Ormoni Definizione classica: messaggeri chimici prodotti da tessuti specializzati (ghiandole endocrine) che agiscono a distanza su cellule bersaglio (segnali endocrini) Definizione più ampia la capacità di produrre ormoni non è una proprietà esclusiva delle ghiandole endocrine. Gli ormoni possono anche agire localmente su cellule vicine per diffusione (segnali paracrini) o anche sulle stesse cellule che li hanno prodotti (segnali autocrini) In questi casi l’ormone non è secreto in circolo

Secondo questa definizione più ampia la separazione tra ormoni e neurotrasmettitori diventa labile Certe molecole possono agire sia come ormoni che come neurotrasmettitori (es: catecolamine, ormoni ippotalamici, ipofisari, gastro-intestinali) I neuroni possono rilasciare in circolo ormoni (neurormoni)

ossitocina L'ossitocina è un ormone prodotto dai nuclei ipotalamici e secreto dalla neuroipofisi E’ un ormone peptidico, un nonapeptide, molto simile a un altro ormone ipofisario, la vasopressina L'azione principale dell'ossitocina è quella di stimolare le contrazioni della muscolatura liscia dell'utero Governa il "riflesso di eiezione fetale", "riflesso di eiezione del latte", "riflesso di eiezione dello sperma” Recettori dell'ossitocina si trovano anche nel sistema limbico del cervello Esperimenti su animali hanno dimostrato l'importanza di tale ormone nell'accoppiamento, nel comportamento parentale e sociale

Neuropsychopharmacology (2003) 28, 193-198 Oxytocin Infusion Reduces Repetitive Behaviors in Adults with Autistic and Asperger's Disorders Neuropsychopharmacology (2003) 28, 193-198 Ricerche recenti sugli animali hanno evidenziato un importante ruolo dell'ossitocina anche nello sviluppo del comportamento sociale Questo ha indotto alcuni ricercatori a compiere ricerche sui soggetti autistici per evidenziare eventuali alterazioni potenzialmente responsabili dell'alterato sviluppo sociale Topi privi del gene che codifica per l’ossitocina sono indifferenti al distacco dalla madre e in generale presentano assenza di attaccamento sociale, non cercano la compagnia dei pari e presentano un'aumentata aggressività questi topi recuperano la capacità a sviluppare una memoria sociale dopo somministrazione intracerebrale di ossitocina E' stata dimostrata una correlazione anche tra ossitocina e comportamenti ripetitivi

1) derivati da un solo aminoacido: amine e ormoni tiroidei (T3 e T4) Sulla base delle caratteristiche chimiche gli ormoni possono essere suddivisi in quattro gruppi: 1) derivati da un solo aminoacido: amine e ormoni tiroidei (T3 e T4) 2) steroidei: derivati dal colesterolo 3) eicosanoidi: derivati dei grassi polinsaturi C20 (azione autocrina e/o paracrina). Il PAF è una molecola ad azione ormonale di derivazione lipidica 4) peptidici a questo gruppo si possono ascrivere anche i fattori di crescita (GF) e le citochine che agiscono con meccanismi autocrini e/o paracrini Gli ormoni liposolubili (steroidei, tiroidei) attraversano le membrane cellulari gli ormoni proteici poco liposolubili non attraversano le membrane cellulari

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

La concentrazione plasmatica degli ormoni è 10-6 -10-12 M Gli ormoni peptidici hanno concentrazioni più basse rispetto agli steroidei e tiroidei Quest’ultimi sono trasportati nel plasma legati alle proteine palsmatiche Anche se le catecolamine e gli ormoni peptidici sono generalmente presenti in forma libera, recentemente si sono trovate proteine specifiche che legano l’ormone della crescita (GH) e altri fattori di crescita (IGF)

Tiroxina: H = 0.02% t1/2 = 7 giorni Il legame trasportatore (T) ormone (H) è reversibile (non covalente) e si crea un equilibrio: H + T HT che è molto spostato verso il complesso, per cui la frazione libera dell’ormone (forma attiva) può essere estremamente piccola Il complesso HT è di fatto una riserva circolante dell’ormone e inoltre lo protegge dai meccanismi di degradazione ed escrezione (tempo di emivita più alto) Tiroxina: H = 0.02% t1/2 = 7 giorni

Analogamente si instaura un equilibrio tra ormone e recettore: H + R HR [H] [R] [R] = [RT] - [HR] KD = [HR] [HR] [RT] [HR] = - [H] KD KD [RT] [HR] max

HR = B H = F RT = Bmax Se nello Scatchard plot si ottiene un andamento non rettilineo significa che il recettore possiede più siti a diversa affinità o che c’è cooperatività

- Elevata specificità: - Saturabilità: il numero dei recettori è piccolo da [HR]max si ricava il numero totale dei recettori (siti d legame) - Elevata affinità: KD bassa (KA alta) KD dello stesso ordine di grandezza della concentrazione fisiologica dell’ormone - Elevata specificità: un recettore lega un solo tipo d’ormone (oppure ormoni dotati della stessa attività biologica)

Quando la concentrazione dell’ormone è anormalmente elevata si ha il fenomeno detto spillover in cui un ormone interagisce con il recettore di un altro ormone Lo spillover può generare sia un effetto agonista che antagonista La funzionalità e il numero dei recettori può variare in risposta agli stimoli Diminuzione dell’affinità: desensibilizzazione Diminuzione del numero dei recettori: down-regulation Aumento del numero dei recettori: up-regulation

La down-regulation è: omologa se causata dallo stesso ormone a cui è specifico il recettore eterologa se causata da un altro ormone che interagendo con i propri recettori ha effetti anche su un altro recettore Uno dei meccanismi attraverso cui si esplica la down-regulation è quello della internalizzazione dei recettori di membrana: dopo stimolazione i complessi recettore-ormone si addensano in punti della membrana dove sul lato citosolico è presente la proteina clatrina si creano delle invaginazioni che generano poi delle vescicole, e i recettori sono sequestrati all’interno della cellula e non sono più disponibili per il legame con l’ormone

L’effetto degli ormoni si esplica su un numero limitato di proteine: prevalentemente proteine di regolazione Nelle vie metaboliche esistono poche reazioni irreversibili con DG << 0 Queste costituiscono le cosiddette tappe limitanti La regolazione degli enzimi che catalizzano le reazioni delle tappe limitanti risulta in un effetto sull’intera via metabolica La regolazione enzimatica può avvenire per alterazione : - della attività catalitica (veloce) - della concentrazione dell’enzima (lenta)

La fosforilazione è il meccanismo di regolazione più diffuso nelle cellule eucariote Le proteine cinasi (PK) catalizzano la fosforilazione di residui di serina nella maggioranza dei casi (90%) e meno frequentemente di treonina e ancora più di rado di tirosina (0.1%)

A tutt’oggi sono state individuate più di 200 proteine cinasi suddivisibili sostanzialmente in due grandi gruppi: Queste PK sono state individuate di recente e per ora se ne conoscono poche

Le PK agiscono su siti di riconoscimento determinati dalla sequenza aminoacidica La PK AMPc - dipendente fosforila i residui Ser inseriti nella sequenza: X-Arg-Arg-X-Ser-X Le PK possono agire su una sola proteina oppure su numerosi substrati proteici, e sidicono allora multifunzionali Le proteine possono essere fosforilate in un solo sito oppure in più siti da diverse PK con effetti sia additivi che inibitori La fosforilazione oltre che agire direttamente sulla attività catalitica può anche modificarne le proprietà come la velocità di degradazione o la localizzazione subcellulare (modificandone la lipofilicità)

Esistono due tipi di recettori - nucleari: ormoni steroidei e tiroidei - membrana: ormoni peptidici, aminici, eicosanoidi Anche se la maggior parte degli ormoni steroidei e tiroidei agisce a livello nucleare è verosimile (anche se non ancora dimostrata) l’esistenza di recettori di membrana anche per questi ormoni Gli ormoni steroidei sono lipofili e sono in grado di attraversare le membrane Esistono due ipotesi sulla localizzazione dei recettori degli ormoni steroidei: - citosol - nucleo (più attuale)

In ogni caso il legame con l’ormone provoca la trasformazione del recettore: - distacco di proteine (proteine dello shock termico) a cui è associato il recettore libero - formazione di un omodimero per legame a un altro recettore - legame del dimero a sequenze di DNA dette elementi di risposta dell’ormone (HRE)

Esiste una forma di recettore per ciascun tipo di ormone steroide Hanno caratteristiche strutturali e funzionali simili e sono accomunati in una classe assieme ai recettori degli ormoni tiroidei e di derivati della vitamina D e A Nei recettori nucleari si identificano almeno cinque domini con specifiche proprietà funzionali

Al dominio C compete la funzione specifica di formare il legame col DNA grazie alla presenza dei cosiddetti Zn finger Gli Zn finger interagiscono con gli HRE (spesso localizzati nella regione del promotore) riconoscendone la specifica sequenza nucleotidica

Le sequenze consenso sono formate da 6 coppie di basi: - palindromiche con 3 nucleotidi spaziatori (n) per GRE e ERE palindromiche senza nucleotidi spaziatori o ripetute non palindromiche per gli ormoni tiroidei GRE = glucocorticoidi, progesterone, androgeni ERE = estrogeni TREp = ormoni tiroidei, Vitamina D, Vitamina A DR4 = ormoni tiroidei (Direct Repeat)

Si ipotizza che ciascuna molecola del dimero recettoriale interagisca con metà palidromo (o sequenza diretta) Il meccanismo d’azione degli ormoni tiroidei è analogo a quello degli steroidei I recettori degli ormoni tiroidei si ritiene siano saldamente legati alla cromatina diversamente da quelli steroidei la cui localizzazione è ancora controversa Inoltre i recettori tiroidei non sono legati alle proteine dello shock termico Altra differenza è la possibilità di formare degli eterodimeri recettoriali con i recettori del 9-cis-retinoico (caratteristica comune con i recettori della vitamina D e A)

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

I recettori che interagiscono con le proteine G sono costituiti da polipeptidi che attraversano la membrana sette volte (sette eliche transmembrana) L’estremità N-teminale è all’esterno e può essere glicosilata L’estremità C-terminale è all’interno e ha residui Ser o Thr disponibili alla fosforilazione

Le proteine G sono costituite da tre sub-unità: a, b, g ancorate alla membrana La sub-unità a ha un sito di legame per i nucleotidi guanilici: - legato a GDP è in forma inattiva si ancora alle sub-unità b e g e forma un complesso inattivo - legato a GTP è in forma attiva e si dissocia dalle sub-unità b e g

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

La velocità della reazione GTPasica determina il tempo durante il quale l’effettore rimane attivo La GTPasi della sub-unità a è una sorta di timer che controlla un interruttore Esistono numerosi tipi di proteine G, e ognuna può regolare uno specifico effettore (anche più di uno) Differiscono principalmente per la diversa sub-unità a

L’AMPc è stato il primo “secondo messaggero” scoperto Lo schema d’azione è: H R G AC AMPc PKA Esistono diversi isoenzimi di AC, ma tutti sono enzimi transmembrana che presentano il sito catalitico sul lato citosolico che promuove la conversione di ATP in AMPc:

La PKA nello stato inattivo è un tetramero costituito da due unità regolatrici R con ciascuna due siti di legame per l’AMPc e due unità catalitiche C R2C2 + 4AMPc R2(AMPc)4 + 2C Il legame con AMPc promuove il distacco delle unità C che sono poi le responsabili dell’attività di fosforilazione

l’amplificazione risultante è di 103 La cascata della via dell’AMPc non comporta solo la trasduzione del segnale, ma anche una amplificazione: il complesso HR può attivare circa 10 proteine Gs ognuna di queste può mantenere attiva l’AC per un tempo (prima dell’idrolisi di GTP) tale da produrre circa 100 molecole di AMPc l’amplificazione risultante è di 103 Una ulteriore amplificazione si verifica se la PKA fosforila più di una proteina

Caratteristiche peculiari di questa via sono: - rapidità - transitorietà la risposta allo stimolo ormonale ( AMPc) avviene in pochi minuti (2-5) dopodichè si ha un rapida diminuzione della concentrazione di AMPc Principali responsabili del rapido calo di [AMPc] sono le fosfodiesterasi (PDE) specifiche per i nucleotidi ciclici di cui ne esistono molte isoforme degradano AMPc AMP

L’AMPc può controllare l’espressione genica a livello della trascrizione Nei regione del promotore dei geni che rispondono all’AMPc sono stati individuati elementi di risposta specifici (CRE) La sequenza consenso palindromica è: 5’-TGACGTCA-3’ I CRE sono riconosciuti da una proteina detta CREB (CRE binding protein) che si lega in forma di dimero e funziona come un fattore di trascrizione controllato mediante fosforilazione da parte della PKA

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

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