Hypothalamo-hypofyzární systém Bi1100 Mechanismy hormonálního řízení Hypothalamo-hypofyzární systém Hypothalamus Hypofýza (pituitary gland, podvěsek mozkový) adenohypofýza neurohypofýza Epifýza (pineal gland, šišinka) Hypothalamo-hypofyzární systém ▪ u všech obratlovců, člověk – cca 4 cm3 v mezimozku kolem III. komory ▪ infundibulum se zavěšenou hypofýzou ▪ součást limbického systému ▪ jádra v periventrikulární, mediální (nucleus supraopticus a paraventricularis) a laterální oblasti ▪ regulace tělesné teploty, příjmu potravy a tekutin (hlad a žízeň), reprodukce, emocí, cirkadiálních rytmů, řídí autonomní nervový systém, zajišťuje spojení nervového systému s endokrinním Hypothalamus ▪ jádra hypothalamu > axonální transport > median eminence a přestup do portálního systému (releasing faktory) > adenohypofýza a další orgány ▪ axonální transport do neurohypofýzy > uskladnění a uvolnění do krve (oxytocin, vazopresin) Endokrinní funkce hypothalamu ▪ liberiny (uvolňující/releasing faktory) – tyroliberin / thyrotropin-releasing hormone (TRH), kortikoliberin (CRH), gonadoliberin (GnRH; luliberin LHRH a folikuly stimulující hormon releasing hormon FSH RH), prolaktoliberin (PRH), melanoliberin (MRH), somatoliberin (GHRH) ▪ statiny (inhibující faktory) – somatostatin, folistatin, kortistatin ▪ dopamin (tyrozinový derivát sloužící jako prolaktostatin) Hypothalamus – liberiny a statiny ▪ paraventirukulární jádra hypothalamu (GnHR - preoptické, GHRH a dopamin - obloukovité) TRH: preprohormon tvořen 242 AMK s 6 kopiemi -Gln-His-Pro-Gly- (pro-TRH jako zásobní forma) > karboxypeptidázy, proteázy a další enzymy > tripeptid TRH (pyroGlu-His-Pro-NH2) > median eminence > hypofyzální portální systém > tyrotropní buňky v adenohypofýze GnRH: preprohormon tvořen 92 AMK > dekapeptid (pyroGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly- Leu-Arg-Pro-Gly-NH2) CRH: preprohormon 196 AMK > hormon 41 AMK GHRH: 41 AMK; uvolňován v pulzech (střídáno sekrecí GHIH/SIH) GHIH: alternativní sestřih preprohormonu na aktivní formy se 14 AMK (hypothalamus a endokrinní pankreas) nebo 28 AMK (gastrointestinální trakt) Liberiny a statiny: syntéza ▪ anterográdní axonální transport (kineziny) ▪ do krve přechází v median eminence Liberiny a statiny: axonální transport ▪ předání signálu cílové buňce v adenohypofýze se může uskutečňovat u jednoho hormonu více mechanismy, ale většinou je jeden z nich hlavní GnRH, TRH: ▪ vazba na receptory spřažené s G proteiny > aktivace IP3/DAG dráhy > zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+ > aktivace kináz (PKC) a buněčná odpověď GHRH, GHIH, CRH: ▪ vazba na receptory spřažené s G proteiny > aktivace adenylát cyklázy > cAMP (méně přes IP3/DAG a další dráhy) > aktivace kináz (PKA) > fosforylace transkripčních faktorů CREB (cAMP response element-binding protein) a buněčná odpověď Stimulačně nebo inhibičně působí na buňky v adenohypofýze produkující tropní hormony, které negativně zpětnovazebně regulují produkci hormonů hypothalamu. Liberiny a statiny: působení a funkce Dopamin (DA, PIH) ▪ syntéza v neuronech obloukovitého (arcuate) jádra hypothalamu a v malém množství v nadledvinách ▪ katecholamin, derivát tyrozinu ▪ vazba na dopaminové receptory a zvýšení intracelulární koncentrace cAMP ▪ funguje jako neurotransmiter i neurohormon, který inhibuje uvolňování prolaktinu z adenohypofýzy adrenalin, noradrenalin Hypofýza Adenohypofýza (anterior pituitary) ▪ glandotropní hormony (ACTH, TSH, FSH, LH) ▪ aglandotropní hormony (prolaktin, SH) Tropní hormony (tropiny): regulace ▪ poločas rozpadu a degradace ▪ liberiny a statiny z hypothalamu ▪ negativní zpětná vazba (hormony produkované endokrinními žlázami pod kontrolou tropinů) ▪ homolog prolaktinu a placentálního laktogenu (lidský choriový somatomammotropin) ▪ dva geny GH1/GH2 na chromozómu 17 ▪ vysoká sekvenční identita genů spadajících do somatotropin-prolaktinové rodiny ▪ izoformy hormonů produkovány alternativním sestřihem ▪ jednořetězcový polypeptid (hlavní izoforma 191 AMK) ▪ vazba na růstový hormon vázající proteiny (GHBP) a receptory ▪ růstový (anabolický) a stresový hormon ▪ zvyšuje koncentraci glukózy a volných mastných kyselin v krvi, podporuje tvorbu IGF-1 (insulin-like growth factor, somatomedin C) v játrech Somatotropin (Growth hormone, GH): syntéza Stimulace: ▪ somatoliberin z hypothalamu (poměr GHRH ku GHIH), ghrelin z GI traktu ▪ androgeny a estrogen ▪ tvorba stimulována nízkým GH titrem (primárně během dospívání) ▪ hypoglykemie (inhibice uvolňování GHIH), cvičení, spánek Inhibice: ▪ somatostatin z hypothalamu a glukokortikoidy ▪ při vysokém titru GH a insulin-like growth faktoru I (IGF-1 = jaterní somatomedin C) = negativní zpětná vazba ▪ vysoká hladina volných mastných kyselin ▪ při hyperglykemii, obezitě a spánkové deprivaci ▪ během dne uvolňován v intervalech 3 až 5 hodin (5-45 ng/ml) ▪ nejvíce hodinu po usnutí Somatotropin (Growth hormone, GH): regulace ▪ všechny tělní orgány ▪ především játra, kosti a svaly ▪ růst, buněčná proliferace (mitogen), regenerace ▪ podporuje tvorbu erytropoetinu Somatotropin (Growth hormone, GH): působení a funkce ▪ působení přes růstové faktory somatomediny (somatomedin C neboli insulin-like growth factor-1) z jater Somatotropin (Growth hormone, GH): působení a funkce ▪ vazba ne receptor v membráně (G protein) > dimerizace receptoru > (1) aktivace MAPK/ERK dráhy > dělení chondrocytů v chrupavkách > růst do výšky (2) aktivace JAK/STAT dráhy > produkce insulin-like růstového faktoru (IGF-1, somatomedin C – homolog proinzulinu) v játrech > stimulace růstu ▪ zvýšení lipolýzy, glukoneogeneze, proteosyntézy, stimulace imunitního systému, zadržování Ca2+ a mineralizace kostí, růst vnitřních orgánů a svalové hmoty a další Somatotropin (Growth hormone, GH): působení a funkce ▪ GH stimuluje fosforylaci STAT5 Janusovými kinázami (JAK2), který po dimerizaci a translokaci do jádra aktivuje transkripci IGF-1 a serin proteázového inhibitoru 2-1 ▪ JAK2 aktivuje MAPK dráhu a fosforylaci ERK1 a 2, které jsou translokovány do jádra ▪ nadbytek při adenomu hypofýzy, vzácně při ektopických tumorech nebo nekontrolovaném terapeutickém podávání somatotropinu ▪ nedostatek bývá podmíněn geneticky nebo jako důsledek poškození sekrečních buněk ▪ před uzávěrem epifyzárních štěrbin: obří vzrůst (↑) x nanismus (↓) ▪ nadbytek po uzávěru štěrbin: akromegalie, růst a zvápenatění chrupavek a meziobratlových plotének, zvětšení měkkých tkání (jazyk – makroglosie, játra, ledviny, srdce – angina pectoris, kůže – vzrůst produkce mazu a potu, utlačování nervů – syndrom karpálního tunelu) ▪ hyperglykemie, která může přecházet v diabetes mellitus ▪ nadbytek napomáhá rozvoji tumorů ▪ nedostatek po ukončení růstu nemá těžké následky, oslabení imunitního systému Somatotropin (Growth hormone, GH): patofyziologie Somatotropin (Growth hormone, GH): patofyziologie Somatotropin (Growth hormone, GH): rekombinantní hGH ▪ pre-pro-opiomelanokortin (285 AMK) > proteolýza > pro-opiomelanokortin (POMC, 241 AMK) prekurzorem ACTH, melanotropinu (MSH), β-lipotropinu, β-endorfinu a dalších ▪ tkáňově specifické posttranslační zpracování POMC ▪ glykosylace, fosforylace, acetylace, proteolýza subtilisin-like enzymy (prohormon konvertázy; nejméně 8 štěpných míst) ▪ kortikotropní buňky adenohypofýzy > ACTH (39 AMK) a β-lipotropin (produkce melaninu, mobilizace lipidů, steroidogeneze) Kortikotropin (Adrenocorticotropic hormone, ACTH): syntéza ▪ rychlá zpětnovazebná smyčka (glukokortikoidy tlumí sekreci CRH) – minuty ▪ pomalá zpětnovazebná smyčka (glukokortikoidy inhibují transkripci POMC genu a syntézu ACTH) – hodiny až dny ▪ poločas rozpadu v krvi cca 10 min ▪ G protein > cAMP > PKA (1) rychlý efekt (minuty) – stimulace přesunu cholesterolu do mitochondrií (StAR, P450SCC) a vychytávání lipoforinu kortikálními buňkami (2) pomalý efekt (hodiny) – stimulace transkripce steroidogenních enzymů (např. P450SCC) a mitochondriálních genů zapojených do oxidativní fosforylace ▪ ACTH produkován spolu s CRH v odpovědi na biologický stres Kortikotropin (Adrenocorticotropic hormone, ACTH): regulace a působení ▪ glykoprotein (201 AMK; 26 kDa): α podjednotka - 92 AMK - podobná lidskému choriovému gonádotropinu (hCG), folitropinu (FSH) a lutropinu (LH) - stimulace adenylát cyklázy a tvorby cAMP β podjednotka - 118 AMK - jen u TSH > receptorová specificita uhlovodíkové postranní řetězce ▪ poločas rozpadu kolem jedné hodiny ▪ uvolňován pulzně a především v období prudkého růstu a vývoje ▪ receptor hlavně na folikulárních buňkách štítné žlázy ▪ zvyšuje prokrvení a látkovou výměnu štítné žlázy a stimuluje produkci tyroxinu a trijodtyroninu Thyreotropin (Thyroid-stimulating hormone, TSH) ▪ zvyšuje jodidový transport do folikulárních buněk štítné žlázy (Na/K pumpa za spotřeby ATP vyčerpá Na+ ven z buňky a I- s ním vchází zpět do buňky = sodíkojodidový synport) ▪ zvyšuje produkci a jodování tyreoglobulinu ▪ zvyšuje endocytózu koloidu z lumen štítné žlázy do folikulárních buněk ▪ stimuluje proteolýzu jodovaného tyreoglobulinu a uvolnění T4 a T3 ▪ stimuluje sekreci T4 a T3 do krve Thyreotropin (Thyroid-stimulating hormone, TSH): působení Thyreotropin (Thyroid-stimulating hormone, TSH): působení ▪ gonádotropní hormon ▪ heterodimerní glykoprotein (α a β podjednotka) strukturně podobný TSH, FSH a choriovému gonádotropinu ▪ podjednotky kódovány geny na různých chromozómech (β tvoří klastr společný pro LH, FSH a hCG) ▪ poločas rozpadu 20 minut ovlivněn oligosacharidy navázanými na β podjednotce ▪ regulace GnRH, aktiviny, inhibiny a pohlavními hormony (kromě GnRH regulují pouze expresi genu pro α jednotku) ▪ uvolňován v pulzech ▪ pohlavní steroidy tlumí produkci LH Lutropin (Luteinizing hormone, LH) ▪ spouští ovulaci, vývoj corpus luteum a produkci progesteronu u žen ▪ u mužů stimuluje Leydigovy buňky k tvorbě testosteronu (= intersticiální buňky stimulující hormon) ▪ působí přes cAMP ▪ synergie s FSH Lutropin (Luteinizing hormone, LH) Lutropin (Luteinizing hormone, LH) ▪ produkce pohlavních steroidů ▪ glykoprotein (35,5 kDa) ▪ heterodimer: α a β podjednotka ▪ strukturně podobný LH, TSH a choriovému gonádotropinu (identická α podjednotka) ▪ poločas rozpadu 3 až 4 hodiny ▪ gonádotropin (spolupůsobí s LH) ▪ stimulace GnRH, regulace proteinovými komplexy aktivinů a inhibinů ▪ působí přes cAMP ▪ regulace růstu a vývoje, pohlavního vyzrávání a reprodukčních procesů ▪ stimuluje zrání zárodečných buněk u samců i samic ▪ v Sertoliho buňkách sekrece androgen vázajících proteinů ▪ zahajuje růst ovariálních folikulů (mitóza a tvorba folikulární tekutiny) Folikulotropin (Follicle-stimulating hormone, FSH) ▪ přes PKA dochází k aktivaci mitózy, produkce folikulární tekutiny, LH a FSH receptoru a přeměny androstendionu na estron (P450 aromatáza) a dále na estradiol (17β-HSD), tj. syntéza pohlavních steroidů Folikulární buňka Folikulotropin (Follicle-stimulating hormone, FSH) ▪ peptidový hormon s třemi disulfidickými můstky ▪ jediný gen PRL na chromozómu 6 (příbuzný GH) ▪ množství posttranslačních modifikací (dominantní neglykosylovaná forma) ▪ obvykle několik izoforem (198 AMK, 22 kDa až 150 kDa) ▪ možná interakce několika molekul prolaktinu ▪ větší formy mají menší biologickou aktivitu ▪ sekretován v pulzech po jídle, páření, aplikaci estrogenů, ovulaci nebo při péči o dítě (aktivace mechanoreceptorů při kojení + oxytocin) ▪ tyroliberin (TRH) stimuluje tvorbu prolaktinu; estrogeny podporují růst buněk produkujících prolaktin ▪ regulován primárně inhibičně dopaminem (PIH) z hypothalamu Prolaktin (PRL, luteotropin) ▪ po navázání na receptor dimerizace a transdukce signálu jako GH ▪ endokrinní, parakrinní a autokrinní působení (cytokine-like – hematopoéza, angiogeneze) ▪ spouští růst mléčných žláz a laktaci, regulátor imunity, růstu a vývoje celkově ▪ mateřské chování, sexuální refrakterní perioda, slabý gonadotropin (ale zároveň tlumí pulzní uvolňování LH a FSH, jejich bazální hladinu neovlivňuje) Prolaktin (PRL, luteotropin): působení a funkce ▪ stimuluje rodičovské chování, produkci tzv. holubího mléka ve voleti (holubi), příp. jícnu (plameňáci, tučňáci), společně s estrogeny se podílí na vzniku hnízdní nažiny Prolaktin (PRL, luteotropin): působení a funkce ▪ nadbytek prolaktinu při nádorech produkujících hormony (prolaktinomy) nebo po podání antidopaminergních léků ▪ nadbytek prolaktinu vede ke snížení sekrece lutropinu a folikulotropinu > hypogonadismus (snížená funkce gonád) > nedostatek estrogenů a androgenů ▪ amenorea (poruchy menstruace) ▪ galaktorea (tvorba a vylučování mléka mléčnou žlázou mimo období kojení) ▪ ztráta libida ▪ impotence Prolaktin (PRL, luteotropin): patofyziologie Neurohypofýza (posterior pituitary) Syntetizovány v hypothalamu! V neurohypofýze uvolňovány do krve. Superrodina oxytocin a vazopresin neuropeptidů ▪ gen OXT kóduje oxytocin/neurophysin I prepropeptid ▪ enzymatická hydrolýza na koncové produkty ▪ nonapeptid s disulfidickým můstkem: Cys-Tyr-Ile-Glu-Asp-Cys-Pro-Leu-Gly ▪ nucleus paraventricularis a supraopticus (menší množství tvořeno také v corpus luteum, placentě, Leydigových buňkách, sítnici, dřeni nadledvin, brzlíku a slinivce) ▪ stimulem roztažení děložního hrdla a dělohy během porodu, stimulací bradavek během kojení ▪ estradiol zvyšuje sekreci i expresi receptorů oxytocinu např. v amygdale ▪ kofaktor vitamín C ▪ v neurohypofýze vazba na polypeptid neurophysin I (10 kDa, 90-97 AMK) ▪ skladován na koncích axonů (Herring bodies) spolu s neurophysinem a ATP ▪ stimul > akční potenciál ze zdrojových buněk > depolarizace konce axonu > exocytóza Oxytocin: syntéza, uvolnění a transport ▪ syntéza receptorů ▪ neuromodulátory ▪ pozitivní zpětná vazba ▪ oxytocinázy v játrech a dalších orgánech ▪ exkrece žlučová a ledvinová Oxytocin: regulace ▪ vysokoafinitní receptory spřažené s G proteiny (rhodopsin-type, class I), např. na hladkých svalových buňkách > IP3/DAG dráha > mobilizace Ca2+ > aktivace kontraktilních proteinů ▪ sání kojence > páteřní nervy > hypothalamus > pulzní akční potenciály oxytocin produkujících buněk > uvolnění ox. do krve > stimulace prsních žláz ▪ působí přes periferní nervy a v mozku (krevně mozková bariéra) Oxytocin: působení a funkce ▪ kontrakce svalů reprodukční soustavy, může stimulovat exkreci sodíku v ledvinách (vysoké dávky > hyponatremie) ▪ reprodukční chování (sexuální vzrušení, bonding, mateřské chování) ▪ zasahuje do patologií – osteoporóza, diabetes a další Oxytocin: působení a funkce ▪ označován také jako arginin vazopresin (AVP) a argipresin ▪ na stejném chromozómu (20) jako oxytocin, geny blízko sebe ▪ od oxytocinu se liší ve dvou AMK (izoleucin/fenylalanin na pozici 3, leucin/arginin na pozici 8) ▪ supraoptické a paraventrikulární jádro hypothalamu ▪ uvolňován při poklesu krevního tlaku a objemu krve (dehydratace > málo AP z kardiopulmonálních baroreceptorů > sekrece ADH), v reakci na koncentraci rozpuštěných látek v krvi (osmoreceptory v hypothalamu), stimulace angiotenzinem II přes jeho receptory v hypothalamu ▪ vstupy z mozkového kmene přes noradrenergní neurony nebo přímo neurony z okolí supraoptického jádra ▪ neuromodulátory GABA, glutamát, noradrenalin, dopamin, serotonin a acetylcholin ▪ skladován na koncích axonů (Herring bodies) odděleně od oxytocinu ▪ uvolňován v neurohypofýze ▪ poločas rozpadu krátký 16–24 minut ▪ v neurohypofýze vazba na polypeptid neurophysin II (19,6 kDa, 95 AMK, tvoří dimery) Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): syntéza, uvolnění, transport a regulace ▪ cílem hlavně vazomotorika a ledviny, zřejmě také mozek (chování) ▪ V1 receptory (hladká svalovina cév) a V2 receptory (sběrné kanálky) Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): působení a funkce Po vazbě ADH na V1 se uvolňuje endotelin 1. ▪ vazba na G protein > cAMP > přítomnost aquaporinů v ledvinových kanálcích (+ regulace tvorby močovinových transportérů) > snížená tvorba moči > zvýšený objem krve > vyšší arteriální tlak Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): působení a funkce ▪ vazba na G protein > IP3/DAG dráha > zvýšení arteriálního tlaku ▪ fyziologické koncentrace ADH obvykle pod vazoaktivní hranicí (hemorrhagický šok) Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): působení a funkce ▪ zvýšená syntéza ADH v hypothalamu vlivem stresu, tvorba v ektopických nádorech ▪ bolest, stres ▪ snížené vylučování vody (oligourie): > pokles mimobuněčné osmolarity a vznik zduřelých buněk (rizikem např. mozkový edém) > tvorba močových kamenů v koncentrované moči (urolitiáza) Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): nadbytek ▪ geneticky podmíněný (diabetes insipidus centralis = onemocnění způsobené nedostatečnou tvorbou ADH na úrovni hypothalamu) ▪ autoimunitní poškození neuronů produkujících antidiuretický hormon ▪ chlad, alkohol ▪ špatná funkce ledvin, např. při zánětu dřeně ledvin (diabetes insipidus renalis) ▪ vyměšování velkého množství málo koncentrované moči (polyurie; od mírně zvýšené ~3 l/den až po výraznou ~15 l/den): > svrašťování buněk (hypertonická dehydratace) > kompenzace zvýšeným pitím (polydipsie; pocit žízně nemusí být zachován při poškození hypothalamu) ▪ léčba syntetickým analogem ADH desmopresinem (působí pouze proti diabetes insipidus centralis) Vazopresin / antidiuretický hormon (ADH): nedostatek Epifýza (šišinka, corpus pineale, glandula pinealis, pineal gland) ▪ podobná borovicové šišce, u člověka velká asi jako zrnko rýže (5 - 8 mm) ▪ v epithalamu mezi oběma hemisférami v kontaktu s třetí komorou ▪ kalcifikace během stárnutí ▪ z evolučního hlediska atrofovaný fotoreceptor (u obojživelníků a plazů spojena se světločivným orgánem - parietální oko haterií) ▪ „místo, kde sídli duše“ (René Descartes) ▪ produkce melatoninu ▪ cirkadiální a sezónní rytmy ▪ N-acetyl-5-methoxy-tryptamine ▪ také u rostlin (tvořen v odpovědi na oxidativní stres) ▪ synchronizační hormon (receptor melatoninu) a antioxidant (ochrana jaderné a mitochondriální DNA) ▪ produkován pinealocyty (výběžky cytoplazmy do krevních cév v okolní tkáni) ▪ světločivné buňky sítnice > suprachiasmatická jádra > paraventrikulární jádra > páteřní mícha > ganglia sympatiku > epifýza ▪ odvozen od tryptofanu, syntéza přes serotonin Melatonin (MT): syntéza ▪ prochází přes membrány buněk ▪ regulace noradrenalinem, který zvyšuje koncentraci cAMP v pinealocytech > aktivace cAMP dependentní PKA > fosforylace serotonin N-acetyltransferázy > přeměna serotoninu na melatonin (za tmy) ▪ zastavení noradrenalinové stimulace a rychlá proteolýza melatoninu (za světla) ▪ tvorba melatoninu závisí na vlnové délce světla; modré světlo (460-480 nm) tlumí syntézu melatoninu úměrně intenzitě a délce osvětlení ▪ androgeny inhibují enzymy degradující melatonin; melatonin zvyšuje syntézu a sekreci gonádostatinu a tím pokles LH a FSH ▪ metabolizován v játrech a vylučován ledvinami Melatonin (MT): regulace a degradace Synchronizace rytmů (cirkadiálních i sezónních): ▪ podporuje aktivitu nočních živočichů a spánek diurnálních druhů včetně člověka ▪ změny v denní délce produkce melatoninu základem sezónních rytmů (chování, reprodukce, růst, změny zbarvení apod.) ▪ přes membránové receptory MT1 a MT2 inhibuje adenylyl cyklázu a tvorbu cAMP (ovlivnění hypothalamo-hypofyzární osy) Melatonin (MT): působení a funkce Melatonin (MT): působení a funkce Antioxidant: ▪ receptory v cytosolu a jádře buněk (aktivace antioxidačních enzymů jako jsou superoxid dismutázy, glutation peroxidázy a glutation reduktázy) ▪ velmi účinný scavenger volných radikálů (kaskádovitý efekt) ▪ účastní se v imunitních procesech (zřejmě přes vysokoafinitní MT1 a MT2 receptory) Melatonin (MT): působení a funkce Melatonin (MT): patofyziologie ▪ poruchy cirkadiánního rytmu a insomnie ▪ viz příloha ve studijních materiálech Melatonin: působení a funkce Melatonin