binds the glucagon receptor with low affinity relative to glucagon. It also interacts with the GLP-1 receptor (with lower potency than GLP-1). Recentemente l’interesse per questo peptide si è risvegliato poiché è stato dimostrato che riduce l’ingestione di cibo e il peso se iniettato in soggetti obesi (quindi potrebbe svolgere un’azione anoressigenica agendo a livello cerebrale). PC = Proormone convertasi (proteasi che operano specifici tagli nei proormoni promuovendone la maturazione). PC1=PC3
  • L’ insulina umana è il prodotto di un singolo gene espresso quasi esclusivamente nelle cellule  del pancreas. The C peptide is essential to the formation of the disulfide bonds and is cleaved in the Golgi apparatus leaving the joined A and B chains which form the active insulin molecule. It is to be noted that the cleaved C peptide is co-secreted with insulin (in a 1:1 ratio). Preproinsulina 110 AA; Proinsulina 86 AA; Catena A 21 AA; Catena B 30 AA; Peptide C 31 AA.
  • PC = Proormone convertasi (proteasi che operano specifici tagli nei proormoni promuovendone la maturazione): PC1 e PC2 che tagliano la proinsulina in punti diversi.
  • Soglia di secrezione dell’insulina:  livelli di glucemia a digiuno (80-100 mg/100ml,  5 mM). Le cellule β delle isole del pancreas esprimono il trasportatore del Glucoso GLUT2 e la glucocinasi, che funzionano da sensore del glucoso, e permettono l’ingresso e il metabolismo del glucoso in modo proporzionale alla glicemia. Quando i livelli di glucoso sono alti, come dopo un pasto glucidico, l’attivazione del metabolismo del glucoso nelle cellule beta porta all’incremento della concentrazione intracellulare di ATP. L’aumento di ATP all’interno della cellula provoca la chiusura dei canali per il K + ATP-dipendenti sulla membrana plasmatica, depolarizzandola. In risposta al cambiamento del potenziale elettrico di membrana, si aprono i canali del Ca 2+ -voltaggio dipendenti, consentendo l’ingresso degli ioni Ca nella cellula; l’aumento della concentrazione del calcio intracellulare porta alla liberazione dell’insulina per esocitosi. Il GLP-1, tramite specifici recettori, aumenta nelle cellule β i livelli di AMP ciclico, che agendo a molteplici livelli e con vari meccanismi, rinforza e potenzia un po’ tutte le tappe viste precedentemente, aumentando la secrezione di insulina. In genere gli ormoni e i neurotramettitori che stimolano la via dell’AMP ciclico nelle cellule beta amplificano il segnale rappresentato dal glucoso (ma non possono agire in sua assenza, cioè in ipoglicemia), mentre quelli che la inibiscono riducono la risposta delle cellule β in termini di secrezione di insulina.
  • Il controllo della secrezione di insulina è complesso. Lo stimolo principale è costituito dal glucoso, ma anche certi aminoacidi possono stimolare la secrezione di insulina. Glucose and amino acids act synergistically. Fatty acids have only a small stimulatory effect on insulin release. The secretion of glucagon is stimulated by a reduction in blood glucose concentration. It is also stimulated by a protein meal (e.g. a steak), particularly by the amino acids alanine and arginine. Quindi un pasto ad alto contenuto proteico stimola sia la secrezione di glucagone che di insulina (possibile logica: il glucagone stimola la conversione di aminoacidi a glucoso nel fegato, e l’insulina stimola l’uptake di questo glucoso nel muscolo e l’immagazzinamento come glicogeno). Aumentati livelli circolanti di glucoso e insulina inibiscono la secrezione di glucagone. Thus, ingestion of an ordinary, balanced meal (glucidi+proteine) can lead to a fall in glucagon because of glucose and insulin's suppressive effect on glucagon release. I più bassi livelli di glucagone si hanno dopo un pasto ad alto contenuto di glucidi. The secretion of insulin is potentiated by gastrointestinal hormones (i.e. GLP-I, GIP) that are released in response to orally ingested nutrients. Thus, an oral glucose load stimulates a greater insulin response than intravenous administration because one or more gastrointestinal hormones are released. Il GLP-I (ma non il GIP) riduce la secrezione di glucagone. In addition to metabolic stimuli and hormones from the gut, insulin and glucagon secretion are also controlled by neural and paracrine mechanisms. Sympathetic, parasympathetic and peptidergic nerves innervate the islets. Le catecolamine, rilasciate come neurotrasmettitori dalle terminazioni del sistema nervoso simpatico o presenti in circolo come ormoni, possono inibire il rilascio di insulina via recettori α 2-adrenergici o stimolarlo via recettori β 2-adrenergici (l’effetto inibente in genere prevale), mentre aumentano la secrezione di glucagone (via rec. β 2 adrenergici). L’acetilcolina rilasciata dalle terminazioni vagali parasimpatiche stimola sia il rilascio di insulina che di glucagone. This innervation accounts for the increase in insulin secretion that may occur before the entry of food into the gastrointestinal tract. Finally, somatostatin from the delta-cells inhibits the release of both hormones through a paracrine action. Oltre al digiuno, altre condizioni fisiologiche in cui il rilascio di glucagone è aumentato sono l’esercizio fisico e lo stress.
  • Il glucagone si lega ad uno specifico GPCR e, stimolando la via dell’AMP ciclico, regola l’attività -e in tempi più lunghi l’espressione- di enzimi-chiave delle principali vie del metabolismo glucidico nel fegato.
  • L’azione lipolitica del glucagone è mediata dalla PKA (protein chinasi cAMP-dipendente) nel tessuto adiposo. La PKA fosforila e attiva la lipasi ormone-sensibile (trigliceride lipasi), e fosforila anche la proteina perilipina che riveste le gocce lipidiche negli adipociti. La fosforilazione della perilipina consente l’accesso della lipasi ormone-sensibile alla superficie della goccia lipidica, dove idrolizza i trigliceridi in acidi grassi liberi.
  • La proteina IRS (“ Insulin Receptor Substrate ”), si associa al recettore tramite un dominio PTB, e viene fosforilata dal recettore su molti residui di Tyr, creando a sua volta siti di legame per proteine con domini SH2, come la subunità p85 della PI3K e la proteina adattatrice GRB2, che propagano il segnale. Il reclutamento della proteina GRB 2 porta all’attivazione della via Ras/MAPK. L’attivazione della PI3K -e conseguente formazione di PIP 3 - si ritiene molto importante per gli effetti metabolici della insulina. Ad es. la PI3K attraverso meccanismi complessi stimola in miociti e adipociti la esocitosi di vescicole contenenti GLUT4 , con conseguente traslocazione di questo trasportatore del glucoso alla membrana plasmatica e ingresso del glucoso, insulina-dipendente, in questi tessuti.
  • Alla conc. normale nel plasma tutto il glucoso filtrato nei glomeruli viene riassorbito nei tubuli prossimali e non è presente nelle urine. La soglia renale del glucoso è circa 10 mM (180 mg/dL). A conc. superiori, la capacità del sistema di trasporto viene superata e il glucosio è presente nelle urine (glicosuria).
  • GLUT-5 è un trasportatore specifico, ad alta affinità, per il fruttoso, espresso nell’intestino, negli spermatozoi e, in misura inferiore, in altri organi.
  • Il trasporto di glucoso in questi tessuti viene aumentato rapidamente (secondi, completo in 10-20 minuti) e notevolmente (con  Vmax) dalla insulina.
  • L’attivazione della PI3K, in genere con la mediazione della PKB, conduce alla rapida regolazione di enzimi chiave del metabolismo (nella figura sono mostrati alcuni esempi). In seguito all’inibizione di protein chinasi (GSK3, PKA) e all’attivazione di protein fosfatasi (PP1) in vari tessuti, molti enzimi chiave si trovano in uno stato defosforilato.
  • Cascate dipendenti dalla PI3K possono portare all’attivazione generalizzata della sintesi proteica (traduzione) in molti tessuti o regolare l’espressione (a livello di trascrizione) di specifici geni, fra cui alcuni che codificano per enzimi-chiave del metabolismo, inducendo così risposte a più lunga scadenza.
  • SREBP-1c and ChREBP act in synergy to regulate glycolytic and lipogenic gene expression. The phosphorylation of glucose in glucose 6-phosphate, by hepatic glucokinase, is an essential step for glucose metabolism as well as for the induction of glycolytic and lipogenic genes. The recent identification of ChREBP has shed light on the possible mechanism whereby glucose affects gene transcription. The activity of ChREBP requires a mechanism of phosphorylation/dephosphorylation which is determined by the relative activity of protein phosphatase 2A (PP2A), regulated by X5P concentrations. SREBP-1c, which is induced by insulin, also plays an important role in mediating insulin signaling on lipogenic gene expression. These two transcription factors work synergistically to induce transcription of the lipogenic genes in the presence of glucose and insulin. X5P, xylulose 5-phosphate, an intermediate in the pentose phosphate pathway.
  • Mechanism of gene regulation by the transcription factor FOXO1. Insulin activates the signaling cascade, leading to activation of protein kinase B (PKB). FOXO1 in the cytosol is phosphorylated by PKB, and the phosphorylated transcription factor is tagged by the attachment of ubiquitin for degradation by proteasomes. FOXO1 that remains unphosphorylated or is dephosphorylated can enter the nucleus, bind to a response element, and trigger transcription of the associated genes. Insulin therefore has the effect of turning off the expression of these genes, which include PEP carboxykinase and glucose 6-phosphatase.
  • L’insulina è ben conosciuta per il suo ruolo nella regolazione della glicemia; l’azione ipoglicemizzante è dovuta alla soppressione della gluconeogenesi epatica e all’aumentata captazione di glucosio. L’insulina è il maggior ormone metabolico che stimola il deposito dei nutrienti: deposito del glucosio come glicogeno nel fegato e nel muscolo, conversione del glucosio in acidi grassi e trigliceridi nel fegato e loro deposito nel tessuto adiposo, captazione di aminoacidi e sintesi proteica nel muscolo.
  • La midollare del surrene può essere considerata come un ganglio simpatico che ha perso gli assoni e si è specializzato nella funzione endocrina. Le catecolamine sono sequestrate nei granuli cromaffini. La loro secrezione è scatenata dall’ac etilcolina (Ach) rilasciata dalle fibre simpatiche pregangliari colinergiche. L’Ach interagisce con recettori nicotinici provocando infine depolarizzazione della membrana, ↑ [Ca 2+ ] nelle cellule ed esocitosi dei granuli secretori.
  • La Tirosina idrossilasi (TH) è l’enzima limitante ed è sottoposta a un feed-back negativo diretto ad opera della NA. Può essere regolata anche per fosforilazione e a livello di espressione del gene da agenti che aumentano l’AMP ciclico e il Ca 2+ . La Feniletanolamina N-metiltransferasi viene espressa nella midollare del surrene, indotta dalle relativamente alte concentrazioni di glucocorticoidi secreti dalla vicina corticale.
  • VMA = acido vanilmandelico (La dopamina produce, con queste stesse vie, acido omovanillico, HVA). Alternativamente l’aldeide (-CHO), anziché venire ossidata ad acido (–COOH), può essere ridotta a glicole (-CH 2 -OH) e coniugata con ac. glucuronico o solfato per l’escrezione. Le catecolamine hanno vita estremamente breve in circolo (T ½ nell’ordine delle decine di secondi). La degradazione delle catecolamine avviene particolarmente nel fegato e, in misura inferiore, nelle cellule post-sinaptiche. Nel caso delle terminazioni nervose (ma non della midollare) parte delle catecolamine liberate vengono riassorbite (re-uptake) nelle terminazioni sinaptiche mediante trasporto attivo (Na + dipendente) e riciclate nei granuli o catabolizzate.
  • Moltissimi sono i tipi di cellule bersaglio che presentano recettori adrenergici (stimolati specificatamente dalle catecolamine A e NA), di cui esistono diversi sottotipi. Questi sono tutti recettori a serpentina, ma in grado di stimolare ciascuno particolari proteine G e quindi diversi sistemi di trasduzione del segnale. Quindi la stimolazione dei vari recettori può produrre effetti diversi o anche opposti. I vari tipi di recettori adrenergici sono in genere espressi in modo diseguale nelle varie cellule bersaglio, ciascuna delle quali può esprimere uno o più sottotipi. Adrenaline reacts with both α- and β-adrenoreceptors, causing vasoconstriction and vasodilation, respectively. Although α receptors are less sensitive to adrenaline, when activated, they override the vasodilation mediated by β-adrenoreceptors. The result is that high levels of circulating adrenaline cause vasoconstriction. At lower levels of circulating epinephrine, β-adrenoreceptor stimulation dominates, producing an overall vasodilation. Norepinephrine increases blood pressure by increasing vascular tone (tension of vascular smooth muscle ) through α-adrenergic receptor activation. fight-or-flight response
  • Il trasporto dello ione ioduro (I - ) dal sangue all’interno delle cellule follicolari tiroidee avviene contro gradiente elettrochimico, e coinvolge un cotrasportatore per il Na + e lo I - (NIS), posto sulla membrana basolaterale e accoppiato alla pompa Na + /K + ATPasi. Il processo di cattura dello I - è molto efficiente e produce una concentrazione di I all’interno delle cellule dei follicoli molto superiore a quella ematica. Infine lo I - passa nel lume del follicolo (trasporto passivo a livello della membrana apicale).
  • La biosintesi delle iodotironine non coinvolge la tirosina (Tyr) libera, ma residui di Tyr in una glicoproteina di elevato peso molecolare, la Tireoglobulina (TG), che costituisce pertanto il reale precursore –oltre che una riserva- degli ormoni tiroidei. La TG è sintetizzata a livello del reticolo endoplasmatico rugoso, viene poi glicosilata, traslocata a livello della membrana apicale e secreta nella cavità del follicolo. La TG subisce una serie di reazioni a livello di un certo numero di residui di Tyr ad opera della Tireoperossidasi (TPO, detta anche Tiroide Perossidasi o Iodo perossidasi), enzima localizzato alla membrana apicale e che agisce rivolto alla cavità del follicolo (utilizzando come substrati la TG, I - e H 2 O 2 ). La tiroide perossidasi catalizza 3 reazioni: 1) ossida I - (rimuovendo e - ), trasformando così lo I in una forma reattiva che può sostituire alcuni H dell’anello fenolico della Tyr (la TPO utilizza come agente ossidante H 2 O 2 , prodotta a livello della membrana apicale dall’enzima Tiroide NADPH ossidasi); 2) trasferisce lo I reattivo ai C-3 e C-5 dell’anello di Tyr, con formazione di residui di monoiodotirosina (MIT) o diiodotirosina (DIT), a seconda che vengano trasferiti 1 o 2 I/residuo (iodazione); 3) accoppiamento di iodotirosine con formazione di iodotironine (T3 o T4, con netta prevalenza di T4). A questo punto la TG è matura (contiene un certo numero di residui di T4, T3, MIT, DIT) e viene immagazzinata nella cavità del follicolo come colloide.
  • La linea curva rappresenta un tratto della catena polipeptidica della tireoglobulina contenente residui di iodotirosine (MIT e DIT). Reazioni di accoppiamento (condensazione) di residui di iodotirosine generano residui di iodotironine. Two DIT form T4; one DIT and one MIT form T3.
  • Il rilascio di T3 e T4 dalla tireoglobulina è controllato dall’ormone TSH (la tireotropina ipofisaria). Il TSH stimola l’endocitosi della tireoglobulina dallo spazio extra-cellulare verso l’interno delle cellule follicolari. In seguito i lisosomi si fondono con le vescicole endocitosiche e le proteasi lisosomiali idrolizzano la tireoglobulina rilasciando gli ormoni T4 e T3 nel sangue (in rapporto reciproco di circa 10:1, generalmente).
  • Il TSH stimola tutte le fasi di sintesi e secrezione degli ormoni tiroidei. Inoltre il TSH promuove la vascolarizzazione e il trofismo della tiroide (se in eccesso iperplasia/ipertrofia delle cellule follicolari tiroidee ).
  • Il TRH interagisce con specifici recettori accoppiati a proteine G che stimolano la fosfolipasi C sulla membrana delle cellule tireotrope dell’adenoipofisi. Il conseguente rilascio di Ca 2+ da depositi intracellulari porta alla esocitosi del TSH. In tempi più lunghi stimola la sintesi e la glicosilazione del TSH.
  • Gli ormoni tiroidei (specie T3) esercitano un feedback negativo sia a livello ipotalamico che ipofisario. Nell’ipofisi inibiscono la sintesi e la secrezione di TSH riducendo la trascrizione dei geni e la glicosilazione del TSH, e il numero dei recettori del TRH. Nell’ipotalamo inibiscono la sintesi di TRH. Stimoli psichici (emozionali), sensoriali (freddo) e segnali dipendenti dallo stato nutrizionale possono portare ad una maggiore stimolazione dell’asse e secrezione di TRH, TSH ed ormoni tiroidei.
  • La TBG (Globulina legante la tiroxina ) lega circa il 75% degli ormoni tiroidei nel plasma. TBPA = Prealbumina legante la tiroxina.
  • Le iodotironine sono metabolizzate prevelentemente nel fegato e nel rene. La deiodinazione (o deiodazione) rappresenta il modo principale di catabolizzarle/inattivarle (  75 %). Altri meccanismi: deaminazione, decarbossilazione, coniugazione con ac. glucuronico (escrezione con la bile). In realtà la deiodazione può essere anche un meccanismo di attivazione, quando converte T4 a T3 come avviene in vari tessuti. Infatti la T3 è considerata la forma attiva dell’ormone, considerando che i recettori nucleari mostrano un’affinità 10 volte maggiore per la T3 rispetto alla T4. In healthy humans the thyroid gland produces predominantly the prohormone T4 together with a small amount of the bioactive hormone T3. Most T3 is produced by enzymatic outer ring deiodination (ORD) of T4 in peripheral tissues. Alternative, inner ring deiodination (IRD) of T4 yields the metabolite rT3. Normally about one-third of T4 is converted to T3 and about one-third to rT3. Thus, ORD is regarded as an activating pathway and IRD as an inactivating pathway. The remainder of T4 is metabolized by different pathways, in particular glucuronidation and sulfation. T3 is further metabolized largely by IRD and rT3 largely by ORD, yielding in both cases the metabolite 3,3’-T2. Three enzymes catalyzing these deiodinations have been identified, called type I (D1), type II (D2) and type III (D3) iodothyronine deiodinases. D1 ( liver , kidney, ( thyroid) ) is thought to be responsible for the major part of peripheral T3 production mediated by the ORD activity of D1, but this enzyme has also IRD activity. Therefore, in addition to the bioactivation of T4 to T3, D1 also catalyzes the degradation of thyroid hormone. D2 (central nervous system, pituitary, brown adipose tissue…) has only ORD activity and its expression* shows adaptive changes in response to alterations in thyroid state, which serves to maintain tissue T3 levels in the face of varying plasma T4 and T3 concentrations. These findings have led to the opinion that D2 is important for the generation of local T3 in these tissues. D3 (brain, placenta, pregnant uterus, fetal tissues) mediates the degradation of thyroid hormone since it has only IRD activity. * Inoltre: Freddo (  ), digiuno (  ).
  • Si ritiene che gli ormoni tiroidei essendo lipofili diffondano liberamente attraverso le membrane, ma si è visto che essi entrano nelle cellule anche grazie a meccanismi specifici di trasporto attivo, che rendono l’uptake più efficiente e veloce. Nelle cellule bersaglio la T4 può essere deiodinata e attivata a T3, che può entrare nel nucleo e legarsi con elevata affinità ai recettori nucleari (TR, di cui esistono varie forme, codificate da 2 geni, α e β ). I recettori nucleari -si ritiene- mediano la maggior parte degli effetti degli ormoni tiroidei, secondo il modello classico della regolazione della trascrizione dei geni nucleari (+/-). Tuttavia sono state dimostrate anche azioni non-genomiche, rapide e non influenzate da inibitori della trascrizione e traduzione. Esistono inoltre siti di legame e d’azione extra-nucleari specifici per gli ormoni tiroidei, specie a livello della membrana citoplasmatica e dei mitocondri, che potrebbero consistere in particolari isoforme dei TR nucleari o in altri recettori o proteine, anche se diversi aspetti devono essere chiariti. In particolare sono state identificate una isoforma troncata di TR α (p43) nella matrice mitocondriale, che agisce come un fattore di trascrizione ligando-dipendente per il genoma mitocondriale, e un’altra isoforma troncata del TR α (p28), che si localizza a livello della membrana mitocondriale interna in seguito al legame con T3. A livello della membrana citoplasmatica è stato postulato un novello GPCR, per gli ormoni tiroidei, che potrebbe mediarne alcune azioni rapide come la stimolazione del trasporto di glucosio e ioni (Na + , K + , Ca 2+ ) a livello di membrana e di alcune vie di segnalazione.
  • Gli ormoni tiroidei esercitano effetti ampi e diversificati e moltissimi sono i tessuti e gli organi bersaglio (muscolo scheletrico e cardiaco, rene, scheletro, adenoipofisi, ecc), con risposte specifiche che dipendono anche dallo stato di differenziamento del tessuto. Gli effetti possono comunque essere riassunti in alcune affermazioni (v. sopra). Effetto calorigeno: gli ormoni tiroidei aumentano la produzione di calore (termogenesi), sicuramente in relazione all’aumento del metabolismo basale, ma anche con meccanismi più specifici che portano ad una maggior dissipazione dell’energia metabolica come calore. Gli ipotiroidei e gli ipertiroidei mostrano ipersensibilità al freddo e al caldo, rispettivamente. Inoltre il freddo aumenta la produzione degli OT e particolarmente di T3.
  • L’aumento della respirazione mitocondriale e della termogenesi indotto dagli Ormoni Tiroidei (OT) può essere dovuto sia a meccanismi rapidi, per una azione diretta o indiretta degli OT sull’attività di proteine mitocondriali, sia a meccanismi più lenti che prevedono la neosintesi di proteine, codificate a livello del genoma mitocondriale o nucleare. Gli OT possono accrescere la produzione di calore anche stimolando in vari tessuti i “cicli futili” (cicli del substrato), come ad es. glicolisi/glucogenesi, lipolisi/lipogenesi; più importante però potrebbe essere l’aumento del trasporto e flusso di ioni, ad es. per  permeabilità membrana a Na + e K + /pompa Na + -K + ATPasi. Nel tessuto adiposo gli OT potenziano la risposta alle catecolamine. L’aumentata lipolisi contribuisce al dimagrimento tipico dell’ipertiroidismo.
  • In condizioni fisiologiche gli ormoni tiroidei (OT), stimolando il metabolismo (vie cataboliche ed anaboliche), inducono una situazione in cui le cellule hanno disponibilità di substrati e producono efficacemente ATP per compiere i processi biochimici specifici per il tessuto. Ne deriva un livello sincronizzato di elevata funzionalità ed efficienza dell’organismo. Tuttavia in condizioni di eccesso patologico (ipertiroidismo), i processi catabolici prevalgono. Ad es: conc. fisiol. OT  bilancio azotato positivo (  sintesi proteica); conc. elevate OT  bilancio azotato negativo. Ipotiroidismo (deficit OT)  obesità, comportamento lento ed assonnato. Ipertiroidismo (eccesso OT)  dimagrimento nonostante l’appetito aumentato, nervosismo, insonnia.
  • Nel cuore gli Ormoni Tiroidei (OT) aumentano l’attività cardiaca (frequenza e forza di contrazione), potenziando la risposta alle catecolamine e favorendo l’espressione di isoforme delle catene pesanti della miosina con maggiore attività catalitica e contrattile. Ipertiroidismo: tachicardia,  pressione differenziale; Ipotiroidismo: bradicardia. Gli OT sono necessari per uno sviluppo e una crescita normale dell’organismo e sp. per lo sviluppo del cervello in epoca perinatale. L’ipotiroidismo instauratosi nel periodo pre/neonatale (fase critica: intrauterina avanzata sino a 1-2 anni dopo la nascita) provoca “cretinismo ipotiroideo” (grave ritardo mentale irreversibile) e nanismo disarmonico (con arti brevi e sproporzionati). L’ipotiroidismo instauratosi in seguito nell’infanzia provoca solo nanismo. L’effetto sulla crescita può essere dovuto alla stimolazione del metabolismo e del differenziamento di vari organi e tessuti (sp. scheletro) e anche al controllo sulla sintesi di GH.
  • Precursore comune a tutti gli ormoni steroidi è il colesterolo. Anche la prima tappa enzimatica è comune e prevede il taglio della catena laterale in C-17, per cui si passa dal colesterolo (steroide a 27 C) al pregnenolone (21 C). A questo punto le vie possono divergere e in parte differire nelle varie ghiandole endocrine, portando alla biosintesi dei vari ormoni steroidei, in funzione del diverso corredo enzimatico (espressione ed attività degli enzimi). La zona glomerulare (esterna) della corteccia surrenale è specializzata nella sintesi e secrezione di mineralcorticoidi (21 C) come l’aldosterone; la zona fascicolata e la zona reticolare producono glucocorticoidi (21 C) come il cortisolo, e deboli androgeni/precursori degli androgeni (19 C) come il deidroepiandrosterone; le gonadi sono le sedi principali della biosintesi e secrezione di androgeni (19 C) come il testosterone, estrogeni (18 C) come l’estradiolo, o progestinici (21 C) come il progesterone. La placenta è un’importante sito di produzione di estrogeni e progesterone durante la gravidanza.
  • Many steps in steroid hormone synthesis involve cytochrome P450 heme-containing enzymes, so-called because light is maximally absorbed at 450 nm when the proteins are complexed with CO. The genes coding for the cytochrome P450 enzymes are abbreviated to CYP and they catalyze hydroxylations of the steroid molecule.
  • La prima tappa enzimatica è catalizzata dalla colesterolo 20-22 desmolasi, o enzima che taglia la catena laterale del colesterolo, che provoca la idrossilazione del C-20 e quella del C-22, seguite dalla rottura del legame fra il C-20 e il C-22. Essa è un membro della famiglia del Citocromo P450, e richiede O 2 e NADPH.
  • In the adrenal cortex, about 80% of cholesterol required for steroid synthesis is captured by receptors which bind low-density lipoproteins (LDL) although recent evidence has shown that high-density lipoprotein (HDL) cholesterol may also be taken up by adrenal cells. The remaining 20% is synthesized from acetil-CoA within the adrenal cells by the normal biochemical route. The cholesterol can be stored as esters in lipid droplets or utilized directly. The first stage in the synthesis of adrenal steroids is the hydrolysis of cholesterol esters and the active transfer of free cholesterol to the outer membrane of the mitochondria by a sterol transfer protein. The transfer of hydrophobic cholesterol to the inner mitochondrial membrane is chaperoned by a steroidogenic acute regulatory (StAR) protein where the first enzymatic process in steroid hormone synthesis occurs. The enzyme, known as side chain cleavage enzyme (P450scc), has 20,22 desmolase activity, and converts cholesterol to pregnenolone. Indeed, most of the subsequent steps in steroid hormone synthesis also involve cytochrome P450 heme-containing enzymes. Pregnenolone is then shuttled from the mitochondria to the smooth endoplasmic reticulum where it is converted to progesterone or to 17alpha-hydroxypregnenolone. Through subsequent hydroxylations, progesterone can be converted to corticosterone (another glucocorticoid that is only released in small amounts in the human) and then aldosterone, whilst 17alpha-hydroxypregnenolone can be converted to androgens and cortisol. There is, however, considerable interconversion between these two pathways and it should be noted that the final stage in cortisol synthesis takes place back in the mitochondria.
  • The main action of ACTH on the adrenal cortex is to stimulate the synthesis and release of glucorticoids and androgens via cAMP-dependent mechanisms via a G-protein coupled receptor. Effetti acuti e cronici dell’ACTH. In tempi rapidi (minuti) l’ACTH aumenta la disponibilità del colesterolo libero (per fosforilazione/attivazione della lipasi “colesterolo esterasi”) e il trasporto del colesterolo alla membrana mit. interna ad opera della proteina labile (StAR) la cui sintesi ribosomiale aumenta. A livello della m. mit. interna il colesterolo è convertito a pregnenolone dalla Colesterolo desmolasi (P450scc=CYP11A1). La tappa limitante nella sintesi degli steroidi indotta da ACTH è la regolazione di StAR e dell’attività della colesterolo desmolasi. L’ACTH favorisce questa reazione e quella di altre idrossilasi anche provocando la formazione del coenzima ridotto NADPH via glicogenolisi e ciclo dei pentosi. Gli effetti cronici includono l’induzione della trascrizione dei geni che codificano per gli enzimi di sintesi (in particolare tutte le varie CYP) e il recettore LDL per aumentare l’uptake di colesterolo. L’ACTH ha anche un effetto trofico sulla corteccia (se in eccesso iperplasia/ipertrofia delle cellule).
  • In pazienti con patologica sovra-produzione di ACTH (e anche β -lipotropina e γ -lipotropina, che contengono come l’ACTH sequenze peptidiche identiche ai peptidi MSH), si realizza una aumentata pigmentazione cutanea. Questo avviene tipicamente nel morbo di Addison, dovuta a primaria e insufficiente produzione degli ormoni della corteccia surrenalica, e quindi al venir meno del feed-back negativo esercitato dai corticosteroidi (sp. Cortisolo) sulla produzione di ACTH.
  • Il cortisolo esercita un feedback negativo in due tempi sia sull’ipofisi che sull’ipotalamo. Feedback veloce:  il rilascio di CRH e la secrezione di ACTH mediata da CRH. Feddback lento:  sintesi CRH e ACTH (per  trascrizione gene POMC). La vasopressina, un neuropeptide ipotalamico, potenzia invece l’azione di CRH a livello delle cellule corticotrope. La secrezione di ACTH è episodica e pulsante ed avviene secondo un ritmo circadiano (max: ultime ore della notte – mattino presto). I glucocorticoidi seguono con lo stesso ritmo ritardato. La conc. del cortisolo alle 8 è circa 10 volte maggiore che alle 24. Varie condizioni di “stress” (traumi fisici ed emotivi, freddo, ipoglicemia, interventi chirurgici, emorragia, pirogeni, gravi infezioni, parto…) stimolano l’asse aumentando il rilascio di CRH ipotalamico. I glucocorticoidi aumentano la resistenza e anche le possibilità di sopravvivenza dell’individuo in condizioni di stress.
  • CBG=Globulina legante i corticosteroidi=transcortina
  • The name glucocorticoid derives from early observations that these hormones were involved in glucose metabolism. In the fasted state, cortisol stimulates several processes that collectively serve to increase and maintain normal concentrations of glucose in blood. These effects include: Stimulation of gluconeogenesis, particularly in the liver: this pathway results in the synthesis of glucose from non-hexose substrates such as amino acids and glycerol. Enhancing the expression of enzymes involved in gluconeogenesis is probably the best known metabolic function of glucocorticoids. Mobilization of amino acids from extrahepatic tissues: these serve as substrates for gluconeogenesis. Inhibition of glucose uptake in muscle and adipose tissue: a mechanism to conserve glucose. Stimulation of fat breakdown in adipose tissue: The fatty acids released by lipolysis are used for production of energy in tissues like muscle, and the released glycerol provide another substrate for gluconeogenesis. Cortisol opposes the action of insulin in peripheral tissues (decreasing glucose uptake via GLUT4) and increasing glucose production and release from the liver. The latter is accomplished through gluconeogenesis using amino acids (from the catabolic actions on muscle) as the primary carbon source. Il cortisolo esercita invece un effetto “permissivo” nei confronti di ormoni gluconeogenetici e lipolitici (glucagone, catecolamine, GH). Cortisol inhibits fibroblast proliferation and also the formation of interstitial materials such as collagen. L’azione catabolica provoca la degradazione della elastina. Excess glucocorticoids result in a thinning of the skin and the loss of connective tissue support of capillaries. Bones are also affected by excess glucocorticoids. Cortisol decreases osteoblast function and decreases new bone formation; osteoclast numbers increase and measures of their activity increase. Furthermore, glucocorticoids decrease gut calcium absorption and decrease renal calcium reabsorption, thus adversely affecting calcium balance. Overall excess glucocorticoids cause osteoporosis. Glucocorticoids have other diverse actions including those on the cardiovascular system, central nervous system (CNS), kidney and the fetus. In the cardiovascular system, it is required for sustaining normal blood pressure by maintaining normal myocardial function and the responsiveness of arterioles to catecholamines and angiotensin II. In the CNS, cortisol can alter the excitability of neurons, and can affect the mood and behavior of individuals. Depression may be a feature of glucocorticoid therapy. Furthermore, depressed patients may show increased cortisol secretion with alteration in the circadian rhythm of cortisol secretion. In the kidney, cortisol increases glomerular filtration rate by increasing glomerular blood flow and increases phosphate excretion by decreasing its reabsorption in the proximal tubules. In excess, cortisol has aldosterone-like effects in the kidney causing salt and water retention. This is because the capacity of 11 beta -hydroxysteroid dehydrogenase type 2 enzyme that converts active cortisol to inactive cortisone in the kidney tubule is overwhelmed. Cortisol is then available to interact with the aldosterone receptor for which it has equal affinity. This may be a factor in the hypertension seen in patients with Cushing's syndrome (excess of natural or synthetic glucocorticoids).
  • Visione semplificata della regione regolatrice del gene per la PEPCK. La sintesi dell’enzima è stimolata dal glucagone in un processo mediato dal cAMP, dai glucocorticoidi e dall’ormone tiroideo, mentre è inibita dall’insulina. CRE, elemento di risposta al cAMP; TRE, elemento di risposta all’ormone tiroideo; GRE, elemento di risposta ai glucocorticoidi; IRE, elemento di risposta all’insulina.
  • Glucocorticoids have potent anti-inflammatory and immunosuppressive properties. This is particularly evident when they administered at pharmacologic doses, but also is important in normal immune responses. As a consequence, glucocorticoids are widely used as drugs to treat inflammatory conditions such as arthritis or dermatitis, and as adjunction therapy for conditions such as autoimmune diseases.
  • L’aldosterone, il principale e più attivo mineralcorticoide, agisce sul rene, principale organo bersaglio, provocando la ritenzione di Na + (e H 2 O) e aumentando l’escrezione renale di K + (e H + ) nel tubulo distale. Cortisol and aldosterone have equal affinity for the mineralocorticoid receptor (MR). Cortisol does not normally interact with the aldosterone receptor because cortisol is rapidly metabolized to inactive cortisone by 11  -hydroxysteroid dehydrogenase (11  -OH SD) type 2. From a scientific point of view this is a novel method of achieving hormonal specificity and from the medical point of view it involves the observation that eating large amounts of liquorice causes hypertension. The active component of liquorice is glycyrrhetinic acid which inhibits 11 β -OH SD. Cortisol, in excess, can saturate the activity of 11 β -OH SD and then interacts with the aldosterone receptor.
  • Molecole, cellule, tessuti, organi, sistemi, corpo
  • Lezioni biochimica met 2 2013

    1. 1. Aspetti biochimici di specifici ormoni The Endocrine System
    2. 2. Struttura dell’ipofisi e trasporto degli ormoni ipotalamici all’ipofisi anteriore e posteriore Notare che l’ipofisi posteriore ha un apporto sanguigno arterioso mentre l’anteriore è irrorata da un sistema portale.
    3. 3. Gli ormoni glicoproteici condividono una subunità comune (α). CHO indica la localizzazione approssimativa delle catene glicosidiche.
    4. 4. Proopiomelanocortina (POMC) Il gene della POMC è espresso non solo nella ipofisi, ma anche in altri organi come il cervello e la pelle. Dalla frammentazione proteolitica, tessuto-specifica, della POMC possono derivare vari peptidi con attività ormonale o di neurotrasmettitore. In funzione delle specifiche endopeptidasi (Proormone Convertasi, PC) espresse in un tessuto e quindi dei siti di taglio della POMC utilizzati, si possono generare peptidi diversi in tessuti diversi. N C
    5. 5. Proopiomelanocortina (POMC) Nelle cellule corticotrope dell’adenoipofisi, la POMC viene tagliata in siti specifici così da produrre i peptidi corticotropina (ACTH) e β-lipotropina, che sono secreti in circolo. In altre cellule possono essere utilizzati anche altri siti di taglio, generando peptidi più piccoli, alcuni dei quali dotati di attività biologica (MSH, endorfine). N C
    6. 6. GH Growth Hormone 191 aminoacidi 2 ponti S-S
    7. 7. GHRH È un peptide di 40 o 44 aminoacidi (sopra è mostrata la forma a 44 AA) Il residuo di leucina C-terminale è modificato a formare un ammide (-LeuNH2)
    8. 8. Quello sulla destra è un topo transgenico che sovraesprime il gene del GHRH Come ottenere un topo gigante?
    9. 9. Somatostatina (GHRIH o SRIH) La somatostatina viene sintetizzata in due forme, chiamate SS-14 e SS-28 in base al numero di aminoacidi che le compongono
    10. 10. Regolazione della biosintesi del GH GHF-1=Pit-1, un fattore di trascrizione specifico dell’ipofisi Cellula somatotropa
    11. 11. Asse GH IGF-I SRIH = Somatostatin; GH-R = GH Receptor; GHBP = GH Binding Protein; IGF-I = Insulin-like Growth Factor-type I; IGF-R = IGF-I Receptor; IGFBP = IGF Binding Proteins IGF-I - JAK-2 STAT-5 Ghrelin (fast) STOMACH+ SECREZIONE GH pulsante; sp. nel sonno; favorita da digiuno (ipoglicemia), pasto proteico (aminoacidi), stress, esercizio fisico. Gli effetti del GH sono in parte mediati dall’IGF-I, specie quelli sulla crescita. Il fegato è la principale fonte di IGF-I in circolo e i livelli plasmatici di IGF-I dipendono dal GH.
    12. 12. IGF-I IGF-II Insulina Struttura (P.M.) 1 catena (7649 da) 1 catena (7471 da) 2 catene (5734 da) Origine Principalmente fegato fegato Cellule β pancreas Dipendenza da GH ++++ (forte) + (debole) 0 (nulla) Secrezione Rilascio lento e costante Rilascio lento e costante Rilascio pulsatile Produzione 10 mg/giorno 13 mg/giorno 2 mg/giorno Concentraz. adulti 200 ng/ml 700 ng/ml 0,5-5 ng/ml Variaz. circadiana Poco o niente Poco o niente Sì Forme circolanti Principalmente legato Principalmente legato Libera Proteine leganti IGF-BP (6 isoforme) IGF-BP (6 isoforme) Nessuna T ½ nel siero 12-15 ore 15 ore 5 minuti Azione Endo/Para/Autocrina Endo/Para/Autocrina Endocrina Recettori alta affin. IGF-I R IGF-I R, IR-A, IGF-II R IR-A, IR-B Confronto fra IGF-I, IGF-II e insulina sierici IR-A, IR-B = isoforme recettore Insulina. IR-A è espresso prevalentemente nel feto e nei tessuti bersaglio non-classici dell’insulina. IGF-II R serve solo per la rimozione di IGF-II, non trasmette segnale.
    13. 13. Effetti del GH sul metabolismo (effetti clinici della somministrazione di GH) • Metabolismo azotato* ↑ trasporto aminoacidi, sintesi proteica, sintesi DNA e RNA; ↓ urea • Metabolismo lipidico** Modesto ↑ lipolisi • Metabolismo glucidico** ↓ Trasporto e utilizzo glucoso; ↑ gluconeogenesi  Bilancio azotato positivo  ↑ glicerolo e acidi grassi (FFA) nel sangue  ↑ glicemia n.b. gli effetti sul metabolismo lipidico e glucidico dipendono dal background ormonale e dallo stato di alimentazione. In cellule e tessuti non esposti al GH da tempo, il GH provoca inizialmente effetti insulino-simili, come trasporto di glucoso e lipogenesi. * L’effetto sul metabolismo azotato è simile a quello dell’insulina e può essere sia mediato da IGF-I che dovuto ad azioni dirette del GH ** effetti anti-insulinici
    14. 14. Proglucagone Gene Proteina Glucagone+IP I = Oxintomodulina, Glucagone (29 aminoacidi) GLP-I, GLP-II α cells (PC2)L cells (PC1)
    15. 15. 110 AA 86 AA 21 AA + 30 AA 31 AA 24 AA Biosintesi e struttura della insulinaBiosintesi e struttura della insulina
    16. 16. Maturazione della Proinsulina 1. Endopeptidasi (Proormone Convertasi, PC) 2. Carbossipeptidasi (CP)
    17. 17. Controllo della secrezione di insulina GLUT-2 Glucocinasi X GLP-1 receptor
    18. 18. Nutrienti, Ormoni, Neurotrasmettitori Principali segnali di stimolazione (+) e inibizione (-) della secrezione di insulina e glucagone INSULINA GLUCAGONE GLUCOSO Aminoacidi Acidi Grassi + + + - + - Insulina Glucagone Somatostatina GLP-I GIP + + - + + - - - Catecolamine Acetilcolina - (α) + + (β) + GIP = Gastric Inhibitory Peptide = Glucose-dependent Insulinotropic Polypeptide; GLP-I = Glucagon-like peptide I
    19. 19. Effetti principali di insulina e glucagone sul metabolismo Metabolismo Risposte metaboliche INSULINA GLUCAGONE GLUCIDI ↑entrata glucoso nelle cellule ↑ glicogenosintesi ↑ glicolisi ↑ glicogenolisi ↑ gluconeogenesi LIPIDI ↑ sintesi acidi grassi ↑ lipogenesi ↑ lipolisi ↑ chetogenesi PROTEINE ↑ entrata aminoacidi nelle cellule ↑ sintesi proteica ↑ catabolismo degli aminoacidi
    20. 20. Effetti del glucagone sul metabolismo glucidico (fegato) - + INDUZIONE REPRESSIONE
    21. 21. D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006 Il glucagone stimola la lipolisi nel tessuto adiposo
    22. 22. Schema generale degli effetti metabolici del glucagone Glu=Glucoso
    23. 23. Principali vie di segnalazione dell’insulina IRS , “Insulin Receptor Substrate”; PI3K, fosfoinositide 3- chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4; PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione La PI3K si ritiene molto importante per gli effetti metabolici della insulina
    24. 24. GluGlu 2 Na+ 3 Na+ 2 K+ ATP ADP+Pi Glu=Glucoso
    25. 25. Trasportatori del glucoso: 1. simporto accoppiato al trasporto di Na+ (trasporto attivo secondario) Trasportatori Note sulla cinetica (Km, Vm) Substrato Principali siti di espressione Funzioni SGLT-1 Affinità molto alta Glucoso, galattoso Intestino, rene Assorbimento intestinale, riassorbimento renale SGLT-2 Alta capacità Glucoso Rene Maggior frazione del riassorbimento renale SGLT = Sodium/Glucose cotransporter
    26. 26. Trasportatori del glucoso: 2. uniporto (trasporto passivo) Trasportatori Note su Km, Vm e specificità Siti di espressione principali Funzioni principali GLUT-1 Trasporta anche galattoso e mannoso Ubiquitario (sp. eritrociti, barriera emato-encefalica) Trasporto di base e stimolato da fattori di crescita, trasporto attraverso la barriera e.e. GLUT-2 Bassa affinità, alta capacità; trasporta anche fruttoso Fegato, cellule β isole del pancreas, intestino, rene Parte del sensore del glucoso (fegato e isole del pancreas); trasporto transepiteliale (m. basolaterale intestino e rene) GLUT-3 Alta affinità Neuroni e altre cellule Trasporto nei neuroni del cervello GLUT-4 Muscolo scheletrico e cardiaco, tessuto adiposo Trasporto stimolato dall’insulina GLUT-5 Trasportatore specifico del fruttoso Intestino, spermatozoi Assorbimento del fruttoso nell’intestino
    27. 27. La regolazione dell’assunzione di glucoso nel muscolo e nel tessuto adiposo mediante l’esocitosi stimolata dall’insulina di vescicole contenenti il trasportatore del glucosio GLUT4. Dopo la rimozione dell’insulina, il processo viene invertito dall’endocitosi
    28. 28. Principali vie di segnalazione dell’insulina IRS , “Insulin Receptor Substrate”; PI3K, fosfoinositide 3- chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4; PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione In seguito all’inibizione di protein chinasi (GSK3, PKA) e all’attivazione di protein fosfatasi (PP1) in vari tessuti, molti enzimi si trovano in uno stato defosforilato. L’attivazione della PI3K, in genere con la mediazione della PKB, conduce alla rapida regolazione di enzimi chiave del metabolismo
    29. 29. ATTIVITA’ ENZIMA CONSEGUENZE ↑ Glicogeno sintasi ↑ Glicogenosintesi ↓ Fosforilasi cinasi, Glicogeno fosforilasi ↓ Glicogenolisi ↑/↓ Fosfofruttocinasi-2/Fruttoso 2,6-bisfosfatasi (enzima tandem) ↑ Glicolisi - ↓ Glucogenesi ↑ Piruvico cinasi ↑ Glicolisi ↑ Piruvico deidrogenasi ↑ Ac. Piruvico→Acetil CoA ↑ Acetil CoA carbossilasi ↑ Biosintesi Ac. Grassi ↓ Trigligeride lipasi ↓ Lipolisi ↑ HMG CoA reduttasi ↑ Biosintesi colesterolo ALCUNI ENZIMI DEFOSFORILATI IN RISPOSTA ALL’INSULINA
    30. 30. Principali vie di segnalazione dell’insulina IRS, “Insulin Receptor Substrate”; PI3K, fosfoinositide 3- chinasi; PDK1, chinasi fosfoinositide-dipendente-1; PKB, protein chinasi B; GLUT4, trasportatore del glucosio-4; PDE3b, fosfodiesterasi-3b; PKA, protein chinasi A; PP1, protein fosfatasi-1; GSK3, glicogeno sintasi chinasi-3; p70 S6K, chinasi della proteina ribosomiale S6; FRAP/mTOR, protein chinasi bersaglio della rapamicina; eIF2B, eIF4E, eEF2, fattori della traduzione Cascate dipendenti dalla PI3K possono portare all’attivazione della sintesi proteica (traduzione) in molti tessuti e regolare l’espressione di specifici geni (trascrizione), inducendo così risposte più lente ma durature.
    31. 31. ESPRESSIONE ENZIMA CONSEGUENZE ↑ Glucocinasi ↑ Utilizzazione glucoso ↑ Fosfofruttocinasi-1, Piruvico cinasi, Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi ↑ Glicolisi ↓ Fosfoenolpiruvico carbossicinasi ↓ Gluconeogenesi ↑ Glucoso 6-fosfato deidrogenasi ↑ Ciclo dei Pentosi ↑ Enzima malico ↑ NADPH ↑ Acido grasso sintasi ↑ Biosintesi Ac. Grassi ↓ Carbamilfosfato sintetasi-I ↓ Ureogenesi ↑ Lipoprotein lipasi ↑ Lipogenesi ALCUNI ENZIMI REGOLATI DALL’INSULINA A LIVELLO TRASCRIZIONALE
    32. 32. L’insulina favorisce l’espressione e l’attivazione di SREBP-1c, un fattore di trascrizione critico per l’espressione di enzimi chiave della glicolisi e della biosintesi degli acidi grassi GK = Glucochinasi L-PK = Piruvato chinasi ACC = Acetil-CoA carbossilasi; FAS= Acido grasso sintasi FegatoPI3K
    33. 33. L’insulina favorisce la degradazione di FOXO1, un fattore di trascrizione critico per l’espressione di enzimi della glucogenesi
    34. 34. Ruolo dei classici tessuti bersaglio
    35. 35. Catecolamine: neurotrasmettitori ed ormoni • Adrenalina (A) Noradrenalina (NA) Dopamina (D) • Biosintesi: 1. Cellule cromaffini MIDOLLARE del surrene → secerne in circolo A (per l’80%) e NA 2. Neuroni gangliari SN Simpatico → NA 3. Neuroni SN Centrale → D, NA o A Cellula Midollare A Ach NA Ach Neurone gangliare SNS Neuroni pregangliari SNS SN=Sistema Nervoso; Ach=Acetilcolina
    36. 36. Biosintesi delle catecolamine Epinefrina = Adrenalina Norepinefrina = Noradrenalina
    37. 37. COMT=catecol-o-metil transferasi; MAO=monoamino ossidasi VMA è il principale prodotto del catabolismo delle catecolamine e può essere dosato nelle urine. aldeide
    38. 38. Sottotipi di recettori adrenergici ed esempi di risposte fisiologiche A = Adrenalina NA = Noradrenalina Recettori Dopaminergici: Tipo D1 ⇒ Gs Tipo D2 ⇒ Gi ↑cAMP ↑cAMP ↑cAMP
    39. 39. Gli ormoni tiroidei (T3 e T4) Gli ormoni tiroidei sono iodotironine: T3 = 3,5,3’-triiodotironina; T4 = 3,5,3’,5’- tetraiodotironina o tiroxina. Le iodotironine possono essere considerati come derivati della tirosina.
    40. 40. La captazione dello I- nei follicoli tiroidei: il simporto Na/I Il trasporto dello ione ioduro (I- ) dal sangue all’interno delle cellule follicolari tiroidee avviene contro gradiente elettrochimico, e coinvolge un cotrasportatore per il Na+ e lo I- , posto sulla membrana basale e accoppiato alla pompa Na+ /K+ ATPasi. Il processo di cattura dello I- è molto efficiente e produce una concentrazione di I all’interno delle cellule dei follicoli molto superiore a quella ematica. Lo I- passa poi nel lume del follicolo.
    41. 41. Biosintesi delle iodotironine nei follicoli tiroidei Le reazioni catalizzate dalla tireoperossidasi a livello della membrana apicale sono racchiuse nel rettangolo. I* = forma reattiva, ossidata, dello iodio TG, tireoglobulina (660 KDa) H2O2 NADPH O2 SANGUE
    42. 42. Accoppiamento di iodotirosine con formazione di iodotironine nella tireoglobulina catena polipeptidica della tireoglobulina
    43. 43. Riassorbimento della colloide nelle cellule del follicolo tiroideo e secrezione delle iodotironine TG, tireoglobulina MIT, DIT, mono- e di-iodotirosina NADPH
    44. 44. Stimolazione di: Sintesi Tireoglobulina, Tireoperossidasi e Simporto Na/I Captazione I- Produzione NADPH e H2O2 Riassorbimento colloide e secrezione T4 e T3 Azioni del TSH
    45. 45. Geni TSH Il TSH è sintetizzato nelle cellule tireotrope dell’adenoipofisi. Appartenendo alla famiglia degli ormoni glicoproteici dell’adenoipofisi, è un eterodimero costituito da 2 catene polipeptidiche diverse, α e β, codificate da 2 geni distinti.
    46. 46. Struttura dell’ormone stimolante il rilascio di TSH (TRH) Il TRH è un tripeptide che stimola la secrezione e, in tempi più lunghi, anche la sintesi di TSH
    47. 47. TRH Ipofisi* Ipotalamo Tiroide Asse ipotalamo-ipofisi-tiroide TSH T4, T3 - - Somatostatina Dopamina - + + *Cellule tireotrope
    48. 48. Ormoni tiroidei nel plasma Totale circolante Frazione libera Emivita plasmatica T4 8 µg/100 ml 2 ng/100 ml (0,02 %) 6-8 giorni T3 0,14 µg/100 ml 0,3 ng/100 ml (0,2 %) 1-2 giorni T4/T3 60 7 Le proteine plasmatiche TBG e in misura inferiore TBPA e l’albumina legano T4 e, con minore affinità, T3 nel plasma.
    49. 49. 5’-deiodinazione 5-deiodinazione Iodotironine deiodinasi Attivazione! Inattivazione!
    50. 50. T4 T3 T4/T3 T3 T3T4 TR mtDNA Gene Transcription Proteins Cellule bersaglio degli ormoni tiroidei: azioni nucleari ed extra-nucleari
    51. 51. Esempi di enzimi la cui sintesi è stimolata dalle iodotironine Esocinasi Citocromo ossidasi Glucocinasi Enzima malico Glucoso 6-fosfato deidrogenasi Acido grasso sintasi Glucoso 6-fosfatasi Glicerolo cinasi Piruvico carbossilasi Arginasi Fosfoenolpiruvico carbossicinasi Carbamilfosfato sintetasi I Glicerolo 3-fosfato deidrogenasi Na+ , K+ -ATPasi
    52. 52. Biosintesi ormoni steroidi DHA = Deidroisoandrosterone = DHEA = Deidroepiandrosterone
    53. 53. Reazioni di idrossilazione degli steroidi O2 + R-H R-OH + H2O NADPH + H+ NADP+ NADPH ⇒ FAD ⇒ Fe3+ ⇒ Fe3+ ⇒ O2 Flavo Proteina Fe Proteina non eminica Citocromo P450 (CYP) Molti enzimi coinvolti nella sintesi degli steroidi sono membri della famiglia di monoossigenasi del citocromo P450 (CYP), che contengono eme e catalizzano reazioni di idrossilazione. R = atomo di C di uno steroide
    54. 54. Biosintesi cortisolo 1. Colesterolo 20- 22 desmolasi 2.17α-idrossilasi 9. 3β-OH-steroide deidrogenasi/ ∆4,5 isomerasi 4. 21-idrossilasi 5. 11β-idrossilasi 9 9
    55. 55. Disponibilità del colesterolo e compartimen- tazione subcellulare nella biosintesi del cortisolo P450scc = enzima che taglia la catena laterale del colesterolo (C. Desmolasi) nella membrana mit. interna lipasi (Colesterolo esterasi) StAR = Proteina labile che favorisce il trasporto del colesterolo alla membr. mit. interna R
    56. 56. Elementi principali della risposta delle cellule della corticosurrenale alla stimolazione dell’ACTH (StAR) Colesterolo desmolasi (Colesterolo esterasi)
    57. 57. L’ACTH deriva dalla Proopiomelanocortina (POMC) Proopiomelanocortina e prodotti della sua frammentazione. L’allineamento degli aminoacidi del precursore è mantenuto nella rappresentazione dei prodotti. ACTH (39 aminoacidi)
    58. 58. Struttura dell’ormone stimolante il rilascio di ACTH (CRH) Il CRH è un peptide di 41 aminoacidi che agisce sulle cellule corticotrope stimolando non solo il rilascio, ma anche la sintesi di ACTH (↑ espressione POMC). Il CRH agisce sulle cellule corticotrope tramite specifici recettori accoppiati a proteine Gs.
    59. 59. CRH Ipofisi* Ipotalamo Cort. Surrene Asse ipotalamo-ipofisi-surrene ACTH Glucocorticoidi - - SNC (stress) + + + *Cellule corticotrope SNC = Sistema Nervoso Centrale
    60. 60. Trasporto plasmatico e catabolismo dei glucocorticoidi  ∼ il 95% del cortisolo nel plasma è legato a trasportatori: CBG (lega anche altri steroidi a 21 C) e albumina.  In generale il catabolismo degli ormoni steroidi si svolge prevalentemente nel fegato e prevede: 1. Riduzione della potenza biologica per modificazione dei gruppi funzionali. Ad es. l’ossidrile in C-11 del cortisolo viene ossidato a chetone dalla 11β-OH-Steroide Deidrogenasi con formazione di cortisone (inattivo) 2. Conversione in forme più idrosolubili (coniugazione con ac. glucuronico o solfato):  ↓ penetrazione nelle cellule bersaglio  ↑ eliminazione con le urine
    61. 61. INDUZIONE ENZIMI NEL FEGATO (esempi): ↑ FOSFOENOLPIRUVICO CARBOSSICINASI ↑ TIROSINA AMINOTRANSFERASI ↑ TRIPTOFANO OSSIGENASI Effetti metabolici dei glucocorticoidi - inibizione; + stimolazione A N A B O L I C O CC AA TT AA BB OO LL II CC OO
    62. 62. Regolazione ormonale della trascrizione del gene della fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK) Ormone Elemento di risposta Effetto sulla sintesi della PEPCK Glucocorticoidi GRE Stimolazione Ormone tiroideo TRE Stimolazione Glucagone CRE Stimolazione Insulina IRE Inibizione regione regolatrice (semplificata) del gene per la PEPCK
    63. 63. Il fattore di trascrizione NF-κB è costituito da un eterodimero (tipicamente p65 e p50) presente in forma inattiva nel citosol legato all’inibitore IκB- α. Varie cascate di chinasi conducono all’attivazione del complesso chinasico IKK, che fosforila IκB-α destinandolo alla degradazione e permettendo l’attivazione di NF-κB. NF-κB può così stimolare la trascrizione di geni pro-infiammatori. I glucocorticoidi possono inibire NF-κB tramite vari meccanismi mediati dai loro recettori (GR). Attivazione di NF-κB e risposta infiammatoria Meccanismi molecolari dell’azione anti-infiammatoria dei glucocorticoidi mediata dai recettori nucleari (GR) 1. Diretta inattivazione del fattore di trascrizione NF-kB 2. Induzione trascrizionale di IkB, inibitore di NF-kB 3. Diretta inattivazione del fattore di trascrizione AP-1 4. Induzione trascrizionale di Lipocortina, inibitore di PLA2
    64. 64. Il cortisolo e il recettore nucleare dei mineralcorticoidi nel Rene MR = recettore nucleare dei mineralcorticoidi (aldosterone) 11β OH SD = 11β- idrossi steroide deidrogenasi MR
    65. 65. Un pensiero noi (esseri umani) siamo qualcosa di più di un insieme di molecole, che generalmente funziona in modo mirabile e a volte un po’ meno: siamo “persone”, uniche, irripetibili, libere, ciascuna in relazione ad altre persone.

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