Reglarea metabolismului Principiul reglării metabolismului asigură posibilitatea integrării diferitelor reacţii anabolice şi catabolice în metabolismul de ansamblu al celulei vii. Metabolismul celular este reglat prin intermediul: concentraţiei şi activităţilor catalitice ale enzimelor accesibilităţii substratelor prin intermediul hormonilor (endocrini) etc.

Reglarea metabolismului prin intermediul concentraţiei şi activităţilor catalitice ale enzimelor Cantitatea unei anumite enzime disponibilă intracelular depinde atât de rata sa de sinteză cat şi de rata sa de degradare. Concentraţia unei anumite enzime este modulată în principal prin modificarea ratei de transcriere a genelor codificatoare pentru enzima respectivă, în momentul prezenţei substratului enzimatic. De exemplu la Escherichia coli, rata de sinteză a β-galactozidazei, enzima necesară pentru scindarea hidrolitică a lactozei, creste de 50 de ori în primele minute după apariţia substratului enzimatic, lactoza. Activitatea catalitică a enzimelor este controlată pe căi diferite. Reglarea alosterică reversibilă este deosebit de importantă şi este realizată la nivelul enzimelor reglatoare ale unei căi metabolice şi care în general, catalizează una dintre primele reacţii ale căii metabolice respective. Aceste enzime au o cinetică de tip alosteric (vezi capitolul de Enzimologie).

Reglarea metabolismului prin intermediul accesibilităţii substratelor Accesibilitatea substratelor este un factor reglator al metabolismului. Transportul substratelor enzimatice dintr-un compartiment subcelular într-altul (de exemplu din citosol în mitocondrie) reprezintă un factor reglator important al metabolismului.

Reglarea hormonala a proceselor metabolice Reglarea proceselor metabolice la nivelul întregului organism se realizează la animale pe 2 cai: hormonală şi nervoasă. Ambele sisteme sunt necesare pentru integrarea funcţională într-un tot unitar a metabolismului diferitelor ţesuturi şi organe cu profiluri metabolice diferite, situate relativ îndepărtat unele de altele din punct de vedere spaţial.

Semnalizarea nervoasa si hormonala Ambele sisteme nervos si hormonal operează prin comenzi numite “mesaje”, emise de celule specializate: nervoase, respectiv secretoare. Semnalizare nervoasa Impuls nervos Celula tinta contractie secretie Schimbari metabolice Circulatie sangvina Semnalizare hormonala

Reglarea hormonala a proceselor metabolice Hormoni - definitie - clasificare Hormoni endocrini Mecanisme celulare de actiune ale hormonilor endocrini

Hormoni- definitie Hormonii, ca şi vitaminele şi enzimele, fac parte din categoria compuşilor cu rol reglator. Hormonii sunt substanţe endogene deosebit de active care, în cantităţi extrem de mici, sunt necesare desfăşurării normale a unor reacţii biologice. Denumim hormoni, produşii de secreţie ai unor celule specializate ce alcătuiesc glande endocrine sau ai unor ţesuturi şi celule fără structură glandulară tipică, care acţionează în doze infinitezimale asupra celulelor ţintă, contribuind la funcţionarea normală a organismului. Celula “ţintă” a unui hormon este acea celulă care este aptă să dea un răspuns la semnalul acelui hormon. Durata de viaţă (perioada de înjumătăţire) a hormonilor este foarte scurtă; ei sunt sintetizaţi şi secretaţi, iar după ce acţionează sunt rapid inactivaţi. Secretaţi în cantitate prea mare (hipersecreţie) sau prea mică (hiposecreţie) faţă de normal, hormonii endocrini determină grave tulburări organismului animal.

Reglarea hormonala a proceselor metabolice Hormoni - definitie - clasificare Hormoni endocrini Mecanisme celulare de actiune ale hormonilor endocrini

Clasificarea hormonilor După distanţa la care acţionează, hormonii se pot clasifica în: 1) hormoni endocrini 2) hormoni autocrini 3) hormoni paracrini. – Hormonii endocrini acţionează asupra celulelor ţintă aflate la distanţă faţă de locul eliberării lor. Ei sunt sintetizaţi de celule specializate ce alcătuiesc glandele endocrine şi sunt eliberaţi în circulatia sangvina. – Hormonii autocrini acţionează asupra aceleiaşi celule care i-a sintetizat (de exemplu citokinele). – Hormonii paracrini acţionează numai asupra celulelor din vecinătatea celulei care i-a sintetizat (de exemplu prostaglandinele şi factorii de creştere de natură proteică, chemokinele).

Reglarea hormonala a proceselor metabolice Hormoni - definitie - clasificare Hormoni endocrini Mecanisme celulare de actiune ale hormonilor endocrini

Principalele glande endocrine ale organismului animal Hormonii endocrini Hormonii propriu-zişi sunt hormonii endocrini (secretaţi de glande endocrine şi transportaţi la ţintă prin sistemul circulator), restul fiind substanţe de tip hormonal, aşa cum sunt “hormonii tisulari şi celulari”, dar al căror mecanism de acţiune şi funcţie biologică se înscriu pe linia hormonilor endocrini. Hipotalamus Hipofiza Tiroida Paratiroida (In spatele tiroidei) Tesut adipos Glande suprarenale Pancreas Rinichi ovare Testicule (barbati) femei Principalele glande endocrine ale organismului animal

Reglarea functiilor glandelor endocrine Axul hipotalamo-hipofizar: rol important in reglarea sistemului endocrin Hipotalamusul intra in alcatuirea diencefalului Hipotalamusul realizeaza legatura dintre sistemul nervos si sistemul endocrin prin intermediul glandei hipofize (glanda pituitara) Hipotalamusul regleaza starea de sete, foame, satietate, furie, frica, ritmul circadian. Hormonii produsi de hipotalamus regleaza activitatea secretorie a hipofizei. Hipofiza este alcatuita din 2 lobi: anterior (adenohipofiza) si posterior (neurohipofiza). Adenohipofiza este implicata in reglarea sistemului endocrin

Reglarea sistemului endocrin Semnale din mediul inconjurator infectii Exemplu pentru glanda suprarenala frica hemoragii Hipotalamus Hipofiza Anterioara Glande endocrine durere SNC hipoglicemie Hormoni produsi de hipotalamus (hormoni de eliberare a hormonilor hipofizari hipotalamus hipofiza Hormoni tropici (pentru anumite glande endocrine) coricosuprarenala Hormoni eliberati in sistemul circulator muschi ficat Tesut adipos Celula tinta

Caracteristicile hormonilor Specificitate Un anumit hormon va lega un anumit tip de receptor b) Amplificarea raspunsului Activeaza enzime care la randul lor activeaza mai multe molecule. In final raspunsul este amplificat. Efect Adrenalina Complex adrenalina-receptor

Clasificarea hormonilor endocrini Din punct de vedere chimic, hormonii endocrini se împart în: hormoni steroidici (cortisol, aldosteron, hormoni sexuali); hormoni derivaţi din aminoacizi (hormonii tiroidieni,catecolaminele) hormoni peptidici şi proteici (insulina, glucagon, hormoni hipotalamici); hormoni derivaţi din lipide (prostaglandinele). Hormonii endocrini sunt transportaţi în funcţie de natura lor. Astfel, hormonii peptidici şi catecolaminele, fiind hidrosolubili, circulă în stare liberă în plasma sanguină. Hormonii hidrofobi sunt asociati în sânge cu molecule de proteine transportoare specifice.

Reglarea hormonala a proceselor metabolice Hormoni - definitie - clasificare Hormoni endocrini Mecanisme celulare de actiune ale hormonilor endocrini

Mecanismele celulare de actiune ale hormonilor In functie de solubilitate: Hormoni solubili in lipide (liposolubili) Hormoni steroidici (Androgeni, estrogeni, glucocorticoizi, mineralocorticoizi), hormoni tiroidieni (tiroxina, triiodotironina) Hormoni solubili in apa (hidrosolubili) - hormonii peptidici si proteici (glucagon, insulina) si catecolaminici (adrenalina (epinefrina), noradrenalina (norepinefrina)

Hormonii liposolubili Sunt transportaţi în sânge de proteine specifice (“hormone-binding proteins”). Aceste proteine de transport au o mare specificitate faţă de hormonii respectivi; de exemplu TBG (Thyroxine-Binding Globulin), CBG (Cortisol-Binding Globulin), sau SHBG (Sex Hormone-Binding Globulin).Deşi albumina are o afinitate mică de legare a hormonilor steroidici şi tiroidieni, concentraţia sa plasmatică mare îi asigură un rol important în legarea hormonilor excedentari. Difuzeaza prin membrana plasmatica Prezinta receptori citoplasmatici (steroidici) sau membranari sau nucleari (hormoni tiroidieni) Regleaza procese de replicare, transcriere si traducere.

Hormonii liposolubili Hormonii steroidici Exemplu: Hormonii glucocorticoizi Sunt produsi de regiunea corticala a suprarenalei Sunt transportati in sange legati de proteine (cortisol-binding globulin) sau albumina Exercita efecte imunologice, cardiovasculare, metabolice, homeostatice asupra intregului organism Efecte metabolice: intensificarea gluconeogenezei hepatice, inhiba preluarea de glucoza de catre tesutul adipos, intensifica degradarea lipidelor si a proteinelor Mecanismele celulare de actiune ale glucocorticoizilor sunt: genomice si non-genomice

Mecanismele genomice ale glucocorticoizilor Mecanisme genomice: Hormonii strabat membrana celulara se leaga de receptorii specifici in citosol. Apoi, receptorii sunt eliberati dintr-un complex proteic cu chaperoane si co-chaperoane. Complexul hormon-receptor actioneaza asupra replicarii ADN (A, B); inhiba actiunea unor factori de transcriere (NF-κB, AP-1) (C1 si C2); intervin in degradarea ARNm prin recunoasterea unor secvente de nucleobaze (bogate in adenina si uracil) de la extremitatea 3’(D); intervin in transportul ARNm in citosol (E) sau la nivelul traducerii ARNm in proteine (F).

Mecanismele non-genomice ale glucocorticoizilor Mecanisme non-genomice: Hormonii glucocorticoizi pot actiona: nespecific la nivelul membranei plasmatice sau mitocondriale (inteferand cu transportul protonilor si al cationilor) (A1 si A2); specific prin legarea de un receptor membranar urmata de cresterea concentratiei inozitol trifosfatului (IP3) si a Ca2+ intracelular (B); inhibarea productiei de acid arahidonic si a prostaglandinelor prin intemediul unor co-chaperoane desprinse din complexul proteic dupa legarea hormonilor de receptorii citosolici (C).

Hormonii liposolubili Hormonii tiroidieni Hormonii tiroidieni: tiroxina (contine in molecula 4 atomi de I) si triiodotironina (contine in molecula 3 atomi de I). Sunt transportati in circulatie legati de globulina de legare a tiroxinei (engl. thyroxine-binding globulin),prealbumina de legare a tiroxinei (thyroxine-binding prealbumin), sau de albumina. Controleaza cresterea si dezvoltarea organismului, producerea de caldura, metabolismul celular (hidroliza ATP-ului, intensifica oxidarea acizilor grasi, glicogenoliza), consumul de oxigen.

Mecanismul de actiune al hormonilor tiroidieni Hormonii tiroidieni strabat membrana plasmatica si nucleara si actioneaza prin intermediul unui receptor nuclear. Receptorul hormonilor tiroidieni (TR) este localizat aproape exclusiv nuclear fiind este asociat cu receptorul retinoidic X (retinoid-X receptor) (RXR). Receptorul activat de hormon se leaga la elementele de raspuns la hormonii tiroidieni (hormone response elements (TRE’s)) pentru a altera sau stimula transcrierea genelor (gene ce codifica proteine implicate in evolutia embrionului, pentru anhidraza carbonica, miozina, gene implicate in cai catabolice etc).

Hormoni hidrosolubili Hormonii peptidici si proteici (glucagon, insulina) si catecolaminici (adrenalina (epinefrina), noradrenalina (norepinefrina) Hormonii hidrosolubili nu pot pătrunde liber prin membrana celulară hidrofobă. Au receptorii membranari. Mecanismul de actiune implica: 1) participarea mesagerilor secundari cu rol de a amplifica mult semnalul hormonal. Astfel, un singur complex ligand-receptor poate cataliza activarea mai multor molecule de proteină G care, la rândul lor, vor genera formarea mesagerilor secundari implicaţi în cascada de reacţii biochimice. Mesageri secundari sunt: 3',5'-adenozinmonofosfatul ciclic (cAMP), 3',5'-guanozinmonofosfatul ciclic (cGMP), inozitol-1,4,5-trifosfatul (IP3), diacilglicerolul (DAG), acilsfingozina, ADP-riboza ciclică (cADP-riboza), ionii de calciu (Ca++), şi monoxidul de azot (NO). 2) Un sistem transductor (traductor) care face legatura intre complexul hormon-receptor si producerea de mesager secundar. Fixarea hormonului hidrofil de receptorul său membranar activează un sistem transductor care transformă semnalul extern (hormonul, ca “prim mesager”), într-un semnal intracelular (“mesager secundar”), care va declanşa apoi evenimentele celulare. Sisteme transductoare sunt: proteine din clasa G cuplate cu enzime ce genereaza mesageri secundari (adenilat-ciclaza, fosfolipaza C)

Proteinele G Proteinele G sunt un sistem de cuplare a complexului hormon-receptor cu sistemul efector. Sunt proteine membranare a căror denumire se datorează proprietăţilor lor de a lega guanin-nucleotide (GDP şi GTP). Proteinele G sunt heterotrimeri αβγ alcătuiţi din trei subunităţi diferite: a,  şi . Subunitatea a prezintă un situs de legare pentru GDP/GTP. Proteina G inactivă este sub formă de trimer: Ga-GDP-GβGγ, în timp ce proteina G activă se găseşte sub formă de monomer legat de GTP: Ga-GTP. Procesul de activare/inactivare este reversibil.

Mecanismul de actiune al hormonilor hidrofili prin intermediul adenilat-ciclazei Exemplu: degradarea glicogenului sub actiunea glucagonului. Complexul hormon-receptor cuplat cu proteina G stimulatoare Gs determină ataşarea GTP la subunitatea Gs şi disocierea trimerului în Gs-GTP (proteina G activată) şi G-G. Complexul Gs-GTP activează adenilat-ciclaza, care va genera AMP ciclic. În calitate de mesager secundar, AMPc activează o protein-kinază care, la rândul ei, va cataliza fosforilarea pe seama ATP a altor proteine enzimatice ce vor da în final răspunsul celular. De aici şi denumirea de “cascadă de reacţii”. Toate efectele cunoscute ale AMPc în celulele eucariote sunt rezultatul activării unor protein-kinaze care vor transfera o grupare fosfat de pe molecula de ATP pe resturile serinice sau treoninice ale unor proteine funcţionale ce devin astfel activate, sau inhibate.

Tipuri de proteine G Proteinele G pot fi atat stimulatoare(Gs) cat si inhibitoare (Gi). În timp ce unii hormoni ca adrenalina, glucagonul, hormonul adrenocorticotrop (ACTH) legaţi de receptorul hormonal vor determina activarea adenilat-ciclazei, alţi liganzi cum sunt prostaglandina E1 (PGE1), adenozina, somatostatina, angiotensina II etc., vor inactiva adenilat-ciclaza.

Mecanismul de actiune al hormonilor hidrofili prin intermediul fosfolipazei C Un alt sistem transductor al semnalelor externe ce generează mesageri secundari este alcătuit din fosfolipaza C, cuplată cu o proteină din familia proteinelor G (Gp). Interacţiunea receptor-ligand (hormon sau alt agonist) activează prin intermediul proteinei Gp-GTP fosfolipaza C. Această enzimă membranară va cataliza hidroliza unor fosfolipide membranare, cum este fosfatidilinozitol 4,5-bisfosfatul (PIP2), eliberând doi mesageri secundari: inozitol 1,4,5-trifosfatul (IP3) şi diacilglicerolul (DAG). hormoni hipotalamici de eliberare hormonilor hipofizari

Hormoni hidrosolubili Insulina Un caz particular este receptorul pentru insulină -o glicoproteină membranară, un heterotetramer (22) alcătuit din două catene polipeptidice  situate în spaţiul extracelular şi două catene  transmembranare, legate între ele prin trei punţi disulfurice. Domeniul tirozin-kinazic este situat pe catenele , în partea lor citosolică, carboxiterminală. Legarea insulinei la receptor determină apariţia unei funcţii tirozin-kinazice a receptorului activat, care va cataliza astfel fosforilarea resturilor de tirozină din proteinele ţintă. Receptorul activat are şi funcţie autofosforilantă, fosforilând pe seama ATP câte două resturi tirozinice din domeniul tirozinkinazic al fiecărei catene . Această autofosforilare creşte capacitatea receptorului de a fosforila resturile tirozinkinazice de proteine ţintă. O consecinţă deosebită a autofosforilării este aceea că activitatea tirozinkinazică a receptorului se păstrează chiar dacă insulina disociază de receptor.