Leptin

Assunzione degli alimenti
Controllo neuroendocrino
1
2
3
4
5
6
7
8
Controllo nervoso della fame
9
Fattori che regolano l’assunzione di cibo
10
Ipotesi del controllo dell’assunzione di alimento
1-Assunzione di cibo, 2-stimolazione LPL, 3-inibizione
HSL, 4-ipertrofia adipociti, 5-iperplasia adipociti, 6produzione leptina, 7-stimolazione GPL1, 8-inibizione
NPY, 9-riduzione assunzione di cibo
11
La Leptina è un ormone proteico che regola il peso
corporeo, il metabolismo e le funzioni riproduttive. Essa è
codificata dal gene dell’obesità (ob)
La leptina è espressa prevalentemente dagli adipociti.
Piccole quantità vengono prodotte nello stomaco e nella
placenta. I recettori specifici per la leptina sono
particolarmente espressi nell’ipotalamo, nei linfociti T e
nelle cellule endoteliali
12
La leptina arriva nel Sistema Nervoso Centrale (SNC) attraverso la
barriera ematoencefalica mediante un meccanismo di trasporto
mediato da specifici recettori.
Questo segnale di natura ormonale ha lo scopo di informare il
SNC sullo stato di riserve energetiche dell’individuo.
Agisce regolando l’apporto alimentare attraverso l’inibizione della
sintesi e del rilascio del neuropeptide Y (NPY), sostanza
stimolante l’appetito.
13
Nel soggetto obeso sono stati riscontrati quantitativi molto
elevati di leptina circolante, ben più alti di quelli osservati
nell’individuo normopeso
Tale quantitativo è risultato inoltre strettamente correlato con il
BMI e la quantità di massa grassa
Tale condizione porta a supporre che nell’uomo l’obesità sia
legata ad un’azione di resistenza all’azione della leptina a livello
dei suoi centri ipotalamici piuttosto che a un suo deficit
secretorio.
14
Effetti fisiologici della leptina
Assunzione di cibo, peso corporeo, consumo energetico
È stata dimostrata una correlazione positiva tra le
concentrazioni di leptina serica e la percentuale di grasso
corporeo.
Inoltre, alte concentrazioni di ob mRNA sono state trovate
nei soggetti obesi.
Sembra che gli adipociti aumentino di volume per un
maggiore accumulo di trigliceridi e producano una
maggiore quantità di leptina.
In sostanza, la leptina rappresenta un indice dello stato di
nutrizione
15
L’iniezione quotidiana di leptina ricombinante nel ob/ob
mice (i.e. mutanti incapaci di sintetizzarla) ha portato ad
una drammatica riduzione dell’assunzione di cibo ed ad
una perdita di peso del 50% in un mese
16
La perdita di peso è il risultato di almeno due effetti fondamentali:
1. Meno fame e consumo di cibo per l’inibizione della sintesi di
neuropeptide Y
2. Aumento del consumo di energia, misurato come aumento del
consumo di ossigeno, della temperatura e diminuzione della
massa grassa
17
MODELLI ANIMALI TOPO ob/ob
Genotipo:
mutazione nel gene della leptina
Fenotipo:
Assenza di leptina circolante
Obesità
Iperfagia
Infertilità
La somministrazione di leptina corregge eccesso di
peso, iperfagia e infertilità
Topo ob/ob mouse x topo NPY ko:
fenotipo intermedio
MODELLI ANIMALI
TOPO db/db e RATTO Zucker
Genotipo:
recettore per la leptina non
funzionante
Fenotipo:
Obesità
Diabete
Iperfagia
Infertilità
La somministrazione di leptina NON corregge
eccesso di peso, iperfagia e infertilità
Leptina e neuropeptide Y (NPY):
azioni sul bilancio energetico
Risposta al calo ponderale
ipotalamo
NPY
Leptina
Massa adiposa
sopra il “set
point”
Appetito
metabolismo
(bilancio energetico
negativo)
Riduzione della massa adiposa
POMC=pro-opiomelanocortin
CART=cocaine and amphetamine-related transcript
NPY =neuropeptide Y
AGRP=agouti gene-related peptide
+
-
Nucleo arcuato
POMC\CART
NPY\AGRP
LEPTINA
Tessuto
adiposo
GH
Nervo
vago
-
Digiuno
+
GHRELINA
Insulina
GC
+
-
Stomaco
La leptina si accoppia con l’isoforma completa del suo recettore, quella OB-Rb.
Nel nucleo arcuato dell’ipotalamo si trovano due popolazioni di neuroni che
rispondono alla leptina.
La prima popolazione di neuroni è quella che produce il neuropeptide Y (NPY) e
stimola la produzione di oressine, potenti promotori dell’appetito.
La seconda popolazione di neuroni è quella che produce la pro-opiomelanocortina
(POMC) e il CART (cocaine-amphetamine regulated transcript, ossia, trascritto
regolato dalla cocaina e dall’anfetamina) e diminuisce l’attività dei neuroni
produttori di sostanze oressigene.
La leptina diminuisce l’attività della prima popolazione di neuroni e, quindi, inibisce le
connessioni di questi con i neuroni che producono sostanze oressigene.
La seconda popolazione di neuroni, invece, è stimolata dalla leptina e, quindi, è in
grado di generare un’inibizione più forte sui neuroni che producono le sostanze
oressigene. Così, tramite questa inibizione, l’appetito viene diminuito.
Regolazione ormonale dell’assunzione alimentare e
della spesa energetica
Leptina
Riduzione apporto alimentare
Aumento dell’utilizzo di
glucosio
-
NPY
Aumento apporto alimentare
Riduzione dell’utilizzo di glucosio
Aumento della glicogenosintesi
Aumento della
secrezione insulinica
Aumento della spesa
energetica
Riduzione della secrezione
insulinica
Riduzione della spesa
energetica
Secrezione e sintesi di leptina
La quantità di leptina prodotta dagli adipociti è direttamente proporzionale al
contenuto lipidico delle cellule. La leptina viene secreta immediatamente e
non conservata nelle cellule
Attualmente il meccanismo di regolazione della produzione di leptina non è
noto, probabilmente dipende da alcuni ormoni che regolano l’espressione del
gene ob, quali glucocorticoidi ed insulina
24
La regolazione dei livelli plasmatici di leptina è dovuta alla
quantità di adipociti, ma anche a diversi fattori endocrini.
Il principale fra questi è il livello di insulina, che, quando basso,
diminuisce la sintesi di leptina.
La leptina è più bassa in presenza di basse temperature, stimoli
adrenergici, ormone della crescita (GH) e ormoni tiroidei come la
triiodotironina.
Glucocorticoidi, infezioni acute e citochine infiammatorie al
contrario aumentano la secrezione di leptina (anoressia e perdita
di peso in queste situazione infiammatorie).
25
Stato alimentare e regolazione della secrezione
Il tessuto adiposo è il principale produttore della leptina e, quindi,
l’aumento della massa grassa risulta nell’aumento della
produzione di leptina, comunicando al cervello che i depositi di
grasso sono sufficienti.
La leptina ha, quindi, un’azione anoressica perché inibisce la
crescita del tessuto adiposo tramite la diminuzione dell’appetito e
della lipogenesi e l’aumento della spesa energetica e della lipolisi.
Questo meccanismo di retroazione negativa garantisce il
controllo sulla crescita della massa magra. La mancanza o
resistenza alla leptina può causare un tipo di obesità.
26
Effetti sull'angiogenesi
La leptina promuove la crescita di nuovi vasi sanguigni, tramite
l'aumento del tasso di mitosi dell'endotelio vascolare.
Il processo di promozione dell'angiogenesi da parte della leptina
non è ancora totalmente conosciuto. Certi studi, comunque,
dimostrano un ruolo importante della leptina nella rimodellazione
della matrice extracellulare tramite la regolazione delle
metalloproteinasi.
Altri studi ancora, hanno dimostrato che grazie alla promozione
dell'angiogenesi, la leptina favorisce la cicatrizzazione dei tessuti
27
Effetti sul sistema endocrino
Modifica l'asse ipotalamo-ipofisi-surrene: quando i livelli di
leptina sono bassi o quando vi è resistenza alla leptina, la
secrezione di glucocorticoidi è più alta.
La somministrazione di leptina, invece, riduce la secrezione di
glucocorticoidi.
Sull'asse ipotalamo-ipofisi-tiroide diminuisce l'efficienza del
meccanismo di retroazione realizzato dalla triiodotironina e dalla
tiroxina sulla loro stessa produzione.
La riduzione della secrezione dell'ormone della crescita (GH) nei
roditori che hanno una deficienza di leptina dimostra che essa è
capace di regolare anche la secrezione del GH.
28
Effetti sul sistema immunitario
È stato da poco dimostrato che la leptina ha un ruolo importante sul sistema
immunitario e sull’attività dei linfociti T.
Essendo la leptina una citochina, l’omeostasi timica e la secrezione di agenti
infiammatori acuti come l’interleuchina-1 e il fattore di necrosi tumorale
possono essere accelerati dalla leptina.
Ha quindi un’azione simile ad altre citochine infiammatorie, promuovendo la
maturazione e differenziazione dei linfociti T helper 1.
Queste attività immunitarie della leptina possono spiegare il paragone
esistente fra lo stato nutrizionale (e quindi la produzione di leptina da parte
degli adipociti) e lo stato immunitario.
Suggeriscono anche un ruolo della leptina nelle malattie autoimmunitarie,
come il diabete mellito di tipo 1, la sclerosi multipla e l’encefalomielite, come
dimostrato da ricercatori italiani.
29
Effetti nel tessuto adiposo
La secrezione di leptina può essere regolata dallo stato alimentare, un
fenomeno importante per la regolazione dell'appetito.
Quando l'organismo si trova in un stato di digiuno lo sfruttamento di lipidi
come risorsa di energia è più alto, una risposta fisiologica generata dalla
riduzione dei livelli di insulina plasmatica e dalla secrezione di glucagone ed
epinefrina.
Questi ormoni aumentano anche il tasso di gluconeogenesi e glicogenolisi per
normalizzare i livelli di glucosio sanguigno.
Tutti questi fenomeni che caratterizzano lo stato di digiuno contribuiscono alla
diminuzione della secrezione di leptina e, così, si aumenta il senso della fame.
Problemi della sintesi e secrezione di leptina causano un mancato controllo
dell’appetito e possono indurre all’obesità, dato che l’individuo agisce come se
l’organismo fosse in uno stato permanente di digiuno.
30
Effetti sulla riproduzione
Nei ratti, studi hanno dimostrato che la leptina è fondamentale per la maturità
dell’asse ipotalamo-ipofisario riguardante la maturazione riproduttiva.
Appena raggiunta l’età riproduttiva si verificano dei picchi di secrezione di
ormoni gonadotropici, come il FSH, nei ratti normali.
I ratti ob/ob (denominati geneticamente obesi), non presentano questi picchi di
secrezione. Come risultato, hanno un apparato genitale atrofizzato.
Anche negli umani si verificano ritardi dello sviluppo riproduttivo in assenza di
leptina, nel quadro di ipogonadismo ipotalamico.
Per il mantenimento del ciclo mestruale, è necessaria una quantità minima di
tessuto adiposo capace di produrre un livello adeguato di leptina. Questa
necessità spiega l’amenorrea verificata nelle donne che soffrono di anoressia
nervosa.
31
Metabolic Signal
LH/FSH
Reproduction?
Appetite/Feeding
Metabolism
Body Fat Stores
32
Gli effetti della leptina sono legati ad esercizio fisico
ed attività riproduttiva
33
Role of leptin in fertility
Inadequate
nutrition
ob/ob mouse
Adequate nutrition
Exogenous leptin
replacement
Inadequate
adiposity
Low leptin levels
Adequate adiposity
Obesity
Leptin
absent
High leptin levels
Female
LH
REPRODUCTIVE
INADEQUACY
STERILITY
Ovarian and
uterine weight
Male
FSH
Testicular and seminal
vesicle weights
Sperm count
35
Age at Menarche (Years)
Decrease in Age of Menarche over Time
17
16
15
Finland
14
Sweden
Norway
13
USA
1850
1870
1890
1910
1930
1950
Date of Menarche
36
Timing of Puberty
60
1947
1835
Weight (kg)
50 Critical w eight for menarche
40
30
20
10
0
0
10
20
Age (years)
30
37
[Leptin]
Puberty Onset
Un aumento fisiologico di leptina è responsabile
dell’inizio della pubertà?
0
10
20
30
40
50
60
Age
38
IPOTESI DELLA MASSA
ADIPOSA CRITICA
PESO CORPOREO
% MASSA GRASSA
LEPTINA
FUNZIONE
RIPRODUTTIVA
V
V
V
Serum Leptin Levels
During Development in Rats
10
8
Puberty
Puberty
Puberty
Puberty
Leptin (ng/ml)
12
5
2
0
0
25
50
75
100
Age (days)
40
La leptina è in grado di regolare
l’inizio della pubertà?
41
Effect of Leptin on Food Intake Over Time
Food Intake (g)
20
15
10
Ad lib
5
Leptin
0
20
25
30
Age (day)
35
40
42
Effects of Leptin on
Vaginal Opening and Estrus
% showing
Vaginal Opening
100
Vehicle
(ad lib fed)
80
Leptin
(ad lib fed)
60
40
20
0
Vehicle
(pair fed)
% showing
First Estrus
100
Vehicle
(ad lib fed)
80
Leptin
(ad lib fed)
60
40
20
0
Vehicle
(pair fed)
-20
26 28 30 32 34 36 38 40
Time (days)
43
L’alimentazione influisce sugli effetti della
leptina nel determinare l’insorgenza della
pubertà?
44
120
120
100
100
80
60
80
60
40
% Showing
First Estrus
% Showing
Vaginal Opening
Effects of Leptin on Vaginal Opening
and Estrus in Severely Food-Restricted Rats
40
20
0
Vehicle
(ad lib fed)
Leptin
(fed 70%)
20
Vehicle
(fed 70%)
0
26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Time (days)
26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Time (days)
45
Conclusione
La leptina ha un effetto
sull’inizio della pubertà
permissivo
La presenza della leptina è necessaria ma
non sufficiente ad indurre la maturazione
sessuale
46
osservazioni
Un effetto simile è stato dimostrato per la
melatonina
Melatonina – effetti (uomo)
Ciclo sessuale
Ovulazione
47
osservazioni
Anche la prolattina ha mostrato effetti
sull’attività riproduttiva
Lattogenesi
Galattopoiesi
mRNA per caseina e lattoalbumina
Enzimi per sintesi lattosio
Inibisce sintesi gonadotropine
No ovulazione - Amenorrea
No spermatogenesi
Soppressione libido
Effetti psichici comportamentali
Stimola l’ovulazione (ratto)
48
PUBERTA’
- momento fisiologico in cui gli organi sessuali maturano e iniziano a produrre ormoni
sessuali, principalmente
testosterone
estrogeni e progesterone
- momento in cui un animale acquisisce la capacità di riprodursi
Fattori che determinano l’età della pubertà
Specie
Fattori interni
Razza
Fattori esterni
Alimentazione (peso)
Gruppo
Stagione
Presenza del maschio
Specie
Razza
Alimentazione nel bovino
(70% del peso adulto)
Se ost
tte o
m
b
O re
tto
b
N
ov re
em
D br
e
ic
em
b
G re
en
n
Fe a i o
bb
ra
io
M
ar
zo
Ap
ril
M e
ag
gi
G o
iu
gn
o
Lu
gl
i
Ag o
Se ost
tte o
m
br
O e
tt
N obr
ov e
em
D br
e
ic
em
br
e
Ag
Stagione
Nascita
Accoppiamento
Nascita
N° soggetti gruppo
6,5 mesi
7,5 mesi
Presenza del verro
4,5 mesi
5,5 mesi
GRELINA
I “Growth-hormone secretagogues”(GHSs)
sono piccole
molecole sintetiche di natura proteica e non, in grado di
stimolare il rilascio del GH mediante il legame con uno
specifico recettore appartenete alla famiglia dei “G-proteincoupled receptor”, il GHS-R
Recentemente, un nuovo ligando endogeno del GHS-R è
stato isolato e caratterizzato dallo stomaco dei Mammiferi.
A tale ligando è stato dato il nome “ghrelin”, da “ghre”,
radice proto-indo-europea della parola “growth” e “relin”,
poiché mostra attività rilasciante il GH
Struttura e sintesi
È un piccolo peptide di sintesi di 28 amminoacidi
caratterizzato da una modificazione acilica al terzo
residuo di serina (Ser3) della catena N-terminale.
È codificata in un prepro-ormone (prepro-ghrelin):
- regione segnale
- regione matura
- regione C-terminale
Forma acilica:
modificazione da acido n-octanoico o da acido
decanoico
Forma non acilica:
(80-90%) non ha effetti sull’asse endocrino e
sull’omeostasi energetica in quanto non si lega
al GHS-R
STOMACO: principale sito di produzione della grelina
Altri organi: nucleo arcuato dell’ipotalamo,
ghiandola pituitaria ed in diversi tessuti periferici,
quali il rene, la placenta, il pancreas ed il surrene
Biosintesi e secrezione
++durante il digiuno --nella fase post-prandiale
Attraverso il circolo sistemico, veicola al SNC segnali di fame
fungendo da potente stimolatore dell’appetito
++glucosio
--grelina
Effetti biologici
Stimola il rilascio di GH ipofisario
mediante il legame con il GHS-R,
localizzato nell’ipofisi e nell’ipotalamo
Regola l’assunzione di cibo, il
metabolismo energetico ed il peso corporeo
Altri effetti:
-
rilascio PRL e ACTH
Inibizione della secrezione di gonadotropine
Secrezione acida e motilità gastrointestinale
Funzioni pancreatiche endocrine ed esocrine
PHYSIOLOGICAL SIGNALS INVOLVED IN THE
REGULATION OF ENERGY BALANCE
Hypothalamic
control mechanisms
Higher brain
centers
CRH
External cues
Ghrelin
BAT
Adrenals
CCK
Short term
signals
SNS
ACTH
Long term
signal
NPY
Hunger/
satiety
Pancreas
Heat
Leptin
Glucocorticoids
Adiponectin
Resistin
Insulin
WHITE
ADIPOSE TISSUE
Gut