Sistema Endocrino concetti generali OMEOSTASI • Nel 1929, Walter Cannon coniò il termine omeostasi (= la tendenza dell’organismo a mantenere lo Stato Stazionario) • Studiò: – Effetti dello stress e degli stimoli emozionali sui processi digestivi – La funzione di emergenza delle ghiandole surrenali nel controbilanciare condizioni stressorie Walter B. Cannon 1871-1945 Cannon, W.B. The Wisdom of the Body, New York, W.W. Norton and Co., 1932 Comunicazione, Integrazione e Omeostasi • neuronale (elettrica, tranne il segnale chimico nelle sinapsi) • endocrina/immunitaria (chimica, tranne l’eccitabilità elettrica delle cellule) Queste categorie non si escludono né divergono, ma sono rappresentative di un continuum. I sistemi di controllo chimico secrezione mediatore chimico recettore e trasduzione Messaggio intracellulare VARIABILE CONTROLLATA recettore e trasduzione Cellula Endocrina TARGET Messaggio intracellulare RISPOSTA NEURONE neurotrasmettitore Anatomia delle ghiandole endocrine Ghiandole e Secrezioni Cellule e Ghiandole Endocrine • Ormoni nel sangue. • Ghiandole singole. – Tiroide, Ipofisi, Surreni • In altre ghiandole – Isole di Langerhans nel Pancreas. • Cellule singole (Sistema Neuroendocrino Diffuso) – Cellule Enteroendocrine (APUD) sparse lungo il tratto digerente e respiratorio. Organi con porzioni endocrine • Cuore (cellule specializzate parete atriale e setto interventricolare) • • • • Rene (Apparato Iuxta Glomerulare) Testicoli (Cellule di Leydig) Ovaio (Cellule della granulosa) Placenta Ghiandole Endocrine Ipofisi • Anteriore – Adenoipofisi – Pars anteriore • Posteriore – Neuroipofisi – Pars nervosa • Intermedia – Pars intermedia IPOTALAMO PEDUNCOLO CHIASMA OTTICO Ipofisi Anteriore • Struttra tipica ghiandole endocrine di origine epiteliale. • Cellule attive – Cromofile (A e B) • Cellule inattive – Cromofobe (C) • Acidofile – Somatotrope circa la metà delle cellule dell’AI. Ormone della crescita-GH – Mammotrope/Lattotrope circa il 20%, aumentano in gravidanza. Prolattina Ipofisi Anteriore • Basofile – Corticotrope circa il 20%. Corticotropina-ACTH – Tireotrope circa il 5%. Tireotropina-TSH – Gonadotrope circa il 5%. Gonadotropine-Ormone luteinizzante LH,Ormone follicolo stimolante FSH Capillari Fenestrati Ipofisi Posteriore • Assoni non mielinati delle cellule neurosecretorie – OSSITOCINA – VASOPRESSINA – Corpi cellulari sono nell’ipotalamo • Pituiciti – Circondano gli assoni, simili per struttura e funzione alle neurogliali del SNC. • Capillari piccoli e fenestrati Pancreas esocrino 200x 450x Isolotti di Langerhans • Aggregati di cellule – Colorazione più chiara delle cellule acinari – Fino a 3000 cellule • Cellule Alfa, Beta e Delta – Secernono glucagone, insulina e somatostatina rispettivamente • I capillari decorrono all’interno dell’isolotto Ghiandola surrenale 12x Ghiandole Surrenali • Corticale – Glomerulare, Fascicolata, Reticolare – Mineralcorticoidi, Glucocorticoidi, Androgeni • Midollare – Adrenalina e Noradrenalina – Origine Neuroectoderma Zona glomerulare Zona fascicolata Zona reticolare Midollare 20x Zona glomerulare • Gruppi di cellule con nuclei grandi e densi • Abbondante sER • Mineralcorticoidi • Aldosterone – Regola il sistema reninaangiotensina nel rene 128x Zona Fascicolata • Cellule chiare organizzate in fasci – Spongiociti • Citoplasma appare vacuolato perché ricco gocce lipidiche • sER, Mitocondri sferici • Ormoni glicocorticoidi – Cortisolo, sotto controllo Ipotalamo – Metabolismo dei carboidrati – Piccole quantità di ormoni sessuali, androgeni Zona Reticolare • Cordoni di cellule che formano una rete. • Secernono androgeni • Meno lipidi che nella fascicolata più colore. • Mitocondri allungati con meno creste tubulari. • Granuli di Lipofuscina • Spessore varia a seconda delle condizioni fisiologiche. Caratteristiche delle cellule secernenti steroidi zona reticolare 1. Colesterolo accumulato in gocce lipidiche 2. Abbondante Reticolo Endoplasmatico liscio 3.Mitocondri particolari • creste tubolari • sferici Midollare del Surrene • Cellule cromaffini Granuli che si colorano di giallo-marrone • Sali di cromo • Citoplasma granulare • Basofilo • Secernono Adrenalina e Noradrenalina 198x Tiroide 12x Tiroide • Strutturata in follicoli – Ormoni accumulati all’interno • Secernono T3, T4 • Tiroglobulina aiuta accumulo ormoni • Cellule Parafollicolari – Cellule chiare – Secernono calcitonina 240x Follicoli Tiroidei Tiroide • Dimensione delle cellule varia a seconda dello stadio funzionale • rER • Eso- ed endocitosi Ghiandola in attivita’ 670x Cellule parafollicolari C 480x Ghiandola in quiescenza 100x Paratiroidi • Cellule principali – Granuli di secrezione, granuli di glicogeno, lipofuscina – Sia chiare che scure • Cellule ossifile – – – – – eosinofile Abbondanti mitocondri Funzione ignota No granuli di secrezione Aumentano con l’età Cellule di Leydig (cellule interstiziali nei testicoli) • Secernono Testosterone • Abbondante sER caratteristico delle cellule secernenti steroidi Cellule Enteroendocrine (APUD) • Epitelio cubico semplice e colonnare • Epitelio dello stomaco, del tenue e del crasso • Secernono ormoni quando rilevano la presenza del cibo • “Comunicano” al Pancreas, al Fegato ed alle altre cellule dell’epitelio intestinale quando iniziare la digestione Ormoni • • • • Presenti nel sangue in tracce (10-15-10-9 M), generano profonde alterazioni intracellulari Classificazione funzionale: – Endocrino: origina in una ghiandola e agisce su una cellula-bersaglio distante – Paracrino: origina in una ghiandola e agisce su una cellula-bersaglio contigua – Autocrino: agisce sulla stessa ghiandola nella quale origina – Feromone: trasmesso tra cellule di organismi differenti Agiscono attraverso recettori e secondi messaggeri – Per ormoni steroidei – Per ormoni tiroidei – Per ormoni non-steroidei e non-tiroidei Interazioni ormone-recettore analoghe a substrato-enzima: – Saturabili – Altissima affinità (KD=10-6-10-9 M) – Specificità alta ma non assoluta – Suscettibili di inibizione 31 Sintesi, accumulo e rilascio degli ormoni peptidici preprohormone 1. Sintesi del Preproormone nel RE 2. Rilascio, nel RE della sequenza segnale del preproormone formando un proormone inattivo 3. Transito del proormone dal RE al Golgi 4. Nella vescicola secretoria enzimi rilasciano i peptidi attivi 5. Rilascio dell’ormone nel citosoplasma 6. Secrezione 7. Circolazione Elaborazione degli Ormoni peptidici Gli ormoni peptidici sono sintetizzati come preproormoni inattivi che includono una sequenza segnale, l’ormone e altri frammenti peptidici aggiuntivi PreProOrmone processato a ORMONE + Altri peptidi+ Sequenza segnale Il prepro-TRH (ormone rilasciante la tireotropina) contiene 6 copie dell’ormone TRH Elaborazione degli ormoni peptidici (2) Gli ormoni peptidici sono sintetizzati come preproormoni inattivi che includono una sequenza segnale, l’ormone e altri frammenti peptidici aggiuntivi Preproopiomelanocortina (POMC) 291 aa β-lipotropina (91 aa) (146 aa) ACTH (39) Peptide N-terminale(76 aa) β-endorfina (81 aa) γ-lipotropina (58) Nell’adenoipofisi umana vengono liberati come prodotti terminali ACTH, β-lipotropina, γ-lipotropina, β-endorfina e un frammento N-terminale (76aa) Elaborazione degli ormoni peptidici (3) Gli ormoni peptidici sono sintetizzati come preproormoni inattivi che includono una sequenza segnale, l’ormone e altri frammenti peptidici aggiuntivi Prepro-ANF (151 aa) fattore natriuretico atriale Vasodilatante (37 aa) Fattore kaliuretico (21 aa) Stimolatore del Na a lunga durata (30) Fattore natriuretico atriale (28 aa) Elaborazione degli ormoni peptidici (4) Gli ormoni peptidici sono sintetizzati come preproormoni inattivi che includono una sequenza segnale, l’ormone e altri frammenti peptidici aggiuntivi Proinsulina (84 aa) Peptide C (di connessione) S S S S S S Catena A (21) S S S S insulina S S Catena B (30) TRASPORTO E METABOLISMO DEGLI ORMONI PROTEICI Una volta secreti gli ormoni proteici hanno una breve emivita plasmatica La maggior parte degli ormoni peptidici, come l’ACTH, l’ormone paratiroideo (PTH), l’insulina, il glucagone, l’ADH, il TRH, il GnRH, l’ormone rilasciante la corticotropina (CRH), agiscono rapidamente e vengono degradati rapidamente, con un’emivita plasmatica di 3-7 min Sebbene possano essere degradati da proteasi circolanti, la tappa iniziale della principale via di degradazione degli ormoni proteici è rappresentata dal legame dell’ormone con il recettore di membrana cellulare Gli ormoni glicoproteici hanno un’emivita plasmatica più lunga; l’hCG, l’ormone peptidico più glicosilato, ha un’emivita plasmatica di ≈4ore Sebbene la maggior parte degli ormoni peptidici circoli a basse concentrazioni come frazione non legata, alcuni ormoni, come i fattori di crescita insulino-simili, sono legati a proteine di trasporto del siero. Tale legame costituisce un serbatoio circolante e aumenta l’emivita plasmatica Ormoni steroidei liposolubili 1 Ormoni liposolubili 2 TRASPORTO E METABOLISMO DEGLI ORMONI STEROIDEI Contrariamente agli ormoni proteici, gli ormoni steroidei non sono immagazzinati ma vengono secreti appena sintetizzati Dopo la secrezione in circolo gli ormoni steroidei si legano a glicoproteine di trasporto prodotte dal fegato Le glicoproteine di trasporto plasmatiche costituiscono una riserva di ormone, protetto dal metabolismo e dall’eliminazione renale, che può essere rilasciato alle cellule Questo serbatoio prolunga notevolmente l’emivita plasmatica degli ormoni steroidei, tampona gli incrementi di produzione ormonale e fornisce ormoni quando la produzione diminuisce Principali proteine di trasporto degli ormoni steroidei: La globulina legante cortisolo e progesterone (CBG) La globulina legante gli ormoni sessuali (SHBG) La globulina legante la vitamina D (DBG) La piccola frazione di ormone steroideo libero, in equilibrio con quella legata, si lega ai recettori cellulari. La frazione libera viene anche metabolizzata, principalmente nel fegato, in derivati idrosolubili inattivi Stimoli diversi possono influenzare il rilascio ormonale L’esempio dell’Insulina L’insulina può essere rilasciata direttamente a causa dell’aumento della glicemia o tramite stimolazione nervosa innescata dall’assunzione di un pasto Via di controllo complessa che include ormoni ipotalamici, ipofisari e periferici L’esempio dell’ormone della crescita L’ormone della crescita (GH) secreto dall’ipofisi anteriore agisce direttamente su molti tessuti dell’organismo. Inoltre influenza la produzione epatica di somatomedine (o fattori di crescita insulino-simili, IGF-1 e IGF-3), un’altra classe di ormoni che regola la crescita Sinergismo L’esempio della glicemia Il grafico mostra l’effetto di vari ormoni sui livelli plasmatici di glucosio Tempo (ore) Bioritmi I recettori ormonali e la trasduzione del segnale Recettori • Proteine associate o non alla membrana • I recettori “riconoscono” le molecole segnale e le legano in modo specifico • Legame Recettore-Ligando Variazioni del comportamento cellulare Una cellula che esprime un dato “recettore ormonale” é un bersaglio (‘target’) ormone ormone canali 1TM Recettore di membrana 7TM N N Recettore nucleare ormone E2 T R T E1 cross-talk Controllo di variabili citoplasmatiche: modulazione a breve termine Controllo di variabili nucleari: modulazione a lungo termine 1TM Somatomedine Insulina, GH, PRL, EPO Attivina, AMH Recettore di membrana N 7TM ORMONI PEPTIDICI (ACTH, ADH, Angiotensina, Bradichinina, adrenalina, calcitonina, glucagone, ossitocina, paratormone, TSH, TRH….) STEROIDEI aldosterone, cortisolo, estradiolo, progesterone, testosterone N Recettore nucleare 1,25-diOH-colecalciferolo (7a-) (20-) (22-) (24-) (27-)-OHcolesterolo T3, T4 57 Recettori (7 segmenti transmembrana) α β • • β1 β2 > > > Cuore, aumenta frequenza e forza di contrazione Adipociti, aumenta lipolisi Intestino, diminuisce motilità > > > Polmone, rilascio della muscolatura Fegato, aumenta glicogenolisi Intestino, diminuisce motilità • > > > > • Guanilato ciclasi – 1 > α1 Atrio cardiaco, omeostasi dei liquidi corporei Endotelio, recettore per NO α2 > > > > REC.Tirosin-chinasi a 2 subunità > > > > Virus del sarcoma aviario, oncogene Epidermide, fattore di crescita Ubiquitario, recettore per insulina Piastrine, fattore di crescita • Iride dell'occhio, contrazione Intestino, diminuisce motilità Ghiandole salivari, secrezione di acqua e di potassio Cellule pancreatiche B, diminuisce secrezione Piastrine, causa aggregazione Cellule adipose, diminuisce della lipolisi Stomaco, diminuisce motilità α? > > > Arteriole, costrizione Sfintere della vescica, contrazione Organi sessuali maschili, eiaculazione 58 Proteina G (GTP-binding protein) Proteina G = α + β + γ α: unità catalitica • • • • • α -GDP, inattiva INATTIVO α -GTP, attiva αs, stimola l’effettore α GDP αi, inibisce l’effettore β γ >20 isoforme α Complesso ormonerecettore GTP GDP ATTIVO β γ Pi Stimola o inibisce γ: ancoraggio alla membrana • >6 isoforme γ β: alta affinità per subunità γ, affinità variabile per subunità α • >4 isoforme β Molte proteine G diverse, grande flessibilità di risposta α GTP GTPasi α GDP INATTIVO Effettore 59 Meccanismo dei recettori adrenergici mediato dalla proteina G 60 Proteine G Tipo Gs Localizzazione Fegato Gs Adipociti Gs Rene Gs Gi Gi/Go Follicolo Cuore Neuroni Gq Golf Muscolo liscio Epitelio naso Trasducina Coni e bastoncelli Stimolo Adrenalina, glucagone Adrenalina, glucagone ADH LH Acetilcolina Endorfine, oppioidi Angiotensina Molecole odorose Luce Effettore Adenilato ciclasi Adenilato ciclasi Effetto Scissione glicogeno Lipolisi Adenilato ciclasi Ritenzione acqua Adenilato ciclasi ↑ estrogeni Canale K ↓ forza Adenilato ciclasi Attivitˆ elettrica Fosfolipasi C Adenilato ciclasi cGMP fosfodiesterasi Contrazione Sensazione olfattiva Segnali visivi 61 Secondi messaggeri cAMP; Fosfatidil inositolo difosfato; Fosfolipasi A2; Prostaglandine e leucotrieni; 62 cAMP Sistema β-adrenergico - proteina Gs Meccanismo analogo per GTP → cGMP → GMP 63 Protein kinasi A attivata da cAMP Target: residui Ser e Thr di altre proteine (fosforilazione) AUMENTA l’attività di alcuni enzimi • Glicogeno fosforilasi, citrato liasi, fosforilasi b chinasi, HMG-CoA reduttasi chinasi e altri... DIMINUISCE l’attività di altri enzimi • Acetil-CoA carbossilasi, glicogeno sintasi, piruvato deidrogenasi, HMG-CoA reduttasi e altri... 64 Fosfodiesterasi (PDE) termina il segnale di cAMP e cGMP cAMP → 5’-AMP, cGMP → 5’-GMP Target di interventi farmacologici • • • • • Metilxantine Teofilline Milrinone (cardiotonico) Attivazione delle piastrine, tono dei muscoli lisci (broncodilatatori, vasorilassanti etc), contrazione cardiaca Sildenafil (Viagra) 65 Fosfatidil inositolo difosfato (PIP2) DAG, Attiva protein kinasi C IP3 → reticolo endoplasmico Mobilizzazione di Ca++ 66 Sistema fosfolipasi C, PIP2 → DAG + IP3 DAG: protein kinasi C → mitosi → crescita IP3: rilascio Ca++ da vescicole Li+ (farmaco per depressione nervosa) IP3 + ATP → IP4 + ADP risposte prolungate (memoria?) 67 Fosfolipasi - idrolizzano fosfogliceridi generando lipidi come secondi messaggeri Fosfolipasi A2 → acido arachidonico (20C, 4 doppi legami) • • Mediatore dell’infiammazione Precursore degli eicosanoidi (prostaglandine, prostacicline, trombossani e leucotrieni) 68 Prostaglandine Derivano da acido arachidonico via cicloossigenasi (COX) • • COX1 costitutivo, inibito da antiinfiammatori steroidei (cortisone) COX2 in risposta a mediatori dell’infiammazione (citochine), inibito da antiinfiammatori non-steroidei (aspirina e ibuprofen) Agiscono come ormoni (via proteina G) • • • • Inattivate nei polmoni Precursori dei trombossani (coagulazione) Infiammazione (artrite reumatoide), sensazione di dolore e apparato riproduttivo Inibiscono secrezione gastrica (ulcera) 69 Leucotrieni Derivano da acido arachidonico via lipoossigenasi (LOX) • • • Deficit di LOX in disordini mieloproliferativi (↑ ↑ trombossano), immunologici e coagulativi 3 tipi di acido monoidroperossieicosatetraenoico (HPETE) Leucotrieni (LTA4) > T1/2=4h > Responsabili di reazioni anafilattiche: contrazione protratta dei muscoli lisci (trachea e del tratto GI) e aumento della permeabilità capillare 70 Trombossani I trombossani sono composti chimici di natura lipidica, derivati dell'acido arachidonico (o acido 5,8,11,14 eicosatetraenoico) nella via delle cicloossigenasi; nella forma attiva, sono caratterizzati da un endoperossido nell’anello penta-atomico tipico delle prostaglandine, modificato. Sono degli eteri ciclici con un gruppo ossidrile (OH) legato al C15. Fanno parte degli eicosanoidi. TXA2 TXB2 La trasduzione del segnale - Panoramica dei recettori 7TM Gαβγ αβγ AC 7TM Gαβγ αβγ PLC DAG cAMP IP3 PKG PKC PKA cGMP Ca2+ GC NO NOS CaMK La trasduzione del segnale - Panoramica dei recettori 1TM 1TM Ras JAK Piccole GTPasi janusKinase PI3K MAPK Smads small mother against decapentaplegic PKB/Akt STAT Recettori ormonali Nucleari Recettore per la Vit D3 attivata VDR Recettori per gli Ormoni Tiroidei TRα α TRβ β Recettori X epatici LXRα α LXRβ β Recettori per gli Ormoni Steroidei AR ERα α ERβ β GR MR PRa PRb I recettori nucleari per gli ormoni steroidei interagiscono con le proteine hsp (heat shock proteins) hsp90 AR MR hsp56 hsp56 ER GR hsp50 PR hsp70 hsp56 hsp70 hsp52 hsp70 HSP90 maschera il DNA-BINDING DOMAIN dei Recettori per gli steroidi SR SRE hsp90 DNA Attivazione della trascrizione genica operata da recettori nucleari per gli ormoni steroidei (ER) hsp50 ER hsp70 hsp90 E2 hsp50 hsp70 ER hsp90 ER ER hsp90 hsp90 hsp50 hsp70 hsp50 hsp70 HAT ER ER TATA Desensitizzazione recettoriale Il legame recettore-ormone spesso provoca la rapida attenuazione della responsività recettoriale (DESENSITIZZAZIONE) 1. disaccoppiamento recettore-proteine G in risposta alla fosforilazione del recettore 2. internalizzazione del recettore 3. down-regulation dei recettori totali a seguito della ridotta sintesi di mRNA e di proteina, o della degradazione lisosomiale 1. Il sistema più rapido di desensitizzazione: il disaccoppiamento recettore-proteine G in risposta alla fosforilazione del recettore tramite PKA e/o PKC P PKC α γ β β PLCβ α P PKA γ β AC 1. disaccoppiamento recettore-proteine G in risposta alla fosforilazione del recettore tramite le GRK (G proteincoupled receptor Kinase) La fosforilazione tramite GRK spesso non è sufficiente per inattivare completamente i recettori; la completa inattivazione richiede un componente addizionale, l’arrestina α β γ α P P P β -arrestina GR β γ La fosforilazione con GRK e il legame di b arrestina può portare alla internalizzazione del recettore tramite fossette rivestite di clatrina Desensitizzazione effector Risensitizzazione Riciclo del Recettore SIGNAL Internalizzazione Degradazione I meccanismi di desensitizzazione dei recettori 1TM La proteina oncogenetica Cbl si lega al recettore fosforilato tramite il suo dominio SH2 e lo porta all’ubiquitinazione e alla degradazione Feedback negativo Stimolo Iniziale RISPOSTA (effetto) Feedback positivo Stimolo Iniziale È necessario un Ciclo di fattore feedback esterno per inibire il ciclo RISPOSTA (effetto) Adenoipofisi TSH Follicolo di Graaf Ciclo di feedback TIROIDE T3/T4 estradiolo IPOTALAMO Ormone trofico 1 TRH Adenoipofisi L’autoregolazione si realizza attraverso il feedback da parte dell’effetto su un fattore. L’autoregolazione può anche essere ottenuta mediante l’azione di un fattore su un altro (interazione) Ormone trofico 2 TSH Tiroide Ormone 3 T3/T4 Cellula bersaglio RISPOSTA (effetto cellulare) Nella macchina chimica che è il vivente l’interazione e la retroazione sono alla base di tutti i meccanismi Esempio di riflesso endocrino - L’ormone paratiroideo Bassa concentrazione plasmatica di Ca2+ (range 2.2 - 2.4 mM) Cellula Paratiroidea _ PTH OSSO Aumento del Riassorbimento Osseo del Ca2+ RENE Aumento del riassorbimento renale del Ca2+ Produzione di 1,25 di(OH)D3 Aumento dell’ assorbimento intestinale del Ca2+ Aumento della concentrazione plasmatica di Ca2+ Feedback negativo Ipotalamo La via di controllo della secrezione del cortisolo Ipofisi Il cortisolo è un ormone steroideo prodotto dalla corticale del surrene. Il suo rilascio è controllato dall’ormone trofico ACTH (ormone adrenocorticotropo o corticotropina) dell’adenoipofisi. L’ACTH a sua volta è regolato dal CRH (ormone rilasciante la corticotropina) dell’ipotalamo. Il cortisolo agisce come feedback negativo su ACTH e CRH. Feedback negativo causato da cortisolo esogeno Anche il cortisolo esogeno agisce come feedback negativo su ipotalamo e ipofisi. In assenza di ACTH viene inibita anche la corteccia surrenale La diagnosi di una patologia delle vie endocrine complesse dipende dalla comprensione del feedback negativo che controlla l’asse Ipersecrezione primaria dovuta a problemi surrenalici Livelli di CRH - Bassi Livelli di ACTH - Bassi Livelli di cortisolo - Alti Ipersecrezione secondaria dovuta a problemi ipotalamici Eccessiva secrezione di CRH: ipersecrezione secondaria di cortisolo: il feedback negativo fallisce Livelli di CRH Livelli di ACTH Livelli di cortisolo - Alti - Alti - Alti Ipersecrezione secondaria dovuta a problemi ipofisari Livelli di CRH - Bassi Livelli di ACTH - Alti Livelli di cortisolo - Alti