A Julia

IndiceGeneralità: il concetto di ormone.....................................................................................................4Ormoni proteici e peptidici..............................................................................................................6

L'asse ipotalamo-ipofisario: ormoni pituitari ed ipotalamici......................................................6Ossitocina....................................................................................................................................8

Biosintesi................................................................................................................................8Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione...................................................................8Effetti fisiologici dell'ossitocina.............................................................................................8

Vasopressina (ADH, Antidiuretic Hormone)..............................................................................9Biosintesi................................................................................................................................9Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione...................................................................9Effetti fisiologici della vasopressina....................................................................................10

Gli ormoni glicoproteici............................................................................................................12Biosintesi..............................................................................................................................12Effetti fisiologici degli ormoni del gruppo delle glicoproteine............................................12

Peptidi derivati dalla pro-opiomelanocortina (POMC).............................................................13Biosintesi..............................................................................................................................14Effetti fisiologici delle melanocortine..................................................................................15

Ormone della crescita (GH) e prolattina (PRL)........................................................................16Biosintesi..............................................................................................................................16Effetti fisiologici di ormone della crescita e prolattina........................................................17

Paratormone..............................................................................................................................20Biosintesi..............................................................................................................................20Secrezione, trasporto nel plasma, degradazione e regolazione............................................20Effetti fisiologici del paratormone........................................................................................22

Calcitonina................................................................................................................................23Biosintesi..............................................................................................................................23Effetti fisiologici della calcitonina.......................................................................................24

Insulina......................................................................................................................................24Biosintesi..............................................................................................................................25Effetti fisiologici dell'insulina..............................................................................................26

Glucagone.................................................................................................................................34Biosintesi..............................................................................................................................35Effetti fisiologici del glucagone...........................................................................................35

Alcuni schemi riassuntivi..........................................................................................................37Approfondimento clinico: l'insulina rapida..........................................................................39

Gli ormoni derivati dagli aminoacidi.............................................................................................40Gli ormoni della zona midollare della ghiandola surrenale: adrenalina e noradrenalina..........40

Biosintesi..............................................................................................................................40Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione.................................................................41Effetti fisiologici delle catecolammine.................................................................................42

Gli ormoni della tiroide ............................................................................................................46Biosintesi..............................................................................................................................46Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione.................................................................48Effetti fisiologici degli ormoni tiroidei.................................................................................50

Ormoni derivati dall'acido arachidonico .......................................................................................52Biosintesi..............................................................................................................................54Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione.................................................................61Effetti fisiologici degli eicosanoidi......................................................................................62

Ormoni derivati dalla vitamina D..................................................................................................63

Biosintesi...................................................................................................................................63Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione......................................................................65

Effetti fisiologici del calcitriolo............................................................................................65La regolazione dell'omestasi del calcio................................................................................66

Gli ormoni steroidei.......................................................................................................................68Gli ormoni della corteccia della ghiandola surrenale................................................................69

Biosintesi..............................................................................................................................69Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione.................................................................73Effetti fisiologici degli ormoni adrenocorticoidi..................................................................74

Gli ormoni delle gonadi............................................................................................................75Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione.................................................................80Effetti fisiologici degli ormoni sessuali................................................................................81

Bibliografia.........................................................................................................................................84Copyright: come utilizzare questo documento..............................................................................85

Generalità: il concetto di ormone

Con l'evoluzione si sono sviluppati, raffinati e perfezionati meccanismi molecolari in grado di “informare” le cellule su cosa sta succedendo al loro esterno e su come modificare il proprio comportamento. Una delle caratteristiche peculiari delle cellule è proprio la capacità di ricevere stimoli provenienti dall'ambiente extracellulare e di reagire a livello molecolare, modulando concordemente il proprio metabolismo (per esempio regolando positivamente o negativamente certi enzimi) o l'espressione genica (per esempio attivando o inibendo un promotore), o entrambi. Questa capacità si rivela determinante in particolar modo negli organismi pluricellulari, dove è necessaria una fine coordinazione tra le cellule. Si pensi alla complessità insita nell'armonizzare le 1013 cellule dell'uomo, specializzate in circa 300 tessuti diversi.

Questi processi biochimici trovano il loro cardine negli ormoni. Con il progredire delle conoscenze scientifiche, il concetto di ormone si è modificato in maniera sostanziale rispetto all'idea iniziale, dove il termine designava esclusivamente i messaggeri chimici secreti dalle ghiandole endocrine. In seguito è divenuto evidente che molte altre molecole condividono la medesima funzione e agiscono con le stesse modalità, e la denominazione è stata progressivamente estesa ad una pletora di entità chimiche molto diverse tra loro.

Ad oggi, nel mondo scientifico è sempre più diffusa la tendenza a considerare ormone qualunque segnale in grado di indurre una risposta in una cellula. Una cellula con cui l'ormone interagisce tramite un legame con recettori è detta cellula bersaglio.

Quindi, possiamo parlare di ormone a proposito, ad esempio, di insulina e glucagone, ma anche a proposito di citochine e interleuchine, o, estendendo al massimo il concetto, della luce. È importante sottolineare che di solito un ormone non agisce su un solo citotipo, ma su tipi cellulari differenti, mantenendo comunque la capacità di evocare risposte tessuto-specifiche, in quanto ogni cellula risponde in modo diverso al segnale. In generale, il fatto di esprimere un recettore per un certo ormone rende la cellula bersaglio di quell'ormone.

Gli ormoni sono classificabili secondo diversi criteri, i più comuni dei quali sono solubilità, natura chimica, e modalità di diffusione.

Classificare gli ormoni in base alla solubilità consente di ripartirli in due grandi gruppi: ormoni idrosolubili e liposolubili. Questa suddivisione è molto importante perché riflette anche fondamentali differenze funzionali. Gli ormoni idrosolubili:

vengono solubilizzati dai fluidi biologici, e non hanno dunque bisogno di trasportatori;

Non sono in grado di attraversare la membrana, ed hanno recettori sulla membrana cellulare, attraverso la cui mediazione il segnale viene trasdotto a livello intracellulare, sfruttando i cosiddetti secondi messaggeri;

Gli ormoni liposolubili, al contrario:

hanno bisogno di trasportatori, essendo insolubili;

sono in grado di attraversare la membrana plasmatica, quindi hanno recettori intracellulari (in certi casi, non esclusivamente), legati ai quali si portano a livello nucleare per influenzare l'espressione genica – i recettori quindi agiscono come fattori di trascrizione attivati dal ligando.

Classificare gli ormoni secondo la loro natura chimica permette di suddividerli in:

ormoni proteici e peptidici – costituiscono la maggior parte degli ormoni in circolo, e sono rappresentati da molecole le cui dimensioni vanno dai 3 ai 200 aminoacidi. Tipicamente

subiscono alcune modifiche post-traduzionali, tra le quali vi è la glicosilazione; dunque, questa classe comprende anche ormoni glicoproteici.

ormoni derivati dagli aminoacidi – sono ottenuti modificando alcuni aminoacidi. Ne fanno parte le catecolammine, idrosolubili, e gli ormoni sintetizzati dalla tiroide, liposolubili. Derivano entrambi dalla tirosina.

ormoni steroidei – Derivano tutti dal colesterolo, e sono lipofili.

ormoni derivati dall'acido arachidonico– Sono rappresentati dagli eicosanoidi, e sono lipofili.

ormoni derivati dalla vitamina D – Derivano dal colesterolo, ma a rigore non possono esser considerati steroidi a causa della loro struttura chimica. Sono lipofili.

Una distinzione degli ormoni sulla base della modalità di diffusione tiene conto di come l'ormone raggiunge la cellula bersaglio e del raggio d'azione; esistono:

ormoni endocrini: raggiungono la cellula bersaglio attraverso il circolo sanguigno; potenzialmente in grado di agire a lungo raggio.

ormoni paracrini: sono rilasciati nello spazio extracellulare, e raggiungono la cellula bersaglio per diffusione; agiscono sulle cellule circostanti alla cellula secernente.

ormoni autocrini: agiscono sulla cellula stessa che ha secreto l'ormone.

Queste modalità d'azione non si escludono mutualmente: un ormone può, per esempio, essere sia paracrino che autocrino, oppure paracrino ed endocrino, etc. Quest'ultimo è il caso, ad esempio, del testosterone: sintetizzato dalle cellule di Leydig nel testicolo (e in piccola parte a livello della zona corticale delle ghiandole surrenali) ha numerosi effetti a livello endocrino, come il mantenimento del trofismo muscolare, ma agisce anche a livello paracrino sulle cellule del Sertoli dei tubuli seminiferi, stimolando la spermatogenesi1.

Ad oggi sono note decine di ormoni, e ne vengono scoperti continuamente di nuovi. Esplorare la biosintesi di ciascuno va oltre gli scopi di queste pagine; per questo motivo nei prossimi paragrafi esamineremo nel dettaglio solo la biosintesi degli ormoni più significativi.

1 Sofikitis, Giotitsas, Tsounapi, Baltogiannis, Giannakis, Pardalidis (2008 Apr) “Hormonal regulation of spermatogenesis and spermiogenesis” J Steroid Biochem Mol Biol.;109(3-5):323-30. PBMID: 18400489

Ormoni proteici e peptidiciLa grande maggioranza degli ormoni sintetizzati dall'uomo sono di natura proteica/peptidica. In questa classe dunque sono comprese molecole segnalatorie estremamente diverse, sintetizzate da una varietà di organi e cellule, e dalle funzioni più disparate. A causa dell'ampiezza dell'argomento, non saranno trattati tutti gli ormoni conosciuti, ma solo quelli più importanti. In particolare, esamineremo a grandi linee gli ormoni dell'asse ipotalamo-ipofisario, di fondamentale importanza per comprendere le relazioni che intercorrono tra sistema nervoso ed apparato endocrino, e le modalità con cui esercitano il loro controllo sul resto del corpo. Esamineremo poi due dei tre ormoni importanti per l'omeostasi del calcio e del fosfato (PTH e calcitonina), mentre il terzo sarà trattato con gli ormoni derivati dalla vitamina D. Infine, tratteremo due importanti ormoni che ricoprono un ruolo centrale nel metabolismo energetico dell'organismo umano: insulina e glucagone.

Vedremo che gli ormoni peptidici e proteici sono sintetizzati spesso come precursori più grandi, che vengono attivati mediante proteolisi limitata.

L'asse ipotalamo-ipofisario: ormoni pituitari ed ipotalamiciL'ipofisi, in particolare la sua parte anteriore (adenoipofisi), secerne 1) molecole segnale che controllano e modulano la secrezione di molti altri ormoni; 2) molecole che regolano diverse funzioni fisiologiche. Nel primo caso, gli ormoni liberati dall'ipofisi raggiungono le ghiandole endocrine periferiche con il circolo sanguigno e regolano il rilascio dei rispettivi ormoni. In particolare, l'adenoipofisi è responsabile della sintesi di:

ACTH, ormone adenocorticotropo – stimola la sintesi degli ormoni corticosteroidi;

FSH, ormone follicolostimolante – stimola la sintesi degli ormoni sessuali;

GH, ormone della crescita (Growth Hormone) – promuove l'accrescimento del corpo;

PRL, prolattina – agisce a livello della ghiandola mammaria;

LH, ormone luteinizzante – stimola la sintesi degli ormoni sessuali;

TSH, ormone tireostimolante – stimola la sintesi degli ormoni tiroidei;

Endorfine;

Lipotropine;

Collettivamente ACTH, FSH, LH e TSH sono detti ormoni tropinici, o trofici, perché agiscono su altre ghiandole endocrine.

A livello della neuroipofisi avviene la secrezione di:

Ossitocina – esplica numerose funzioni nel parto e non solo;

Vasopressina – interviene nella regolazione del bilancio idrico, dell'osmolarità e della pressione del plasma ;

Anche senza una specifica conoscenza della fisiologia di questi ormoni, appare chiaro che l'ipofisi nel suo complesso abbia il ruolo di “direttore d'orchestra” nei confronti dell'apparato endocrino e, più in generale, nell'omeostasi del corpo umano. È legittimo chiedersi, a questo punto, come vengano regolate le funzioni ormonali dell'ipofisi, e a quali segnali risponda. La risposta sta nell'ipotalamo, che si trova nelle vicinanze

Dove siamo: Ipotalamo e Ipofisi L'ipofisi è una piccola ghiandola rotondeggiante che sporge dalla base del cervello. E' accolta nella sella turcica dell'osso sfenoide, ed è collegata al resto dell'encefalo da un peduncolo che si estende posteriormente al chiasma ottico, l'infundibolo. Consta di due parti, o lobi: un lobo anteriore (adenoipofisi) e un lobo posteriore (neuroipofisi). Tra le due è interposta la pars intermedia, una regione che nell'uomo è scarsamente sviluppata.

L'infundibolo connette l'ipofisi all'ipotalamo. Questa è una struttura che fa parte del diencefalo, e consta di diversi nuclei (aggregati di corpi neuronali) immersi nella sostanza

della ghiandola, e nel concetto di feedback.

A livello dell'ipotalamo avviene l'integrazione tra i segnali provenienti da altre aree dell'SNC e recettori sensoriali; complessivamente, questa struttura è raggiunta da una serie molto ampia di stimoli (relativi ad es. alla sensibilità viscerale, oppure stimoli sensoriali esterni, etc.). E' noto che l'ipotalamo riceve afferenze da praticamente tutte le altre regioni dell'encefalo: è quindi perfettamente integrato nel sistema nervoso, ed è costantemente raggiunto da numerose informazioni. I neuroni che lo compongono ricevono segnali attraverso neurotrasmettitori, esattamente come tutti gli altri neuroni. Tuttavia, piuttosto che propagare un potenziale d'azione e rilasciare un neurotrasmettitore, alcuni neuroni ipotalamici sintetizzano e rilasciano molecole di valenza ormonale:

i neuroni magnocellulari (appartenenti ai nuclei sopraottico e paraventricolare) sintetizzano ossitocina e vasopressina. Gli assoni di questi neuroni percorrono l'infundibulo, il peduncolo che connette l'ipotalamo all'ipofisi, e si portano a livello della neuroipofisi: in effetti, la neuroipofisi può esser considerata una estensione dell'ipotalamo. Qui mettono in circolo ossitocina e vasopressina, che agiscono come ormoni endocrini.

i neuroni parvocellulari sintetizzano molecole segnale che inibiscono o promuovono la secrezione degli ormoni adenoipofisari – che, a loro volta, dirigono le ghiandole endocrine periferiche.

Quindi: a livello dell'ipotalamo arrivano diversi stimoli, della cui natura adesso non ci preoccupiamo, in base ai quali vengono inviati segnali all'ipofisi o vengono liberati ormoni endocrini; l'ipofisi, in base agli stimoli ricevuti, secerne o meno ormoni – che poi andranno a regolare la sintesi di altri, ulteriori ormoni, per esempio a livello della ghiandola surrenale o delle gonadi.

Per avere il quadro completo dobbiamo sovrapporre a questo scenario, già abbastanza articolato, un intricato sistema di feedback. In sostanza, la biosintesi o la secrezione di un ormone può essere influenzata dalla concentrazione di certi ioni, di altri ormoni, o dell'ormone stesso: si ha feedback negativo quando il risultato di questa regolazione è una inibizione, feedback positivo quando il risultato è un aumento; il primo è decisamente comune.

L'ipotalamo può subire una regolazione a feedback da parte: 1) di un ormone da lui stesso secreto; 2) di un ormone secreto dall'ipofisi; 3) di un ormone secreto da una ghiandola endocrina in risposta ad un ormone tropinico dell'ipofisi. Allo stesso modo, l'ipofisi, oltre a sottostare alla regolazione (non di tipo feedback) dell'ipotalamo, può subire regolazione feedback da parte di un ormone secreto da una ghiandola endocrina in risposta ad un ormone tropinico, e così via. E' molto comune la situazione in cui l'ormone periferico inibisce sia l'ormone ipofisario che l'ormone ipotalamico.

L'asse ipotalamo-ipofisario è costituito proprio dai complessi e intimi rapporti regolativi che si instaurano tra questi due organi, che collaborano nella direzione di molti processi fisiologici del corpo. È frequente che tale denominazione venga estesa anche alle ghiandole endocrine terminali (per cui si parla

anche di asse ipotalamo-ipofisario-gonadico, o asse ipotalamo-ipofisario-surrenale), così come alle aree cerebrali che stanno a monte (asse limbico-ipotalamo-ipofisi-adrenocorticale).

Adesso esamineremo brevemente gli ormoni secreti da 1) l'ipotalamo, trattando prima i neurormoni dei neuroni magnocellulari (e quindi neuroipofisi posteriore), poi dei neuroni parvocellulari (che controllano la secrezione adenoipofisaria) e 2) l'adenoipofisi, soffermandoci sulla biosintesi solo quando questa presenti aspetti insoliti o di interesse clinico e biochimico.

I neuroni magnocellulari dell'ipotalamo, come abbiamo accennato, sintetizzano ossitocina e vasopressina (o ormone antidiuretico, ADH). Questi vengono poi secreti a livello dell'ipofisi posteriore, che in effetti rappresenta un'estensione dell'ipotalamo.

OssitocinaL'ossitocina è un peptide di 9 aminoacidi con struttura ad anello (data da un ponte disolfuro intramolecolare tra due Cys) sintetizzato e secreto dai neuroni magnocellulari dei nuclei sopraottico e paraventricolare, i cui assoni si estendono nella neuroipofisi (ipofisi posteriore): è qui, ovvero a livello della terminazione assonica, che l'ormone viene immagazzinato in vescicole, per poi essere secreto per esocitosi in risposta ad una depolarizzazione, che provoca un aumento intracellulare di Ca2+. Quest'ultimo innesca la liberazione delle vescicole.

Biosintesi

L'ossitocina è sintetizzata nel reticolo endoplasmatico come pre-ormone; passa poi nel Golgi, e infine viene impacchettata in grossi granuli secretori, che vengono trasportati lungo l'assone dei neuroni magnocellulari (a livello macroscopico, dobbiamo immaginarli viaggiare lungo il peduncolo ipofisario). Durante il trasporto, all'interno dei granuli, il pre-ormone subisce modifiche post-traduzionali, in seguito alle quali si produce l'ormone attivo e un peptide derivato dal processamento del pre-ormone, la neurofisina I. Quindi, durante il trasporto assonale, l'ossitocina si trovava legata alla neurofisina I e collettivamente formavano il pre-ormone; in seguito a taglio proteolitico, queste vengono separate in due frammenti peptidici distinti. Al momento della secrezione ossitocina e neurofisina I vengono liberate insieme.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

La secrezione di ossitocina avviene per esocitosi, ed è innescata da una depolarizzazione. L'attività elettrica delle cellule ipotalamiche è condizionata da una varietà di stimoli: in generale, l'ormone viene immesso in circolo durante l'allattamento e il parto. In particolare:

La distensione della cervice uterina al termine della gravidanza, provocata dal feto, e la contrazione dell'utero durante il parto inducono il rilascio di ossitocina;

La suzione del capezzolo durante l'allattamento inducono il rilascio di ossitocina attraverso la stimolazione di recettori sensoriali.

Il rilascio di ossitocina è stimolato dall'ossitocina stessa (feedback positivo!); questo avviene con un meccanismo di tipo autocrino – pare che una parte dell'ossitocina sia secreta a livello dell'ipotalamo;

La secrezione di ossitocina è inibita dal dolore, dall'aumento della temperatura corporea e dal rumore.

Nel plasma, l'ossitocina ha emivita breve (pochi minuti), e viene rimossa dalla circolazione soprattutto dal rene. Circola essenzialmente in forma libera.

Effetti fisiologici dell'ossitocina

L'ossitocina esplica la sua azione biologica tramite recettori accoppiati a proteine G, che stimolano l'adenilato ciclasi, innalzando la concentrazione di cAMP, che è quindi il secondo messaggero. Nel miometrio, il pathway più sfruttato è tuttavia quello della fosfolipasi C-Ca2+-PKC. Questi recettori sono espressi soprattutto dalle cellule uterine e mammarie.

A livello dell'utero, induce contrazioni ritmiche che favoriscono il parto o la mestruazione. Dato che la secrezione di ossitocina è stimolata dalle contrazioni uterine, siamo in presenza di un meccanismo di tipo feedback positivo – notare peraltro che durante le fasi terminali della gravidanza, gli ormoni sessuali determinano un incremento esponenziale dell'espressione dei recettori per l'ossitocina a livello uterino. Questo rende l'utero molto più ricettivo all'ormone.

A livello della mammella, induce la contrazione delle cellule mioepiteliali che si trovano a livello degli alveoli che compongono il tessuto ghiandolare mammario, provocando la fuoriuscita del latte materno.

Si ipotizza che l'ossitocina influenzi il comportamento, in particolare il comportamento materno, il comportamento sociale e il comportamento sessuale, anche se l'attività nell'uomo non è stata dimostrata in modo convincente.

Vasopressina (ADH, Antidiuretic Hormone)

L'arginina vasopressina (AVP) o semplicemente vasopressina, è un peptide di 9 aminoacidi, strutturalmente molto simile all'ossitocina. In particolare, è estremamente simile la composizione aminoacidica, e presenta una simile struttura ciclica dovuta ad un anello intramolecolare, formato da un ponte disolfuro tra due cisteine. Come l'ossitocina, viene sintetizzato dai neuroni magnocellulari dell'ipotalamo, e rilasciato dai loro assoni a livello della neuroipofisi. La vasopressina ha a che fare con il bilancio idrico del corpo, con il riassorbimento di liquidi a livello renale e la regolazione del volume ematico.

Biosintesi

La biosintesi della vasopressina segue le stesse tappe della biosintesi dell'ossitocina; anche l'ADH viene immagazzinato in granuli secretori, dove il taglio proteolitico del pre-ormone producono la vasopressina e la neurofisina II.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

Una depolarizzazione del neurone promuove il rilascio per esocitosi di ormone e neurofisina II. Considerando che la AVP serve, in ultimo, ad evitare la disidratazione, la regolazione della secrezione avviene ad opera:

dell'aumento dell'osmolarità plasmatica (l'osmolarità aumenta se il plasma diviene più concentrato, cioè se il contenuto di acqua diminuisce). Specifici osmocettori, estremamente sensibili, sono presenti nell'ipotalamo, nell'organo subfornicale, nel nucleo preottico mediano e nell'organum vascolosum della lamina terminalis; quando vi è perdita di liquidi, con alterazione anche minima dell'osmolarità plasmatica, anche questi recettori perdono liquido intracellulare per motivi osmotici. La conseguente riduzione del volume cellulare innesca il segnale che porterà alla sintesi e alla secrezione di ADH. Allo stesso modo, quando vi è eccessiva diluizione del plasma, gli osmocettori aumentano di volume e riducono la secrezione di ADH.

Della riduzione della pressione sanguigna (la pressione diminuisce se diminuisce il volume plasmatico). Barocettori sensibili alla pressione si trovano negli atri del cuore, nell'aorta, nelle carotide, nelle vene. Se stimolati meccanicamente dalla distensioni delle pareti vascolari (un effetto dell'aumento di pressione), inviano un segnale grazie al quale la secrezione di ADH cessa di essere inibita. Parallelamente, a livello renale si può avere la secrezione di renina in risposta a stimoli diversi ma che possono essere correlati ad una diminuzione di volume o pressione sanguigna. La renina effettua un taglio proteolitico che converte l'angiotensinogeno, prodotto dal fegato, in angiotensina I, che dopo ulteriori modifiche diventa angiotensina II. Quest'ultima molecola concerta la modulazione di un gran numero di processi fisiologici, che hanno come risultato ultimo l'incremento della pressione sanguigna; tra questi vi è l'aumento della secrezione di ADH. La sensibilità alle variazioni di pressione sanguigna è minore rispetto alla sensibilità alle variazioni di osmolarità.

La secrezione di ADH può essere innescata da altri stimoli: dolore, stress, ipoglicemia, esercizio fisico intenso etc.

Anche l'emivita dell'AVP è breve. L'ormone circola prevalentemente in forma libera, in concentrazioni dell'ordine dei ng/L, e viene massicciamente escreto con le urine: dato che la

principale azione dell'ormone è a livello renale, filtra direttamente attraverso i capillari glomerulari.

Effetti fisiologici della vasopressina

L'azione biologica dell'ormone antidiuretico è mediata da recettori accoppiati a proteine G. Sono noti tre tipi di recettori dell'ADH:

V1 - è espresso in molti tessuti, tra cui fegato, muscolatura liscia, encefalo, surrene; è accoppiato alla proteina Gq, che attiva soprattutto le fosfolipasi C e A2, determinando nel primo caso un aumento del calcio intracellulare attraverso il pathway dell'IP3, nel secondo caso la sintesi di eicosanoidi.

V2 – è espresso nei tessuti del rene; è accoppiato a una proteina Gs, che attiva l'adenilato ciclasi, incrementando i livelli intracellulari di cAMP.

V1b - (conosciuto anche come V3), è considerato un recettore minore, ed è espresso in numerosi tessuti, ma soprattutto nelle cellule dell'adenoipofisi che secernono ACTH. Agisce come il V1, attivando cioè la fosfolipasi C.

Gli effetti più importanti dell'ADH si apprezzano soprattutto nel rene e nella muscolatura liscia dei vasi.

Rene: L'ADH controlla il riassorbimento dell'acqua a livello dei dotti collettori distali nella quota del 10% circa. Il 90% circa dell'acqua è invece riassorbito in maniera ormone-indipendente nei tubuli prossimali, dove le cellule esprimono in maniera costitutiva l'acquaporina-1, un proteina integrale di membrana che forma dei canali per l'acqua. La vasopressina legandosi al recettore V2 aumenta i livelli di cAMP nelle cellule dei dotti collettori distali, attivando quindi una PKA che fosforila l'acquaporina-2. La fosforilazione provoca lo spostamento dell'acquaporina-2 dal citosol alla membrana – in definitiva, l'ADH aumenta il numero di canali per l'acqua attivi. Questo provoca una maggiore concentrazione delle urine, e una maggiore conservazione di liquidi. Può sembrare strano che l'ADH controlli solo il 10% dell'acqua riassorbita, ma considerando che in un uomo adulto si formano 180 litri di filtrato glomerulare ogni giorno, se l'ormone non controllasse quel 10%, avremmo l'escrezione di ben 18 litri di urina al giorno!

Muscolatura liscia dei vasi: A livello della muscolatura liscia dei vasi, l'ADH determina vasocostrizione (da dove il nome di vasopressina).

I neuroni parvocellulari dell'ipotalamo sintetizzano e rilasciano, a livello dell'eminenza mediana, neuropeptidi che controllano la secrezione dell'ipofisi anteriore. I neuropeptidi giungono all'adenoipofisi attraverso un sistema venoso portale, e esercitano la loro attività biologica mediante recettori accoppiati a proteine G; la maggior parte della trasduzione intracellulare del segnale è mediata dalla stimolazione della adenilato ciclasi; in altri casi (TRH e GnRH), si ha l'attivazione del pathway della fosfolipasi C. I neurormoni sono:

CRH, ormone di rilascio delle corticotropine – agisce sulle cellule che rilasciano ACTH (cellule corticotrope) e altre molecole segnale derivate dal un grande pro-ormone chiamato propriomelanocortina.

TRH, ormone di rilascio della tireotropina – agisce sulle cellule che rilasciano l'ormone tireostimolante (cellule tireotrope)

GHRH, ormone di rilascio dell'ormone della crescita – agisce sulle cellule che rilasciano l'ormone della crescita (cellule somatotrope);

GnRH, ormone di rilascio delle gonadotropine – agisce sulle cellule che rilasciano LH e FSH (cellule gonadotrope);

Dopamina – agisce sulle cellule che rilasciano prolattina (cellule lattotrope)

Somatostatina – ha molti effetti biologici; tra quelli che ci interessano adesso, l'inibizione della secrezione di GH, TSH e prolattina.

Come si può intuire, praticamente tutta la secrezione ipofisaria è sotto il controllo dei neurormoni ipotalamici. La liberazione di questi neurormoni da parte dell'ipotalamo sottostà a diversi tipi di regolazione, come abbiamo accennato parlando dell'asse

ipotalamo ipofisario. Si tratta di (1) una massiccia regolazione di tipo feedback (negativo o positivo) da parte di altri ormoni endocrini, a cui si deve aggiungere (2) l'influenza dei segnali provenienti dall'ambiente esterno e da altre aree cerebrali.

Per esempio, il rilascio del TRH, che promuove la secrezione di TSH, è influenzato dalla concentrazione del TSH stesso, che a sua volta è influenzato dagli ormoni tiroidei di cui stimola l'immissione in circolo – esistono sistemi di feedback similari (in cui cioè l'ormone ipotalamico risente del feedback dell'ormone ipofisario, che a sua volta risente del feedback dell'ormone periferico) per ciascuno degli ormoni ipotalamici: quindi, il GnRH sarà regolato mediante feedback dalla concentrazione di LH e FSH, che saranno regolati dalla concentrazione degli ormoni sessuali, etc. A questi si possono sovrapporre altri feedback: per esempio, CRH stimola a livello ipofisario la secrezione di ACTH, il quale a sua volta stimola la secrezione di alcuni ormoni, detti adrenocorticoidi, tra cui il cortisolo; il cortisolo poi, oltre ad inibire l'ACTH, inibisce direttamente il CRH – quando un ormone periferico inibisce un ormone ipotalamico si parla di feedback lungo.

Per quanto riguarda il controllo da parte di altre aree cerebrali sulla attività secretoria ipotalamica, è importante menzionare il nucleo soprachiasmico: si tratta di un nucleo ipotalamico, situato superiormente al chiasma ottico, sincronizzato con l'alternanza giorno-notte; regola, attraverso gli ormoni ipotalamici, i ritmi pulsatili circadiani con cui alcuni ormoni ipofisari sono rilasciati. Altri ormoni ipofisari, sempre attraverso la mediazione degli ormoni ipotalamici, sono rilasciati secondo ritmi collegati ai cicli di sonno-veglia, e la combinazione di ritmi circadiani e ritmi sonno-veglia è responsabile della ciclicità che si osserva nella secrezione ormonale.

Abbiamo quindi visto, in generale, che tipo di ormoni sono secreti dall'ipotalamo (prima da parte dei neuroni magnocellulari, poi da parte dei parvocellulari), e come molti di questi controllino la secrezione adenoipofisaria; adesso andiamo ad esaminare proprio gli ormoni della adenoipofisi. Questi, come ormai abbiamo avuto modo di ripetere più volte, vanno ad agire sulle altre ghiandole endocrine del corpo, promuovendo la sintesi di ormoni periferici; a loro volta, questi regolano tramite feedback gli ormoni adenoipofisari – che, riassumendo, si adeguano da una parte alla regolazione periferica, dall'altra alla regolazione ipotalamica.

Sulla base di omologie strutturali e di azione, gli ormoni della adenoipofisi sono di solito classificati in tre gruppi:

Il gruppo degli ormoni glicoproteici - composto da: ormone tireostimolante, TSH; ormone luteinizzante, LH; ormone follicolo-stimolante, FSH; (gonadotropina corionica, CG);

Il gruppo dei peptidi derivati dalla pro-opiomelanocortina - che comprende ACTH e altre molecole segnale come β-lipotropine e β-endorfine, tutte derivate da un unico precursore;

Il gruppo composto da ormone della crescita (GH), prolattina (PRL).

Gli ormoni glicoproteiciGli ormoni glicoproteici sono quelli più grandi e complessi: sono glicoproteine eterodimeriche, costituite da (1) una subunità α (92 a.a.), N-glicosilata a livello di residui di due residui asparagina, identica per tutti gli ormoni e molto conservata tra specie diverse, e (2) una subunità β, che conferisce l'azione biologica e che può essere glicosilata. Entrambe le subunità sono necessarie perché l'ormone sia attivo, ed il pentapeptide C-terminale di α sembra essenziale per il legame al recettore.

In definitiva, gli ormoni che fanno parte di questo gruppo sono caratterizzati da una grande omologia strutturale, e la probabile causa è l'origine dei loro geni da un unico gene ancestrale comune. Si pensa che un gene iniziale codificasse per la subunità α; sarebbe poi andato incontro a duplicazione genica, producendo il gene per la subunità β, che avrebbe dato origine alla diversità tra le subunità per un fenomeno di divergenza genica.

Di questo gruppo fanno parte l'ormone tireostimolante (TSH), l'ormone luteinizzante (LH), l'ormone follicolo-stimolante (FSH). Nonostante non sia sintetizzato né secreto dall'adenoipofisi, bensì dalla placenta, tratteremo la gonadotropina umana corionica (hCG) insieme a questi ormoni, poiché ne condivide struttura e modalità d'azione.

Biosintesi

Le subunità α e β sono tradotte da mRNA separati; si pensa che la sintesi delle due subunità sia regolata in maniera indipendente, e, poiché sono state trovate libere nel citoplasma soltanto subunità α, che la disponibilità di subunità β sia limitante per la produzione dell'ormone completo. Mentre l'espressione del gene per la subunità α è comune a diversi citotipi, tra cui due popolazioni ipofisarie (cellule gonadotrope e tireotrope) e cellule placentari, l'espressione del gene per la subunità β è specifica del citotipo che produce l'ormone corrispondente: per esempio, le cellule tireotrope dell'ipofisi esprimono il gene per la specifica subunità β del TSH, e non il gene per la specifica subunità β di FSH ed LH.

Le subunità sono tradotte come pro-pre-ormoni, che poi vanno incontro a diverse modifiche post-traduzionali:

proteolisi limitata per rimuovere il peptide segnale;

glicosilazione a livello dei residui di asparagina;

formazione di ponti disolfuro tra residui di cisteine. Vi sono cinque ponti disolfuro nella subunità α e sei nella subunità β – notare che non ci sono ponti disolfuro intermolecolari, solo intramolecolari! Le subunità sono associate non covalentemente!

La regolazione della biosintesi e del rilascio è effettuata dai releasing hormones ipotalamici corrispondenti:

Il TRH (ormone di rilascio della tireotropina) ipotalamico regola il TSH (ormone tireostimolante o tireotropina) ipofisario;

Il GnRH (ormone di rilascio delle gonadotropine) ipotalamico regola LH ed FSH ipofisari;

La regolazione della hCG non è chiara: sono state individuate numerose molecole con azione paracrina in grado di regolare la sintesi dell'ormone, e sembra sia coinvolta anche una regolazione autocrina; alcuni studiosi hanno invece ipotizzato una regolazione da parte del GnRH, mentre altri hanno provato a correlarne la secrezione allo stadio di sviluppo della placenta.

Ricordiamo che sia TRH e GNRH agiscono, rispettivamente sulle cellule tireotrope e gonadotrope, tramite il pathway della fosfolipasi C-IP3-Ca2+– a differenza degli altri releasing hormones, che sfruttano l'adenilato ciclasi.

Effetti fisiologici degli ormoni del gruppo delle glicoproteine

La trasduzione del segnale di questi ormoni è mediata a recettori accoppiati a proteine G. In tutti i casi, viene attivata la adenilato ciclasi tramite la subunità Gαs. Il secondo messaggero è quindi cAMP, che aumenta la

propria concentrazione.

Il TSH, o ormone tireostimolante, è una glicoproteina di circa 30 kDa di massa, ed ha come azione generica quella di stimolare la secrezione degli ormoni elaborati dalle cellule della tiroide. Si ritiene che agisca sui tireociti con effetti a breve e lungo termine:

Effetti a breve termine: stimola la biosintesi e la secrezione degli ormoni tiroidei a diversi livelli: da una parte (1) aumenta l'attività di una pompa che promuove l'ingresso all'interno delle cellule dello ione iuduro, che è essenziale per la biosintesi degli ormoni; dall'altra (2) promuove l'incorporazione dello iodio all'interno della molecola che ha il ruolo di preormone; infine (3) stimola il processamento di tale preormone per ottenere l'ormone maturo.

Effetti a lungo termine: aumenta il flusso ematico che giunge alla tiroide, modula l'espressione genica nelle cellule e ne promuove il trofismo (sia in termini di aumento di dimensioni, sia aumento di numero).

Il TSH è regolato mediante feedback negativo dagli ormoni tiroidei.

FSH ed LH sono prodotte dalle cellule gonadotrope dell'ipofisi anteriore, che sono il citotipo più rappresentato. Molte di queste cellule sintetizzano entrambe le molecole, mentre sono poche a sintetizzare uno soltanto dei due. Le cellule bersaglio delle gonadotropine LH ed FSH si trovano a livello dell'apparato riproduttore: cellule follicolari dell'ovaio (cioè, le cellule della teca e della granulosa), cellule del Sertoli e cellule del Leydig nel testicolo. FSH ed LH sono essenziali per la riproduzione:

Stimolano la gametogenesi (soprattutto FSH): spermatogenesi e follicologenesi;

Nella donna, regolano l'ovulazione; durante le varie fasi del ciclo si osserva uno schema di secrezione pulsatile molto complesso, in cui la secrezione di un ormone prevale sull'altro a seconda del momento fisiologico;

Regolano la sintesi degli ormoni sessuali, che fanno parte degli ormoni steroidei. Il colesterolo è utilizzato come precursore per la biosintesi di questi ormoni: FSH ed LH promuovono la maggior parte delle reazioni della biosintesi del colesterolo (che portano, nel complesso, alla condensazione dell'acetato in squalene), e la reazione di commissionamento del colesterolo alla biosintesi degli ormoni steroidei, che come vedremo è la conversione del colesterolo in un composto chiamato pregnenolone. Il pregnenolone viene poi utilizzato per sintetizzare tutti gli altri ormoni steroidei, compresi gli ormoni sessuali, sia androgeni che estrogeni (es. progesterone, testosterone, etc.).

FSH ed LH sono coinvolti, insieme a GnRH, agli ormoni sessuali, e ad altre molecole regolatorie, in uno dei loop di feedback più complessi del corpo umano. Maggiori informazioni su questo aspetto saranno fornite nella parte che tratterà degli ormoni sessuali.

La hCG è sintetizzata negli stadi precoci della gravidanza dalle cellule del sinciziotrofoblasto, che con il procedere della gestazione diventerà placenta. È molto simile all'LH, e, poiché i suoi livelli nelle urine e nel sangue aumentano immediatamente dopo l'impianto dell'embrione, è alla base dei comuni test di gravidanza. Si ritiene che il suo ruolo sia quello di “avvertire” la madre della presenza dell'embrione, in modo da salvare il corpo luteo ed evitare la mestruazione. Dopo il terzo mese di gestazione, i suoi livelli decrescono.

Peptidi derivati dalla pro-opiomelanocortina (POMC)Il gruppo dei peptidi derivati dalla pro-opiomelanocortina (POMC) comprende diversi ormoni e neuroormoni, tutti derivati dallo stesso precursore che appunto è la POMC; questo viene tagliato in maniera differente a seconda del tessuto, con produzione di queste molecole segnale: ACTH, lipotropine, melanotropine ed endorfine. Collettivamente, queste molecole sono note con il nome di melanocortine.

Biosintesi

Il gene della POMC viene trascritto nel nucleo, quindi trasferito nel citoplasma, dove inizia la traduzione; il peptide continua la traduzione nel lume del reticolo endoplasmatico come pre-POMC (267 aminoacidi). Qui, prima ancora della fine della traduzione, il peptide segnale viene rimosso (-26 aminoacidi), e viene quindi prodotta proopiomelanocortina, di 241 aminoacidi. Questo polipeptide andrà incontro a numerose modifiche post-traduzionali: alcune sono modifiche a livello di singoli aminoacidi, ma quelle più evidenti consistono in estesi tagli proteolitici, che frammentano la POMC in una serie di molecole segnale in modo tessuto-specifico.

Vi sono 8 potenziali siti di taglio all'interno della sequenza della POMC (non tutti mostrati nella figura), che possono divenire substrato di specifiche endopeptidasi a serina (simili alla tripsina), le proormone convertasi. I siti di taglio sono costituiti da coppie di aminoacidi basici (Lys-Arg, Arg-Lys, Arg-Arg, Lys-Lys). A seconda di quali peptidasi vengono espresse in un tessuto dove è stata tradotta la POMC, si possono avere frammenti diversi, in base a quali siti di taglio sono sfruttati. Inoltre, i peptidi ottenuti sono ulteriormente processati con numerose modifiche spesso a carico di aminoacidi (molto frequente è l'acetilazione).

Nelle cellule corticotrope dell'adenoipofisi vengono prodotti soprattutto ACTH (ormone adrenocorticotropo) e β-lipotropina – il tutto sotto il controllo del CRH ipotalamico. Viene prima effettuato un primo taglio, con il quale si produce la β-lipotropina, poi con un secondo taglio viene rilasciato l'ACTH. Talora, la β-lipotropina può venire ulteriormente tagliata in queste cellule, ma dà origine a prodotti che sono rilasciati in quantità trascurabili.

Nelle cellule melanotrope della pars intermedia dell'ipofisi e in altri tessuti periferici dove viene espresso il gene del POMC (come intestino, placenta, organi riproduttivi maschili, melanociti dell'epidermide, alcune cellule del sistema nervoso in particolare a livello ipotalamico) sia ACTH che β-lipotropina sono ulteriormente frammentate con un terzo e un quarto taglio: il primo in α-MSH (ormone melanotropo α) e CLIP (peptide della pars intermedia corticotropino-simile); il secondo in γ-lipotropina e β-endorfina. La γ-lipotropina, se ulteriormente frammentata, dà origine a β-MSH – questo avviene nei tessuti diversi dall'ipofisi. Anche la β-endorfina può poi andare incontro ad ulteriori tagli proteolitici che lo trasformano in altre endorfine.

In alcune cellule nervose, anche la parte N-terminale del POMC viene processata, con rilascio di γ-MSH.

La sintesi e il rilascio di questi ormoni sono regolati dal CRH ipotalamico, che agisce legandosi ad un recettore, chiamato CRH-1, accoppiato ad una proteina G, con attivazione dell'adenilato ciclasi e quindi del pathway cAMP, come avviene per molti degli ormoni ipofisiotropi. CHR-1 è espresso nelle cellule dell'encefalo, dell'ipofisi, della cute. Esiste anche un recettore CHR-2, espresso in molti altri tessuti, ma il suo ruolo non è chiaro.

Adesso vediamo gli effetti di ogni ormone.

Effetti fisiologici delle melanocortine

Le melanocortine esercitano la loro azione ormonale principalmente tramite il gruppo dei recettori delle melanocortine MCR, di cui si conoscono 5 membri. Sono tutti recettori accoppiati a G proteine (quindi con 7 dominî transmembrana):

MC1R : vi si lega MSH; è espresso a livello della cute;

MC2R : è il recettore a cui si lega l'ACTH, è espresso a livello della corteccia surrenale ed è coinvolto nella regolazione della biosintesi degli ormoni steroidei;

MCR-3 : il suo ruolo biologico non è chiaro;

MCR-4 : espresso a livello dell'encefalo, ed è coinvolto nella regolazione dell'appetito;

MCR-5 : ed è coinvolto nella termoregolazione;

Le lipotropine esplicano attività biologica su diversi di tessuti, ma i loro effetti non sono del tutto chiari. Sono state così chiamate quando è stato notato che nel coniglio provocano lipolisi e mobilizzazione degli acidi grassi, ma nell'uomo apparentemente hanno altri effetti, e quello della lipolisi sembra essere trascurabile.

Per quanto riguarda gli ormoni melanotropi (MSH, Melanocyte Stimulating Hormone), come abbiamo visto le forme conosciute sono tre: α-, β-, γ-. Sono prodotte, soprattutto la α-MSH (che è la più abbondante e la più importante), dalla pars intermedia dell'ipofisi. Per quanto riguarda la β-MSH, si hanno evidenze di una sua produzione durante la vita fetale, ma non è chiaro se venga prodotta nella vita postnatale dell'uomo. La loro funzione è quella stimolare la biosintesi e la secrezione di melanina da parte dei melanociti a livello della cute – in poche parole, sono responsabili della pigmentazione cutanea. L'MSH sembra non essere unicamente un ormone endocrino, ma pare che abbia anche un'azione paracrina: alcuni studi suggeriscono che venga sintetizzato anche dai melanociti, con azione locale.

Le endorfine invece sono ormoni molti noti anche al di fuori dell'ambiente scientifico, coinvolti nella percezione del dolore. La β-endorfina, che è la principale e la più importante, è prodotta dal taglio prooteolitico della β-lipotropina – questo avviene soprattutto (ma non solo) a livello della pars intermedia dell'ipofisi. La β-endorfina viene poi rapidamente acetilata, una modifica post-traduzionale che si pensa la inattivi, e messa in circolo. In diverse regioni del sistema nervoso (centrale e periferico) viene poi deacetilata, oppure sintetizzata in loco e secreta direttamente non acetilata, e sembra utilizzata come neurotrasmettitore o neuro modulatore. Inoltre, la β-endorfina può andare incontro a tagli ulteriori a livello della regione C-terminale per dare origine a γ- e α-endorfina. Le endorfine sono dei cosiddetti oppioidi endogeni, ovvero molecole sintetizzate dal nostro stesso organismo che sono in grado, legandosi a specifici recettori, di evocare risposte fisiologiche che mediano l'analgesia e altre risposte che hanno a che fare con il comportamento, come la modulazione dell'euforia o delle dipendenze. I recettori oppioidi sono accoppiati a G proteine; si legano a questi recettori anche molte sostanze esogene (come la morfina) e molte sostanze stupefacenti (come l'eroina). I principali recettori degli oppiodi sono tre: κ, δ e μ (ne esiste anche un quarto, ma non ne parleremo). Questi recettori influenzano la conduttanza di alcuni ioni:

δ e μ : mediano la risposta fisiologica agli oppioidi attivando la subunità Gi. Il pathway porta ad una

stimolazione della fosfolipasi C e dei canali del K+.

κ: mediano la risposta fisiologica agli oppiodi inibendo direttamente i canali del calcio

In questo modo, condizionano il rilascio di neurotrasmettitori da parte dei neuroni su cui agiscono.

L'azione del CLIP (Corticotropin-Like Intermediate Lobe Peptide, peptide simile alla corticotropina del lobo intermedio) non è chiara.

Per quanto riguarda l'ACTH (ormone adrenocorticotropo), la sua azione è meglio caratterizzata, e si esplica soprattutto a livello della ghiandola surrenale, dove stimola la produzione di alcuni ormoni steroidei, come il cortisolo. Viene rilasciato in risposta a condizioni di stress (inteso in senso ampio, fisico o psicologico); in effetti, il cortisolo è spesso definito “l'ormone dello stress” proprio perché media l'adattamento a situazioni di questo tipo. La secrezione di ACTH segue un ritmo circadiano, con un picco intorno alle 4-5 del mattino.

Gli effetti dell'ACTH sono mediati da recettori accoppiati a proteine G; viene stimolata la subunità Gαs, che

porta ad un aumento di cAMP con attivazione della PKA.

La princupale azione biologica dell'ACTH consiste nell'incrementare la steroidogenesi (sintesi degli ormoni steroidei) soprattutto a livello della zona corticale della ghiandola surrenale, in particolare glucocorticoidi e mineralcorticoidi. Anche l'ACTH, come FSH ed LH, promuove la maggior parte delle reazioni della biosintesi del colesterolo (che portano, nel complesso, alla condensazione dell'acetato in squalene), nonché la reazione di commissionamento del colesterolo alla biosintesi degli ormoni steroidei, la conversione in pregnenolone.

Il cortisolo, il principale glucocorticoide, regola con feedback negativo sia la secrezione di ACTH (a livello ipofisario) che di CRH (a livello ipotalamico).

Ormone della crescita (GH) e prolattina (PRL)Per quanto riguarda l'ormone della crescita (GH) e prolattina (PRL), anche questi sono ormoni peptidici accomunati da similitudini strutturali:

Le loro dimensioni sono comparabili (circa 190 aminoacidi);

Hanno un singolo residuo di triptofano in posizioni simili (85 per il GH, 91 per PRL);

Entrambi presentano due legami disolfuro nella stessa posizione;

Hanno un'omologia di sequenza del 35%;

Si pensa che GH e PRL (insieme ad un'altra molecola segnalatoria, la somatomammotropina corionica) siano originati da uno stesso gene ancestrale.

L'ormone della crescita promuove l'accrescimento corporeo, mentre la PRL ha attività lattogenica. Il GH è sintetizzato dalle cellule somatotrope, che sono uno dei citotipi più abbondanti nell'ipofisi, mentre il PRL dalle cellule lattotrope, che sono meno rappresentate.

Biosintesi

La biosintesi non presenta aspetti degni di menzione in nessuno dei due casi.

La sintesi e la secrezione del GH sono regolate principalmente:

positivamente dal GHRH ipotalamico, attraverso la classica attivazione della adenilato ciclasi, incremento del cAMP, attivazione della PKA; il pathway risulta nella sintesi di alcuni fattori di trascrizione che regolano positivamente l'espressione del gene del GH e del recettore per il GHRH;

negativamente dalla somatostatina, sintetizzata dall'ipotalamo e altre aree cerebrali, nonché a livello periferico (es. dal pancreas endocrino); esplica la regolazione attraverso recettori accoppiati a proteina G, e stimolando la subunità inibitoria, che inibisce l'adenilato ciclasi; il pathway risulta in una diminuzione della concentrazione di cAMP.

attraverso feedback negativo, dall'Insulin-like Growth Factor 1 (IGF-1), che è una molecola che media l'azione del GH a livello periferico;

Da una varietà di altre molecole segnale (peptidi ipotalamici, ormoni, neurotrasmettitori), che esplicano la loro azione intervenendo sulla secrezione di GHRH o di somatostatina, oppure modulando la sensibilità delle cellule somatotrope a questi due regolatori. Da notare che anche il glucosio, in questo caso, si comporta come un ormone: l'ipoglicemia stimola la secrezione di GH, l'iperglicemia la inibisce. Anche alcuni aminoacidi (arginina in particolare) sono in grado di aumentare la secrezione di GH. Segnaliamo infine la regolazione positiva da parte della grelina, ormone secreto dallo stomaco.

La sintesi e la secrezione della PRL sono regolate in maniera piuttosto complessa. La secrezione è influenzata da molti tipi di stimoli, alcuni interni e altri esterni.

Abbiamo una regolazione negativa costitutiva da parte della dopamina, secreta dall'ipotalamo – questa agisce tramite recettori dopaminergici accoppiati a proteine G inibitorie, che sopprimono l'attività della adenilato ciclasi;

La prolattina inibisce la propria secrezione stimolando il rilascio di dopamina ipotalamica, il che è un meccanismo di tipo feedback negativo;

Promuove la secrezione di PRL lo stimolo della suzione del capezzolo materno, tramite un riflesso neuroendocrino che riduce la secrezione di dopamina a livello ipotalamico; anche ossitocina e vasopressina contribuiscono alla mediazione di questo effetto;

Promuovono la secrezione di PRL il sistema serotininergico e altri ormoni circolanti;

Quindi, ricapitolando: in genere la secrezione di prolattina è inibita tramite la dopamina; quando giunge lo stimolo della suzione, la secrezione di dopamina decresce, e la prolattina entra in circolo – da una parte, mediando i propri effetti fisiologici, dall'altra ritornando a incrementare la secrezione di dopamina ed esercitando così un feedback negativo sulla propria secrezione.

Effetti fisiologici di ormone della crescita e prolattina

L'ormone della crescita è un peptide di 191 aminoacidi e 22 kDa di peso molecolare. Il GH esplica la sua azione:

direttamente, legandosi ai propri recettori sulle cellule bersaglio. Si tratta di recettori della superfamiglia dei recettori delle citochine di classe 1 (noti anche come recettori dell'ematopoietina), e mediano risposte intracellulari tramite l'attivazione di protein chinasi. Il GH, legandosi ad un recettore, provoca un cambiamento conformazionale che ne innesca la dimerizzazione con un altro. La dimerizzazione attiva una delle cosiddette Janus chinasi (JAK-2), particolari chinasi che fosforilano su residui di tirosina sia il recettore che loro stesse. Il recettore fosforilato innesca una serie di pathway di trasduzione del segnale, utilizzati anche da altri recettori: 1) reclutando proteine STAT (Signal Transducers and Activator of Transcription) e facilitando la loro fosforilazione da parte di JAK. La fosforilazione attiva le proteine STAT, che dimerizzano tra loro, per poi entrare nel nucleo, dove agiscono come fattori di trascrizione, modulando l'espressione genica della cellula bersaglio (Vedi figura nella pagina successiva); 2) il pathway delle MAP chinasi (che coinvolge le proteine adattatrici Shc/Grb2); 3) fosforilazione della proteina IRS-1 (substrato del recettore dell'insulina) che attiva la fosfainositide 3-chinasi (il nome è dovuto al fatto che questo pathway è utilizzato anche dall'insulina); 4) Pathway della fosfolipasi C-DAG-PKC. Questi recettori si trovano per esempio a livello degli adipiciti.

Indirettamente, stimolando in alcuni citotipi la sintesi e la secrezione di due fattori di crescita, Insulin-like Growth Factor-1 e 2 (IGF-1 e IGF-2) o somatomedine. Si tratta di peptidi di circa 7,5 kDa simili, come dice il nome, all'insulina. Tuttavia, gli IGF mantengono una porzione della catena polipeptidica, chiamata peptide C, che nell'insulina viene tagliata proteoliticamente. Mediano molti degli effetti anabolici e mitogenici del GH. Sono sintetizzati in seguito a stimolazione del GH soprattutto nel fegato, da dove vengono rilasciati nel sangue, agendo quindi con modalità endocrina. Circolano in forma libera solo in piccola parte, mentre la quota maggiore si trova legata a proteine di trasporto (dette IGFBP, IGF Binding Protein, a loro volta sintetizzate nel fegato), in particolare alla

isoforma IGBF-3. Le IGF sono prodotte anche da altri citotipi, ma con valenza paracrina ed autocrina. In questo caso non entrano in circolo, ma agiscono localmente, sulle cellule circostanti: un esempio è dato dai condrociti. A livello delle cartilagini metafisarie, queste cellule secernono IGF-1, che agisce localmente promuovendone l'espansione clonale, in sinergia con il GH, così da stimolare la crescita in lunghezza delle ossa. Anche gli osteoblasti sintetizzano IGF, con funzione simile. La regolazione della biosintesi di questi peptidi è affidata, come si è detto, al GH e in parte agli ormoni steroidei. Le proteine di trasporto IGFBP sono importanti per quanto riguarda la regolazione a livello periferico: in molti casi, oltre a prolungarne l'emivita, modulano la biodisponibilità di questi fattori; inoltre, permettono un trasporto tessuto-specifico. La regolazione della biodisponibilità tramite le proteine di trasporto è mediata dall'intervento di specifiche proteasi, che sono in grado di tagliare le IGFBP in modo da ridurne l'affinità con gli IGF, innescandone il rilascio. Per quanto

riguarda l'azione biologica, sembra che quasi tutti i tessuti siano potenzialmente in grado di divenire bersaglio degli IGF. Gli IGF-1 e 2 si legano ai rispettivi recettori, delle tirosin chinasi di membrana eterotetrameriche che si autofosforilano in seguito al legame con il recettore. Attivano quindi un esteso pathway di trasduzione intracellulare del segnale, che inizia con la fosforilazione della proteina IRS-1 (substrato del recettore dell'insulina) con attivazione della fosfainositide 3-chinasi, Grb2 etc, e termina con l'attivazione di diverse chinasi (Raf, MAPK...). IGF-1 è in grado inoltre di legarsi ai recettori dell'insulina. Gli IGF hanno molti effetti: stimolano la sintesi di DNA, RNA e proteine; modulano la crescita, la proliferazione cellulare, la differenziazione e l'apoptosi; stimolano la condrogenesi e l'osteogenesi (sono molto importanti per l'accrescimento lineare delle ossa lunghe); inibiscono la degradazione proteica a livello muscolare e del collagene; stimolano l'assunzione del glucosio nelle cellule. La maggior parte di questi effetti sono stati dimostrati per IGF-1; nonostante i livelli di IGF-2 nel plasma siamo molto maggiori, il suo ruolo non è stato definito chiaramente, ma sembra che sia solo parzialmente correlato al GH.

Per quanto riguarda gli effetti (diretti e indiretti) del GH, possiamo riassumerli dicendo che questo ormone 1) partire dai due anni di età (e in particolare durante la pubertà) assume un ruolo critico per il normale sviluppo dell'individuo: stimola la crescita corporea nella fase postnatale della vita, soprattutto nell'infanzia e nella pubertà. Durante il periodo prenatale non ha grande importanza; 2) influenza il metabolismo glicidico, lipidico e proteico; 3) Ha effetti sul sistema immunitario e sul sistema nervoso. È importante sottolineare ancora una volta che molti degli effetti anabolici e somatotropici attribuiti al GH sono in realtà dovuti agli IGF, di cui il GH stimola la sintesi. Tuttavia, è vero che in genere l'ormone della crescita coopera con l'azione delle IGF. Vediamo più in dettaglio le principali azioni del GH:

Ossa e cartilagini: Stimola la condrogenesi, promuovendo quindi l'aumento in lunghezza delle ossa lunghe durante la pubertà, e l'osteogenesi, regolando il turnover osseo; raggiunge questi effetti sia stimolando direttamente la proliferazione e la differenziazione delle cellule secernenti matrice cartilaginea ed ossea, ma soprattutto indirettamente, grazie alla mediazione degli IGF.

Effetti sul metabolismo: il GH modula il metabolismo glicidico, lipidico e proteico, in alcuni casi direttamente, in altri attraverso la mediazione degli IGF, in altri casi ancora sia direttamente che indirettamente. 1) Carboidrati: ha effetti anti-insulinici, e determina un incremento della glicemia inducendo gluconeogenesi nel fegato e glicogenolisi; interferisce con l'azione dell'insulina, riducendo l'utilizzo periferico del glucosio ma, in maniera abbastanza bizzarra, induce iperinsulinemia (almeno, in seguito a somministrazione esogena). E' possibile che il significato biologico di questa azione sia da ricercare una sorta di effetto feedback negativo: forse questa azione è stata selezionata nel corso dell'evoluzione perché impedisce oscillazioni troppo brusche della glicemia; 2) Lipidi: stimola la lipolisi negli adipociti, inibisce l'accumulo di trigliceridi e l'enzima lipoproteinlipasi, incrementando quindi gli i gli acidi grassi liberi circolanti; promuove l'ossidazione degli acidi grassi, soprattutto nel fegato; 3) Proteine: stimola l'uptake degli aminoacidi e la sintesi proteica, inibisce la degradazione proteica e l'ossidazione degli aminoacidi, soprattutto a livello di tessuto muscolare scheletrico. Inoltre, il GH promuove la retenzione idrica e il riassorbimento di diversi ioni (calcio, magnesio, fosfato, potassio, sodio cloro), influenzando in questo modo anche il metabolismo dei minerali.

Effetti sul sistema immunitario e sul sistema nervoso: modula molte delle funzioni del sistema immunitario (produzione di anticorpi, attività delle cellule, etc) e a livello dell'SNC modula l'umore e il comportamento;

Inoltre, il GH presenta anche una limitata attività lattogenica, in analogia alla prolattina, che vediamo adesso.

La prolattina ha un peso molecolare di 23kDa; nella donna promuove la sintesi e la secrezione del latte a livello della ghiandola mammaria; la sua secrezione aumenta molto durante la gravidanza, in risposta agli alti livelli di estrogeni. Non si conosce invece quale sia il ruolo della prolattina

nell'uomo.

Agisce, come il paratormone, legandosi ai propri recettori, che sono anche in questo caso recettori della superfamiglia dei recettori delle citochine di classe 1, espressi in ovaie, ghiandole mammarie e alcune aree cerebrali. In seguito al legame, i recettori dimerizzano, e mediano una trasduzione intracellulare del segnale analoga a quella vista per l'ormone della crescita (JAK-STAT). La PRL:

Stimola la crescita e lo sviluppo della ghiandola mammaria, soprattutto a livello degli alveoli ghiandolari;

Induce la sintesi del latte e la sua secrezione – per espletare questa funzione, promuove l'uptake di glucosio e aminoacidi, oltre che l'espressione e la produzione di proteine del latte come lattoalbumina e caseina; stimola inoltre la biosintesi di lattosio e acidi grassi nelle cellule bersaglio;

Mantiene il corpo luteo durante la gravidanza – questo avviene sicuramente in alcune specie di mammiferi, e probabilmente anche nell'uomo; inoltre, la prolattina esplica altre regolazioni nell'ambito della riproduzione e della gravidanza, come la modulazione della sintesi di progesterone e GnRH.

Almeno negli animali, influenza alcuni aspetti della vita sessuale e sociale, come l'istinto materno; ci sono opinioni discordi riguardo l'esistenza di un effetto simile sull'uomo.

E' ormai accertato il ruolo della prolattina come mediatore endocrino, paracrino ed autocrino nelle risposte immunitarie e nell'infiammazione;

Abbiamo quindi terminato di vedere gli ormoni dell'asse ipotalamo-ipofisi. Passiamo adesso ai restanti ormoni proteici periferici.

ParatormoneIl paratormone, o ormone paratiroideo (PTH), è un polipeptide di 84 aminoacidi sintetizzato e secreto dalle cellule delle paratiroidi, con una massa molecolare di circa 9,5 kDa. Ha un ruolo centrale nell'omeostasi del calcio, insieme a calcitonina e il metabolita attivo della vitamina D, il calcitriolo.

BiosintesiCome accade per diversi altri ormoni peptidici, anche il PTH non viene tradotto direttamente, ma è parte di un precursore più grande e inattivo (pre-pro-peptide), da cui vengono via via eliminati frammenti, fino ad ottenere l'ormone vero e proprio; si pensa che processi multistep come questo si siano evoluti e conservati non per rispondere ad esigenze strutturali, ma regolative.

Il pre-proormone (che rappresenta l'immediato prodotto genico) è di 115 aminoacidi, e comprende un peptide segnale (la breve sequenza amino-terminale idrofobica che consente il trasferimento del peptide nel lume del RE) di 25 aminoacidi, che viene rimosso per proteolisi a livello del RE stesso (quindi cotraduzionalmente), con produzione di proparatormone. Sembra che gran parte del pro-PTH sintetizzato venga degradato a questo livello. Nel Golgi vengono rimossi altri 6 aminoacidi per lo più basici (la cui funzione è ignota), convertendo il pro-PTH che non è stato degradato in PTH, che viene accumulato in granuli di secrezione. A questo punto, i possibili destini sono due: 1) il PTH può essere liberato; 2) può andare incontro a diverse reazioni proteolitiche di degradazione, prima di essere secreto. La sintesi di PTH infatti è continua, e così la regolazione viene effettuata tramite processi degradativi.

L'attività biologica risiede soprattutto nel primo terzo della molecola (34 aminoacidi), a partire dall'estremità N-terminale, che è responsabile per il legame al recettore.

Parleremo della regolazione della biosintesi nel paragrafo successivo.

Secrezione, trasporto nel plasma, degradazione e regolazioneIl peptide di 84 aminoacidi è la forma intatta di PTH, ed è soprattutto in questa forma che l'ormone viene secreto dalle paratiroidi. Tuttavia, il PTH può andare incontro a proteolisi in diversi momenti, dando origine ad alcuni frammenti specifici che si ritrovano poi in circolo – sul totale di metaboliti associabili al

paratormone in circolo, il PTH intatto rappresenta il 10%; il 90% è costituito dai frammenti. I processi proteolitici che danno origine a questi metaboliti avvengono 1) in parte nelle parotidi stesse, mentre il PTH “aspetta” di essere secreto, e 2) in parte in sede periferica: soprattutto nel fegato, a livello delle cellule del Kupfer, e in minor quantità nel rene. I frammenti originati dal PTH constano di:

frammenti amino-terminali, contenenti gli aminoaciddi 1-34 o 1-36. In circolo si ritrovano solo i PTH1-34, perché i PTH1-36 vengono subito degradati ulteriormente in di- e tri-peptidi. I PTH1-34

rappresentano il 10% dei metaboliti circolanti associabili al paratormone. Hanno attività biologica, ma emivita breve.

frammenti carbossi-terminali, contenenti gli aminoacidi 35-84 o 37-84. Rappresentano l'80% dei metaboliti circolanti associabili al paratormone; non hanno attività biologica, ma emivita più lunga.

Riassumendo, il PTH in circolo è così distribuito: 10% PTH intatto, l'ormone vero e proprio; 10% frammenti amino-terminali; 80% frammenti carbossi-terminali. Questo 90% di frammenti è prodotto da una degradazione del PTH in parte nelle paratiroidi stesse, in parte a livello periferico, mentre l'ormone circola dopo che è stato secreto.

Gli enzimi che catalizzano questi processi di frammentazione sono le catepsine B e D, e sono presenti sia nella paratiroidi che perifericamente. Le catepsine sono una famiglia di proteasi, di cui fanno parte circa 15 enzimi; alcune sono proteasi a serina, altre a cisteina, altre ancora ad asparato. In genere raggiungono la massima attività a bassi pH, infatti sono frequentemente presenti nei lisosomi. Sono clinicamente importanti in quanto sono overespresse in alcuni tumori, e sembrano implicate in numerose altre patologie.

La catepsina B taglia il PTH in due frammenti tra gli aminoacidi 36 e 37, producendo i frammenti PTH 1-36 e PTH37-84. Il frammento contenente gli aminoacidi 1-36 viene subito degradato ulteriormente, per cui dall'azione di questo enzima si ottiene solo PTH37-84.

La catepsina D taglia il PTH tra gli aminoacidi 34 e 35, producendo i frammenti PTH1-34 e PTH35-84.

Quindi, il PTH viene sintetizzato ed impacchettato in vescicole secretorie; già a questo livello si hanno intensi processi degradativi (prima a livello del pro-PTH, poi a livello del PTH). Viene rilasciato soprattutto PTH intatto, mentre la quota maggiore dei frammenti sono conservati nelle cellule delle paratiroidi, e solo una minor parte passa nel sangue. Il PTH intatto, attraverso la circolazione, giunge al fegato, dove avviene la proteolisi periferica. Sulla membrana plasmatica delle cellule del Kupfer è esposta una catepsina (la B), che produce i frammenti; questi poi continuano a circolare. Sembra che anche il rene partecipi a questa proteolisi, ma verosimilmente i frammenti vengono escreti e non reimmessi in circolo.

Per quanto riguarda la regolazione di questo ormone, si sono evoluti meccanismi di regolazione che intervengono a diversi livelli nel metabolismo: abbiamo una regolazione a livello della biosintesi; una regolazione post-biosintetica tramite degradazione periferica; una regolazione a livello della secrezione.

La regolazione a livello della biosintesi si esplica sia a livello dell'espressione del gene, sia con modifiche post-traduzionali, sia attraverso una regolazione del numero e delle dimensioni delle cellule che lo sintetizzano. Dato che la funzione del paratormone è, in buona sostanza, quella di innalzare la concentrazione plasmatica di calcio, una regolazione da parte del calcio stesso è intuitiva. I meccanismi con cui questo avviene sono piuttosto complessi, e in parte da chiarire, ma è dimostrato che un decremento della concetrazione plasmatica di Ca2+ porti ad un incremento dell'mRNA del PTH e della sintesi . Si pensa che questo avvenga tramite una regolazione della trascrizione, della stabilità dell'mRNA e della traduzione.

La regolazione a livello genico avviene anche ad opera del calcitriolo (1α,25-diidrossicolecalciferolo), un ormone lipofilo derivato dalla vitamina D che, complessatosi con il proprio recettore, si lega ai response elements della vitamina D nella regione del promotore del gene del PTH decrementandone la trascrizione. La relazione che lega PTH e calcitriolo sarà illustrata meglio più avanti; per il momento, ciò che occorre sapere

è che questa rappresenta una inibizione a feedback negativo lungo. Uno degli effetti del PTH infatti è quello di stimolare la produzione di calcitriolo, che da un lato collabora nell'aumentare la calcemia, dall'altro con un loop di feedback va ad inibire la produzione del PTH stesso, per inibire indirettamente anche la propria sintesi.

A livello post traduzionale, come abbiamo accennato, gran parte del proPTH sintetizzato viene degradato immediatamente nel RE, e questo processo è indipendente dal calcio; invece, la calcemia sembra influenzare il processo proteolitico che interessa il PTH nelle vesciole secretorie, rallentando la degradazione in risposta ad una diminuzione di calcio plasmatico, incrementandola in caso contrario. Questo avviene grazie ad un recettore sensore del calcio parotideo, in grado di percepire anche piccole variazioni della calcemia; è un recettore accoppiato alle proteine G esposto sulla membrana di alcuni citotipi, tra cui le cellule parotidee. Quando il calcio è legato al recettore (perché è abbondante), questo è attivato, e media una complessa serie di segnali intracellulari che coinvolgono diverse fosfolipasi, tra cui la fosfolipasi A 2. Conosceremo meglio la fosfolipasi trattando la biosintesi degli eicosanoidi, per adesso ci basti sapere che grazie a questo enzima si ha la sintesi di leucotrieni, che inibiscono al secrezione di PTH attraverso una attivazione massiccia della sua degradazione. Quando il calcio non è legato a questo recettore (perché è scarso), questo passa allo stato inattivo: i leucotrieni non sono prodotti, la degradazione diminuisce, e la secrezione di PTH non è più tenuta a freno. È piuttosto curioso che la sintesi sia costitutiva, e che l'inibizione avvenga modulando l'intensità dei processi proteolitici (pur tenendo presente che il calcio ha effetti sull'mRNA del PTH).

Infine, in specie in caso di prolungata ipocalcemia o di deficienza di calcitriolo, la sintesi di PTH viene incrementata attraverso un aumento del numero e delle dimensioni delle cellule produttrici.

Il secondo tipo di regolazione a cui va incontro il PTH avviene a livello della secrezione. Abbiamo visto come il calcio serico contribuisca a regolare la biosintesi, sia determinando un incremento dell'mRNA del gene del PTH, sia inibendo la degradazione del PTH intatto nelle vescicole; la regolazione a feedback negativo esplicata dal calcio plasmatico però non si ferma qui, ma si estende anche a livello della secrezione. Dato che il PTH ha la funzione di innalzare la calcemia, la secrezione deve avvenire quando il calcio diminuisce. Di nuovo, a mediare questo processo, è il recettore sensibile al calcio. Oltre ad attivare la fosfolipasi A2, attiva anche la fosfolipasi C, con produzione di diacilglicerolo (DAG) e IP3; il risultato è un aumento della concentrazione intracellulare di calcio. Al contrario degli altri meccanismi di esocitosi conosciuti, che sono attivati da un aumento della concentrazione intracellulare di calcio, nelle cellule delle paratiroidi la secrezione delle vescicole è inibita da alte concentrazioni di calcio intracellulare. Quando il calcio si dissocia dal calcium sensing receptor, questo è inattivato, e la concentrazione intracellulare di calcio precipita, innescando il rilascio delle vescicole

La regolazione tramite degradazione periferica avviene per lo più nel fegato ad opera delle catepsine B e D, e di questa abbiamo già parlato: vengono prodotti per lo più frammenti carbossi-terminali, inattivi.

In definitiva, la principale regolazione è affidata alla calcemia.

Effetti fisiologici del paratormoneIl PTH viene spesso definito come un “ormone ipercalcemizzante”, intendendo con questo che le sue azioni biologiche hanno, come ultimo risultato, quella di innalzare la concentrazione plasmatica di Ca2+. Il paratormone influenza anche la concentrazione plasmatica di fosfato e l'attivazione della vitamina D – d'altra parte, calcemia e fosfatemia sono fortemente correlate tra loro, e la vitamina D attivata ha un ruolo nell'omeostasi calcica. Le cellule bersaglio sulle quali il paratormone esercita la sua azione si trovano essenzialmente a livello renale ed osseo. Sono stati identificati tre tipi di recettori per il PTH (PTHR1. PTHR2, PTHR3), di cui il PTHR1 è il mediatore degli effetti fisiologici più importanti, essendo espresso negli osteoblasti e nelle cellule del rene; in tutti e tre i casi, sono recettori accoppiati a proteine G. Gli effetti del PTH sono mediati attraverso l'attivazione della adenilato ciclasi e quindi del cAMP. Si ha quindi l'attivazione della PKA, con fosforilazione di proteine specifiche; la cascata segnalatoria trova il suo climax nell'attivazione di geni ed enzimi.

azione sui tubuli renali: stimola il riassorbimento del Ca2+ a livello della porzione distale dei tubuli, il che consente al PTH di influire sul 40% del totale di calcio riassorbito a livello renale. Infatti, non tutto il riassorbimento del calcio è sotto controllo ormonale. Vi sono due modalità con le quali avviene tale riassorbimento: la via transcellulare e la via paracellulare. Nella porzione

prossimale dei tubuli, il trasporto del calcio avviene con la via paracellulare, che rappresenta un processo passivo, correlato al riassorbimento di sodio, e non regolabile. Nella porzione distale, il riassorbimento avviene invece mediante la via transcellulare, attiva e regolabile da ormoni come il PTH (o farmaci). Nella porzione ascendente dell'ansa di Henle, il riassorbimento avviene con entrambe le modalità. Come agisce esattamente il PTH? L'ormone promuove l'esposizione e l'apertura di canali per il calcio a livello della membrana apicale delle cellule. Penetrato nell'ambiente intracellulare, il calcio si lega alla calbindina-D28K, che facilita la diffusione dello ione dalla membrana apicale (rivolta verso il lume del tubulo) a quella basolaterale (rivolta verso l'interstizio renale), dove il calcio fuoriesce nello spazio interstiziale grazie ad un trasportatore ATP-dipendente. Si stabilisce quindi un flusso unidirezionale di calcio attraverso la cellula, dalla membrana apicale a quella basolaterale. Inoltre, il PTH riduce il riassorbimento di ioni fosfato, agendo a livello dei suoi trasportatori Na+/Pi di tipo II, esposti sulla membrana; l'ormone in particolare induce la loro internalizzazione e, una volta racchiusi in vescicole, la loro distruzione. Perché l'evoluzione ha selezionato questa azione, che apparentemente sembra avere poco a che vedere con il calcio? In realtà, come abbiamo visto, calcio e fosfato sono intimamente connessi, entrando nella costituzione della componente minerale delle ossa. Quando la fosfatemia plasmatica si abbassa, a causa della aumentata escrezione dello ione, i cristalli di idrossiapatite solubilizzano più facilmente, rendendo più agevole il richiamo di calcio dalle ossa – una delle azioni del paratormone è quella di incrementare il riassorbimento della matrice ossea, con liberazione degli ioni contenuti nei sali che formano la matrice inorganica. Inoltre, il fatto di aumentare l'escrezione di fosfato permette di contenere l'innalzamento della fosfatemia che conseguirebbe a tale riassorbimento.

azione a livello renale in genere: L'azione del PTH sul rene non si limita soltanto ai tubuli renali. A livello del rene, si ha l'induzione della 1α-calcidiolo-idrossilasi, l'enzima responsabile della formazione del calcitriolo. Come abbiamo accennato (e come vedremo meglio più avanti), il calcitriolo esercita un'azione sinergica a quella del PTH. Si può pensare che il PTH deleghi alcuni compiti al calcitriolo.

azione sulle ossa: il PTH agisce a livello osseo stimolandone il riassorbimento, con rilascio di Ca2+ dalla matrice. Ad operare la degradazione della matrice extracellulare sono gli osteoclasti, ma il paratormone non li stimola direttamente, bensì agisce sugli osteoblasti; sono questi ultimi che esprimo i recettori per l'ormone, e che provvedono a reclutare gli osteoclasti, mediando quindi l'azione del PTH. Il paratormone stimola negli osteoblasti la sintesi di ODF (fattore differenziante gli osteoclasti, o RANKL ), un recettore che le cellule espongono sulla loro membrana. RANKL si lega a RANK, che invece è espresso sulla membrana dei precursori osteoclastici. Il legame determina un cambiamento conformazionale di RANK, che media effetti intracellulari, ed in ultimo determina l'espressione dei geni che promuvono il differenziamento dei precursori in osteoclasti maturi. Inoltre, il PTH riduce la secrezione di osteoprotegerina (una proteina che inibisce il differenziamento degli osteoclasti) da parte degli osteoblasti e stimola la sintesi di fattori di crescita e interleuchina, il cui effetto è quello di attivare gli osteoclasti.

Tutti questi effetti si risolvono in un aumento della calcemia.

Calcitonina

La calcitonina è un ormone di 32 aminoacidi, coinvolto nell'omeostasi del calcio, insieme a PTH e calcitriolo. Mentre questi due hanno effetto ipercalcemizzante, la calcitonina ha un effetto opposto. Viene sintetizzata principalmente dalle cellule C della tiroide – sembra tuttavia che la biosintesi possa avvenire anche in altri distretti corporei (encefalo, paratiroidi, timo, cellule di bronchi e polmoni, prostata), ma non si conosce il ruolo fisiologico dell'ormone in questi distretti.

Biosintesi

La calcitonina si forma, come accade per molti altri ormoni peptidici, in seguito alla proteolisi limitata di un precursore più grande. Il trascritto primario del gene della calcitonina contiene l'informazione per la traduzione sia della pro-calcitonina sia di un'altra proteina, il peptide correlato al gene della calcitonina (CGRP), potente vasodilatatore; lo splicing alternativo del trascritto consente alle cellule di produrre l'uno o l'altro, in maniera tessuto-specifica.

La pro-calcitonia viene convertita in calcitonina nel Golgi, quindi immagazzinata in vescicole. L'attività biologica è posseduta dall'intero peptide, e quindi l'ulteriore frammentazione della calcitonina la inattiva. In particolare, sembra essere importante la parte N-terminale della molecola, che è costituita da un ciclo di 7 aminoacidi, uniti attraverso un ponte disolfuro Cys-Cys. La prolina C-terminale è inoltre amidata.

Il rilascio della calcitonina è sotto il controllo della calcemia plasmatica: quando questa supera i 9-10 mg/100 mL, viene innescata l'esocitosi. Questo effetto è mediato da un recettore sensibile al calcio. Notare che, pur trovandosi nella tiroide, le cellule C, il citotipo responsabile della secrezione di calcitonina, non sono in alcun modo sotto il controllo dell'ipofisi, al contrario dei tireociti, che sono regolati dal TSH.

Effetti fisiologici della calcitonina

Gli effetti biologici della calcitonina non sono ben conosciuti – o meglio, non è chiaro quale sia il peso effettivo della calcitonina sulla regolazione della calcemia. Per esempio, nei due casi estremi di tiroidectomia (rimozione totale della tiroide), e di carcinoma della tiroide (con ipersecrezione di calcitonina), non si osservano alterazioni rilevanti nell'omeostasi calcica. Senz'altro l'ormone ha, almeno in parte, un ruolo nell'omeostasi del calcio, ma probabilmente non fornisce un contributo critico. Naturalmente un'altra possibilità è che vi sia una significativa sintesi extratiroidea di ormone, regolata in modo da coprirne le fluttuazioni. Una caratteristica curiosa dell'ormone sta nella incredibile variabilità che si osserva tra ormoni di specie diverse (per esempio, nel caso della calcitonina umana e suina, gli aminoacidi differenti sono circa la metà); tuttavia, questo non sembra pregiudicare l'attività biologica interspecie – tant'è che la calcitonina di salmone è più attiva di quella umana, e viene utilizzata in terapia.

Gli effetti della calcitonina producono, come risultato, un abbassamento della calcemia – si tratta quindi di un ormone ipocalcemizzante. Le cellule bersaglio di questo ormone si trovano a livello di tessuto osseo e rene, e presentano recettori accoppiate a proteine G:

azione sulle ossa: Agisce sugli osteoclasti, inibendone la motilità, l'attività ed il numero. Il riassorbimento osseo quindi viene inibito, cessando di riversare calcio nel torrente plasmatico. L'azione sugli osteoclasti avviene grazie ai recettori esposti sulla superficie cellulare, ed il segnale intracellulare è mediato attraverso i pathway cAMP-PKA e Ca2+-PKC; gli effetti principali consistono in una disorganizzazione del citoscheletro, che causa una perdità di polarità delle cellule e smantella il bordo rugoso.

Azione sul rene: a livello dei tubuli renali, la calcitonina inibisca il riassorbimento del Ca2+ e altri ioni (sodio, fosfato), favorendo la loro escrezione con le urine, e quindi sottraendo ioni al pool plasmatico. Anche in questo caso, si ha l'attivazione della adenilato ciclasi.

Una revisione generale della regolazione ormonale dell'omeostasi calcica sarà presentata al momento di esaminare l'azione fisiologica del calcitriolo.

Insulina

L'insulina è un ormone costituito da 2 catene polipeptidiche, chiamate A e B, unite da due ponti disolfuro, e secreto dalle cellule β del pancreas. Il suo ruolo biologico è rivolto soprattutto alla regolazione del metabolismo di carboidrati e lipidi in senso anabolico. Si tratta di un ormone che viene tipicamente (ma non solo) secreto in condizioni di iperglicemia, che possono essere pensate come situazioni di abbondanza di sostanze nutritive e di benessere. Le sue funzioni sono rivolte ad abbassare la concentrazione di glucosio nel sangue per ristabilire la normoglicemia: per fare questo viene stimolata l'assunzione del glucosio in alcuni citotipi (come il muscolo), mentre il metabolismo energetico viene indirizzato verso la sintesi di glicogeno e lipidi, le forme classiche con cui

Dove siamo: PancreasIl pancreas è una ghiandola anficrina (cioè con funzioni sia esocrine che endocrine), di forma allungata, annessa all'apparato digerente. E' situata nella cavità addominale tra i due reni, posteriormente allo stomaco. Istologicamente e funzionalmente è caratterizzata dalla presenza di diverse popolazioni cellulari: la grande maggioranza è costituita da cellule esocrine, che sintetizzano ormoni proteolitici necessari alla digestione; in mezzo al parenchima esocrino sono presenti cordoni cellulari di cellule endocrine, che appaiono come isole endocrine in mezzo ad un mare di cellule esocrine: da qui il nome di isole di Langerans. Ogni isola è composta da tre tipi fondamentali di cellule: le cellule α, che sintetizzano glucagone, le cellule β, che sintetizzano insulina, e le cellule δ, che secernono somatostatina.

l'organismo immagazzina energia per un uso futuro, approfittando della temporanea disponibilità di substrati energetici.

Biosintesi

L'insulina viene tradotta dal relativo gene, situato sul cromosoma 11, come pre-pro-insulina; in seguito all'ingresso nel lume del RER, si formano i ponti disolfuro; nel passaggio successivo il peptide segnale (una sequenza idrofobica di 23 aminoacidi) viene staccato enzimaticamente, generando proinsulina, considerata come il peptide precursore vero e proprio (inattivo).

A livello di questa catena peptidica si possono già evidenziare le due future catene che andranno a costituire l'ormone attivo: la catena A (21 aminoacidi al C-terminale), e la catena B (30 aminoacidi all'N-terminale); queste sono unite da un tratto polipeptidico di connessione detto catena C. Quindi, la sequenza del proormone è: (2HN)-B-C-A-(COO-). Nonostante la catena C non sia presente nell'ormone attivo, è molto importante per il corretto ripiegamento del polipeptide: un requisito indispensabile per la già menzionata formazione dei ponti disolfuro. Questo è il motivo per cui i primi tentativi di sintetizzare insulina in laboratorio a partire dalle catene A e B non andarono a buon fine. La conversione da pro-ormone ad ormone attivo avviene nel reticolo endoplasmatico ad opera di alcune endopeptidasi chiamate proormone convertasi, le quali operano il taglio proteolitico che rilascia il peptide C.

L'insulina e la catena C sono immagazzinate insieme in vescicole secretorie, che si accumulano nel citoplasma in attesa del segnale che condurrà rilascio. Il peptide C è presente nelle vescicole in quantità stechiometriche con l'insulina, e viene anch'esso rilasciato nel sangue; ha un'emivita maggiore dell'insulina, il che equivale a dire che permane nel sangue per più tempo. Queste caratteristiche consentono di poter utilizzare la determinazione della concentrazione ematica della catena C per stimare l'entità

della secrezione insulinica in un soggetto.

La regolazione del rilascio di insulina avviene grazie a diversi meccanismi. Poiché nelle cellule pancreatiche vi è una grande quantità di insulina già sintetizzata, depositata in attesa di essere rilasciata, il controllo principale è esercitato a livello della secrezione:

• La secrezione avviene in risposta ad un innalzamento della glicemia, con meccanismi non del tutto chiari. La concentrazione di glucosio nel sangue tende ad essere mantenuta intorno ai 70-110 mg/mL; l'aumento di questo valore scatena il rilascio di insulina. Si ritiene che l'aumento della concentrazione plasmatica di glucosio provochi con qualche meccanismo un innalzamento del Ca2+

intracellulare, che innesca l'esocitosi delle vescicole. Il modello che ha ricevuto più consensi è questo: il glucosio, divenuto abbondante, penetra all'interno delle cellule β del pancreas grazie al trasportatore GLUT-2, e viene fosforilato dalla glucochinasi. Viene poi commissionato alla glicolisi e al ciclo di Krebs, con incrementata produzione di ATP, che chiude alcuni canali ionici del K+ ATP sensibili; la membrana plasmatica si depolarizza, con apertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti. Il calcio avvia il pathway della fosfolipasi C, e l'IP3 che si libera attiva canali del calcio presenti sulla membrana del reticolo endoplasmatico. Questo porta ad un ulteriore incremento di calcio, che innesca la secrezione.

• Anche gli aminoacidi innescano la secrezione di insulina, probabilmente attraverso la generazione di ATP a partire dal loro catabolismo o una depolarizzazione diretta della membrana plasmatica.

• Altre sostanza che si sono dimostrate in grado di stimolare la secrezione di insulina sono: la acetilcolina (occorre ricordare che è un neurotrasmettitore utilizzato dai nervi del sistema nervoso autonomo), la colecistochinina, il peptide gastrointestinale e il glucagon-like peptide 1 (GLP-1). Le cellule β esprimono recettori per queste molecole, ed i pathway che entrano in gioco sono quelli della fosfolipasi C e della adenilato ciclasi. Nel primo caso la sequenza di eventi è analoga a quella vista per il glucosio. Nel caso della attivazione della adenilato ciclasi, si ha un aumento della concentrazione di cAMP con attivazione della PKA cAMP-dipendente; a questo fa seguito una

complessa serie di eventi che culmina con la fosforilazione e l'attivazione di proteine implicate nell'esocitosi.

• Ad inibire la secrezione di insulina a livello della secrezione provvedono catecolammine e somatostatina. Queste due molecole hanno recettori accoppiati a proteine G e inibiscono l'adenilato ciclasi, disattivando il pathway visto poc'anzi. Le catecolammine sono ormoni che hanno la funzione di preparare l'organismo a situazioni di emergenza (“fight or flight”, combatti o dattela a gambe), e come tali una parte delle loro funzioni è volta a garantire disponibilità di substrati energetici ai tessuti, per far sì che siano pronti a fronteggiare una intensa attività. Risulta quindi intuitivo che inibiscano l'azione dell'insulina, che invece “sequestra” il glucosio nelle cellule.

Una parte della regolazione si esplica anche attraverso una modulazione dell'espressione genica. Il glucosio aumenta infatti la trascrizione dell'mRNA della proinsulina, e sembra essere in grado di stabilizzare quello già esistente. Ne risulta che il glucosio regola il rilascio di insulina a due livelli: provoca la secrezione dell'insulina già sintetizzata (regolazione immediata, a breve termine), e indirettamente stimola la sua produzione agendo sulla quantità di mRNA disponibile (regolazione a lungo termine).

Effetti fisiologici dell'insulina

Come abbiamo avuto modo di accennare, l'azione dell'insulina è complessivamente di tipo anabolico e ipoglicemizzante. L'insulina ha effetti incredibilmente complessi sull'organismo, alcuni dei quali eclatanti e a breve termine, con rapide variazioni nel metabolismo - altri a lungo termine e più sottili, con effetti sulla differenziazione e la crescita cellulare.

Il recettore insulinico, che media questi potenti effetti, è un recettore ad attività tirosin chinasica (Receptor Tyrosin Kinase, RTK). Appartiene ad una famiglia di recettori estremamente importanti, coinvolti tra le altre cose nella crescita e nel differenziamento cellulare; un esempio molto noto è offerto dai recettori per gli IGF (Insulin-Like Growth Factor). E' formato da due subunità, ciascuna delle quali è un eterodimero composto da una subunità alfa e una subunità beta; quindi in totale abbiamo due subunità α e due subunità β,. La subunità alfa è esclusivamente extracellulare, e contiene il dominio con il sito di legame per l'insulina; la beta è invece transmembrana; comprende il dominio intracellulare tipico di questa classe di recettori, in quanto presenta una attività tirosin chinasica intrinseca. Il legame dell'insulina innesca la dimerizzazione del recettore: portate a stretto contatto, le due subunità beta si fosforilano a vicenda sui residui di tirosina che si trovano nel dominio intracitoplasmatico (autofosforilazione), per poi fosforilare le tirosine di altre proteine intracellulari.

I residui di tirosina del recettore, ora fosforilati, sono legati da specifiche proteine che possiedono un dominio SH2: i substrati del recettore insulinico (IRS, Insulin Receptor Substrate). Ad oggi se ne conoscono quattro, chiamati IRS-1, IRS-2, IRS-3, IRS-4. In seguito al legame con le fosfotirosine recettoriali, gli IRS sono a loro volta fosforilati a livello delle proprie tirosine. A questo punto, le varie proteine IRS attivano a loro volta differenti pathway che “espandono” il segnale dell'insulina. Le principali vie segnalatorie attivate in questo modo sono la via delle fosfoinositide-3 chinasi (PI3K) e delle MAP chinasi (MAPK). La sequenza precisa di eventi è meglio conosciuta nel caso di IRS-1, quindi descriveremo solo questa.

La via PI3K è un pathway attivato da molti recettori RTK, implicato nella mediazione di segnali che regolano la sopravvivenza, la longevità, la crescita e la proliferazione della cellula – e, nel caso dell'insulina, il metabolismo. L'enzima chiave da cui prende origine la via è la fosfoinositide-3 chinasi (PI-3K): questo enzima si lega a IRS-1 mediante un dominio SH2, attivandosi. La PI-3K trova il suo substrato tra i fosfolipidi della cellula, in particolare nel fosfatidil-inositolo. L'enzima attivato fosforila l'anello dell'inositolo a livello del terzo carbonio. A seconda del fosfolipide substrato può generare PIP 3

(fosfatidilinositolo-3,4,5-trifosfato), PIP2 (fosfatidilinositolo-3,4-difosfato) o PIP (fofatidilinositolo-3-P): collettivamente queste molecole sono chiamati fosfoinositidi. E' a questi ultimi che è affidato il ruolo di secondi messaggeri, in particolare a PIP3. Il fosfoinositide trifosfato attiva a sua volta altre tirosin-chinasi e serina/treonina chinasi (tra cui Atk, una importante isoforma PKB), determinando in molti casi la loro traslocazione alla membrana. Gli effetti a valle di queste chinasi in molti casi consistono in attivazione di protein fosfatasi o inattivazione di chinasi. Dato che l'insulina attiva anche la cAMP fosfodiesterasi

(antagonizzando quindi le protein chinasi cAMP-dipendenti), si conclude che questo ormone tende a portare e mantenere molte proteine cellulari allo stato defosforilato. Questa affermazione non è in contraddizione con quanto abbiamo appena visto: continua a essere vero che l'insulina attiva delle chinasi, in particolare PKB, le quali ovviamente per svolgere la loro funzione fosforilano altre proteine; quello che stiamo dicendo è che, a valle di queste chinasi, l'effetto consiste spesso in defosforilazione di proteine importanti. Questo pathway media i principali effetti metabolici dell'insulina, ma è anche coinvolto, come si è detto, nella proliferazione, nella crescita e nella sopravvivenza delle cellule. Anomalie in questa via segnalatoria sono state osservate in molti tumori.

La via MAPK è una via molto sfruttata dai fattori di crescita e dalle sostanze mitogene: mentre la via PI3K mediava soprattutto gli effetti metabolici dell'insulina, questa via media gli effetti sulla proliferazione cellulare. Questa via è il modello tipico della cascata di chinasi che si attivano a vicenda. La via comincia con SOS, il fattore di scambio del nucleotide guanina, che viene attivato da IRS-1 con la mediazione di una proteina “adattatrice” avente un dominio SH2, Grb2. SOS consente ad una proteina Ras (K-Ras, frequentemente) di rilasciare GDP e legarsi a GTP, attivandosi. Ras fosforila e attiva RAF, una Ser/Thr chinasi, che fosforila e attiva la Ser/Thr chinasi MEK, che a sua volta fosforila e attiva la chinasi MAPK (Mitogen Activated Protein Kinase)! MAPK a sua volta fosforila un grande numero di proteine, che in ultimo influenzano la trascrizione e l'espressione genica.

Dopo aver brevemente descritto il recettore dell'insulina e le vie da esso attivate, esaminiamo quali sono gli effetti di questo ormone sui tessuti bersaglio.

Uno degli aspetti più sorprendenti dell'insulina è la sua capacità di influenzare in maniera importante il metabolismo pur giocando con l'attivazione o l'inattivazione di relativamente pochi enzimi chiave. I tessuti su cui l'azione dell'insulina è più rilevante sono il tessuto muscolare, il tessuto adiposo e il fegato.

L'azione metabolica dell'insulina si concentra su tre fronti: regolazione del metabolismo del glucosio e del glicogeno, regolazione del metabolismo degli acidi grassi, regolazione della sintesi proteica.

Metabolismo del glucosio. Uno dei primi cambiamenti di cui si rende responsabile l'insulina consiste in un abbassamento della glicemia plasmatica: il muscolo, il fegato e il tessuto adiposo sono responsabile di gran parte di questo abbassamento in quanto, sotto l'effetto di questo ormone:

incrementano significativamente il proprio uptake del glucosio (solo muscolo e tessuto adiposo, l'assunzione di glucosio da parte del fegato è insulino-indipendente!);

incrementano il consumo dello zucchero per le proprie esigenze energetiche, indirizzandolo verso la glicolisi;

incrementano il consumo dello zucchero allo scopo di produrre glicogeno;

diminuscono la sintesi di glucosio de novo inibendo la gluconeogenesi

diminuiscono la demolizione del glicogeno.

Il glucosio penetra nelle cellule mediante specifici trasportatori denominati GLUT. Se ne conoscono diverse isoforme, la cui espressione può essere o meno tessuto-specifica. Il trasportatore GLUT-1 ad esempio è espresso praticamente da tutti i tessuti, ed è responsabile del trasporto basale del glucosio in eritrociti, muscolo scheletrico, tessuto adiposo, etc.; GLUT-2 ha una espressione limitata a pochi tessuti (principalmente epatici) e caratteristiche cinetiche particolari che consentono alle cellule che lo esprimono di avere una concentrazione intracellulare di glucosio che ricalca strettamente la concentrazione plasmatica; GLUT-3 è espresso nei neuroni, etc. Il trasportatore che media gli effetti dell'insulina sull'uptake del glucosio

è il GLUT-4, e il meccanismo con il quale viene reclutato è peculiare. In assenza di stimolazione insulinica, questo recettore non è esposto sulla superficie della cellula; si trova invece per lo più sequestrato in vescicole intracellulari. In altre parole, è inattivo, “in attesa” all'interno della cellula. In seguito al segnale dell'insulina, il recettore viene prontamente trasferito alla membrana mediante esocitosi, dove entra in azione incrementando l'uptake di glucosio da parte del muscolo e del tessuto adiposo. E' importante ribadire che le cellule epatiche non risentono di questo effetto dell'insulina, bensì esprimono, come già accennato, il trasportatore GLUT-2. Questo fa sì che le cellule epatiche assumano glucosio in maniera costitutiva.

Oltre all'incremento dell'uptake, che in pratica “sposta” il glucosio in eccesso dal sangue alle cellule, l'insulina influenza vistosamente il metabolismo del fegato e del tessuto adiposo, attivando tutte le vie metaboliche che possano contribuire a ridurre la concentrazione di glucosio libero. E' importante tenere presente che uno degli scopi principali dell'insulina è “togliere di torno” il glucosio. Nel fegato, questo scopo viene raggiunto 1) attivando la glicolisi; 2) attivando la glicogenosintesi; 3) inibendo la gluconeogenesi e 4) inibendo la glicogenolisi 5) stimolando la sintesi di alcune proteine. Nel caso di 1) e 2), entrambe le vie consumano glucosio; nel caso di 3) e 4), il prodotto finale, cioè altro glucosio, è indesiderato.

Per quanto riguarda il metabolismo epatico, le vie coinvolte nel metabolismo del glucosio possono essere regolate indipendemente in maniera conveniente attraverso un intervento dell'insulina sullo stato di fosforilazione degli enzimi regolatorî delle diverse vie metaboliche. Il quadro complessivo è concettualmente ostico, e può generare confusione, ma cercheremo di rendere il più semplice possibile la comprensione di questi meccanismi prendendo in esame i cambiamenti indotti dall'insulina da una prospettiva particolare. Ci chiederemo cioè quali sono le modifiche sullo stato di fosforilazione delle proteine necessarie per ottenere determinati effetti; quindi, cercheremo di spiegare in che modo l'insulina arriva a determinare i cambiamenti opportuni.

Iniziamo prendendo in considerazione i due processi speculari della glicogenolisi e della glicogenosintesi. L'enzima chiave della glicogenolisi è la glicogeno fosforilasi; l'effetto finale dell'attività della glicogenolisi è un aumento della concentrazione del glucosio, in quanto monomeri di glucosio vengono staccati dal polimero più grande: la glicogeno fosforilasi dovrà quindi essere inibita. L'enzima chiave della glicogenosintesi è invece la glicogeno sintasi; l'effetto finale di questa via metabolica è una diminuzione del glucosio libero, in quanto viene polimerizzato a glicogeno. La glicogeno sintasi dovrà quindi essere attivata.

La regolazione di questi due enzimi è concettualmente ostica e può facilmente generare confusione. Probabilmente è uno degli argomenti più complessi da capire per uno studente di biochimica, ma si tratta anche di uno dei più importanti: per questo è necessario soffermarsi e illustrare con pazienza la regolazione di ciascuno dei due enzimi.

Per quanto riguarda la glicogeno fosforilasi, questo enzima esiste in due forme: la forma a, che rappresenta la forma attiva dell'enzima, e la forma b, che invece è la forma meno attiva. La conversione da una forma all'altra si esplica tramite fosforilazione/defosforilazione. L'enzima defosforilato è in forma b (meno attiva); in seguito a fosforilazione assume la forma a (più attiva). La conversione tra le due forme avviene ad opera di due enzimi:

la fosforilasi a fosfatasi 1 (PP1) defosforila l'enzima, rendendolo meno attivo e di conseguenza diminuendo l'attività della glicogenolisi. E' un enzima centrale per l'azione dell'insulina, e lo reincontreremo.

La fosforilasi b chinasi fosforila l'enzima, rendendolo più attivo e incrementando l'attività della glicogenolisi.

Per completezza dobbiamo sottolineare che la regolazione della glicogeno fosforilasi non si esaurisce qui, poiché entrano in gioco anche dei regolatori allosterici, il cui effetto si integra a quello della regolazione covalente in maniera complessa – tanto per cambiare. Uno dei principali regolatori allosterici in senso attivante per la glicogeno fosforilasi è l'AMP, che però ha effetti importanti solo sull'enzima non fosforilato (quindi sulla forma b). Poiché un'alta concentrazione di AMP nella cellula è sintomo di una penuria energetica, non sorprende che questa molecola attivi un enzima che porta ad una liberazione di glucosio. Viceversa, l'ATP è un regolatore allosterico in senso inibitorio, ma solo per la glicogeno fosforilasi attivata (quindi sulla forma a). La situazione è l'esatto opposto di quella dell'AMP: un'alta concentrazione di ATP significa una grande disponibilità energetica, e quindi viene meno la necessità per la cellula di una glicogeno fosforilasi attiva.

Tornando alla regolazione che è sotto controllo ormonale, l'enzima che è attivato dall'insulina è ovviamente la PP1, poiché porta ad un decrementdo della glicogenolisi defosforilando e inattivando la glicogeno fosforilasi. L'insulina però non si limita a questo.

La fosforilasi b chinasi infatti è a sua volta soggetta a un controllo che in parte si esplica tramite fosforilazione/defosforilazione. Viene fosforilata, e parzialmente attivata, da una PKA cAMP dipendente, mentre una fosfatasi la defosforila e la inattiva.

Sia per completezza, sia perché queste informazioni saranno importanti quando confronteremo l'azione di insulina, glucagone e adrenalina, dobbiamo chiarire meglio come avviene la regolazione di questo enzima. La fosforilasi b chinasi è composta infatti da quattro subunità (dette α,β,γ,δ), che in genere si associano ciascuna in quattro copie: quindi la composizione dell'enzima è α4β4γ4δ4. Queste quattro differenti subunità hanno ruoli molto precisi: la subunità γ è responsabile dell'attività catalitica, mentre le altre subunità consentono la regolazione di questo enzima.

La subunità β viene fosforilata dalla PKA, come abbiamo detto, e in seguito a questa modifica viene parzialmente attivata. Da questo se ne trae che gli ormoni che innalzano la concentrazione di cAMP (come glucagone e adrenalina) attivano questo enzima. Viene defosforilata da una fosfatasi, che altri non è che la PP1. Questa fosfatasi quindi inattiva per defosforilazione sia la glicogeno fosforilasi chinasi sia la glicogeno fosforilasi stessa.

la subunità δ è particolare in quanto ha una struttura pressoché identica alla calmodulina. In altre parole, questa subunità è in grado di legare il calcio; questo ione esplica una azione regolativa, attivando parzialmente la fosforilasi chinasi. Quindi, in tutte le situazioni in cui la concentrazione intracellulare di Ca2+ aumenta (ad esempio durante una contrazione muscolare), la fosforilasi chinasi viene parzialmente attivata; questo consente all'enzima di fosforilare la glicogeno fosforilasi, attivandola.

Perché l'enzima sia totalmente attivo è necessaria la compresenza di calcio e fosforilazione; uno solo di questi due regolatori provoca un'attivazione solo parziale dell'enzima. Prima di proseguire nella lettura, conviene assicurarsi di aver compreso bene la regolazione della glicogeno fosforilasi chinasi, perché è un'enzima su cui ritorneremo.

Tornando all'insulina, la sua azione promuove la fosfatasi che defosforila la glicogeno fosforilasi chinasi (oltre ad accellerare la degradazione di cAMP, il che ostacola la PKA cAMP-dipendente), inattivando quindi l'enzima, che non può più fosforilare e attivare la glicogeno fosforilasi.

Quindi, l'insulina neutralizza a due livelli l'azione della fosforilasi: in primo luogo stimolando la sua defosforilazione, in secondo luogo impedendo la sua fosforilazione. E' importante notare come questa regolazione sia reciproca: abbiamo una attivazione di fosforilasi e una contemporanea inibizione di chinasi.

Dopo aver esaminato la regolazione della glicogeno fosforilasi passiamo alla glicogeno sintasi. Anche questo enzima è soggetto ad una regolazione tramite fosforilazione/defosforilazione, ed è attivo nello stato defosforilato. L'insulina, evidentemente, dovrà agire in modo tale da promuovere la defosforilazione della glicogeno sintasi. Quindi, considerando glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi, l'insulina fa sì che entrambi vengano defosforilati. Tuttavia, la stessa modifica regolatoria ha effetti opposti nei due enzimi: l'uno viene attivato, l'altra è reso inattivo. In questo modo si ottiene rispettivamente una attivazione della glicogenosintesi ed una inibizione della glicogenolisi.

La situazione anche qui è molto complessa. L'insulina giunge alla defosforilazione della glicogeno sintasi attivando la fosfoproteina fosfatasi-1, o PP1, che incontriamo per la terza volta. Rivediamo brevemente le funzioni di questo importante enzima: 1) abbiamo appena visto che catalizza la defosforilazione diretta della glicogeno sintasi; 2) prima abbiamo esaminato il suo ruolo nella defosforilazione diretta della glicogeno fosforilasi; 3) infine abbiamo visto che catalizza anche la defosforilazione della glicogeno fosforilasi chinasi, l'enzima che, quando è fosforilato e attivo, catalizza la fosforilazione della glicogeno fosforilasi, attivandola. Abbiamo imparato che la PP1 previene questo defosforilando la glicogeno fosforilasi chinasi e inattivandola, e quindi assicurando che la glicogeno fosforilasi rimanga inattiva.

Anche in questo caso, però, l'azione dell'insulina non si ferma qui. Infatti, l'insulina non solo defosforila la glicogeno sintasi, ma inattiva anche uno degli inzimi responsabili della fosforilazione. In questo modo previene l'inattivazione della glicogeno sintasi – abbiamo visto che l'ormone fa una cosa simile anche nel caso della glicogeno fosforilasi.

Sono state identificate diverse proteine in grado di fosforilare e inattivare la glicogeno sintasi: attualmente se ne conoscono undici, ma è possibile che ne vengano identificate anche altre. Alcune di queste chinasi sono controllate dai livelli di cAMP, altre dai livelli di calcio, altre dal diacilglicerolo o fosfolipidi. La principale chinasi regolata dall'insulina è la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3). Abbiamo visto che la via PI3K culminava con l'attivazione di diverse chinasi, in particolare PKB. Ed è proprio una PKB che, fosforilando la GSK3, la inattiva. Questo impedisce all'enzima di fosforilare la glicogeno sintasi e di inattivarla. Questo è un esempio che illustra molto bene in che senso “l'insulina promuove lo stato defosforilato delle proteine”. Attivando la PKB, l'insulina provoca la fosforilazione della glicogeno sintasi chinasi 3; tuttavia, questa fosforilazione è diretta a favorire la defosforilazione della glicogeno sintasi, che è uno degli enzimi-chiave dell'azione dell'insulina.

Ecco uno schema che riassume l'azione dell'insulina sul metabolismo del glicogeno:

Esaminiamo ora le due vie speculari della gluconeogenesi e della glicolisi. L'enzima chiave della glicolisi è la fosfofruttochinasi-1 (PFK-1). L'effetto finale della glicolisi è un abbassamento della concentrazione di glucosio, perché lo zucchero che viene indirizzato in questa via viene ossidato a piruvato; la PFK-1 dovrà quindi essere attivata per incrementare il flusso di metaboliti attraverso la glicolisi. L'enzima chiave della gluconeogenesi è invece la fruttosio-1,6-bisfosfatasi. Poiché questa via metabolica produce nuovo glucosio, la fruttosio-1,6-bisfosfatasi dovrà essere inibita. Questi due enzimi non sono regolati direttamente tramite fosforilazione; hanno invece una pluralità di regolatori allosterici. Tra i diversi regolatori, il fruttosio-2,6-bisfosfato agisce, con effetti opposti, su entrambi gli enzimi; la sua influenza sulla attività enzimatica è piuttosto marcata. Si tratta quindi di un candidato ideale per l'azione dell'insulina, ed infatti è proprio su

questo metabolita che agisce l'ormone.

L'azione del fruttosio-2,6-bisfosfato è relativamente semplice: l'aumento della sua concentrazione favorisce la PFK-1 e inibisce la fruttosio-1,6-bisfosfatasi. Quindi: più è alta la concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato, più la glicolisi è attiva e più la gluconeogenesi è inibita. Ci aspettiamo dunque che l'insulina incrementi la produzione di questo regolatore allosterico.

La concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato è determinata dall'attività relativa di due enzimi: la fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) lo sintetizza a partire dal fruttosio-6-fosfato, mentre la fruttosio-2,6-bisfosfatasi lo degrada. Queste due attività enzimatiche sono situate sulla stessa proteina. La stessa molecola presenta quindi due funzioni: con una attività produce fruttosio-2,6-bisfosfato, con l'altra lo degrada. La concentrazione di questo modulatore in un dato momento dipende da quanto è attiva una attività enzimatica rispetto all'altra. Nel corso dell'evoluzione si è sviluppato un sistema molto efficiente per regolare entrambe le attività enzimatiche in maniera coordinata: quando la proteina bifunzionale è fosforilata, la fruttosio-2,6-bisfosfatasi è attivata e la PFK-2 è meno attiva; quando l'enzima è defosforilato, la situazione si inverte: la fruttosio-2,6-bisfosfatasi diviene meno attiva mentre la PFK-2 è attivata. Per avere un incremento nella sintesi di fruttosio-2,6-bisfosfato, l'insulina dovrà far sì che l'enzima sia defosforilato. Questo è in effetti quello che accade, in quanto i pathway segnalatori intracellulari dell'insulina negli epatociti attivano una fosfatasi che rimuove il gruppo fosfato dall'enzima bifunzionale, incrementando la sintesi di fruttosio-2,6-bifosfato. Quindi:

• l'insulina attiva una fosfoproteina fosfatasi;

• la fosfoproteina fosfatasi defosforila la PFK-2/fruttosio-2,6-bisfosfatasi;

• l'attività di PFK-2 è incrementata rispetto a quella fosfatasica;

• La concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato aumenta, e regola allostericamente PFK-1 e fruttosio-1,6-bisfosfatasi;

• PFK-1 è attivata dal regolatore allosterico, e con essa anche la glicolisi;

• la fruttosio-1,6-bisosfatasi è inibita dal regolatore allosterico, e con essa la gluconeogenesi.

Infine, la regolazione del metabolismo glucidico da parte dell'insulina si esplica anche sul lungo periodo: a latere degli effetti che abbiamo appena visto, l'insulina incrementa l'espressione di molti dei geni coinvolti a vario livello nel consumo di glucosio, in particolare sul fronte ossidativo (enzimi glicolitici etc.). Tra questi, è importante ricordare che la glucochinasi, l'enzima che fosforila il glucosio non appena penetra nelle cellule. L'aumento dell'espressione della glucochinasi interessa principalmente gli epatociti. Inoltre, sembra che molti enzimi coinvolti nelle vie metaboliche indesiderate (es. gluconeogenesi) vedano una diminuzione della propria sintesi.

Infine, ricordiamo che ormai da tempo è noto che l'insulina attivi anche la piruvato deidrogenasi per defosforilazione - il meccanismo preciso però non è chiaro. Ad ogni modo, questo serve per ricordarci che l'aumentato catabolismo del glucosio porta alla formazione di acetil-coA, che, nelle cellule in grado di farlo, possono servire per la sintesi degli acidi grassi.

Metabolismo lipidico. La principale regolazione del metabolismo dei lipidi avviene a livello del tessuto adiposo e del fegato.

Nel tessuto adiposo l'insulina 1) stimola la lipogenesi, trasformando il glucosio in eccesso in una riserva

energetica conveniente 2) inibisce la lipolisi e la chetogenesi, in quanto rappresentano fonti energetiche che non è conveniente usare in condizioni di abbondanza di glucosio.

La regolazione si esplica a diversi livelli:

inibizione nel tessuto adiposo della lipasi ormone sensibile, l'enzima che partecipa alla mobilizzazione degli acidi grassi; grazie a questa regolazione, l'adipocita cessa di immettere acidi grassi nel circolo sanguigno.: questo è la principale modifica metabolica responsabile della inibizione della lipolisi. Non è tuttora chiaro come avvenga la regolazione, ma si ritiene che dipenda dall'incremento della attività fosfodiesterasica indotta dall'insulina. Questa lipasi è infatti attivata da due meccanismi cAMP dipendenti: da una parte, la fosforilazione delle perilipine, che rendono la goccia lipidica accessibile all'azione enzimatica; dall'altra fosforilazione della lipasi che attiva l'enzima. In entrambi i casi la fosforilazione è da imputare alla PKA. Si ritiene che l'insulina blocchi questa attivazione facendo precipitare la concentrazione di cAMP. Alcuni studi tuttavia lasciano supporre che questo effetto potrebbe essere da imputare anche ad una fosfatasi, che agirebbe in antagonismo alla fosforilazione delle perilipine della lipasi stessa. Ad ogni modo, il risultato è che la lipasi si trova defosforilata e inattivata. La lipolisi viene dunque inibita.

Regolazione della acetil-coA carbossilasi (ACC), l'enzima regolatore della biosintesi degli acidi grassi. La ACC è un enzima biotina-dipendente che indirizza gli acetil-coA, carbossilandoli a malonil-coA, verso la biosintesi degli acidi grassi. Le unità di malonil-coA sono infatti utilizzate dal grande complesso della acido grasso sintasi come punto di partenza per la biosintesi e l'allungamento degli acidi grassi. La ACC esiste in uno stato fosforilato, nel quale è inattiva, ed uno stato defosforilato nel quale è attiva. Mentre la fosforilazione è promossa da una PKA, che media l'azione di ormoni come glucagone o adrenalina, l'insulina promuove la defosforilazione per mezzo di una fosfatasi. Questo rende la ACC più attiva, permettendole di sintetizzare più malonil-coA. Ricordiamo che l'acetil-coA in questo momento metabolico è fornito in abbondanza dal catabolismo del glucosio (sia grazie alla stimolazione della glicolisi che grazie alla attivazione della piruvato deidrogenasi). Questo intervento metabolico ha una doppia valenza: 1) è un modo per attivare la biosintesi degli acidi grassi, in quanto fornisce materia prima per questa via metabolica. E' soprattutto a causa di questa regolazione che l'insulina stimola la conversione dei carboidrati in grassi; 2) è un modo per inattivare la beta-ossidazione. Un'alta concentrazione di malonil-coA infatti va ad inibire la carnitina aciltransferasi I, componente fondamentale del cosiddetto shuttle della carnitina. In questo modo, l'insulina riesce a impedire agli acidi grassi di accedere alla matrice mitocondriale, dove avviene la beta-ossidazione.

L'insulina, sul lungo periodo, incrementa l'espressione di molti degli enzimi chiave nel metabolismo lipidico: acil-coA carbossilasi, acido grasso sintasi, etc.

Peraltro, è bene prestare attenzione al fatto che l'insulina inibisce indirettamente la chetotgenesi. Da una parte, abbassando il rate della lipolisi, fa sì che vi siano meno acidi grassi liberi in circolo – che, come è noto, favoriscono la formazione dei corpi chetonici. Dall'altra parte, l'insulina ostacola l'ingresso degli acidi grassi nel mitocondrio, e anche questo è un fattore limitante per la chetogenesi.

Metabolismo proteico. L'insulina attiva la sintesi proteica in parecchi tessuti – per questo è considerata un ormone anabolico. Il muscolo e il tessuto epatico sono i tessuti a livello dei quali l'azione dell'insulina è più marcata a livello di sintesi proteica. Ovviamente, si tratta di un effetto che si manifesta sul lungo periodo (ore, giorni).

Glucagone

Il glucagone è un ormone polipeptidico di 29 aminoacidi, secreto dalle cellule α del pancreas. I suoi effetti sono essenzialmente antagonisti a quelli dell'insulina: si tratta cioè di un ormone iperglicemizzante. In altre parole, in condizioni in cui la concentrazione di glucosio nel sangue non è sufficiente, il glucagone ha la funzione di coordinare alcuni tessuti per ristabilire la glicemia e mantenere l'omeostasi del glucosio. La situazione tipica in cui viene rilasciato glucagone è il digiuno: il glucagone in questi casi è fondamentale per assicurare un apporto di glucosio continuo a quei tessuti che non utilizzano altri substrati per l'approvvigionamento energetico.

Biosintesi

Il glucagone viene sintetizzato sotto forma di pre-ormone di 158 aminoacidi (pro-glucagone) dalle cellule α del pancreas endocrino. Il gene del glucagone tuttavia è espresso in diversi altri tessuti, tra cui alcune popolazioni neuronali del sistema nervoso centrale e a livello intestinale. Immagazzinato all'interno di vescicole secretorie, il pro-glucagone va incontro a proteolisi limitata, che dà origine a diversi frammenti peptidici. C'è una certa tessuto-specificità in questo processo di proteolisi, il che fa sì che i frammenti che si generano siano diversi a seconda della sede di espressione del gene. In generale, il proglucagone può essere suddiviso in una porzione C-terminale, che prende il nome di glicentina (aminoacidi 1-69), e una N-terminale (70-158), che invece prende il nome di MPGF (Major ProGlucagon Fragment).

Nelle cellule alfa del pancreas, il frammento di glicentina viene ulteriormente tagliato in due frammenti: l'estremità che va dal C-terminale della glicentina al sito di taglio prende il nome di GRPP (Glicentin-Related Polypeptide), mentre il glucagone è formato dagli aminoacidi che vanno dal sito di taglio della glicentina all'N-terminale. L'MPGF non va incontro ad altre modifiche, cosicché le cellule pancreatiche rilasciano: glucagone, GRPP, MPGF. Tra questi, il glucagone ha gli effetti biologici più importanti.

Nelle cellule intestinali, il frammento della glicentina non viene processato, mentre l'MPGF viene tagliato producendo principalmente tre frammenti: IP-2, GLP-1 e GLP-2 (GLP sta per Glucagon-Like Peptide).

Nel tessuto nervoso, il processo di elaborazione è vario.

Non vedremo la funzione degli altri peptidi prodotti dal pro-glucagone; accenniamo soltanto al fatto che GLP-1 è rilasciato dall'intestino in risposta ad alte concentrazioni di glucosio, e ha la funzione di potenziare il rilascio dell'insulina.

La regolazione del rilascio di glucagone presenta ancora diversi punti poco chiari. In generale, si osserva che la secrezione di glucagone:

è innescata da basse concentrazioni ematiche di glucosio;

è innescata dalle catecolamine attraverso stimolazione beta-adrenergica;

è innescata da pasti molto proteici;

è inibita da alte concentrazioni ematiche di glucosio;

è inibito da somatostatina e insulina;

Sono documentati anche gli effetti del sistema nervoso autonomo sul rilascio di glucagone, ma le conclusioni dei diversi studi sono contrastanti e non definitive.

Effetti fisiologici del glucagone

Il glucagone agisce soprattutto su due tessuti: fegato e tessuto adiposo. I recettori del glucagone sono espressi anche in altri tessuti (cuore, alcune popolazioni di neuroni nell'encefalo, alcune cellule delle ghiandole surrenali e dello stomaco), ma il loro ruolo biologico non è stato ancora caratterizzato con precisione.

Il recettore del glucagone è un classico recettore accoppiato a G proteine. Il legame con l'ormone attiva l'adenilato ciclasi e innalza la concentrazione di cAMP; a valle si ha attivazione della PKA con fosforilazione di alcuni enzimi chiave – in generale, la fosforilazione è a carico di quegli enzimi che l'insulina tendeva a defosforilare. Questo spiega perché l'azione del glucagone abbia effetti antagonisti a quelli dell'insulina.

L'effetto del glucagone nei tessuti bersaglio si può riassumere affermando che il glucagone tende a incrementare in ogni modo possibile la concentrazione di glucosio nel sangue. Questa funzione viene assolta principalmente agendo su due tessuti.

Nel fegato, viene stimolata la gluconeogenesi e la glicogenolisi, mentre la glicolisi e la glicogenosintesi vengono inibite. Ci si potrebbe chiedere perché il glucagone abbia questi effetti solo sul fegato. La risposta è che si tratta dell'unico organo in grado di secernere glucosio nel sangue: è l'unico tessuto che può innalzare la glicemia. Come nel caso dell'insulina, la regolazione metabolica coinvolge la modifica dello stato di

fosforilazione di pochi enzimi, ma il tipo di modifica in genere è esattamente opposto. Ovvero: dove l'insulina defosforila, il glucagone fosforila. Se gli effetti dell'insulina sono stati compresi, capire quelli del glucagone dovrebbe essere semplice.

Incremento della glicogenolisi: è basato sulla fosforilazione della glicogeno-fosforilasi, che la converte dalla forma b (defosforilata e inattiva) alla forma a (fosforilata e attiva). Il glucagone provoca questa fosforilazione attraverso la glicogeno fosforilasi chinasi. Quindi: il glucagone attiva la PKA, che fosforila e attiva la glicogeno fosforilasi chinasi, che a sua volta fosforila e attiva la glicogeno fosforilasi. Quest'ultima inizia a distaccare unità di glucosio dal glicogeno. Inoltre, il glucagone inibisce la fosfoproteina fosfatasi, che potrebbe defosforilare la glicogeno fosforilasi e la glicogeno fosforilasi chinasi.

Inibizione della glicogenosintesi: è basata sulla fosforilazione della glicogeno sintasi, che converte l'enzima nella sua forma inattiva. Sono numerose le chinasi in grado di fosforilare la glicogeno sintasi; si ritiene che nel caso del glucagone sia coinvolta essenzialmente la PKA. E' bene precisare però che alcune prove sperimentali sembrano suggerire che il glucagone possa attivare, con meccanismi sconosciuti, delle chinasi cAMP-indipendenti.

Incremento della gluconeogenesi e inibizione della glicolisi: si verificano per lo più attraverso un decremento del fruttosio-2,6-bisfosfato, a sua volta indotto dalla fosforilazione dell'enzima bifunzionale fruttosio-2,6-bisfosfatasi/fosfofruttochinasi-2. La fosforilazione inattiva l'attività chinasica e attiva quella fosfatasica. L'enzima chiave della gluconeogenesi, la fruttosio-1,6-

bisfosfatasi, è più attivo in presenza di scarse quantità del modulatore allosterico, così che il flusso complessivo attraverso la via è aumentato. Viceversa, la PFK-1 è meno attiva, e l'entità del flusso attraverso la glicolisi diminuisce. Un altro effetto mediato dal glucagone che contribuisce alla regolazione è la fosforilazione della piruvato chinasi, l'enzima glicolitico che converte il fosfoenolpiruvato in piruvato. La modifica covalente inattiva l'enzima e riduce il flusso metabolico della glicolisi; inoltre, il fosfoenolpiruvato già prodotto viene indirizzato verso la gluconeogenesi. E' bene ricordare che anche l'aumentata disponibilità di acidi grassi liberi (determinata dalla stimolazione della lipolisi a livello del tessuto adiposo) contribuisce a indirizzare il metabolismo epatico verso la sintesi del glucosio. Come tocco finale, il glucagone influenza anche l'espressione genica, aumentando o riducendo l'espressione degli enzimi chiave. L'effetto è mediato dalla fosforilazione di una proteina chiamata CREB (cAMP Response Element Binding proteine), che agisce da fattore di trascrizione, legandosi ai cAMP response elements a livello del DNA.

Nel tessuto adiposo, il glucagone essenzialmente promuove la lipolisi. Questo effetto viene ottenuto con la mediazione della PKA, che fosforila le perilipine e la lipasi ormone-sensibile. Le perilipine sono proteine che negli adipociti circondano, rivestendole, le gocce lipidiche. Si ritiene che proteggano la goccia lipidica dalle lipasi, impedendo agli enzimi di accedere ai trigliceridi. La loro fosforilazione determina cambiamenti conformazionali che espongono la goccia lipidica all'azione lipasica. Per quanto riguarda la lipasi ormone- sensibile, la sua fosforilazione ad opera della PKA ha significato attivante.

Alcuni schemi riassuntivi

Approfondimento clinico: l'insulina rapidaL'introduzione di analoghi dell'insulina ottenuti tramite tecnologie di ingegneria genetica ha avuto un grande impatto nella cura del diabete. I primi passi in questo senso sono stati compiuti intorno ai primi anni '80, quando furono introdotte le prime insuline umane sintetiche. Uno dei primi prodotti fu commercializzato con il nome di Humulin. Questo tipo di insuline (come del resto le insuline porcine e bovine che erano utilizzate precedentemente) si aggregano in esameri complessandosi con lo zinco; poiché l'interazione con il recettore è possibile solo per la forma monomerica dell'insulina, questo fenomeno interferisce con la biodisponibilità dell'insulina, che, in seguito ad inizione sottocutanea, viene rilasciata con una velocità che non sempre corrisponde a quella desiderata. Per esempio, l'insulina naturale iniettata per via sottocutanea viene rilasciata dopo circa 90 minuti dall'iniezione, troppo lentamente per coprire il fabbisogno dell'organismo dopo un pasto. A partire dalla metà degli anni '90 furono introdotte sul mercato delle insuline sintetiche leggermente modificate in modo da alterarne le proprietà, soprattutto in relazione alla rapidità d'azione. Attualmente, esistono insuline rapide e insuline lente.

Le insuline rapide hanno un assorbimento cutaneo più veloce, ed entrano in circolo già dopo pochi minuti dall'iniezione; in questo modo possono essere iniettate subito prima o subito dopo un pasto e fornire la quota di insulina adatta. La loro azione si esaurisce dopo poche ore: in definitiva queste insuline riproducono più fedelmente le modalità di secrezione fisiologica dell'insulina. Sono ottenute tramite una modifica a livello dell'estremità C-terminale della catena B, invertendo la posizione di due aminoacidi, una lisina e una prolina (per questo sono note anche come insuline “lispro”). Questa modifica non interferisce con il legame con il recettore, ma impedisce la formazione degli esameri.

Le insuline lente sono di molti tipi, ma si caratterizzano per un tempo di rilascio e una durata dell'azione molto prolungate.

In genere, le terapie moderne prevedono l'associazione di diversi tipi di insulina, in modo da avere un controllo il più possibile elastico della glicemia.

Gli ormoni derivati dagli aminoacidiQuesti ormoni sono sintetizzati a partire dall'aminoacido tirosina, e comprendono catecolammine e ormoni tiroidei.

Le catecolammine principali sono adrenalina (o epinefrina), noradrenalina (o norepinefrina) e dopamina. Il loro nome deriva dal fatto che sono strutturalmente correlate al catecolo. Sono sintetizzate a livello della zona midollare della ghiandola surrenale con valenza di ormoni endocrini, e a livello di molti neuroni con valenza di neurotrasmettitori (soprattutto a livello del sistema nervoso simpatico). Si tratta probabilmente di una precisazione superflua, in quanto, come abbiamo già avuto modo di rilevare, è difficile, oltre che artificioso, separare nettamente il neurotrasmettitore dall'ormone. A sostegno di questa tesi, si può notare come a livello embriologico i due tessuti siano fortemente correlati: la midollare surrenale deriva da cellule delle creste neurali, che si distaccano dal tubo neurale. Le catecolammine sono idrofile, e nel sangue hanno un'emivita estremamente breve.

Gli ormoni tiroidei sono la triiodotironina (T3) e la tetraiodotironina (T4); sono sintetizzate nei follicoli tiroidei, e sono ormoni lipofili con lunga emivita.

Gli ormoni della zona midollare della ghiandola surrenale: adrenalina e noradrenalina

Biosintesi

La corteccia della ghiandola surrenale sintetizza ormoni steroidei, come avremo modo di vedere; invece a livello della zona midollare, popolata da cellule cromaffini, abbiamo la sintesi delle catecolammine, oltre a quella di altre molecole (encefaline, cromoganina, adrenomedullina) che non prenderemo in considerazione. Il precursore diretto per le catecolammine è l'aminoacido L-tirosina. Le cellule cromaffini si procurano questo aminoacido precursore:

dall'ambiente extracellulare, con meccanismi di trasporto attivo;

a partire dalla fenilalanina – la conversione è effettuata dall'enzima fenilalanina idrossilasi, una monossigenasi. La fenilalanina è un aminoacido essenziale.

La tirosina viene convertita in epinefrina tramite quattro reazioni a sede citosolica:

1° reazione: tirosina idrossilasi – l'enzima coinvolto è una ossidoreduttasi che utilizza tetraidrobiopterina come cofattore e idrossila

la tirosina a livello dell'anello benzenico, convertendola in L-diidrossifenilalanina (L-dopa). Questa è la reazione limitante la velocità, e di conseguenza l'enzima rappresenta un punto di regolazione. I sistemi di regolazione sono essenzialmente tre: 1) una regolazione a feedback negativo da parte dei prodotti finali, la più importante; 2) regolazione positiva dal cAMP; 3) regolazione positiva da parte di stimolazioni nervose.

2° reazione: dopa decarbossilasi – L'enzima che catalizza questo secondo passaggio decarbossila la L-dopa a dopamina, utilizzando piridossal fosfato come cofattore. Come succede per ogni decarbossilazione, la CO2 diffonde facilmente e si allontana dall'ambiente di reazione, spingendo l'equilibrio verso i prodotti per il principio di azione di massa. Alcuni neuroni del sistema nervoso rilasciano direttamente dopamina, e costituiscono le cosiddette vie dopaminergiche.

3° reazione: dopamina β idrossilasi – L'enzima coinvolto è una monossigenasi a rame che utilizza come cofattore acido ascorbico e O2 per idrossilare la dopamina e produrre noradrenalina. È interessante notare come questo enzima sia stato ritrovato nella frazione particolata delle cellule impegnate nella sintesi di adrenalina. Si pensa in particolare che sia incorporato all'interno dei granuli secretori in cui sono contenute le catecolammine, associato alla membrana, e che l'enzima venga secreto insieme ad esse. Per quanto esistano sistemi di recupero dell'enzima, le cellule devono comunque tradurlo in continuazione. La singolare localizzazione dell'enzima implica che la conversione della dopamina a noradrenalina avvenga all'interno dei granuli secretori.

4° reazione fenoletanolammina-N-metiltransferasi (PNMT)– L'ultima reazione prevede la N-metilazione della noradrenalina ad adrenalina; il donatore del metile è la S-adenosilmetionina. Curiosamente, la transmetilasi che catalizza questa tappa è idrosolubile, e si ritiene si trovi nel citoplasma: la noradrenalina esce quindi dai granuli con trasporto passivo, viene convertita in adrenalina, e viene reimmessa nei granuli con un trasporto attivo ATP-dipendente; in questo processo sono coinvolti trasportatori monoaminici delle vescicole. L'attività di PNMT è regolata da un imponente flusso di steroidi surrenalici, che giungono alle cellule della zona midollare attraverso il sistema di sinusoidi che mette in comunicazione le due zone.

Si invita il lettore a prestare attenzione al fatto che ogni enzima di questa via utilizza un cofattore diverso.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

Le catecolammine, una volta sintetizzate secondo questo processo, vengono accumulate in granuli secretori; è stato osservato che le cellule cromaffini rilasciano tre tipi di granuli:

granuli contenenti adrenalina;

granuli contenenti noradrenalina;

granuli contenenti adrenalina e noradrenalina;

Questi granuli vengono secreti per esocitosi; il segnale che induce il rilascio delle vescicole è impartito da fibre nervose di neuroni pregangliari simpatici (nervo splancnico), che rilasciano acetilcolina. Legandosi a recettori sulle cellule cromaffini, si innesca una depolarizzazione delle cellule che porta all'aumento di concentrazione di Ca2+, la quale innesca l'esocitosi. La secrezione di catecolammine è una risposta allo stress, inteso in senso ampio: può essere innescata da una ferita, una emorragia, paura, etc.

Nel plasma, le catecolammine hanno un'emivita estremamente breve (nell'ordine delle decine di secondi). Questo è funzionale alla regolazione del segnale: un segnale deve terminare rapidamente. Una frazione delle catecolammine che rappresenta circa la metà del totale circola associata ad un'albumina.

La degradazione delle catecolammine avviene in parte nei tessuti bersaglio, ma soprattutto nel fegato, ad opera di due enzimi:

catecol-O-metiltransferasi (COMT). Catalizza una reazione di O-metilazione; il donatore di metili è la S-adenosilmetionina. Questa reazione produce metanefrina o normetanefrina, che possono divenire substrato della monoamina ossidasi (MAO), oppure essere coniugate, da altri enzimi, con acido glucuronico o solforico, ed essere escrete in questa forma.

monoamina ossidasi (MAO). Deamina ossidativamente metanefrina o normetanefrina. Produce nel primo dei casi metilamina e aldeide 3-metossi-4-idrossimandelica, che poi viene ossidata in acido 3-metossi-4-idrossimandelico (o acido vanilmandelico) da una deidrogenasi che nel processo riduce NAD+ a NADH. Nel caso della normetanefrina il processo è simile, e viene prodotto anche in questo caso acido vanilmandelico.

La dopamina produce, con queste stesse vie, acido omovanillico.

Effetti fisiologici delle catecolammine

La risposta biologica evocata dalle catecolammine è mediata da recettori accoppiati a proteine G. La trasduzione del segnale di adrenalina e noradrenalina (e la risultante azione fisiologica) è sicuramente tra le più complesse che vedremo, poiché non solo esistono diversi recettori, che in alcuni casi mediano effetti opposti, ma sono anche espressi in maniera tessuto-specifica. Si distinguono innanzi tutto:

recettori adrenergici: vi si legano tendenzialmente epinefrina e norepinefrina; sono espressi in moltissimi tessuti, tra cui miocardio, tessuto muscolare striato scheletrico e liscio (in specie nel tratto digerente), fegato, tessuto adiposo, tessuto nervoso, rene; è opportuno ricordare che le catecolammine rilasciate dalla midollare del surrene hanno una valenza endocrina, e non agiscono a livello encefalico (a causa della barriera emato-encefalica); viceversa, le catecolammine rilasciate a livello encefalico hanno valenza di neurotrasmettitori.

recettori dopaminergici: vi si lega tendenzialmente la dopamina; sono espressi a livello encefalico.

I recettori adrenergici sono ulteriormente suddivisi sulla base del tipo di subunità della proteina G che presentano e della capacità di legare alcune molecole agoniste e antagoniste in recettori α1, α2, β1, β2 e β3. Gli effetti che mediano sono eterogenei, ma in generale siamo in presenza di effetti biologici che hanno la funzione di predisporre il corpo al combattimento, o, in alternativa, a fuggire il più velocemente possibile (fight or flight). Alcuni tra questi recettori mediano tuttavia effetti opposti, pur essendo espressi nello stesso tessuto: in questi casi, la presenza dei recettori con effetti opposti serve per modulare la risposta biologica, perché varia l'affinità degli ormoni per i diversi

recettori. Per esempio, i recettori α1 hanno più affinità per la noradrenalina che per l'adrenalina, mentre per i recettori α2 è vero il contrario: sono più affini per l'adrenalina che per la noradrenalina. Quindi, quando l'adrenalina è secreta in basse concentrazioni, si legherà soprattutto agli α2 e non agli α1, e quindi prevarranno gli effetti dei primi.

L'effetto dell'adrenalina circolante è essenzialmente lo stesso che risulta dalla stimolazione diretta dei tessuti bersaglio da parte del sistema nervoso simpatico.

I recettori α1 adrenergici presentano subunità Gαq. Tendenzialmente attivano la fosfolipasi C, sfruttando il pathway DAG-PKC-IP3-Ca2+. Si può avere anche l'attivazione della fosfolipasi A2. Sono espressi soprattutto nella muscolatura liscia e nel fegato. Quando vi si lega l'adrenalina, verso la quale presentano una maggiore affinità rispetto alla noradrenalina, innescano:

la contrazione del muscolo liscio a livello di vasi (vasocostrizione) e bronchi, del tratto gastrointestinale e in tutto il tratto genito-urinario;

dilatazione dell'iride (in questo modo la funzione visiva è permessa anche in condizioni di scarsa luminosità)

Nel fegato mediano un aumento della glicogenolisi e della gluconeogenesi – per rendere disponibile glucosio;

modulano la contrazione cardiaca;

I recettori α2 adrenergici sono caratterizzati da una subunità Gαi o G0 e sono suddivisi in ulteriori sottogruppi. Possono attivare diversi pathways: tendenzialmente mediano l'inattivazione della adenilato ciclasi, e quindi un decremento della concentrazione intracellulare di cAMP. In altri casi, attivano o inibiscono canali ionici. Sono espressi soprattutto dalla muscolatura liscia del tratto gastrointestinale, ma hanno effetti anche in altri tessuti. Provocano:

rilassamento della muscolatura del tratto gastrointestinale (tranne che a livello degli sfinteri);

inibizione della lipolisi nel tessuto adiposo;

inibizione della secrezione di renina da parte del rene;

inibizione della secrezione di insulina pancreatica;

induzione del rilascio di glucagone;

Inoltre, questi recettori, quando le catecolammine sono utilizzate come neurotrasmettitori, modulano la trasmissione sinaptica. Sono anche coinvolti nella regolazione della pressione sanguigna – in particolare, questi recettori sono divisi in due sottogruppi, A e B, che hanno azione antagonista.

I recettori β1 adrenergici sfruttano una subunità Gαs. Il pathway che ci aspettiamo dunque è quello della adenilato ciclasi, con aumento di cAMP intracellulare. Questi recettori sono molto espressi a livello miocardico. Rispetto alle altre catecolammine, presentano maggiore affinità per la norepinefrina, che attiva i seguenti effetti:

incremento della contrazione a livello miocardico;

stimolazione della lipolisi a livello di diversi tessuti, tra cui tessuto adiposo;

Il primo di questi due effetti è molto importante: vediamo come avviene. L'aumento della concentrazione di cAMP infatti attiva la PKA, che fosforila come sempre delle proteine substrato; in questo caso, le proteine substrato sono dei canali per il calcio a livello del sarcolemma (di tipo L) e dei canali per il calcio rianodina-sensibili a livello del reticolo sarcoplasmatico; viene fosforilata anche la troponina I. I canali del calcio vengono attivati, portando così ad aumento della concentrazione intracellulare del Ca2+; lo ione si lega alla calmodulina, innescando un cambiamento

conformazionale. La proteina può allora legarsi alla MLCK, o chinasi della catena leggera della miosina, che, attivandosi, fosforila la catena leggera della miosina a livello di un residuo di serina. Questo permette alla miosina di legarsi all'actina – in questo modo, la contrazione può cominciare. In breve, questo porta ad un incremento della contrazione, sia in termini di forza che di frequenza. L'incremento nella lipolisi invece è dovuto a fosforilazione delle perilipine, che espongono la goccia lipidica, e fosforilazione della lipasi, che incrementa la propria attività.

Anche i recettori β2 adrenergici sfruttano una subunità Gαs. Sfruttano lo stesso pathway dei β1, ma al contrario di questi presentano maggiore affinità per l'adrenalina; sono espressi a livello del fegato, della muscolatura liscia di vasi, bronchi e del tratto gastrointestinale. Mediano:

Stimolazione della glicogenolisi associata ad inibizione della glicogenosintesi nel muscolo scheletrico;

Induzione della gluconeogenesi e della glicogenolisi nel fegato;

Rilassamento della muscolatura liscia (con vaso- e broncodilatazione, rilassamento della muscolatura gastrointestinale, etc.)

Mentre nel caso dei recettori β1 la fosforilazione ad opera della PKA era attivatoria per la contrazione, in questo caso PKA media delle fosforilazioni di tipo inibitorio. In particolare, la fosforilazione della MLCK la inattiva, impedendo che questa fosforili la catena leggera della miosina, e la contrazione non può iniziare.

Quindi, gli agonisti dei recettori β1 e β3, cioè le sostanze che stimolano separatamente uno di questi due recettori, hanno effetti opposti.

Per quanto riguarda i recettori β3, sono espressi principalmente a livello del tessuto adiposo, dove regolano la termogenesi e la lipolisi. Sfruttano lo stesso pathway degli altri β recettori, ma la PKA attiva la triacilglicerolo lipasi, che mobilizza gli acidi grassi.

Cerchiamo di ricapitolare l'espressione di questi recettori a livello dei varii tessuti:

miocardio: esprime prevalentemente recettori β1, che ne stimolano la frequenza di contrazione;

muscolatura liscia di vasi e bronchi: questo tessuto esprime prevalentemente recettori α1 e β2, che mediano risposte biologiche opposte: α1 induce la contrazione dei muscoli lisci, β2 ne induce il rilassamento. L'attivazione di uno o dell'altro dipende da quale ormone viene secreto, in quanto hanno differente affinità per noradrenalina o adrenalina. In caso di attivazione degli alfa-1, abbiamo vasocostrizione (con conseguente effetto ipertensivo) e broncocostrizione (con conseguente chiusura delle vie aeree); nel caso dei beta-2, vasodilatazione (che causa ipotensione) e broncodilatazione (che porta ad una apertura delle vie aeree).

Muscolatura liscia del tratto gastrointestinale: esprime α1 α2 e β2 , che in definitiva portano, quando attivati, ad un rilassamento muscolare. Questo fa sì che la digestione si arresti temporaneamente; la funzione di questo effetto fisiologico è quella di impedire l'utilizzo di risorse metaboliche in processi che non sono essenziali (o quantomeno, non essenziali di fronte ad un pericolo mortale).

Fegato: Gli epatociti espongono sulle loro membrane soprattutto i recettori α1 e β2, che in questo tessuto mediano soprattutto l'influenza sul metabolismo glucidico. In particolare, inibiscono la sintesi del glicogeno (inibendo la glicogeno sintasi) e ne promuovono la degradazione per rilasciare glucosio (attivando la glicogeno fosforilasi). Il perché l'evoluzione abbia selezionato questo effetto è intuitivo: in momenti di pericolo, cioè quando il corpo deve essere pronto a fuggire oppure a scappare, il glucosio deve essere disponibile.

Rene: in questo organo si osserva una espressione prevalente del recettore β2, attarverso il

quale lo stimolo ormonale induce secrezione di renina. Attraverso una serie di reazioni che complessivamente sono parte del cosiddetto “sistema renina-angiotensina”, viene attivata l'angiotensina II. Questo è di fatto un ormone che produce una serie di effetti volti ad incrementare la pressione sanguigna.

Tessuto adiposo: viene espresso soprattutto il recettore β3, che quando attivato dal legame con l'ormone media segnali intracellulari che culminano nella attivazione della lipolisi.

A questo punto, probabilmente sorge spontanea una domanda: quando l'adrenalina viene secreta, a quali recettori si lega? In concreto, cosa succede quando questi ormoni vengono rilasciati nel sangue? La risposta è che adrenalina e noradrenalina circolanti si legano ad entrambi i tipi di recettore. I recettori α sono meno affini rispetto ai recettori β, ma mediano una risposta intracellulare più intensa: così, ad alte concentrazioni di adrenalina, prevalgono gli effetti mediati dai recettori α (per esempio, vasocostrizione); a concentrazioni più basse, prevalgono gli effetti mediati dai recettori β.

Come si vede dagli effetti scatenati dalla secrezione di catecolammine, questi sono ormoni che preparano ad affrontare situazioni di “emergenza”, inducendo uno stato di allerta e mobilizzando riserve a livello di fegato e tessuto adiposo (glicogenolisi, lipolisi), per assicurare la disponibilità di substrati energetici rapidamente utilizzabili.

È importante sottolineare che una parte della regolazione degli effetti delle catecolammine avviene proprio a livello dei recettori. Si può avere una regolazione negativa ed una regolazione positiva. La regolazione negativa corrisponde essenzialmente al processo di desensibilizzazione recettoriale: in poche parole, quando i recettori vengono esposti in modo persistente e prolungato all'azione di un agonista, subentrano dei fenomeni per cui la durata e l'efficacia della risposta sono progressivamente ridotte. Per esempio, la regione C-terminale intracellulare dei β recettori presenta dei siti di fosforilazione, che sono fondamentali per questo processo di desensibilizzazione: il fenomeno è mediato dalla fosforilazione del recettore, che viene legato da una proteina inibitoria detta β-arrestina; agisce impedendo al recettore di attivare Gs. In altri casi, si ha l'internalizzazione dei recettori, o la inibizione della loro espressione genica. La regolazione positiva invece corrisponde ad un incremento della espressione di questi recettori; è indotto, per esempio, dagli ormoni tiroidei e dai glucocorticoidi.

Gli ormoni della tiroide

Biosintesi

Gli ormoni tiroidei sono la triiodotironina (T3) e la tetraiodotironina (T4). Lipofili, derivano anch'essi, come le catecolammine, dall'aminoacido tirosina (o, indirettamente, dalla fenilalanina), e nella loro costituzione entra a far parte in maniera significativa lo iodio. In particolare, per formare questi due ormoni i tireociti combinano due molecole di tirosina iodinate in posizioni particolari. Per le cellule follicolari dunque si presentano diverse necessità, relativamente insolite nel corpo umano:

devono raccogliere e concentrare in gran quantità lo iodio, che è un elemento relativamente poco abbondante, se non raro in alcune parti del mondo

devono modificare la tirosina e iodinarla

devono complessare tra loro diverse tirosine modificate e iodate a formare i due ormoni tiroidei

Durante l'evoluzione, per ovviare a queste esigenze, si è sviluppato un processo di sintesi piuttosto curioso. Le cellule follicolari accumulano grandissime quantità di iodio con un processo molto complicato; sintetizzano poi una proteina, la tiroglobulina, molto ricca di residui di tirosina, che sfruttano come un supporto o una impalcatura molecolare per effettuare le modifiche alla tirosina a livello del versante extracellulare della membrana plasmatica apicale (il versante rivolto verso la cavità follicolare); queste reazioni rappresentano i primi passaggi della biosintesi. Il processo viene interrotto, e la tiroglobulina rimane nelle cavità follicolari, conservata sotto forma di colloide; quando arriva lo stimolo per la secrezione, la colloide viene riassorbita, e la tiroglobulina ritorna ad essere il supporto molecolare dove si completano gli ultimi passaggi della biosintesi con i quali i due ormoni vengono liberati. La tiroglobulina deve essere degradata perché i due ormoni siano liberati.

L'ormone TSH (Thyroid Stimulating Hormone) controlla sia la sintesi che il rilascio degli ormoni tiroidei; dato che il processo nella sua interezza è molto complesso, esamineremo più avanti l'azione del TSH.

Abbiamo detto che l'impalcatura molecolare a livello della quale avviene gran parte della biosintesi degli ormoni tiroidei è la tiroglobulina. Si tratta di una glicoproteina composta da due subunità, del peso molecolare di 660 kDa; è formata da circa 5000 residui aminoacidi, di cui 115 sono costituiti da tirosina. Ciascuno di questi 115 residui è virtualmente nelle condizioni di essere iodinato. La tiroglobulina viene tradotta a livello della porzione basale delle cellule follicolari; passa attraverso RER e Golgi, dove subisce la glicosilazione (la componente carboidratica al termine delle modifiche post traduzionali rappresenta circa il 10% del PM della proteina); racchiusa in vescicole che gemmano dal Golgi, viene esocitata a livello della porzione apicale delle cellule, cioè nel lume follicolare. È qui che avviene la iodinazione dei residui di tirosina. Da dove proviene lo iodio? Come viene trasportato qui? Lasciamo per un istante la tiroglobulina a livello del versante

Dove siamo: La tiroide

La tiroide è una ghiandola situata nel collo. Avvolge la parte anteriore della trachea, al di sotto della cartilagine tiroidea. E' composta da due lobi uniti da una porzione ristretta detta istmo. Microscopicamente è composta da follicoli, formazioni sferoidali di cellule disposte a circondare una cavità follicolare, che può essere, a seconda del momento fisiologico, colma di una sostanza detta colloide. La tiroide può essere dunque immaginata come composta da tante piccole “cisti”. Le popolazioni cellulari essenzialmente sono:Cellule follicolari : delimitano il lume dei follicoli, sono coinvolte nella sintesi della colloide e degli ormoni tiroideiCellule C: non sono in contatto con il lume dei follicoli, sono coinvolte nella sintesi di calcitonina.Altri citotipi: cellule endoteliali che delimitano i vasi, fibroblasti, adipociti, etc.

extracellulare della membrana apicale, e ritorniamo all'interno della cellula.

Le cellule follicolari si sono specializzate nel concentrare al loro interno lo iodio: si calcola che la concentrazione di ione ioduro nel loro citoplasma sia 25-30 volte maggiore della concentrazione plasmatica, un fatto peraltro sfruttato per la valutazione della funzionalità tiroidea tramite un radioisotopo dello iodio. Lo iodio deriva in parte dalla dieta (sale, alimenti marini, piante cresciute in terreni ricchi di iodio), in parte dal riciclaggio dello iodio che le cellule non sono riuscite ad incorporare negli ormoni (dopo vedremo come avviene anche questo processo). Lo iodio esogeno viene concentrato nelle cellule con un sistema di trasporto attivo, sfruttando una pompa di trasporto Na+-K+ ATP-dipendente, associata ad un simporto Na+-I- chiamato NIS. Questa proteina è espressa tipicamente dalle cellule tiroidee ed esposta a livello della membrana basolaterale, ma viene espresso anche da altri tessuti, a bassi livelli (placenta, ghiandole salivari, mammella). Il meccanismo con cui si attua questo trasporto (intrappolamento dello ioduro) è il seguente: lo iodio entra nella cellula contro gradiente, a livello della membrana basolaterale, insieme a due ioni sodio che invece si muovono secondo gradiente (il sodio è più concentrato nel liquido extracellulare). Il gradiente di sodio che sostiene il processo è mantenuto grazie alla Na+-K+ ATP-dipendente. L'espressione del gene di NIS è inibita dallo iodio e promossa dal TSH.

Una volta nel citoplasma, lo iodio appena trasportato, insieme allo iodio riciclato, si sposta verso la membrana apicale, dove viene trasportato nel lume grazie ad un canale per lo iodio che aumenta la permeabilità della membrana per questo ione.

Abbiamo quindi visto come lo ioduro sia stato trasportato nel lume del follicolo, dove sono presenti anche le tiroglobuline, con i loro residui di tirosina esposti. Può avvenire quindi l'organicazione dello iodio. Questo processo richiede la sua ossidazione, perché I- ha gli orbitali completi e non forma legami. La reazione è catalizzata dall'enzima tireoperossidasi, una proteina tetramerica contenente un gruppo eme, localizzata a livello del versante extracellulare della membrana apicale delle cellule follicolari. Questo enzima ossida lo ioduro riducendo H2O2 ad H2O; il perossido di idrogeno necessario per questa reazione è fornito da una flavoproteina NADPH-dipendente. Questo è, peraltro, un esempio di una condizione fisiologica in cui per la cellula si rende necessario produrre ROS. Lo iodio ossidato viene legato al carbonio 3 oppure sia al carbonio 3 sia al carbonio 5 dell'anello fenilico dei residui di tirosina, producendo rispettivamente 3-monoiodotirosina (MIT) o 3,5-diiodotirosina (DIT) (figura a lato)

Lo stesso enzima tireoperossidasi è in grado di condensare tra loro MIT e DIT in due diverse combinazioni, a produrre triiodotironina (T3) e tetraiodotironina (T4) – “tironina” identifica il composto originatosi dalla unione di due molecole di tirosina. La reazione consiste nel trasferimento di gruppi monoiodofenolici o diiodofenolici rispettivamente di una MIT o una DIT sui gruppi mono- e diiodofenolici di altri residui di MIT e DIT:

Quindi, prima le tirosine vengono iodinate, e poi complessate insieme.

Queste condensazioni possono avvenire tra MIT e DIT nell'ambito della stessa tiroglobulina, o tra MIT e DIT di tiroglobuline vicine. Notare che sia T3 che T4 rimangono covalentemente legati alla proteina. Ovviamente, non tutte le MIT e le DIT riescono ad essere condensate, cosìcché le tiroglobuline del lume follicolare, che costituiscono la colloide, tipicamente contengono MIT, DIT (il 70% circa delle tirosine è in una di queste due forme), T3 e T4 (30%); la tetraiodotironina è molto più abbondante della triiodotironina (il rapporto è di circa 7:1).

Gli ormoni tiroidei sono conservati in questa forma fino a che non giunge lo stimolo del TSH ipofisaria. A questo punto, le cellule follicolari riassorbono la colloide mediante endocitosi; le vescicole così formatesi, contenenti tiroglobulina, si fondono all'interno della cellula con lisosomi, le cui proteasi degradano la tiroglobulina nei suoi aminoacidi costituenti, e quindi rilasciando MIT, DIT, T3 e T4 . Questi ultimi vengono secreti a livello della membrana basolaterale, mentre MIT e DIT vengono deiodinati – questo è il processo di riciclaggio a cui accennavamo prima – in questo modo è possibile per le cellule riutilizzare lo iodio per iodinare nuove tiroglobuline. La reazione è catalizzata dall'enzima deiodinasi, che utilizza NADPH.

Nella pagina successiva è presente uno schema che riassume la biosintesi nel suo complesso.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazioneA livello della tiroide viene prodotto molto più T4 che T3, cosicché il primo ha una concentrazione 40 volte maggiore rispetto al secondo. È necessario comunque tener presente che quasi tutte le molecole di ormone in circolo risultano legate a tre proteine, perché sono ormoni lipofili, e questo condiziona la loro concentrazione effettiva. Gli ormoni tiroidei risultano legati nel sangue:

ad una globulina detta TBG (Thyroxine Binding Protein), che lega con grandissima affinità la T4 e con minore affinità T3. Circa il 70% delle molecole sono legate alla TBG. Questo fa sì che, di fatto, non vi sia una differenza così marcata tra la concentrazione plasmatica dei due ormoni liberi, che è comune estremamente bassa.

Ad una prealbumina detta TBPA (Thyroxine Binding Pre-Albumin), o transtiretina, in grado di legare entrambi gli ormoni, ma soprattutto T4, anche se con minore affinità rispetto alla precedente

all'albumina, con scarsa affinità; è in grado di legare entrambe, ma soprattutto T3.

Il fatto che quasi tutto l'ormone in circolo sia legato a proteine ne prolunga in maniera sostanziale l'emivita. T4, che tra i due si lega, nel complesso, con più affinità, ha un'emivita di ben 7 giorni, mentre T3 di 1 giorno.

Il rilascio degli ormoni tiroidei dalle proteine di trasporto è in equilibrio dinamico; circa lo 0,3% degli ormoni tiroidei circola libero, e rappresenta la frazione di ormone biodisponibile; via via che questi ormoni vengono degradati o si legano ai recettori a livello delle cellule bersaglio esplicando la loro azione, l'equilibrio si sposta, e gradualmente gli ormoni si distaccano dalle proteine di trasporto. Dunque, oltre a prolungarne l'emivita, il legame alle proteine plasmatiche costituisce anche una riserva di ormone. Inoltre, la concentrazione di ormone libero esercita un'azione a feedback sulla secrezione di TSH.

Il metabolismo periferico degli ormoni tiroidei consiste di una serie di deiodinazioni sequenziali. La T4

viene deiodinata nei tessuti periferici per produrre T3, che è circa 10 volte più attivo – dunque T4 può essere considerato un pro-ormone. In altre parole, T3 è più attivo ma è presente in bassa concentrazione; T4 è il suo precursore ed è più abbondante. In un certo numero di casi (all'incirca il 30%), la deiodinazione di T 4 non produce T3, ma rT3 (reverse T3). Questo accade quando viene eliminato lo idio in posizione 5 dell'anello più interno. L'rT3 ha una scarsissima attività biologica, a differenza del T3, e può essere considerato come un suo antagonista. Le deiodinazioni successive a questa non hanno significato attivatorio, e producono forme inattive, che vengono solfatate e glucuronidate per poi essere escrete con le urine o con la bile. T 3 e rT3

vengono convertiti in diiodotironina (T2), del tutto inattivo.

Gli enzimi che catalizzano queste reazioni sono le deiodinasi, che utilizzano il raro elemento selenio nella loro attività catalitica; sono stati identificati diversi tipi di deiodinasi:

Deiodinasi I: catalizza soprattutto le deiodinazione di T4 e di rT3. È l'enzima responsabile della gran parte delle deiodinazioni che portano alla conversione di T4 nel più attivo T3, ed è espressa in tiroide, rene e fegato.

Deiodinasi II: catalizza la deiodinazione di T4 a T3 nel tessuto nervoso, adiposo, muscolare scheletrico, muscolare cardiaco, e ipofisi – questo enzima è molto importante soprattutto a livello di quest'ultima, dove riveste un ruolo nell'inibizione a feedback del T3 sul TSH, producendo una quota

dell'ormone direttamente a livello ipofisario.

Deiodinasi III: è in grado di convertire T4 in rT3 e T3 in T2. È espressa a livello del tessuto nervoso, oltre che nell'epidermide e nella placenta. In quest'ultimo tessuto è importante perché riduce la quota di T3 che passa dalla madre al feto, proteggendolo dall'eccesso di ormoni.

Questi processi di inattivazione culminano con la solfatazione e la glucuronazione - che si svolgono soprattutto nel rene e nel fegato – il rene è anche in grado di eliminare direttamente le forme libere di T4 e T3.

Adesso che abbiamo esaminato il metabolismo degli ormoni tiroidei, possiamo prenderne in considerazione la regolazione, che è essenzialmente a carico del TSH ipofiario, o ormone tireostimolante – quest'ultimo è un ormone glicoproteico dell'asse ipotalamo-ipofisi, ed è stimolato a sua volta dal releasing hormone ipotalamico. Il TSH agisce, come abbiamo visto, legandosi a recettori accoppiati a proteine G; a valle, avviene la stimolazione della adenilato ciclasi, con aumento della concentrazione di cAMP. La regolazione esplicata dal TSH si evidenzia con effetti a breve e a lungo termine. Gli effetti a breve termine prevedono una stimolazione di tutte le tappe della biosintesi: aumento dell'uptake di iodio e della sua organicazione, promozione del trasporto intracellulare e dell'attività degli enzimi coinvolti; stimola la secrezione ed il processamento della tiroglobulina Con gli effetti a lungo termine, il TSH upregola l'espressione genica:

del simporto Na/I, responsabile della concentrazione dello iodio nei tireociti;

della tireoglobulina

della perossidasi tiroidea

Inoltre, aumenta il flusso ematico che giunge alla tiroide e promuove il trofismo dei tireociti.

È opportuno ricordare che gli ormoni tiroidei, in particolare la T3 originata intracellularmente nell'ipofisi, inibiscono tramite feedback negativo la secrezione di TSH; a livello dell'ipotalamo, inibiscono la secrezione di TRH.

Un meccanismo di regolazione TSH-indipendente che è importante citare consiste nel cosiddetto effetto Wolff-Chaikoff. Quando la concentrazione di iodio circolante è estremamente elevata, l'organicazione dello iodio nel follicolo tiroideo viene autoinibita per downregolazione dell'espressione della tireoperossidasi, e con essa la secrezione degli ormoni. In genere, l'attività riprende dopo alcuni giorni in seguito a fenomeni non del tutto chiari.

Effetti fisiologici degli ormoni tiroidei

Le risposte fisiologiche evocate dagli ormoni tiroidei sono estremamente eterogenee, ed hanno come bersaglio una ampia serie di tessuti. Infatti, da una parte i recettori (intracellulari) per gli ormoni tiroidei sono espressi in quasi tutti i citotipi umani, dall'altra gli ormoni tiroidei agiscono principalmente tramite effetti a livello genico, ma anche a livello metabolico – anche se non è chiaro attraverso quali processi sia esplicata questa azione non genica.

I recettori nucleari sono molto simili ai recettori degli ormoni steroidei, e sono chiamati α e β – il recettore β, in particolare, sembra molto importante, e mutazioni a suo carico determinano resistenza agli ormoni tiroidei. Di solito si trovano associati alla cromatina a livello di specifici response elements, legati a diversi repressori; il legame con l'ormone, che avviene con più affinità per T3 che per T4, determina la dissociazione dei repressori e il legame di attivatori. I recettori attivati agiscono, analogamente a quanto accade per i recettori intracellulari degli altri ormoni lipofili, come fattori di trascrizione. In genere attivano o inibiscono la trascrizione di un gene legandosi a livello del promotore, o comunque a zone del gene dette Thyroid Response Elements – identificate dalla sequenza nucleotidica 3’- AGGTCANNNNAGGTCA-5’. Alcuni geni la cui trascrizione è attivata dagli ormoni tiroidei sono:

La ATPasi Na+-K+ (questo aumenta indirettamente il consumo di ossigeno);

proteine disaccoppianti, con aumento di produzione di calore;

Oltre a questo, gli ormoni tiroidei

aumentano il metabolismo basale e intermedio;

promuvono la sintesi proteica;

incrementano la glicogenolisi e la gluconeogenesi;

favoriscono la sintesi del colesterolo.

A livello del tessuto osseo, stimolano la crescita e il riassorbimento osseo attivando osteoblasti e osteoclasti;

Negli adipociti, stimolano l'accumulo di lipidi intracellulari e attivano le proteine disaccoppianti;

Nel fegato, stimolano il metabolismo lipidico e glicidico;

A livello dell'ipofisi e dell'ipotalamo inibiscono la secrezione, rispettivamente, di TSH e TRH; inoltre, stimolano la sintesi ed il rilascio dell'ormone della crescita.

Ormoni derivati dall'acido arachidonico Gli ormoni derivati dagli acidi grassi sono chiamati collettivamente eicosanoidi. Il nome proviene dal greco antico εικοσα- (eicosa-), “20”, ad indicare che queste molecole tipicamente sono sintetizzate a partire dall'ossidazione di acidi grassi a 20 atomi di C, soprattutto dall'acido arachidonico.

L'acido arachidonico, o acido 5,8,11,14-eicosatetraenoico, è un acido grasso essenziale (20:4 Δ5,8,11,14) che si trova per lo più nei fosfolipidi della membrana cellulare, esterificato al glicerolo solitamente in posizione 2. Costituisce da solo dal 5% al 15% degli acidi grassi dei fosfolipidi. Per essere impiegato nella sintesi, l'arachidonato deve essere prima liberato – questa reazione è catalizzata dalla fosfolipasi A2.

Altri due acidi grassi sono utilizzati come substrato per la sintesi degli eicosanoidi:

l'acido diomo γ-linolenico (20:3 Δ8,11,14), o acido 8,11,14-eicosatrieonico: è ottenuto a partire dall'elongazione dell'acido γ-linoleico, quest'ultimo sintetizzato desaturando l'acido linoleico (18:2 Δ9,12), un altro acido essenziale assunto con la dieta.

L'acido 5,8,11,14,17-eicosapentaenoico (20:5 Δ5,8,11,14,17), ottenuto dall'acido α-linolenico (18:3 Δ9,12,15), essenziale.

Dunque, gli ecosanoidi derivano da acidi grassi a 20 C con 3, 4, o 5 doppi legami, essenziali (e dunque assunti con la dieta) o sintetizzati a partire da acidi grassi essenziali.

Gli eicosanoidi sono di un'importanza biologica notevole: agendo come ormoni autocrini e paracrini, entrano in gioco in processi molto diversi (in certi casi con ruoli antagonisti) come l'infiammazione, il controllo della vasocostrizione, o la coagulazione. Poiché sono così numerosi, è importante avere ben chiara la classificazione di questi composti per poterne comprendere al meglio la biosintesi e l'azione fisiologica. Gli eicosanoidi sono divisi in classi su base strutturale:

prostaglandine (PG)

prostacicline (PGI)

trombossani (TX)

leucotrieni (LT)

lipossine (LX)

PG e PGI sono detti collettivamente prostanoidi – alcuni autori includono in questo gruppo anche i trombossani. In genere, il termine eicosanodi è utilizzato per riferirsi ad un composto facente parte di una di queste classi – si parla, soprattutto nella letteratura anglosassone, di “eicosanoidi classici”. Tuttavia, diversi altri composti possono essere ricondotti alla famiglia – si parla allora di “eicosanoidi non classici” o “novel eicosanoids”:

idroperossidi di acidi eicosatetraenoici (HPETE, da HydroPeroxyEicosaTetraEnoic acids)

idrossidi di acidi eicosatetraenoici (HETE, da HydroxyEicosaTetraEnoic acids)

epossidi di acidi eicosatrienoici (EET, da EpoxyEicosaTrienoic acids)

diidrossidi di acidi eicosatetraenoici (diHETE, da diHydroxyEicosaTetraEnoic acids)

Si tratta solitamente di metaboliti e intermedi degli stessi acidi grassi da cui derivano gli eicosanoidi, in alcuni casi originatisi da vie ossidative alternative o reazioni di ossidazione spontanee, e dotati di attività biologica.

Le varie classi di eicosanoidi hanno strutture molto variabili: in generale, prostaglandine, prostacicline e trombossani sono formati da un anello a cui sono legate due catene laterali; leucotrieni e lipossine hanno invece struttura lineare. Ogni ecosanoide si identifica tramite:

Due lettere che indicano la classe (es. PG per le prostaglandine)

Una lettera, stabilita in modo arbitrario, che indica il tipo e la posizione di certi sostituenti. (es. PGE

indica la serie E della classe delle prostaglandine, i cui composti sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo β-idrossi-chetonico)

Queste tre lettere sono accompagnate da un indice sottoscritto (es. PGE2) che si riferisce al numero di doppi legami nelle catene laterali. È molto comune raggruppare gli eicosanoidi in serie sulla base del numero di doppi legami (per esempio, “prostaglandine della serie 2” si riferisce a tutte le prostaglandine con il numero 2 come pedice, e dunque con due doppi legami nelle catene laterali).

Una lettera greca indica la configurazione stereochimica dell' OH legato in C9, quando presente: α indica che il gruppo OH si proietta sotto il piano dell'anello, β che si proietta sopra.

Esaminiamo rapidamente le caratteristiche delle classi principali.

Prostaglandine (PG): strutturalmente assimilabili all'acido prostanoico, mediano la risposta infiammatoria. Le contraddistingue un anello a cinque termini ciclopentanico. Come abbiamo accennato, a seconda dei sostituenti e delle caratteristiche di questo anello sono divise in 9 sottoclassi: PGA, PGB, PGC, PGE, PGF, PGG, PGH, PGI. Ciascuna classe è ulteriormente divisa in sottogruppi, identificati da un numero sottoscritto (PGA1, PGA2, etc) sulla base del numero di doppi legami della catena laterale. Le prostaglandine più comuni sono quelle dei gruppi A, E ed F. Oltre ad intervenire nei processi infiammatori, queste molecole hanno un ruolo nella regolazione della temperatura corporea quando agiscono a livello ipotalamico, e nella contrazione o nel rilassamento della muscolatura liscia di vasi, bronchi e della muscolatura uterina.

Prostacicline (PGI): sono di fatto ormoni indipendenti, ma nella classificazione degli ecosanoidi sono considerati come una sottoclasse delle prostaglandine; come tali, anche queste sono strutturalmente assimilabili all'acido prostanoico. La loro caratteristica distintiva è la presenza di due anelli: l'anello a 5 termini tipico delle prostaglandine, più un secondo anello, pentagonale ed eterociclico. Quando si parla di “prostaciclina”, senza specificare, ci si riferisce di solito alla PGI2. Promuovono la vasodilatazione e inibiscono l'aggregazione piastrinica.

Trombossani (TX): nei trombossani, l'anello ciclopentanico è sostituito da un anello eterociclico a sei termini contenente ossigeno. Sono divisi in due sottoclassi: TXA e TXB. I trombossani promuovono il processo della coagulazione – cioè, alla formazione di trombi, da cui il loro nome – nonché la vasocostrizione; trombossani e prostacicline hanno quindi azione antagonista.

Leucotrieni (LT): caratterizzati dall'assenza di anelli (sono quindi molecole lineari), e dalla presenza di tre doppi legami coniugati – il nome infatti deriva dall'unione di leuco-, perché queste molecole sono state scoperte nei leucociti, e -trieni, che secondo la nomenclatura della chimica organica indica tre insaturazioni. Spesso è presente un ulteriore doppio legame, non coniugato, per un totale di quattro. Sono divisi nelle sottoclassi A, B, C, D, E. I leucotrieni entrano in gioco nei processi infiammatori, nelle reazioni anafilattiche, nell'asma, e nella chemiotassi delle cellule del sistema immunitario.

Lipossine (LX): caratterizzate dall'assenza di anelli, come i leucotrieni, e dalla presenza di quattro legami insaturi coniugati. Sono di due tipi: A4 e B4. Hanno azione vasocostrittrice e ruolo immunodepressivo.

Gli eicosanoidi vengono virtualmente sintetizzati da tutti i tessuti (in specie le prostaglandine), fatta eccezione per gli eritrociti, anche se vi sono delle specificità tissutali per quanto riguarda il tipo e la quantità di ormoni prodotti.

Vediamo dunque, in maniera schematica, come vengono sintetizzati questi composti, cercando di averne una visione generale.

Biosintesi

In questo paragrafo esamineremo le vie metaboliche che consentono di sintetizzare questa vastissima rosa di composti a partire da tre acidi grassi. Le vie metaboliche preponderanti sono due, e prendono il nome dai due

enzimi coinvolti:

Prostaglandine, prostacicline e trombossani sono ottenuti quando gli acidi grassi precursori diventano substrato della via della ciclossigenasi;

Leucotrieni e lipossine sono ottenuti quando gli acidi grassi precursori diventano substrato della via delle lipossigenasi.

Attraverso una di queste due vie (in realtà ne esiste anche una terza, di cui parleremo più avanti, che ha un ruolo minoritario) gli acidi grassi precursori danno origine a varii composti:

Gli eicosanoidi derivati dall'acido arachidonico attraverso la via della ciclossigenasi sono prostaglandine, prostacicline e trombossani con due doppi legami (PG2, PGI2, e TXA2); la via della lipossigenasi produce leucotrieni e lipossine con 4 doppi legami (LT4 e LX4)

Gli eicosanoidi derivati dall'acido diomo γ-linolenico tramite la via della ciclossigenasi sono prostaglandine e trombossani con un doppio legame (PG1, TXA1), mentre la via della lipossigenasi dà origine a leucotrieni con tre doppi legami (LT3)

Gli eicosanoidi derivadi dall'acido eicosapentaenoico sono prostaglandine, prostacicline e trombossani con tre doppi legami (PG3, PGI3, e TXA3), prodotti attraverso la via della ciclossigenasi, e leucotrieni con cinque doppi legami (LT5) prodotti attraverso la via della lipossigenasi.

Esamineremo in modo più approfondito il destino dell'acido arachidonico, poiché dà origine agli ecoisanoidi più comuni nel corpo umano (le prostaglandine della serie 2), nonché alcuni tra i più importanti.

Abbiamo visto che l'acido arachidonico si trova esterificato al glicerolo in posizione 2 a formare i fosfolipidi di membrana; poiché le reazioni con cui vengono prodotti eicosanoidi avvengono solo sull'acido grasso libero, questo viene innanzi tutto staccato. L'enzima fosfolipasi A2 è in grado di idrolizzare il legame estere

tra l'acido arachidonico ed il glicerolo in risposta ad uno stimolo che può essere di varia natura. Questa è considerata la rezione velocità limitante, in quanto influenza la disponibilità di substrato; in generale, l'azione della fosfolipasi A2 e la sua traslocazione a livello della membrana:

sono promosse dalla sua fosforilazione e dall'aumento di concentrazione del calcio;

sono inibite dagli steroidi, in particolare dai corticosteroidi.

Altre fonti quantitativamente meno importanti di acido arachidonico sono rappresentate da:

esteri del colesterolo con acido arachidonico;

insaturazione dell'acido diomo γ-linolenico da parte della Δ5 desaturasi;

azione della fosfolipasi C, che produce diacilglicerolo e inositolo trifosfato; il diacilglicerolo diviene poi substrato della diacilglicerolo lipasi ed eventualmente della monogliceride lipasi.

Liberato l'acido arachidonico, come abbiamo accennato, questo può entrare in tre diverse vie, che dunque competono per lo stesso substrato:

via della ciclossigenasi: l'arachidonato subisce una reazione catalizzata dal complesso della prostaglandina G/H sintasi (o ciclossigenasi, COX), che produce PGH2, un endoperossido. A partire da questo composto, si possono produrre, a seconda di quale enzima subentri: 1) altri PG2 (delle serie D, E ed F); 2) la prostaciclina PGI2; 3) il trombossano TXA2, da cui derivano tutti gli altri. L'espressione degli enzimi responsabili di queste conversioni varia con il citotipo, dunque il destino della PGH2 è tessuto-specifico.

Via della lipossigenasi: l'arachidonato diviene substrato di tre diverse lipossigenasi, ciascuna in grado di introdurre ossigeno in tre differenti posizioni: 12, 5, e 15. In seguito all'azione combinata di questi tre enzimi, vengono prodotti leucotrieni, lipossine, HPETE ed HETE.

Una terza via, molto meno attiva delle prime due (non rappresentata nello schema), produce diHETE ed HETE; la catalisi è affidata soprattutto a citocromo P450.

Via delle ciclossigenasi: l'enzima cardine su cui si basa questa via è la prostaglandina G/H sintasi (PGS), che si trova per lo più a livello del reticolo endoplasmatico. Si tratta di un omodimero: ciascuna delle due subunità presenta tre dominî:

un dominio con l'attività di ciclossigenasi (COX)

un dominio con attività idroperossidasica (PG idroperossidasi)

un dominio di legame con la membrana, attraverso il quale l'enzima è ancorato al reticolo endoplasmatico o, più raramente, alla membrana nucleare esterna.

L'enzima è spesso chiamato semplicemente COX. Nella prima tappa, l'acido arachidonico subisce una ciclizzazione intramolecolare data dal legame tra C8 e C12; allo stesso tempo, due molecole di O 2 vengono introdotte a formare un endoperossido (tra C9 e C11) ed un idroperossido in C15. Il meccanismo di reazione che è stato proposto per l'enzima prevede la rimozione stereospecifica dell'idrogeno prochiralico-S dal C13 da parte della tirosina 385 del sito attivo; questo dà origine ad un carbonio radicalico. Segue l'ossigenazione in C11, con formazione dell'endoperossido e dell'anello a 5 termini. Una seconda molecola di O2 viene poi introdotta in C15, cui segue la formazione dell'idroperossido.

La molecola formata in questa prima tappa è la PGG2; l'attività perossidasica, glutatione ridotto dipendente, il cui sito attivo si trova nelle vicinanze dell'attività COX, converte il gruppo idroperossido in gruppo idrossilico, producendo PGH2, H2O e glutatione ossidato.

L'attività della COX ha la peculiarità di essere discontinua, perché l'enzima si auto-inattiva dopo circa 30 secondi di attività. Poiché l'enzima di fatto si autodistrugge fa parte dei cosiddetti “enzimi suicidi”.

Queste prime fasi della sintesi di prostaglandine e trombossani sono effettuate,

virtualmente, in tutti i tessuti (tranne che negli eritrociti). Ciò significa che tutti i tessuti esprimono COX. E' però necessario precisare che di COX si conoscono, ad oggi, tre isoenzimi: COX-1, COX-2 e COX-3; quest'ultimo tuttavia viene considerato come una variante di COX-1 (i loro mRNA sono frutto dello splicing alternativo del trascritto dello stesso gene) espressa a livello della corteccia cerebrale e del miocardio, il cui ruolo non è stato chiarito. COX-1 e COX-2 sono meglio conosciuti e considerati più importanti: hanno circa il 65% della sequenza aminoacidica in comune, e peso molecolare comparabile; anche gli aminoacidi a livello dei siti attivi sono molto conservati. Le due COX agiscono praticamente allo stesso modo a livello catalitico (ci sono piccole differenze di specificità, in realtà), tuttavia la loro inibizione differenziale porta a differenti conseguenze:

COX-1 è un enzima costitutivo (o housekeeper), espresso in quasi tutti i tessuti – le prostaglandine sintetizzate da queste cellule sono coinvolte in molti processi fisiologici e in generale nell'omeostasi; per esempio, a livello di mucosa gastrica, dove regolano la secrezione di muco, che protegge le pareti dello stomaco dall'azione dei succhi gastrici; un altro esempio è dato dalla regolazione del flusso renale. Dunque, l'inibizione di questo enzima è in grado, potenzialmente, di creare dei problemi.

COX-2 è un enzima inducibile, indotto durante l'infiammazione soprattutto a livello di macrofagi, monociti e nei tessuti sede di infiammazione o esposti a fattori di crescita o altri mediatori dell'infiammazione (interleuchina-1 o LPS, lipopolisaccaride batterico), oltre che nei neuroni, nelle cellule muscolari lisce e nelle cellule endoteliali; le prostaglandine sintetizzate da queste cellule sono coinvolte nella mediazione dell'infiammazione, nel dolore, e nella febbre – dunque un'inibizione della sintesi di queste prostaglandine riduce anche l'entità di questi processi. La sua espressione è inibita dai glucocorticoidi.

Perché è importante conoscere la differenza tra i due isoenzimi? La sintesi degli eicosanoidi è un processo su cui spesso si deve intervenire clinicamente, di solito per tentare di modulare processi infiammatori. Questo avviene tramite due tipi di farmaci: da un lato, esistono i farmaci anti-infiammatori steroidei, dall'altro i non steroidei (i cosiddetti FANS, o NSAID secondo l'acronimo inglese). I primi (per es. prednisone) inibiscono la fosfolipasi A2, mentre i secondi esplicano la loro azione a livello della COX. L'aspirina (acido acetilsalicilico) è un esempio classico di FANS: agisce metilando irreversibilmente una serina presente nel sito attivo della COX. Tuttavia l'aspirina, così come molti altri FANS, agisce su entrambi gli isoenzimi (anzi, più efficaciemente sulla COX-1!). Quindi, nonostante si somministri il farmaco con lo scopo di inibire la COX-2, per eliminare dolore, infiammazione e febbre, si finisce con l'inibire anche la COX-1, i cui effetti, al contrario, non sono indesiderati. Questo crea diversi problemi: per esempio, è noto che l'utilizzo prolungato di FANS aumenta il rischio di ulcere gastriche, e questo perché la COX-1 è coinvolta nella sintesi di prostaglandine che regolano la secrezione di muco. Un altro esempio classico di FANS è dato dall'ibuprofene, che agisce però con un diverso meccanismo rispetto all'aspirina. Grazie agli sforzi della ricerca, sono stati messi a punto nuovi anti-infiammatori non steroidei (“newer NSAIDs”) più specifici verso la COX-2, ma non privi di effetti collaterali. Tra questi farmaci, il celecoxib, etoricoxib ed il refecoxib (ora ritirato dal mercato) sono i più noti. In ricerca, sono disponibili inibitori della COX-2 1000 volte più specifici, ma, per varii motivi, non possono essere usati come farmaci.

Dopo questa lunga parentesi sulla COX, ritorniamo al prodotto dell'enzima, il PGH2. A seconda del citotipo, questo composto è substrato di diversi enzimi che portano alla sintesi di prostaglandine diverse e trombossani.

PGE2 e PGF2α: prodotte soprattutto in milza e reni per l'intervento prima di una isomerasi (o PGE sintasi), che produce PGE2, e poi di una reduttasi, che porta a PGF2α.

PGI2: prodotta dalla prostaciclina sintasi

PGD2: prodotta dalla PGD sintasi

TXA2: prodotta dalla trombossano sintasi. È un potente vasocostrittore, sintetizzato soprattutto dalle piastrine, che viene rapidamente inattivato a TXB2 – ha una emivita estremamente breve.

Via delle lipossigenasi: se la via delle ciclossigenasi produceva composti ciclici, la via delle lipossigenasi converte l'acido arachidonico in leucotrieni e lipossine, composti lineari. Gli enzimi coinvolti in questo pathway sono le lipossigenasi, enzimi citosolici monossigenasici a funzione mista, che catalizzano l'incorporazione di entrambi gli atomi di ossigeno di una molecola di O2 a livello di uno dei doppi legami

dell' acido arachidonico, producendo idroperossidi (HPETE); gli intermedi successivi porteranno alla sintesi di leucotrieni della serie 4 e lipossine. Sono tre le lipossigenasi principali che entrano in gioco in questa via, ognuna delle quali è specifica per uno dei doppi legami dell'arachidonato:

5-lipossigenasi (5-LOX). Molto espressa in leucociti (granulociti neutrofili e basofili, linfociti B), macrofagi e mastociti, dà origine ai leucotrieni più importanti nella mediazione dei processi infiammatori, ed è bersaglio di diversi farmaci. Introduce un gruppo idroperossido a livello del carbonio 5 dell'acido arachidonico producendo 5(S)-HPETE (il carbonio ossigenato è diventato asimmetrico; la idroperossidazione è specifica per lo stereoisomero S). La catalisi avviene con la collaborazione della FLAP, acronimo inglese per Proteina Attivante la Lipossigenasi, che sembra in qualche modo “presentare” il substrato all'enzima. Sia come sia, è pacifico che la FLAP sia essenziale per una catalisi efficiente e corretta. Il 5-HPETE, come tutti gli altri HPETE, è un intermedio estremamente reattivo, occupante una posizione centrale nel metabolismo dei leucotrieni, che qui si fa straordinariamente complesso. Il 5-HPETE infatti 1) può ridurre spontaneamente (spesso ossidando glutatione) o tramite la catalisi di una perossidasi al corrispondente HETE; 2) può divenire substrato di una delle altre due lipossigenasi, con produzione di 5,12-diHPETE o 5,15-diHPETE; 3) oppure può dare origine al leucotriene LTA4, in grado di essere convertito in altri leucotrieni. Il 5-HPETE è quindi un intermedio estremamente importante.

12-lipossigenasi (12-LOX). Molto espressa in piastrine, cellule delle isole pancreatiche, cellule muscolari lisce dei vasi. Introduce l'ossigeno a livello del carbonio 15 dell'arachidonato e produce così 12(S)-HPETE. Come succedeva per il 5-HPETE, anche questo idroperossido ha molti possibili destini. Viene soprattutto ridotto, con modalità simili al precedente, al corrispondente 12-HETE, che esplica funzioni biologiche, e in parte dà origine ad alcuni leucotrieni della serie B.

15-lipossigenasi (15-LOX). Espressa soprattutto in reticolociti, granulociti eosinofili, linfociti T, cellule dell'epitelio della trachea. Produce 15(S)-HPETE, che, come il precedente, non dà origine a leucotrieni, e può essere convertito in 15-HETE. Tuttavia, il destino principale di questo intermedio è quello di produrre lipossine, anti-infiammatorie.

In realtà vi è anche una 8-lipossigenasi, ma non la prenderemo in considerazione in quanto non partecipa alla biosintesi degli eicosanoidi. Inoltre, è da sottolineare il fatto che non sono state presentate tutte le possibili interrelazioni metaboliche tra i composti visto fino ad adesso, per non complicare ulteriormente (e con il probabile effetto di rendere il tutto molto più arido e sterile) un quadro già complesso – tuttavia, è bene tener presente che il metabolismo di questi composti è molto più articolato e tortuoso di quello che abbiamo visto!

Riassumendo, abbiamo quindi visto come l'arachidonato venga idroperossidato a 5(S)-HPETE dall'attività diossigenasi della 5-lipossigenasi, che fa parte della via delle lipossigenasi. La stessa 5-lipossigenasi presenta anche l'attività

di deidrasi che converte il 5(S)-HPETE a leucotriene LTA4 - abbiamo accennato a questo possibile destino del 5-HPETE, e sarà questo il pathway metabolico lungo il quale proseguiremo adesso. Questa attività deidrasica è chiamata spesso LTA4 sintasi, dato che non era stato subito compreso che fosse parte della 5-lipossigenasi.

Il leucotriene A4 è un epossido (dunque un composto abbastanza instabile) che può essere convertito in:

LTB4 da una idrolasi, che idrata (aggiunge una molecola d'acqua) l'LTA4, aprendo il suo anello epossido. In questa reazione avviene un riarrangiamento dei doppi legami, ma il numero totale rimane invariato.

LTC4, dalla LTC4 sintasi, che coniuga l'LTA4 ad una molecola di glutatione ridotto in posizione 6 – per questo motivo, l'enzima è anche chiamato glutatione-S transferasi II. In ogni caso, la reazione apre l'anello epossido.

L'LTC4 è un leucotriene molto importante, poiché a partire da questo composto la cellula è in grado di sintetizzare i cosiddetti cisteinil-leucotrieni, così denominati in quanto contenenti cisteina; ne fanno parte LTD4, LTE4 e lo stesso LTC4 (il glutatione contiene cisteina). Poiché il LTC4 è secreto dalla cellule mediante un trasportatore, queste reazioni di conversione avvengono nell'ambiente extracellulare. La conversione avviene grazie alla rimozione sequenziale, per idrolisi, di glutammato (che produce LTD4) e poi di glicina (LTE4).

La produzione di leucotrieni in quantità importanti avviene soprattutto ad opera dei leucociti.

Non ci resta che esaminare brevemente la terza via con la quale vengono prodotti eicosanoidi, catalizzata da citocromi P450, soprattutto a funzione idrossilasica, epossigenasica e idrolasica. Il substrato è nuovamente l'acido arachidonico, grande protagonista di queste vie metaboliche, e, come abbiamo visto, a capo della biosintesi di una serie incredibilmente ampia di composti con funzioni segnalatorie – tanto da far parlare gli studiosi di “cascata dell'acido arachidonico”. I prodotti a cui dà origine attraverso questo pathway sono 19,20-diHETE, 20-HETE, 19-HETE, EET. Le funzioni biologiche di questi composti sono eterogenee ed entrano in gioco nei sistemi vascolare, renale, polmonare e cardiaco in processi molto diversi (proliferazione cellulare, apoptosi, infiammazione, etc.); ricordiamo tra tutti il 20-HETE, potente vasocostrittore; gli EET, di contro, hanno azione vasodilatatrice.

La regolazione della biosintesi di questi composti si esplica soprattutto a livello della fosfolipasi, e quindi attraverso una modulazione della disponibilità di substrato.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

I composti di cui abbiamo esaminato la biosintesi fino ad adesso sono ormoni di tipo paracrino ed autocrino. Come tali, agiscono nelle immediate vicinanze della cellula da cui sono stati secreti, ed hanno emivita tendenzialmente breve (decine di secondi, minuti nel caso di prostaglandine e trombossani, poche ore nel caso dei leucotrieni). Nonostante siano molecole lipofile, è stato dimostrato che la secrezione e l'uptake di questi composti da parte delle cellule sono mediati, almeno nel caso delle prostaglandine, da dei trasportatori. In particolare, un trasportatore ABC chiamato MRP4 (o trasportatore delle prostaglandine) ne promuove il rilascio.

Sono inattivati in situ oppure, se entrano nel circolo sanguigno, soprattutto a livello polmonare.

Le prostaglandine sono inattivate mediante ossidazione del gruppo -OH in posizione 15, o β-ossidazione del carbossile terminale.

Il trombossano A2 è inattivato rapidamente a TXB2 quando entra in contatto con molecole di acqua, secondo la reazione:

Per quanto riguarda i leucotrieni, il LTB4 è inattivato mediante ω-ossidazione del gruppo metile (cioè, ossidazione del carbonio più distante dal gruppo carbossilico), seguita da β-ossidazione. LTC4

è convertito in LTD4 e LTE4, dopodiché quest'ultimo subisce inattivazione con le stesse modalità del LTB4.

Altri eicosanoidi vengono inattivati mediante riduzione dei doppi legami.

Effetti fisiologici degli eicosanoidi

Gli eicosanoidi si legano rapidamente dalle cellule mediante un recettore accoppiato ad una proteina G, per esplicare in questo modo i loro effetti, spesso utilizzando il pathway dell'adenilato ciclasi-cAMP-proteinchinasi oppure DAG-IP3-Ca2+. Agiscono tendenzialmente in maniera paracrina ed autocrina.

Non tratteremo in maniera approfondita le risposte biologiche mediate dagli eicosanoidi, in quanto questi composti sono numerosissimi, e le azioni da loro promosse sono ancora di più – inoltre, in certi casi si tratta di azioni contrastanti.

Le prostaglandine:

mediano la risposta infiammatoria – in questo ambito, possono essere coinvolte in deviazioni patologiche di questi processi, spesso a carico di articolazioni (artrite reumatoide), pelle (psoriasi), occhi, etc.;

contribuiscono alla regolazione della temperatura corporea, e hanno a che fare con l'insorgere della febbre;

esercitano un controllo sulla muscolatura liscia, in specie quella vascolare, con numerose conseguenze: provocano ad esempio vasocotrizione (PGF) o vasodilatazione (PGE, PGA, PGI); stimolano le contrazioni uterine in diversi momenti fisiologici;

sono mediatori del dolore;

sono modulatori del processo di coagulazione (in particolare, le prostacicline sono anticoagulanti e antagonisti dei trombossani, inibiscono l'attivazione delle piastrine e vasodilatano);

I trombossani promuovono la coagulazione e la vasocotrizione, e operano in maniera antagonista alle prostacicline -è per questo motivo che l'aspirina mostra proprietà anticoagulanti. Sono potenti ipertensivi. Sfruttano recettori accoppiati a G proteine, con attivazione della fosfolipasi C, e sfruttano quindi il pathway segnalatorio DAG-IP3-Ca2+.

Leucotrieni e lipossine sono sintetizzate principalmente dalle cellule del sangue della serie bianca, ma anche a livello encefalico, polmonare e miocardico; modulano:

la chemotassi e attivazione di leucociti (per esempio, la degranulazione);

processi infiammatori;

risposte allergiche;

Presentano inoltre azione bronco- e vasocostrittrice; sono in grado di incrementare la permeabilità vascolare, provocando edema.

Ormoni derivati dalla vitamina DIl calcitriolo (1α,25-diidrossicolecolaciferolo) è il solo ormone derivante dalle vitamina D. Come tale, deriva (indirettamente) anche dal colesterolo; tuttavia, non può a rigore essere considerato un ormone steroideo in quanto ha perduto la struttura tetraciclica. Viene per questo fatto rientrare nella classe dei secosteroidi, termine che designa composti nei quali uno dei quattro anelli tipici degli steroidi è aperto, solitamente l'anello B. Ad ogni modo, il termine vitamina D designa una serie di composti: i due principali sono ergocalciferolo, o vitamina D2, e colecalciferolo, o vitamina D3; entrambi sono, di fatto, dei pro-ormoni: subiscono alcune reazione per dare origine infine al calcitriolo. Si tratta di un ormone lipidico coinvolto soprattutto nell'omeostasi del Ca2+, come paratormone e calcitonina, ma esplica anche altre funzioni.

BiosintesiLa tappa principale della sintesi del calcitriolo avviene nel rene; tuttavia a monte di questa vi sono altre tappe che hanno luogo in altri distretti del corpo, e che dal colesterolo portano all'ormone:

La sintesi del colesterolo prevede la condensazione di diverse molecole di acetil-CoA, fino ad ottenere squalene. Questo composto viene poi rimaneggiato a formare lanosterolo, la cui struttura tetraciclica ricorda quella del colesterolo; altre modifiche convertono il lanosterolo in composti intermedi, fino ad ottenere 7-deidrocolesterolo. Questo composto può subire una riduzione per essere convertito a colesterolo, oppure divenire il substrato per la sintesi della vitamina D.

A livello della cute (soprattutto nello strato dell'epidermide), i raggi UVB provenienti dal sole innescano la fotolisi non enzimatica del 7-deidrocolesterolo nella provitamina D3. La reazione consiste nella rottura del legame tra C9 e C10. La provitamina D3, composto biologicamente inattivo, isomerizza spontaneamente (anche questa reazione non è catalizzata, ed in effetti è molto lenta) in colecalciferolo, o vitamina D3. Questa viene trasportata nel plasma dalla proteina legante la vitamina D.

La vitamina D3 può anche essere ottenuta direttamente con la dieta, o a partire dall'ergocalciferolo (vitamina D2). Quetst'ultimo composto viene sintetizzato a partire dall'egosterolo da piante, funghi e invertebrati; al giorno d'oggi, viene prodotto a livello industriale irradiando lieviti, e poi aggiunto a molti cibi.

È nel fegato che avviene la tappa successiva: ergocalciferolo e colecalciferolo vengono qui idrossilati in posizione 25; la reazione, scarsamente regolata, avviene a livello del RE, e richiede NADPH, ossigeno molecolare e magnesio. Gli enzimi coinvolti sono due: una citocromo P450 reduttasi NADPH-dipendente e la 25-idrossilasi, un citocromo P450. I prodotti sono 25-idrossicolecalciferolo e 25-idrossiergocalciferolo, che vengono entrambi reimmessi nel circolo sanguigno. Il 25-OH-D3 (chiamato anche calcidiolo) risulta la forma più abbondante di vitamina D che si ritrova nel sangue – anche a causa della sua lunga emivita, dell'ordine di giorni.

Dal circolo i composti passano nel rene, dove possono essere sottoposti a due idrossilazioni, con diverso significato: un'idrossilazione in posizione 24, con significato inattivatorio, e una idrossilazione in posizione 1, che risulta nell'attivazione definitiva della vitamina D con la formazione (nel caso della D3) di 1α,25-diidrossicolecalciferolo, o calcitriolo, che presenta la massima attività biologica; l'ercalcidiolo (25-idrossiergocalciferolo) forma 1,25-diidrossiergocalciferolo o ercalcitriolo. Quest'ultima reazione di idrossilazione, che avviene nei mitocondri delle cellule della porzione convoluta del tubulo prossimale renale, richiede tre enzimi: 1) ferredossina reduttasi renale, una flavoproteina; 2) ferredossina renale, una proteina ferro-zolfo 3) 1α-idrossilasi, un citocromo P450. Sono richiesti come cofattori NADPH, Mg2+ e ossigeno molecolare. Il citocromo catalizza una classica reazione di tipo monossigenasi sfruttando l'ossigeno molecolare. A differenza della reazione precedente, questa è strettamente regolata. La regolazione negativa di questo enzima favorisce l'idrossilazione inattivatoria in posizione 24 da parte della 24-idrossilasi.

Dopo la sintesi, il calcitriolo viene quindi rilasciato in circolo dove svolge le sue funzioni come un ormone

endocrino.

Per quanto riguarda la regolazione, il principale punto regolativo è l'enzima 1α-idrossilasi, che attiva definitivamente la vitamina D3. Questo enzima, e con essol'intera via biosintetica, è regolato:

positivamente dal PTH, che aumenta l'attività dell'enzima;

negativamente dal calcitriolo, con un feedback negativo che influenza l'espressione genica e la biosintesi dell'enzima; di contro, l'ormone upregola l'enzima che idrossila in posizione 24.

negativamente dai livelli plasmatici di calcio; anche questa può essere considerata una forma di feedback negativo;

Si ritiene che anche calcitonina, prolattina e gli ormoni sessuali (estrogeni in particolare) contribuiscano alla regolazione, ma rivestono in ogni caso un ruolo minore;

Questo è un punto regolativo molto importante.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

Come gli altri ormoni liposolubili il calcitriolo non viene accumulato nelle cellule in vescicole secretorie.

In circolo si trova legato, così come i suoi metaboliti idrossilati, alla proteina legante la vitamina D (VDBP), una glicoproteina (in particolare, si tratta di una globulina) del peso molecolare di circa 52 kDa. Presenta tre dominî, uno dei quali in grado di legare secosteroli. È stato riportato che questa stessa proteina lega l'actina che riesce a penetrare nel circolo sanguigno (in seguito ad un danno cellulare, per esempio). Presenta forti omologie con l'albumina.

Per quanto riguarda la degradazione, avevamo visto come nel rene le reazioni a cui poteva andare incontro il calcidiolo (o l'ercalcidiolo) erano due: una idrossilazione in posizione 1 e una in posizione 24. Quest'ultima produce un metabolita inattivo, il 24,25-diidrossicolecalciferolo; anche l'1,25-diidrossicolecalciferolo può subire questa reazione, dando origine, parimenti, ad un metabolita inattivo, il 1,24,25-triidrossi-D3. Il primo di questi due metaboliti si forma quando l'idrossilazione in posizione 1 (attivatoria) viene inibita; il secondo quando l'idrossilazione in posizione 1 è avvenuta, il calcitriolo ha adempito alle sue funzioni e deve essere degradato. Questi due prodotti vengono poi trasportati al fegato ed eliminati con la bile, oppure con le urine nel rene stesso.

Effetti fisiologici del calcitriolo

L' 1,25-diidrossicolecalciferolo è un ormone ipercalcemizzante: la sua azione è cioè volta all'aumento del calcio plasmatico. Le cellule bersaglio del calcitriolo si trovano a livello intestinale e nelle paratiroidi, ma anche nel tessuto osseo e nel rene. Gli effetti biologici sono raggiunti sia con azione a livello genico (tipica degli ormoni lipofili), che è lenta e presuppone l'interazione con un recettore citosolico (VDR, Vitamin D Receptor) che in seguito al legame con il ligando si sposta nel nucleo e agisce come fattore di trascrizione, sia con meccanismi che hanno effetto a breve termine, e coinvolgono recettori sulla membrana plasmatica e un processo di trasduzione del segnale identico a quello visto per gli ormoni idrosolubili. Tuttavia anche questo secondo pathway va ad influenzare, come parte dei suoi effetti, l'espressione genica. Il VDR, estremamente specifico nel suo legame, è molto simile ai recettori per gli ormoni steroidei: entrambi contengono, ad esempio, il motivo zinc-finger, con il quale si legano al DNA.

Azione a livello intestinale (duodeno, parte del digiuno): l'1,25-didrossicolecalciferolo stimola l'assorbimento del calcio da parte degli enterociti. Questo è ottenuto incrementando l'espressione di proteine di trasporto, come il canale del calcio TRPV6, che permette il trasporto intracellulare del calcio a livello della membrana apicale delle cellule, o di proteine leganti il calcio, come la calbindina, che promuove il trasporto del calcio dalla porzione apicale della cellula a quella basolaterale. Una pompa ATP-dipendente a livello della membrana basolaterale pompa il calcio fuori dall'enterocita, nel circolo sanguigno – in definitiva, il trasporto stimolato dal calcitriolo è di tipo attivo, ed chiamato “via transcellulare”. Notare che, nelle altre porzioni dell'intestino, avviene un trasporto di calcio, ma è di tipo passivo (“via paracellulare”) ed è indipendente dalla regolazione ormonale.

Azione a livello paratiroideo: riduce la trascrizione del gene del PTH; poiché la sintesi del calcitriolo è fortemente attivata dal paratormone, questo rappresenta una sorta di feedback negativo indiretto, e serve ad evitare fluttuazioni eccessive della calcemia.

Azione sui tubuli renali: stimola il riassorbimento del calcio e del fosfato nella porzione distale dei tubuli renali, facendo sì che un maggior numero di ioni calcio vengano reimmessi nella circolazione.

Azione sul rene: il calcitriolo, con un meccanismo di feedback negativo diretto, dimunuisce l'espressione della 1-idrossilasi, ed aumenta l'espressione della 24-idrossilasi, inibendo quindi la propria sintesi e promuovendo la formazione di metaboliti inattivi.

Azione a livello osseo: il calcitriolo stimola gli osteoclasti nella loro produzione di idrolasi acide, e stimola il loro differenziamento, incrementandone quindi il numero. Questo fa sì che il

riassorbimento osseo aumenti, con innalzamento di calcemia e fosfatemia.

Per quanto riguarda il metabolismo del calcio, nonostante l'1,25-colecalciferolo contribuisca a promuovere il riassorbimento osseo, in caso di una deficienza di vitamina D si osservano patologie a carico del sistema scheletrico (come il rachitismo nei bambini), perché il calcio non può essere assorbito in maniera adeguata – e la disponibilità di calcio è un presupposto per la deposizione di matrice inorganica nelle ossa.

Il calcitriolo ha anche altri effetti, solo in parte conosciuti, che vanno molto al di là del metabolismo del calcio. Sono stati dimostrati effetti a livello della proliferazione e del differenziamento di diversi citotipi, molti dei quali correlati al sistema immunitario, oltre che azione anti-infiammatoria. Inoltre, è stato osservato che il calcitriolo è necessario per la normale secrezione dell'insulina.

La regolazione dell'omestasi del calcio

Il calcio è un elemento che riveste un ruolo critico nel metabolismo e nella fisiologia dell'uomo e degli altri mammiferi; come tale, la sua concentrazione plasmatica è strettamente regolata, e i margini di tolleranza per quanto riguarda fluttuazioni di tale concentrazione sono scarsissimi. Ricordiamo brevemente alcuni tra i principali processi che vedono protagonista il Ca2+:

La contrazione muscolare;

L'eccitabilità nervosa;

la coagulazione del sangue;

processi secretori e trasporto a livello della membrana, nonché l'integrità della membrana stessa;

la trasduzione intracellulare del segnale di numerosi ormoni

il processo di mineralizzazione del tessuto osseo

Si calcola che in un uomo adulto di 75 kg di peso sia presente poco più di 1 Kg di calcio, di cui:

il 98-99% si trova a livello del sistema scheletrico, complessato con il fosfato sotto forma di cristalli di idrossiapatite, che fanno parte della componente inorganica della matrice extracellulare del tessuto osseo. La funzione di questa componente inorganica non è solamente meccanica e strutturale, bensì ha anche il valore di una riserva fissa di calcio; il Ca2+ delle ossa non può tuttavia entrare liberamente nel citoplasma delle cellule; deve essere “mobilizzato” e venire immesso nel circolo sanguigno – questo accade nel processo di rimodellamento osseo. In condizioni patologiche, questa mobilizzazione può arrivare addirittura a mettere in pericolo l'integrità delle ossa, perché il nostro metabolismo si è evoluto in modo da sacrificare il tessuto osseo pur di mantenere la concentrazione plasmatica di calcio;

la restante quota, circa l'1-2%, si trova essenzialmente nel plasma e negli interstizi – questo costituisce il cosiddetto “pool miscibile”, poiché può entrare direttamente nel citoplasma delle cellule. Per quanto riguarda il Ca2+ plasmatico, ha una concentrazione totale di 9-10 mg/100 mL (2,2-2,6 mmol/L), ed è presente sotto tre forme: 1) in forma ionizzata (o diffusibile) per il 50%, cioè come Ca2+ - è la forma libera e biologicamente attiva; 2) legato a proteine (o non diffusibile) per il 45%, per lo più albumina o altre proteine di segnalazione; 3) calcio complessato ad anioni non proteici (o diffusibile legato) per il 5% circa; tali anioni sono rappresentati essenzialmente da acidi organici come fosfato, citrato, bicarbonato, lattato, etc. Il fatto che le proteine nel plasma agiscano come tamponi fa sì che la quantità di calcio legato alle proteine varii con il pH: quando il pH si sposta verso l'acidità, il calcio in forma ionizzata aumenta. Si ritiene che il legame con le proteine serva ad inibire la precipitazione di fosfato di calcio o processi di calcificazione in sedi anomale, dato che le concentrazioni di calcio e fosfato sono vicine al loro prodotto di solubilità. La forma biologicamente importante di calcio è quella ionizzata, la cui concentrazione è di 1,1-1,3 mmol/L (5 mg/100 mL); può variare solo entro limiti strettissimi, e fluttuazioni troppo ampie sono foriere di conseguenze nefaste (un aumento massiccio porta a paralisi muscolare, coma e infine morte; una discesa troppo rapida porta alla tetania).

La concentrazione di calcio citosilica nella maggior parte delle cellule è invece mantenuta bassissima, nell'ordine della nanomolarità.

Come abbiamo visto, la stragrande maggioranza del calcio nel nostro organismo si trova complessata con il fosfato a livello del sistema scheletrico: questo fa sì che le concentrazioni dei due ioni siano fortemente correlate tra loro. Spendiamo dunque qualche parola anche per il fosfato, iniziando con il precisare che con “fosfato (inorganico)” (Pi) si intende l'entità chimica PO4

3-. Nel plasma si ritrova soprattutto come HPO42- e

H2PO4-; la concentrazione è di circa 0,9-1,3 mmol/L (2,8-4,5 mg/100 mL); gli organismi tollerano variazioni

relativamente più ampie rispetto alla calcemia, cosicché la regolazione della fosfatemia è meno stretta. In generale, la fosfatemia viene abbassata incrementando il processo di deposizione della matrice ossea, e viene aumentata incrementando il suo riassorbimento.

La regolazione della concentrazione di Ca2+ e PO43- trova il suo cardine nelle interazioni tra tre ormoni,

tutti già conosciuti:

PTH, ormone paratiroideo: è un ormone ipercalcemizzante

Calcitonina, secreta dalle cellule C della tiroide: è un ormone ipocalcemizzante

Calcitriolo: è un ormone ipercalcemizzante

A questi si possono aggiungere gli ormoni che influenzano il riassorbimento osseo e la deposizione di matrice, e che quindi indirettamente modulano i livelli plasmatici di calcio:

estrogeni e androgeni: riducono il riassorbimento osseo, quindi inibiscono l'aumento del calcio plasmatico;

GH: stimola la crescita ossea, quindi provoca una diminuzione del calcio plasmatico;

ormoni tiroidei: aumentano il riassorbimento osseo, quindi innalzano il calcio plasmatico;

Glucocorticoidi: aumentano il riassorbimento osseo e ne inibiscono la sintesi;

Prolattina: innalza il calcio plasmatico favorendone il riassorbimento a livello renale;

Cosa succede quando i livelli di calcio diminuiscono?

in presenza di una diminuzione dei livelli di calcio viene rilasciato PTH che, oltre ad esplicare i suoi effetti ipercalcemizzanti, promuove la sintesi di calcitriolo agendo sull'1α-idrossilasi;

Il calcitriolo, oltre a svolgere la propria l'azione biologica (in generale, in senso ipercalcemizzante), inibisce la propria sintesi con un feedback negativo, sopprimendo la 1α-idrossilasi e favorendo la 24-idrossilasi;

Il calcitriolo inoltre inibisce la sintesi di PTH e calcitonina da parte delle paratiroidi;

allo stesso tempo, anche la concentrazione plasmatica di calcio (che sarà aumentata) inibisce la sintesi di 1,25-diidrossicolecalciferolo, per evitare un innalzamento eccessivo, che è dannoso;

Se il calcio è salito troppo, viene secreta anche la calcitonina, che esercita la sua azione; tuttavia, data la regolazione negativa da parte del calcitriolo, è improbabile che i livelli di calcio subiscano grandi sbalzi;

Gli ormoni steroideiIl termine steroidi designa una pletora di composti strutturalmente correlati al ciclopentanoperidrofenantrene (Fig. 1), uno sterano. Questa struttura, formata dalla fusione di quattro anelli ciclici alifatici (tre cicloesani, ABC, detti collettivamente peridrofenantrene, e un ciclopentano, D) è condivisa da tutti gli steroidi, che si differenziano essenzialmente per gruppi funzionali sostituiti agli idrogeni. La sostituzione di uno o più idrogeni con gruppi -OH dà origine per esempio agli steroli.

Nell'uomo, quando si parla di composti steroidi ci si riferisce agli ormoni steroidei. Questi sono generalmente suddivisi in due gruppi:

ormoni adrenocorticoidi: comprendono mineralcorticoidi (aldosterone) e glucocorticoidi (cortisolo e corticosterone). Sono composti a 21 atomi di carbonio.

ormoni sessuali e progestinici: comprendono gli androgeni (androstenedione, testosterone, diidrotestosterone), a 19 C, e gli estrogeni (estradiolo, progesterone, estrone), a 18 C. Tra i progestinici, a 21 C, il principale è il progesterone.

Sono tutti sintetizzati a partire dal colesterolo, uno sterolo caratterizzato da:

un -OH in posizione 3;

un doppio legame tra le posizioni 5 e 6;

due gruppi metilici in posizione 10 e 13

una catena laterale in posizione 17.

Quali sono le fonti del colesterolo utilizzato per sintetizzare gli ormoni? Si tratta di colesterolo in parte di origine esogena (introdotto con l'alimentazione, in particolare con alimenti di origine animale), in parte sintetizzato ex novo. Rivediamo sinteticamente i processi con cui questo composto si rende disponibile alle cellule.

Il colesterolo alimentare viene assorbito a livello dell'intestino (insieme ai triacilgliceroli) all'interno dei chilomicroni, che circolano nel sistema linfatico, per poi venire immessi nel circolo sanguigno, quindi trasportati al fegato. Qui il colesterolo viene “impacchettato” nelle lipoproteine LDL (a bassa densità), e inviato ai tessuti periferici. Il colesterolo entra nelle cellule con endocitosi mediata dal recettore per le LDL; a questo punto può andare incontro a diversi destini: per esempio, può entrare a far parte della membrana plasmatica, oppure– ed è il destino che prenderemo in esame tra poco – in alcuni tessuti (gonadi, corteccia della ghiandola surrenale, placenta) può essere utilizzato come precursore per la sintesi degli ormoni steroidei.

Per quanto riguarda la biosintesi del colesterolo, rivediamo il processo a grandi linee:

A partire da acetil-CoA viene sintetizzato mevalonato

Il mevalonato viene decarbossilato per formare delle unità isoprenoidi

Sei di queste unità vengono condensate nello squalene

Lo squalene viene ciclizzato a formare lanosterolo

Il lanosterolo è ulteriormente modificato in colesterolo

La biosintesi del colesterolo avviene soprattutto nel fegato (20-25%), a livello dell'intestino, nella zona corticale della ghiandola surrenale, negli organi dell'apparato riproduttore; notare come questi ultimi due organi siano proprio quelli maggiormente coinvolti nella steroidogenesi.

Qualunque sia la fonte del colesterolo, nelle gonadi (ovaie o testicoli), nella zona corticale della ghiandola surrenale e (almeno in alcuni momenti fisiologici) placenta, questo viene utilizzato come precursore per la sintesi degli ormoni steroidei.

Esiste anche una sintesi di ormoni steroidei in organi diversi da questi: ne parleremo dopo. Comunque sia, in ciascuno di questi organi, il colesterolo viene innanzi tutto convertito in pregnenolone in seguito alla rimozione della catena laterale in C17. Questa è la reazione di commissionamento del colesterolo verso la biosintesi degli ormoni steroidei. Il pregnenolone, a seconda del tessuto e delle esigenze, potrà poi subire diverse reazioni (che avranno luogo nei mitocondri oppure nel reticolo endoplasmatico) che porteranno alla sintesi dei varii ormoni. Adesso vedremo la sintesi di ciascuno, esaminando un tessuto alla volta.

Gli ormoni della corteccia della ghiandola surrenale

La ghiandola surrenale (vedi box a fianco) sintetizza, a livello della zona corticale, gli ormoni adrenocorticoidi più una piccola quantità di androgeni (ma non il testosterone). Schematicamente:

zona glomerulare: aldosterone (mineralcorticoidi)

zona fascicolata: cortisolo e corticosterone (glucocorticoidi)

zona reticolata: androstenedione (androgeno) e glucocorticoidi

Biosintesi

Come abbiamo accennato prima, la prima reazione che incontriamo è la conversione del colesterolo in pregnenolone – ricordiamo anche che questo è lo step di commissionamento, oltre che la reazione velocità-limitante. L'enzima che catalizza la reazione si trova all'interno dei mitocondri. Vediamo cosa succede esattamente, e come inizia la steroidogenesi.

Il colesterolo nelle cellule delle ghiandole surrenali si trova esterificato in gocce lipidiche nel citoplasma (apprezzabili in microscopia elettronica). È evidente che uno dei prerequisiti per il procedere della via biosintetica sia la disponibilità di substrato, dunque il colesterolo deve innanzi tutto essere liberato e trasportato dove serve, cioè all'interno del mitocondrio. Nella zona fascicolata e reticolata il segnale per la sintesi dei glucocorticoidi, che impartisce anche l'ordine per la liberazione del colesterolo, è portato dall'ormone adrenocorticotropo (ACTH), secreto dall'adenoipofisi in risposta ad un segnale dall'ipotalamo. L'ACTH si lega a recettori sulle cellule della corteccia surrenale; si tratta di recettori legati a proteine G, che scatenano la cascata intracellulare consueta: l'adenilato ciclasi converte l'ATP in cAMP, che aumenta vertiginosamente la propria concentrazione. Questa cascata intracellulare di trasduzione del messaggio provoca due effetti principali:

Dove siamo: La ghiandola surrenale

Le ghiandole surrenali sono piccole strutture di forma piramidale che incappucciano il polo superiore di ciascun rene. Funzionalmente ed anatomicamente possono essere suddivise in una regione corticale (esterna) ed una midollare (interna).Zona corticale: conferisce alle surrenali un colore giallastro a causa della grande presenza lipidica; procedendo dall'esterno verso l'interno è suddivisibile in tre zone: 1) zona glomerulare, 2) zona fascicolata 3) zona reticolata.Zona midollare: popolata da cellule cromaffini, che secernono catecolammine.

In tempo molto breve (pochissimi minuti) il cAMP attiva una PKA che fosforila, attivandola, una esterasi, la quale agisce sulle gocce lipidiche e promuove la mobilizzazione del colesterolo; quest'ultimo penetra la membrana esterna dei mitocondri. La PKA fosforila inoltre una proteina di circa 50 kDa, attivandola: si tratta della Steroidogenic Acute Regulatory (StAR) protein, che permette la traslocazione del colesterolo nella membrana interna del mitocondrio. Questa proteina, di fatto ACTH-dipendente, nell'uomo è causa di patologie quando non è funzionante.

In un tempo più lungo (alcune ore) si ha aumento della trascrizione degli enzimi coinvolti nella biosintesi degli ormoni steroidei.

Nella zona glomerulare (quella più esterna) il segnale è dato principalmente dall'angiotensina II. Questa si lega al proprio recettore accoppiato ad una proteina G, che attiva la fosfolipasi C per generare IP3 e diacilglicerolo. Come di consueto, questi secondi messaggeri attivano una PKC e producono un innalzamento della concentrazione intracellulare di Ca2+. La chinasi procede poi alla fosforilazione degli enzimi coinvolti nella sintesi dell'aldosterone, attivandoli ed incrementando la velocità complessiva della via metabolica. Inoltre, si evidenziano effetti similari a quelli visti per la stimolazione da parte dell'ACTH. Si ritiene che anche questo ormone entri direttamente in gioco, anche se con un ruolo minore. Il fatto che lo stimolo per la secrezione giunga dall'angiotensina II significa che la secrezione dei mineralcorticoidi, prodotto principale della zona glomerulare, si verifica in risposta una riduzione del volume ematico o ad una perdita di sali minerali – in effetti, si pensa che anche il potassio contribuisca a regolare la secrezione dei mineralcorticoidi.

Riassumendo, abbiamo assistito alla mobilizzazione del colesterolo nelle cellule della corticale, e l'abbiamo seguito all'interno della matrice mitocondriale. Qui si trova uno dei numerossissimi citocromi P450 (si tratta di una famiglia che conta più di 4500 membri!), CYP11A1. Come molti altri citocromi, anche il CYP450 11A1 catalizza una reazione monossigenasi: utilizzando un ossigeno a partire dall'O2, l'attività enzimatica catalizza l'idrossilazione di un substrato. L'altro ossigeno invece è ridotto ad H2O utilizzando il potere riducente del NADPH. Questo tipo di reazione merita attenzione per diverse ragioni: un buon motivo è rappresentato dal fatto che questo è un potenziale “luogo metabolico” dove può avvenire formazione di ROS (Reactive Oxygen Species) per incompleta riduzione dell'ossigeno.

Nel caso del colesterolo, la particolare reazione che avviene è questa:

Il meccanismo di reazione comporta due idrossilazioni sequenziali, realizzate secondo le modalità appena viste, sul C22 e sul C20. Si formano quindi, come intermedi di reazione, prima 22-idrossicolesterolo, poi 20,22-diidrossicolesterolo. Infine, avviene il taglio ossidativo della catena laterale, con formazione di isocaproaldeide e pregnenolone (21 C).

Il pregnenolone ha a questo punto diversi possibili destini. In generale, subirà reazioni a livello del mitocondrio o del REL che coinvolgeranno numerose idrossilasi (che richiedono O2 e NADPH), alcune deidrogenasi, una isomerasi e una liasi. Queste reazioni sono diverse a seconda della zona della midollare. Riferendoci allo schema della pagina successiva esaminiamo come procede la

sintesi. Il punto di partenza è il pregnenolone, in alto a sinistra.

Zona glomerulare. Osserviamo la porzione della figura a sfondo rosso. Le cellule di questa zona della corteccia non esprimono l'enzima 17α-idrossilasi, dunque la biosintesi non può che procedere verso il progesterone (21 C). Si occupano della catalisi due enzimi del REL: 3β-idrossisteroide deidrogenasi (ossida l'-OH sul C3 a gruppo chetonico) e Δ5,4-isomerasi (sposta il doppio legame dalle posizioni 5,6 a 4,5). In generale, tutte le idrossilasi del REL che incontreremo sono citocromi. Un'altra idrossilasi del REL converte il progesterone in 11-deossicorticosterone (DOC). Questo è un mineralcorticoide, ma ha scarsa attività e non viene secreto in quantità apprezzabili: il suo ruolo metabolico è essenzialmente di fungere da precursore dell'aldosterone. L'11-β-idrossilasi (questa, e i successivi due enzimi, sono mitocondriali) catalizza la sintesi del corticosterone, che presenta attività mineralcorticoide e glicocorticoide. La sintesi dell'aldosterone viene effettuata dall'azione sequenziale delle attività enzimatiche 18-idrossilasi e deidrogenasi, che complessivamente inseriscono un gruppo aldeidico in C18.

Zona fascicolata. La porzione della figura interessata è quella a sfondo verde. A livello della zona fascicolata avviene gran parte della sintesi dei glucocorticoidi (in parte avviene anche nella zona

reticolata), che viene condotta da tre idrossilasi, in grado di inserire gruppi -OH a livello di C17, C21, C11. Come prima, il composto di partenza è il pregnenolone. Nella maggior parte dei casi, questo diviene substrato della 17-α-idrossilasi (REL) e viene poi trasformato in 17-idrossipregnenolone, per subire le altre due idrossilazioni in sequenza. Infine, si ottiene cortisolo. In un numero di casi minore, il pregnenolone viene convertito prima in progesterone e poi idrossilato in 17. Occasionalmente, una parte del pregnenolone viene indirizzata alla sintesi dei mineralcorticoidi, ma le cellule della zona fascicolata non esprimono né la 18-idrossilasi, né la 18-idrossisteroide deidrogenasi, dunque si arriva al massimo fino al corticosterone.

Zona reticolata. Stavolta osserviamo i composti con lo sfondo blu. Il pregnenolone viene idrossilato in posizione 17 come accadeva nella zona fascicolata, con produzione di 17-idrossipregnenolone. Quest'ultimo viene destinato per lo più alla sintesi dei glucocorticoidi,

ma una frazione minore diviene substrato di una liasi. Questa attività enzimatica è presente in virtù di una subunità che si trova complessata con la subunità che presenta l'attività catalitica 17-idrossilasi – si tratta in effetti di un altro citocromo P450, con diversi siti attivi. La liasi catalizza la rimozione ossidativa di ciò che rimaneva della catena laterale del colesterolo, elaborando come prodotto deidroepiandrosterone. Questo è un androgeno, ma la sua azione è piuttosto scarsa, e solitamente viene utilizzato come precursore di androgeni più efficaci. Infatti, i due enzimi che abbiamo già incontrato, 3β-idrossisteroide deidrogenasi (ossida l'-OH sul C3 a gruppo chetonico) e Δ5,4-isomerasi (sposta il doppio legame dalle posizioni 5,6 a 4,5), agiscono anche su questo substrato per produrre androstenedione.

Per quanto riguarda la regolazione a livello della biosintesi, l'abbiamo esaminata all'inizio. Ricapitolando:

la sintesi ed il rilascio dei mineralcorticoidi (zona glomerulare della corteccia del surrene) è soprattutto sotto il controllo dell'angiotensina II, che viene prodotta in seguito ad una riduzione del volume ematico o perdita di sali minerali; un ruolo minore è rivestito da ACTH. Anche la concentrazione degli ioni potassio regola questi ormoni;

La sintesi ed il rilascio dei glucocorticoidi e degli androgeni surrenalici (zona fascicolata e reticolata) è sotto il controllo neuroendocrino dell'ACTH, in risposta a situazioni di stress o malattia;

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazionePer quanto riguarda i mineralcorticoidi, il principale ormone rilasciato è l'aldosterone. Nel plasma ha una concentrazione estremamente bassa, nell'ordine dei centesimi di μg/100 mL. Si lega scarsamente alle proteine di trasporto degli altri adrenocorticoidi, mentre è più affine all'albumina. Ha un'emivita breve rispetto ad altri ormoni lipofili (poche decine di minuti). Viene metabolizzato soprattutto nel fegato, dove avviene la coniungazione con un derivato dell'acido glucuronico, e viene escreto con le urine principalmente in questa forma.

Il principale glucocorticoide rilasciato è il cortisolo, seguito dal corticosterone. Nel plasma, questi composti sono gli adrenocorticoidi più abbondanti; si trovano per lo più legati non covalentemente a proteine di trasporto, e solo una piccola frazione circola in forma libera. Come sempre, quest'ultima quota rappresenta la frazione biologicamente attiva, mentre la quota legata alle proteine ha la funzione di una riserva di ormone in equilibrio dinamico con la forma libera. Il fatto di essere legati a proteine protegge questi composti dal metabolismo di tipo degradativo, e ne prolunga l'emivita a diverse decine di minuti.

Le proteine di trasporto sono:

Transcortina, o globulina legante i corticosteroidi, o α2-globulina legante i glucocorticoidi, sintetizzata dal fegato;

Albumina, che lega questi composti in modo aspecifico;

I glucocorticoidi, dalla circolazione, diffondono 1) verso i tessuti bersaglio; 2) nel tessuto adiposo, dove prosegue una parte del loro metabolismo. Questo tessuto non è un bersaglio, ma esprime enzimi in grado di convertire i glucocorticoidi in ormoni sessuali, in particolare estrogeni. 3) in fegato e rene, dove ha luogo il metabolismo catabolico. Qui gli ormoni vengono inattivati a 17-idrossicorticosteroidi, e spesso coniugati per formare solfati e glucuronati, escreti con le urine. In particolare, il cortisolo viene convertito a cortisone, che ha attività biologica inferiore, ed entrambi poi vengono idrossilati.

Tra gli androgeni, vengono rilasciati soprattutto androstenedione e deidroepiandrosterone – quest'ultimo frequentemente esterificato al solfato, ed è soprattutto in questa forma che si trova in circolo. La restante quota in parte si lega ad una proteina di trasporto (Sex Hormone Binding Protein), e in minor parte all'albumina. Nei tessuti periferici entrambi gli ormoni sono convertiti in androgeni ed estrogeni, soprattutto estradiolo. Una parte rilevante degli ormoni sessuali in circolo deriva da androgeni surrenalici.

Effetti fisiologici degli ormoni adrenocorticoidi

Gli adrenocorticoidi esercitano la loro attività biologica grazie a recettori intracellulari, come succede caratteristicamente per gli altri ormoni lipofili. I recettori degli ormoni steroidei, attivati dal legame con l'ormone, sono in grado di agire come fattori di trascrizione, legandosi a specifiche sequenze di DNA dette response elements. In questo modo, gli ormoni steroidei possono influenzare l'espressione genica. Questo tipo di azione è tipicamente lenta, perché presuppone numerosi passaggi (trascrizione, processamento dell'mRNA, traduzione, etc.), cosicché l'azione di questi ormoni si evidenzia dopo ore o, a volte, giorni.

Glucocorticoidi e mineralcorticoidi hanno due tipi di recettori diversi, anche se strettamente correlati: vi è un elevato grado di omologia a livello del dominio che lega l'ormone, mentre il dominio che lega il DNA è praticamente identico. I recettori dei glucocorticoidi sono espressi in moltissimi tessuti, e quello più comune è il recettore di tipo α; sono estremamente specifici per i glucocorticoidi. I recettori dei mineralcorticoidi invece sono meno specifici, e sono in grado di legarsi sia ai mineralcorticoidi che ai glucocorticoidi – tuttavia, l'aldosterone si dissocia molto lentamente dal recettore. Le cellule che esprimono i recettori dei mineralcorticoidi presentano dei sistemi per evitare che i recettori si leghino esclusivamente ai glucocorticoidi, come l'espressione di enzimi in grado di inattivare i glucocorticoidi.

Si ritiene che gli steroidi possano anche avere effetti non genomici, in certi casi attraverso la mediazione con recettori extracellulari, ma le modalità non sono chiare.

L'aldosterone è coinvolto nella modulazione dell'escrezione di diversi ioni plasmatici. Agisce soprattutto a livello delle cellule della porzione distale dei tubuli e nei dotti collettori nel rene, promuovendo

incremento del riassorbimento del Na+, attraverso una stimolazione del trasporto transcellulare dello ione – questo avviene grazie ad un aumento della trascrizione dei geni per i trasportatori del sodio sulla membrana apicale, che sottraggono sodio al filtraggio glomerulare, e per le pompe K+/Na+ ATPasi esposte sulle membrane basolaterali delle cellule, che esportano sodio intracellulare ed importano potassio;

incremento dell'escrezione di K+, H+ e NH4+. Questa azione è in parte favorita indirettamente

dall'aumentato riassorbimento di Na+, in parte dall'aumento dell'espressione di specifici canali, per esempio H+-ATPasi. L'aldosterone ha quindi anche un ruolo nel regolare l'acidità del plasma.

L'aldosterone agisce anche incrementando il riassorbimento di sodio a livello delle ghiandole salivari e sudoripare, e promuovendo l'escrezione di K+ nel colon. In definitiva, l'aldosterone gioca un ruolo molto importante nella regolazione a lungo termine della pressione sanguigna. I recettori per l'aldosterone sono espressi da un numero di citotipi minore rispetto agli altri adrenocorticoidi, ma la risposta che suscita è più potente. Inoltre, questo ormone ha effetto anche su alcune aree cerebrali.

Studi recenti sembrano aver trovato evidenze di un'azione paracrina di questo ormone, almeno in certi tessuti.

Il cortisolo e in generale i glucocorticoidi hanno un'azione potenzialmente molto estesa, dato che quasi tutte le cellule esprimono recettori. Influenzano il metabolismo intermedio di aminoacidi, lipidi e glicidi; regolano il sistema immunitario e hanno azione antiinfiammatoria; modulano l'umore nel sistema nervoso centrale. In tutti i casi, questi effetti vengono modulati tramite la regolazione dell'espressione genica degli enzimi coinvolti:

Aumento della gluconeogenesi e della glicogenolisi epatiche; incremento della glicogenolisi e della gluconeogenesi periferica; incremento dei livelli plasmatici di glucosio, e inibizione dell'utilizzo periferico di questo zucchero (azione anti-insulinica); promuove la sintesi di RNA e la sua traduzione ;

Aumento della degradazione delle proteine muscolari, inibizione dell'utilizzo catabolico degli aminoacidi – questo serve per rendere disponibili aminoacidi per la gluconeogenesi;

Incremento della lipolisi nel tessuto adiposo, con mobilizzazione degli acidi grassi. Sia l'azione rivolta all'incremento della degradazione proteica che questo incremento della lipolisi hanno un effetto di risparmio del glucosio: il cortisolo devia il metabolismo verso l'utilizzo di altri substrati;

Promuove la ritenzione idrica, e favorisce l'ipertensione causata dalle catecolammine;

A livello delle cellule del sistema immunitario, aumenta la produzione di citochine antiinfiammatorie e riduce la produzione di citochine proinfiammatorie; induce la produzione di lipocortine, che a loro volta inibiscono la fosfolipasi A2, impedendo la sintesi di prostaglandine e leucotrieni; riduce il numero della maggior parte dei leucociti circolanti, interferendo con l'azione dei fattori di crescita, e ne ostacola la motilità; tutto questo si traduce in un complessivo effetto di soppressione della risposta immunitaria.

A livello del sistema nervoso centrale modula l'umore e le emozioni, e inibisce tramite feedback negativo il rilascio di CRH e e ACTH.

Per quanto riguarda gli androgeni surrenalici, non è chiaro se abbiano una loro azione in quanto tali, e nel caso, quale sia; è certo che gran parte vengono convertiti in altri ormoni sessuali e quindi sicuramente una gran parte della loro azione è svolta sotto questa forma.

Gli ormoni delle gonadi

Gli ormoni sessuali e progestinici sono quasi completamente sintetizzati dalle gonadi. Nell'uomo le gonadi sono rappresentate dai testicoli, nella donna dalle ovaie. A livello delle cellule di Leydig del testicolo avviene la quota maggiore della sintesi degli androgeni – infatti, come abbiamo visto, una parte viene prodotta dalla zona corticale della ghiandola surrenale. Al contrario, i citotipi ovarici coinvolti nella biosintesi degli estrogeni non sono stati identificati con certezza, ma si pensa siano coinvolte sia cellule tecali che cellule della granulosa.

Prima di trattare questi ormoni, è necessaria una raccomandazione. Il lettore dovrebbe liberarsi di eventuali preconcetti legati alla natura degli ormoni: non esistono ormoni “maschili” e ormoni “femminili”. Sia nel maschio che nella femmina sono presenti sia androgeni che estrogeni; quello che cambia è la proporzione con cui vengono sintetizzati e si ritrovano in circolo. Per esempio, gli uomini producono 5-8 mg di testosterone al giorno (tipicamente considerato un ormone “maschile”), ma anche la donna lo produce; nella donna però la produzione è molto minore, circa di 0,5 mg al giorno. Quindi, il lettore non dovrebbe partire dall'assunto che l'uomo produce solo androgeni e la donna solo estrogeni; casomai, è lecito aspettarsi che l'uomo produca più androgeni che estrogeni, e viceversa per la donna.

Nell'uomo, il principale ormone che viene secreto è il testosterone. Tuttavia, nonostante la grande notorietà di questo metabolita al di fuori dell'ambiente scientifico, il testosterone si potrebbe considerare un pro-ormone, in quanto non è il reale depositario della massima attività fisiologica; questa si esplica quando il testosterone viene convertito in diidrotestosterone a livello dei tessuti bersaglio – inoltre, il testosterone a livello dei tessuti periferici può essere anche converito in estradiolo, un estrogeno.

Nella donna, vengono sintetizzati androgeni con le stesse reazioni; la differenza è che vengono soprattutto aromatizzati e convertiti in estrogeni, sicché gli androgeni si trovano in circolo solo in piccole quantità. Ad essere relativamente abbondanti sono invece estrone, 17β-estradiolo e, in talune condizioni fisiologiche, progesterone ed estriolo.

Fatte queste premesse, andremo innanzi tutto ad esaminare la biosintesi del testosterone, e poi vedremo i suoi possibili destini.

Le prime fasi della sintesi del testosterone sono estremamente simili a quelle viste per quanto riguarda gli adrenocorticoidi:

il precursore è anche in questo caso il colesterolo;

la mobilizzazione e il trasporto del colesterolo nel mitocondrio avvengono nello stesso modo che abbiamo visto per gli altri ormoni steroidei. Anche in questo caso, si tratta della tappa limitante la velocità dell'intera via metabolica, e anche in questo caso è coinvolta la StAR protein.

A differenza di quanto accadeva a livello corticosurrenale, gli ormoni che inducono la steroidogenesi sono LH, l'ormone luteinizzante, e FSH, l'ormone follicolostimolante. Le cellule bersaglio di questi ormoni sono, nell'uomo, le cellule di Leydig e del Sertoli, nella donna le cellule della teca e della granulosa. Queste gonadotropine si legano a recettori transmembrana accoppiati a proteine G, attivando in particolare la subunità GαS, che attiva adenilato ciclasi e innalza la concentrazione di cAMP. L'attivazione consenguente della PKA fosforila proteine che mediano l'azione degli ormoni. Si ha, entro pochi minuti, una attivazione degli enzimi coinvolti nella steroidogenesi e della StAR protein; in un lasso di tempo più lungo si osserva modulazione della espressione genica. Notare che gli ormoni sessuali inibiscono con un meccanismo di feedback il rilascio di GnRH a livello ipotalamico, mentre il rilascio di FSH è regolato da un ormone peptidico sintetizzato dalle cellule del Sertoli, l'inibina.

La reazione che converte il colesterolo a pregnenolone è identica alla reazione che avviene a livello della corteccia surrenale, e che abbiamo già visto.

Anche in questo caso dunque la via di biosintesi comincia con il pregnenolone. Seguiamo lo schema della pagina successiva.

Il pregnenolone può essere convertito in testosterone seguendo due vie:

attraverso la conversione prima in deidroepiandrosterone, poi in Δ5-androstenediolo. In un certo numero di casi, il deidroepiandrosterone viene convertito in androstenedione. Questa via metabolica, detta via del deidroepiandrosterone (o Δ5) è rappresentata nella parte sinistra dello schema, ed è quella più utilizzata nei testicoli.

attraverso la conversione in progesterone. Questa è chiamata via del progesterone (o Δ4), ed è di gran lunga più utilizzata nelle ovaie.

In entrambi i casi, gli enzimi in gioco sono gli stessi, e si trovano tutti a livello del REL:

3β-idrossisteroide deidrogenasi e Δ5,4-isomerasi. Queste due attività enzimatiche, riunite in una unica proteina, entravano in gioco anche durante la sintesi degli adrenocorticoidi.

17α-idrossilasi e 17,20-liasi. Queste due attività enzimatiche caratterizzavano la sintesi dei glucocorticoidi.

17β-idrossisteroide deidrogenasi. Questo enzima è specifico delle gonadi.

In pratica, ciò che differenzia le due vie è l'ordine in cui intervengono 3β-idrossisteroide deidrogenasi e Δ5,4-isomerasi.

Il testosterone è stato quindi sintetizzato: qual è il suo destino?

Nell'uomo viene secreto. Nel circolo sanguigno si trova per lo più legato:

ad una β-globulina sintetizzata al fegato, detta Sex Hormone Binding Protein (SHBG).

ad una proteina molto simile alla precedente, detta Testosterone-Estrogen Binding Protein (TEBP) prodotta dalle cellule del Sertoli nel testicolo sotto stimolo dell'FSH, e rilasciata nel lume dei tubuli seminiferi. Viene utilizzata essenzialmente per il testosternone destinato alla regolazione della spermatogenesi. Sembra che questa proteina inoltre possa interagire con recettori di membrana indipendenti dai recettori citosolici degli ormoni tiroidei.

oppure all'albumina.

Una volta in circolo, il testosterone ha davanti a sé diversi destini:

Nei tessuti bersaglio, il testosterone diviene substrato dell'enzima 5α-reduttasi, che, utilizzando NADPH come coenzima, riduce lo steroide a livello dell'anello A, producendo 5α-diidrotestosterone (DHT), un androgeno dotato di grande attività; questa reazione avviene nel REL di molti delle cellule bersaglio. In realtà, una piccola parte di diidrotestosterone viene prodotto anche a livello dei testicoli. Il DHT è l'androgeno attivo a livello dei tessuti bersaglio, cioè il ligando che si lega al recettore intracellulare in: prostata, vescichette seminali, organi secondari maschili, cute. Una volta formatosi il DHT, non c'è modo di convertire questo composto in un estrogeno. Il DHT agisce legandosi fortemente ai recettori intracellulari; esaurita la sua azione, viene converito in composti meno attivi, soprattutto androstanediolo (pressoché inattivo). Questi composti vengono poi ulteriormente catabolizzati, e infine escreti con le urine. In alcuni tessuti bersaglio il testosterone invece non viene convertito e si lega al recettore direttamente.

Sempre nei tessuti periferici, in particolare a livello del tessuto adiposo, il testosterone può venire aromatizzato a 17β-estradiolo dall'aromatasi. Anche l'androstenedione surrenalico può subire questo destino. Ritroveremo quest'ultima reazione con la sintesi degli estrogeni. L'estradiolo può: entrare in circolo ed esercitare la sua azione; diffondere dalla cellula e agire con modalità paracrina; legarsi ai suoi recettori se presenti nella cellula. Dall'estradiolo si ottengono metaboliti inattivi.

Nel fegato, e in misura minore in altri tessuti, avvengono reazioni con significato catabolico: la loro funzione è quella di creare un coniugato idrosolubile dello steroide, affinché possa essere escreto con le urine. Il testosterone viene per prima cosa ossidato in posizione 17: l'enzima che catalizza questa reazione è la 17β-idrossisteroide deidrogenasi II, che viene espressa nel fegato; durante la reazione si ha riduzione di NAD+ a NADH. A questa reazione ne seguono altre, che culminano con la produzione di varii 17-chetosteroidi inattivi o poco attivi, principalmente androsterone e etiocolanolone. Questi 17-chetosteroidi vengono poi glucuronidati o solfatati ed eliminati con le urine.

Nella donna il testosterone è utilizzato a livello delle ovaie come precursore per gli estrogeni.

Abbiamo visto come a livello delle ovaie prevalga nettamente la via del progesterone per la sintesi del testosterone. Alcuni metaboliti di questa via sono aromatizzati per sintetizzare estrogeni secondo questo schema:

Sulla parte sinistra dello schema è riportata sinteticamente la sintesi degli androgeni, che si svolge secondo le due vie che abbiamo esaminato. Nella donna, gli androgeni utilizzati per queste vie metaboliche:

derivano in parte dalla ghiandola surrenale (deidroepiandrosterone e androstenedione);

da steroidi prodotti in situ con le stesse modalità viste prima (androstenedione e testosterone)

dal testosterone originatosi perifericamente per la conversione degli steroidi surrenalici;

Nelle ovaie l'enzima aromatasi, un citocromo P450, è in grado di convertire sia il testosterone che l'androstenedione in due diversi estrogeni:

l'estrone (E1) viene sintetizzato dall'aromatizzazione dell'anello A dell'androstenedione;

l'estradiolo (E2) viene sintetizzato dall'aromatizzazione dell'anello A del testosterone. È l'estrogeno più attivo.

L'enzima 17β-OH deidrogenasi è in grado di convertire i composti l'uno nell'altro. Inoltre, dall'estrione si può ottenere l'estriolo, il terzo principale estrogeno circolante. Queste aromatizzazioni coinvolgono dei processi ossidativi molto complessi a carico del gruppo metile legato in C10, che viene infine eliminato. In questi processi entrano in gioco O2 e NADPH.

Si ritiene che queste attività biosintetiche avvengano grazie alla coordinazione di cellule tecali e cellule della granulosa, nell'ambito del follicolo ovarico.

Le cellule della teca esprimono gli enzimi che consentono loro di convertire il colesterolo in androgeni, ma non per effettuare le conversione ad estrogeni;

Le cellule della granulosa esprimono gli enzimi che consentono loro di sintetizzare gli estrogeni, e possono convertire il colesterolo in progesterone, ma non possono effettuare le reazioni che dal progesterone producono androgeni.

Quindi, le cellule della teca, sotto lo stimolo di LH/FSH, producono androgeni (soprattutto androstenedione), che viene inviato alle cellule della granulosa, le quali procedono alle reazioni appena viste per convertirlo soprattutto in estradiolo, il quale viene secreto.

Sfortunatamente (per lo studente di biochimica), il metabolismo ormonale è complicato nella donna dalla presenza del ciclo ovarico. Questo consiste nella maturazione di un ovocita, che viene selezionato e predisposto per la fertilizzazione. Una trattazione dettagliata delle fluttuazioni coordinate dei numerosi ormoni in gioco (pulsatilità) in questo processo va oltre gli scopi di queste pagine; ci limiteremo ad alcuni cenni sui fenomeni regolativi più importanti. Nella fase follicolare del ciclo, è l'FSH l'unico ormone che promuove la sintesi degli estrogeni (estradiolo soprattutto), oltre alla maturazione del follicolo dominante. Durante questo periodo di selezione, le cellule della granulosa cominciano ad esprimere recettori per LH. Poco prima dell'ovulazione, si verifica un picco di LH, che induce l'ovulazione stessa e la luteinizzazione delle cellule tecali e della granulosa. In seguito a questo processo, le vie metaboliche di queste cellule si modificano a causa della regolazione differenziale dell'espressione degli enzimi coinvolti, ed il progesterone diviene il principale ormone prodotto, mentre l'estradiolo vede una diminuzione. La sintesi del progesterone procede secondo le modalità viste finora: il colesterolo viene converito in pregnenolone e questo in progesterone. La produzione di progesterone è dovuta ad una downregolazione degli enzimi che producono estrogeni, ed una upregolazione di quelli che producono progesterone. E così si forma il corpo luteo, che continua a produrre estradiolo e progesterone. In caso di gravidanza, il corpo luteo viene mantenuto per 2-3 mesi e continua a produrre diversi ormoni; in caso contrario, regredisce dopo pochi giorni dall'ovulazione.

In caso di gravidanza, quindi, il corpo luteo cessa di esistere prima del momento del parto; eppure continuano ad essere sintetizzati numerosi ormoni, tra i quali anche progesterone ed estrogeni. Quale organo fa le veci del corpo luteo, dunque? Si tratta della placenta, un organo che non ha corrispettivo maschile. Tra gli ormoni secreti (tra i quali spicca per importanza la hCG, gonadotropina umana corionica) vi sono anche progesterone ed estrogeni.

La sintesi placentare di progesterone comincia in genere all'8° settimana di gestazione. La placenta non sintetizza il colesterolo, ma sfrutta quello circolante legato alle LDL; una volta captato il colesterolo esogeno, ne effettua la conversione in progesterone seguendo le vie che abbiamo visto.

Per quanto riguarda gli estrogeni, il principale ormone prodotto dalla placenta è l'estriolo. È interessante notare come, per questa sintesi, sia necessaria una coordinazione tra le ghiandole surrenali della madre e del feto. Questo è necessario poiché la placenta è priva degli enzimi 17α-idrossilasi (idrossila progesterone o pregnenolone in posizione 17) e 17,20-liasi (rimuove ossidativamente la catena laterale in 17 da 17-idrossipregnenolone o 17-idrossiprogesterone), il che impedisce la sintesi in situ di androgeni ed estrogeni. Come viene risolta la situazione?

La ghiandola surrenale fetale produce deidroepiandrosterone che viene inviato al fegato.

Il fegato fetale lo converte in 16α-idrossiepiandrosterone solfato;

Attraverso il circolo placentare, questo composto arriva alla placenta, dove viene desolfatato e aromatizzato dall'aromatasi; altre reazioni enzimatiche permettono di ottenere estradiolo ed estriolo.

L'estriolo è prodotto in quantità significative in questo modo, quindi essenzialmente durante la gravidanza.

Secrezione, trasporto nel plasma e degradazione

Abbiamo già parlato del trasporto nel plasma e del metabolismo del testosterone. Dobbiamo quindi esaminare il trasporto nel plasma degli estrogeni. L'estradiolo circola soprattutto legato alla SHBP e all'albumina, mentre una quota minima è in forma libera. Nei tessuti periferici, l'estradiolo viene convertito in estrone, che ha un'azione biologica più debole. Nel fegato, l'estrone

può poi essere convertito ad estriolo, che è l'altro maggior estrogeno circolante (anche se è realmente abbondante praticamente solo durante la gravidanza);

essere elaborato in senso catabolico;

In generale, gli estrogeni (estrone, estradiolo, estriolo) vengono glucuronati o solfatati, oppure idrossilati e poi metilati a formare metossi-estrogeni; in entrambi i casi, vengono poi escreti con le urine.

Per quanto riguarda il progesterone, abbiamo visto che viene prodotto massivamente a livello ovarico durante la fase luteale, sotto la prevalente stimolazione dell'LH; circola soprattutto legato all'albumina. Il suo metabolismo avviene nel fegato e prevede glucuronazione e solfatazione, spesso in posizione 20, analogamente a quanto avviene per esotreni e androgeni.

Effetti fisiologici degli ormoni sessuali

Abbiamo visto che il testosterone non ha la massima attività biologica, e che viene in gran parte convertito in DHT (diidrotestosterone), il quale si lega al recettore con maggiore affinità. In realtà, una parte del testosterone non viene convertita, ma si lega comunque al recettore, anche se meno fortemente. È possibile in effetti distinguere tra gli effetti del testosterone e del DHT.

Il recettore degli androgeni fa parte, insieme agli altri recettori degli ormoni lipofili, della superfamiglia dei recettori nucleari. Presenta, come gli altri recettori, tre dominî: uno per il ligando, uno per il legame con il DNA, e uno per altri fattori coinvolti nella regolazione della trascrizione. In assenza di ligando, si trova nel citosol associato a delle Heat Shock Protein (o chaperonine); l'ormone diffonde attraverso la membrana plasmatica, e giunge nel citosol, interagendo con il recettore; in seguito al legame, le Heat Shock Protein si dissociano. Il recettore quindi dimerizza e viene trasferito nel nucleo, dove si lega ai response elements degli androgeni, influenzando la trascrizione. Sono stati identificati due recettori, detti A e B, complessivamente molto simili in termini di sequenza aminoacidica.

Collettivamente, i due androgeni esercitano, attraverso una regolazione dell'espressione genica nelle cellule bersaglio, le seguenti azioni:

Regolano la differenziazione sessuale nell'embrione: controllano le strutture derivate dai dotti di Wolff, lo sviluppo della prostata, la discesa dei testicoli, crescita del pene, fusione delle pieghe labioscrotali, etc.

Promuovono la comparsa dei caratteri sessuali secondari durante la pubertà e il raggiungimento della maturità sessuale: aumento di dimensioni di testicoli, pene, prostata, vescichette seminali; crescita dei peli pubici, degli arti e del volto; modifiche del tono di voce; attività delle ghiandole sebacee, etc.

Controllano la spermatogenesi, la fertilità e la funzione riproduttiva;

Controllano il desiderio sessuale e influenzano il comportamento;

Hanno effetti anabolici su massa muscolare e tessuto osseo; condizionano in questo modo la crescita corporea che segue la pubertà, lo sviluppo della massa muscolare, lo sviluppo della massa ossea (quest'ultimo effetto è in realtà mediato dal 17β-estradiolo, che deriva dalla conversione periferica del testosterone).

Per quanto riguarda gli estrogeni (di cui l'estradiolo è il maggior rappresentante, seguito da estriolo ed estrone), anche questi hanno recettori citosolici che fanno parte della stessa superfamiglia di cui fanno parte i recettori degli androgeni. Hanno caratteristiche molto simili: un dominio N-terminale per il legame con il DNA, uno C-terminale per l'ormone, e uno o due dominî con cui interagiscono diversi fattori di trascrizione. Si conoscono due tipi di recettori per gli estrogeni:

recettori α – espresso nell'endometrio e nello stroma delle ovaie; viene espresso anche dalle cellule di carcinoma mammario;

recettori β – è espresso nelle cellule della granulosa, in rene, mucosa intestinale, polmoni,

midollo osseo e osso, encefalo e nell'uomo prostata;

Gli effetti mediati da questi recettori sono di tipo genomico, ed avvengono tendenzialmente in maniera lenta (ore); si è osservato che gli estrogeni mediano anche degli effetti che sono posti in essere in brevissimo tempo, e dunque si ritiene che questi ormoni abbiano anche dei recettori sulla membrana plasmatica in grado di produrre secondi messaggeri, i quali mediano effetti non genomici. È stato proposto, in alternativa, che i recettori intracellulari interagiscano con proteine citosoliche. Tra questi effetti non genomici ricordiamo la vasodilatazione e l'attivazione di pathway correlati a fattori di crescita.

Per quanto riguarda gli effetti genomici, questi si esplicano soprattutto a livello dell'apparato riproduttivo:

Crescita, differenziazione e mantenimento dell'apparato riproduttore femminile

Promuovono la proliferazione cellulare a livello dello strato basale dell'endometrio, determinano angiogenesi a livello dello strato funzionale; incrementano l'espressione dei recettori per l'ossitocina sulle cellule muscolari lisce uterine.

Promuovono la mitosi a livello delle cellule della granulosa;

Partecipano alla regolazione della mestruazione e della funzione riproduttiva (parto e allattamento), agendo come timer per l'ovulazione;

Promuovono lo sviluppo dei caratteri sessuali secondari;

A livello della ghiandola mammaria, stimolano la proliferazione cellulare (possibile fattore di rischio per il carcinoma mammario) e l'ipertrofia della ghiandola;

A livello epatico, influenzano la produzione delle lipoproteine plasmatiche e l'espressione dei loro recettori, dimuendo le LDL e il colesterolo totale; modulano l'espressione dei geni dei fattori coinvolti nella coagulazione;

funzione neuroprotettiva a livello dell'SNC, e influenza dell'umore;

Promuovono la maturazione ossea, e inibiscono il riassorbimento della matrice ossea, mantengono la massa e la struttura del sistema scheletrico;

Concludiamo trattando brevemente il progesterone. I recettori progestinici modulano l'espressione genica con modalità simili a quelle viste per i recettori degli altri ormoni steroidei (sono cioè fattori di trascrizione ligando-inducibili), e sono di due tipi: A e B. Gli estrogeni promuvono l'espressione di questi recettori, mentre il progesterole la inibisce. Questo significa che, affinché il progesterone abbia effetto in modo significativo, è necessaria una esposizione agli estrogeni: l'espressione di questi recettori aumenta nella prima metà del ciclo mestruale, poi, durante la seconda metà, i livelli di progesterone aumentano e l'espressione dei recettori diminuisce di nuovo.

Il progesterone predispone l'apparato riproduttivo alla gravidanza, mentre a livello del sistema nervoso regola il comportamento sessuale.

A livello dell'utero, stimola la secrezione e lo sviluppo ghiandolare; contribuisce al trofismo dell'organo durante il ciclo mestruale e nelle prime fasi della gravidanza attraverso la regolazione localizzata della sintesi di fattori di crescita e la modulazione della sensibilità delle cellule a questi fattori. In generale, prepara l'endometrio ad accogliere l'oocita fecondato e facilita l'impianto. Inibisce inoltre la contrattilità dell'utero, diminuendo l'espressione di canali per il calcio e bloccando quindi l'uptake di calcio, necessario alla contrazione; modula l'espressione di altri canali per aumentare il potenziale elettrico delle cellule; diminuisce la sintesi locale di prostaglandine, che promuovono le contrazioni uterine.

A livello della ghiandola mammaria , il progesterone stimola lo sviluppo di alveoli e lobuli, ma impedisce la sintesi di latte prima del parto, antagonizzando tra l'altro la prolattina.

Riduce gli effetti degli estrogeni a livello dell'apparato riproduttore;

Provoca un innalzamento della temperatura corporea riducendo il flusso di sangue periferico.

BibliografiaNel realizzare questo documento, ho utilizzato soprattutto testi di biochimica e fisiologia, più diversi articoli reperiti su pubmed. Le fonti principali sono:

D.L. Nelson, M.M. Cox, I Principi di Biochimica di Lehninger (quarta ed.)- Zanichelli, 2006T.M. Devlin, Textbook Of Biochemistry With Clinical Correlations (6th ed.) - Wiley-Liss, 2006R.K. Murray, D.K. Granner, P.A. Mayes, Victor W. Rodwell, Harper Biochimica (ventiseiesima ed.) - McGraw-Hill, 2004N. Siliprandi, G. Tettamanti – Biochimica Medica (terza ed.) – Piccin, 2007C.M. Caldarera (a cura di), Biochimica Sistematica Umana (seconda ed.) - CLUEB, 2007P.E. Molina, Fisiologia Endocrina – McGraw-Hill, 2004 A.C. Guyton, J.E. Hall, Fisiologia Medica (undicesima ed.) - Elsevier Masson, 2006B.M. Koeppen, B.A. Stanton, Fisiologia di Berne & Levy – CEA, 2010

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Ciclopentanoperiidrofenantrene – Autore: NEUROtiker

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