Η ΠΟΛΥΚΥΣΤΙΚΗ ΝΟΣΟΣ: ΕΠΙΤΑΧΥΝΕΙ ΤΗΝ ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΗΣ ΝΕΦΡΙΚΗΣ ΝΟΣΟΥ; Κ. Μαυροματίδης Δ/τής Νεφρολογικού Τμήματος Κομοτηνής

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΝΕΦΡΙΚΗΣ ΒΛΑΒΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΑ 1. ΥΠΕΥΘΥΝΟ ΓΟΝΙΔΙΟ 2. ΦΥΛΟ 3. ΦΥΛΗ 2. ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ 1. ΑΡΤΗΡΙΑΚΗ ΥΠΕΡΤΑΣΗ 3. ΔΙΑΤΑ 1. ΣΥΝΘΕΣΗ ΔΙΑΙΤΟΛΟΓΙΟΥ ΣΕ ΛΕΥΚΩΜΑΤΑ 2. ΣΟΓΙΑ, ΦΥΤΟΟΙΣΤΡΟΓΟΝΑ, α-ΛΙΝΟΛΕΪΚΟ ΟΞΥ 3. ΚΑΦΕΣ 4. ΚΑΛΙΟ – ΥΠΟΚΑΛΙΑΙΜΙΑ 4. ΑΥΞΗΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΥΣΤΕΩΝ 1. ΔΙΕΓΕΡΤΕΣ ΑΔΕΝΥΛΚΥΚΛΑΣΗΣ -ADH -ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ΦΩΣΦΟΔΙΕΣΤΕΡΑΣΗΣ (καφεϊνη) -ΤΕΣΤΟΣΤΕΡΟΝΗ -PGE1 ΚΑΙ PGE2 2. ΑΥΞΗΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ -ΧΥΜΟΚΙΝΕΣ (PCP-1, ΟΣΤΕΟΠΟΝΤΙΝΗ) -ΠΡΟΦΛΕΓΜΟΝΩΔΕΙΣ ΚΥΤΟΚΙΝΕΣ -ΑΥΞΗΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ (EGF, TGF-α & β, AG-II) -ΠΟΛΥΚΥΣΤΙΝΗ 1 και 2 -ΚΑΣΠΑΣΕΣ -ΒΙΤΑΜΙΝΗ D3 3. ΜΕΘΟΔΟΣ ROVSING

Υπεύθυνο γονίδιο 2. Φύλο 3. Φυλή ΥΠΕΥΘΥΝΟ ΓΟΝΙΔΙΟ-ΦΥΛΟ-ΦΥΛΗ -Χειρότερη πρόγνωση έχει η ΠΚΝ1 έναντι της ΠΚΝ2 -Εμφανίζει νωρίτερα συμπτωματολογία -Φθάνει νωρίτερα σε ΤΣ ΧΝΑ 2. Φύλο -Οι άνδρες φθάνουν σε ΤΣ ΧΝΑ νωρίτερα (πιθανά ευθύνονται τα αυξημένα επίπεδα τεστοστερόνης) 3. Φυλή -Οι λευκοί στη Μ. Βρετανία φθάνουν σε ΤΣ ΧΝΑ αργότερα σε σχέση με τους μαύρους Bear et al 1992 Gabow at al 1992 Hateboar et al 1999 Demetriou et al 2000 Choukroun et al 1995 Σωτηρακόπουλςο και συν. 2001 Hannedouche 1993 Simon 1995 Gabow et al 1996

Αποτελεί σημαντικό παράγοντα επιβάρυνσης της νεφρικής λειτουργίας ΑΡΤΗΡΙΑΚΗ ΥΠΕΡΤΑΣΗ Αποτελεί σημαντικό παράγοντα επιβάρυνσης της νεφρικής λειτουργίας Iglesias et al 1983 Gabow et al 1992 Chaukroun et al 1995 Σωτηρακόπουλος και συν. 2001 Οι υπερτασικοί με ΠΚΝ χάνουν τη νεφρική τους λειτουργία ταχύτερα Gonzalo et al 1996 Σωτηρακόπουλος και συν. 2001 Το θετικό κληρονομικό ιστορικό για υπέρταση (σε μέλη ασθενών με ΠΚΝ που δεν είχαν τη νόσο) σχετίζεται θετικά με τον ρυθμό έκπτωσης της νεφρικής λειτουργίας Geberth et al 1995 Πρόληψη α-ΜΕΑ ή αναστολείς των ΑΤ-1 υποδοχέων της AG-II Kennefic et al 1999 Schrier et al 2003

ΣΥΝΘΕΣΗ ΔΙΑΙΤΟΛΟΓΙΟΥ ΣΕ ΛΕΥΚΩΜΑΤΑ Η υπερλευκωματούχος δίαιτα σχετίζεται με χαμηλότερο ενδοκυττάριο pH (οξέωση), υψηλότερο ενδοκυττάριο φώσφορο, υψηλότερη κατανάλωση Ο2 και μεγαλύτερη παραγωγή ελεύθερων ριζών Ο2 και αυξημένη αμμωνιογένεση Η υπολευκωματούχος δίαιτα επιβραδύνει την εξέλιξη της νεφρικής βλάβης Greta et al 1986 Alvestrand et al 1993 Oldrizzi et al 1985 Σωτηρακόπουλος και συν. 2001 όχι όμως και σ΄ αυτούς με ΧΝΑ Choukroun et al 1995 Σωτηρακόπουλος και συν. 2001 Locatelli et al 1991 Klahr et al 1995 MDRD 1995 Σε ποντικούς διαπιστώθηκε ότι η υψηλή πρόσληψη λευκωμάτων (>50% από τους μάρτυρες) επιδεινώνει την ουραιμία και επιτείνει τη νεφρική βλάβη Cowley et al, Am J Kidney Dis 1996

ΣΟΓΙΑ (φυτοοιστρογόνα, ισοφλαβινοειδή) Η σόγια περιέχει αρκετά φυτοοιστρογόνα και ισοφλαβινοειδή, τα οποία αποτελούν αναστολείς της τυροσινικής πρωτεϊνικής κινάσης Tomobe et al 1998 Ogborn et al 1998 Ogborn et al 2000 Η σόγια βοηθά στην επιβράδυνση της εξέλιξης της νεφρικής βλάβης στην ΠΚΝ, διάμεσου : Αυξημένης παραγωγής ΝΟ Μειωμένης παραγωγής αραχιδονικού οξέος και Μικρότερης παραγωγής IGF-1 Aukema et al 2001 Στους Ιάπωνες που έχουν στο διαιτολόγιό τους πολύ σόγια, η εξέλιξη της ΠΚΝ προς ΧΝΑ είναι πολύ βραδύτερη

ΛΙΠΗ Δίαιτας με α-λινολενικό οξύ περιορίζει τη διάμεση νεφρίτιδα των ασθενών με κυστική νόσο Ogborn et al 1999

ΝΕΦΡΙΚΗ ΑΜΜΩΝΙΟΓΕΝΕΣΗ (υποκαλιαιμία) Η νεφρική αμμωνιογένεση συσχετίσθηκε με τη δημιουργία κύστεων διαμέσου της υποκαλιαιμίας Torres et al 1994 Η δίαιτα χαμηλού καλίου σχετίζεται με ταχύτερη αύξηση του μεγέθους των κύστεων σε ΠΚΝ ποντικών Cowley et al 1996

ΣΥΝΘΕΣΗ ΔΙΑΙΤΟΛΟΓΙΟΥ ΣΕ ΚΑΛΙΟ-ΚΙΤΡΙΚΑ Η χορήγηση σόδας, ανθρακικού καλίου και κιτρικού νατρίου, περιορίζει πολύ την εμφάνιση της ΠΚΝΕ σε επίμυς, κάτι που μπορεί να αποτελέσει αντικείμενο μελέτης σε ανθρώπους με ΠΚΝΕ Η αυξημένη πρόσληψη κιτρικών (χορήγηση διαλύματος κιτρικού καλίου μαζί με κιτρικό οξύ), που οδηγεί σε αλκαλοποίηση των ζώων με ΠΚΝ, προστατεύει από την έκπτωση της νεφρικής λειτουργίας και σχετίζεται με μακρύτερη επιβίωση των ποντικών Tanner & Tanner 2000 Sweeney et al 1999

ΚΑΦΕΪΝΗ-Ι Φάρμακα που αυξάνουν τη δραστηριότητα της αδενυλκυκλάσης (βαζοπρεσσίνη, PGE2, β-διεγέρτες) και αναστολείς της φωσφοδιεστεράσης (καφεϊνη, θεοφυλλίνη) επιτείνουν την πρόοδο της νεφρικής βλάβης, διότι αυξάνουν την συγκέντρωση του cAMP στις νεφρικές κύστεις Dousa et al 1994 Grantham et al 1997 Tanner & Tanner 2001 Επίταση της παραγωγής cAMP από τη δράση της δεσμοπρεσσίνης εξ αιτίας δράσης της καφεϊνης (σε κύτταρα από ΠΚΝ) Belibi et al 2002

ΚΑΦΕΪΝΗ-ΙΙ Effect of caffeine on DDAVP-induced Cl- secretion in ADPKD cells. Η φωσφοδιεστεράση βοηθά στο μεταβολισμό του cAMP. Η καφεΐνη αποτελεί μη εκλεκτικό αναστολέα της φωσφοδιεστεράσης, με αποτέλεσμα η δράση της να οδηγεί σε αύξηση της συγκέντρωσης του cAMP Η PKD Foundation συστήνει στους πάσχοντες από ΠΚΝ να μειώσουν ή να διακόψουν τη χρήση του καφέ και τσαϊου

ΑΥΞΗΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΥΣΤΕΩΝ 1. ΔΙΕΓΕΡΤΕΣ ΑΔΕΝΥΛΚΥΚΛΑΣΗΣ -ADH -ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ΦΩΣΦΟΔΙΕΣΤΕΡΑΣΗΣ (καφεϊνη) -ΤΕΣΤΟΣΤΕΡΟΝΗ -PGE1 ΚΑΙ PGE2 2. ΑΥΞΗΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ -ΧΥΜΟΚΙΝΕΣ (PCP-1, ΟΣΤΕΟΠΟΝΤΙΝΗ) -ΠΡΟΦΛΕΓΜΟΝΩΔΕΙΣ ΚΥΤΟΚΙΝΕΣ -ΑΥΞΗΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ (EGF, TGF-α & β, AG-II) -ΠΟΛΥΚΥΣΤΙΝΗ 1 και 2 -ΚΑΣΠΑΣΕΣ -ΒΙΤΑΜΙΝΗ D3 3. ΜΕΘΟΔΟΣ ROVSING

Σημασία της αύξησης του μεγέθους των κύστεων στην εξέλιξη της ΧΝΑ ΑΥΞΗΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΥΣΤΕΩΝ ΣΤΟΝ ΧΡΟΝΟ Σημασία της αύξησης του μεγέθους των κύστεων στην εξέλιξη της ΧΝΑ ΕΤΟΣ 1988 1994 1999 Ασθενή Α 1120 1568 2217 Ασθενής Β 1975 2705 3728 1990 2003 Torres VE 2005

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΥΞΗΣΗΣ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΚΥΣΤΕΩΝ Η πίεση που ασκούν οι κύστεις στο φυσιολογικό παρέγχυμα καταστρέφει και τον υπόλοιπο φυσιολογικό νεφρικό ιστό Franz & Rubi 1983 Gretz et al 1992 Το cAMP παίζει σημαντικό ρόλο στην παθογένεση της ΠΚΝ, διότι διεγείρει την διεπιθηλιακή έκκριση και συσσώρευση NaCI και Η2Ο στις κύστεις (διαμέσου του Na+-CI- και του Na+-2CI--K+-συμμεταφορέα), όπως επίσης και τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό Sullivan et al 1998 Yanaguchi et al 2000 Gattone et al 2003 Guggino et al 2000 Δυσρρύθμιση αύξησης ή ανώμαλος πολλαπλασιασμός των επιθηλιακών κυττάρων, παίζει σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση και αύξηση των κύστεων σε ΠΚΝ Wilson et al 2004 Yunxia et al 2004 Wahl et a 2006 Οι πολυκυστίνες (1 και 2) είναι μόρια που λείπουν από την ΠΚΝ και ή αποτελούν οι ίδιες κανάλια ιόντων ή είναι ρυθμιστές ιοντικών καναλιών Yoshida et al 2003

Διεγέρτες της αδενυλκυκλάσης (αναστολέας σωματοστατίνη) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΔΕΝΥΛΚΥΚΛΑΣΗΣ Διεγέρτες της αδενυλκυκλάσης (αναστολέας σωματοστατίνη) Η ADH (αναστολείς V2-υποδοχέων ADH) Αδρεναλίνη Η σεκρετίνη (αναστολείς Η2-υποδοχέων ισταμίνης) Η PGE1 και PGE2 (NSADs) Ο cyst activating factor (CAF) Η τεστοστερόνη Dousa et al 1994 Tanner & Tanner 2001

ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Hormone Adenylcyclase receptor ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ GDP GTP cAMP ATP G protein ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Εικόνα 2: Η παραγωγή cAMP από τη δράση της αδενυλκυκλάσης

Phosphorylase Phosphorylase kinase cAMP dependent protein kinase Adenylcyclase     C R P P Τελικά από τη δράση της αδενυλκυκλάσης παράγεται cAMP, το οποίο ενεργοποιεί την πρωτεϊνική κινάση και αυτή της φωσφοροφρουκτοκινάση, με τελικό αποτέλεσμα την παραγωγή φωσφορυλάσης, η οποία και τελικά δρα

Ο αναστολέας της πρωτεϊνικής κινάσης Αντισώματα έναντι του EGF ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΤΟΥ cAMP ΚΑΙ ΤΗΣ ΠΡΩΤΕΪΝΙΚΗΣ ΚΙΝΑΣΗΣ Η ADH αποτελεί τον κύριο διεγέρτη της αδενυλκυκλάσης στα αθροιστικά σωληνάρια Torres 2004 Η ενεργοποίηση της αδενυλκυκλάσης και η παραγωγή cAMP προάγει την έκκριση μορίων που ευθύνονται για υπερπλασία των κυττάρων των ΠΚΝ νεφρών, οπότε οι αναστολείς της παραγωγής των ουσιών αυτών εμποδίζουν την επίδραση αυτή. Τέτοιοι είναι: Ο αναστολέας της πρωτεϊνικής κινάσης Αντισώματα έναντι του EGF Torres et al 2003

ADH Το μέγεθος των κύστεων αυξάνει λόγω πλήρωσής τους με υγρό εξ αιτίας λειτουργίας μιας διαδικασίας κατά την οποία εκκρίνεται χλώριο διαμέσου του cAMP Οι V2 υποδοχείς της ADH εκφράζονται στα αθροιστικά σωληνάρια επί παρουσίας cAMP Η αναστολή των V2 υποδοχέων με τον ανταγωνιστή τους οδηγεί σε μείωση του cAMP και σε επιβράδυνση της αύξησης του μεγέθους των κύστεων Gattone et al 2003

ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΤΩΝ V2 ΥΠΟΔΟΧΕΩΝ ΤΗΣ ADH Χορήγηση δεσμοπρεσσίνης σε υγιή ποντίκια ή άτομα αυξάνει την λευκωματίνη των ούρων, όπως επίσης προκαλεί νεφρική υπερτροφία και σωληναριοδιάμεση βλάβη που οδηγεί σε διάμεση ίνωση Torres 2005 Η χρήση σε ασθενείς με ΠΚΝ (κλινικές μελέτες) ανταγωνιστών των V2 υποδοχέων της ADH σε φάση Ι και ΙΙ δεν έδειξε ότι υπάρχουν παρενέργειες Σήμερα πολλοί αναστολείς των V2 υποδοχέων βρίσκονται σε φάση κλινικής μελέτης ΙΙΙ (σε ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια ή σύνδρομο απρόσφορης έκκρισης ADH) και ένας ήδη κυκλοφορεί στις ΗΠΑ Η χορήγηση OPC-31260 και OPC-41061 (αναστολείς των V2 υποδοχέων της ADH) συμβάλλουν στην αναστολή της προόδου της νεφρικής νόσου στην ΠΚΝ Wang et al 2005

ΡΑΠΑΜΙΚΥΝΗ-SIROLIMUS Η ραπαμυκίνη είναι ένας αναστολέας κινάσης (σερίνης θρεονίνης) και ένας κεντρικός ρυθμιστής της κυτταρικής αύξησης και υπερπλασίας Fingar et al 2004 Διαπιστώθηκε σε ποντικούς ότι: Μειώνει το ρυθμό πολλαπλασιασμού των επιθηλιακών κυττάρων των κύστεων Αναστέλλει την αύξηση του μεγέθους των κύστεων και την κυστογένεση Εμποδίζει την απώλεια νεφρικής λειτουργίας (καθυστερεί) Μπορεί η ραπαμυκίνη να χρησιμοποιηθεί ως φάρμακο για επιβράδυνση της εξέλιξης της νεφρικής βλάβης, χωρίς να συνοδεύεται η χρήση αυτή από σημαντικές παρενέργειες Tao et al 2004 Wahl et al 2006

ΠΟΛΥΚΥΣΤΙΝΕΣ Οι πολυκυστίνες 1 και 2 αποτελούν μόρια που λείπουν σε πάσχοντες από ΠΚΝ και ή αποτελούν οι ίδιες κανάλια ιόντων ή είναι ρυθμιστές ιοντικών καναλιών Yoshida et al 2003. Η έλλειψη πολυκυστίνης-2 οδηγεί σε μείωση του ενδοκυττάριου Ca++ και σε τροποποίηση της δράση του cAMP από αντιμιτογενετικό σε μιτογενετικό Γι΄ αυτό οι ενεργοποιητές των διαύλων ασβεστίου (Bay K8644 ή A23187) αυξάνουν το ενδοκυττάριο Ca++ και αντιστρέφουν πλήρως την μιτογενετική απάντηση που προκαλεί το cAMP Οι αναστολείς των διαύλων ασβεστίου μειώνουν τη συγκέντρωση του ενδοκτυττάριου Ca++ και με τον τρόπο αυτό προάγουν την μιτογένεση και την αύξηση του μεγέθους των κύστεων σε ΠΚΝ Rundle et al 2004 Yamaguchi et al 2006 Yamaguchi et al 2004 Cantiello 2004 Felix 2005

ΣΩΜΑΤΟΣΤΑΤΙΝΗ Η σωματοστατίνη αναστέλλει την παραγωγή cAMP και έτσι ανταγωνίζεται την επίδραση της ADH Torres 2005 Χορηγήθηκε σωματοστατίνη σε ασθενείς με ΠΚΝ και μέτρια ή ήπια ΧΝΑ για 6 μήνες και διαπιστώθηκε ότι: -Αναστέλλει κυρίως την αύξηση των μικρότερων κύστεων και πιθανά παρέχει προστασία στη νεφρική λειτουργία σε μακράς διάρκειας λήψη Ruggenenti et al 2005

ΦΛΕΓΜΟΝΗ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΧΩΡΟΥ ΝΕΦΡΟΥ-ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΣ ΠΟΛ/ΣΜΟΣ ΔΙΕΓΕΡΤΕΣ Χυμοκίνες (οστεοποντίνη) Προφλεγμονώδεις κυτοκίνες (TNF-α, IL-1, IL-2, IL-6) Τυροσινική κινάση AG-II Πολυκυστίνη 1 και 2 ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ Μεθυλπρεδνιζολόνη NSADs Αναστολείς τυροσινικής κινάσης (EKI-785) α-ΜΕΑ??? Ενεργοποιητές διαύλων Ca++ Barlaam & Bird 1999 Newton & Decicco 1999 Sweeney et al 1999 Wolf & Neilson 1990 Yoshida et al 2003 Rundle et al 2004 Cantiello 2004 Yamaguchi et al 2004, 2006

ΒΙΤΑΜΙΝΗ D3 Βιταμίνη D3 Αναστέλλει τον πολλαπλασιασμό κυττάρων που προάγουν την διαφοροποίηση και απόπτωση Η χρήση της έχει στην πράξη το πρόβλημα ότι προκαλεί υπερασβεστιαιμία, αν και δεν έχει εκτιμηθεί στην πράξη η επίδραση των φαρμάκων αυτών στην δημιουργία κύστεων Verstuye et al 1998

ΑΝΤΙΦΛΕΓΜΟΝΩΔΗ ΦΑΡΜΑΚΑ Η ύπαρξη φλεγμονής στο διάμεσο χώρο των νεφρών ασθενών με ΠΚΝ είναι δεδομένη, όπως και τα αυξημένα επίπεδα προφλεγμονωδών κυτοκινών (TNF-α, IL-1, IL-2) στο υγρό των κύστεων Η μεθυλπρεδνιζολόνη (αναστολέας της φωσφολιπάσης Α2 και της κυκλοξυγενάσης-2) διαπιστώθηκε ότι περιορίζει την αύξηση των νεφρικών κύστεων σε μοντέλα ποντικών με κυστικές νόσους Barlaam & Bird 1999 Newton & Decicco 1999

ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ή ΆΛΛΗ ΑΠΟΣΥΜΠΙΕΣΗ ΚΥΣΤΕΩΝ-I Περιορισμός του μεγέθους των κύστεων βοηθά στην αποσυμπίεση του φυσιολογικού νεφρικού ιστού και στη μείωση της επιβάρυνσης της νεφρικής λειτουργίας Sulikowski et al 2006 Kim et al 2003 Uemasu et al 1993

Εικόνα 1 : Κύστεις νεφρού ( βέλη), πριν (Α) και μετά την αποσυμπίεση (Β)

Σας ευχαριστώ

ΔΙΕΓΕΡΤΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΑΠΟΠΤΩΣΗΣ Δεν είναι γνωστός ο ακριβής ρόλος της απόπτωσης στη κυστογένεση και πρέπει να διευκρινιστεί ο ρόλος που παίζει η αύξηση ή μείωση του ρυθμού της απόπτωσης στην δημιουργία κύστεων στην ΠΚΝ Sellers & Fisher 1999 Haunsteter & Izumo 2000

ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Hormone Adenylcyclase receptor ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ GDP GTP cAMP ATP G protein ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Με τη δράση της αδενυλκυκλάσης απελευθερώνονται δύο φωσφορικές ομάδες από το ATP και σχηματίζεται AMP, το οποίο συμβάλλει αποφασιστικά στην ενεργοποίηση πολλών ορμονών (λ.χ. αδρεναλίνης, ACTH κ.ά). Αρχικά συνδέεται η αδενυλκυκλάση με τον υποδοχέα της, οπότε αρχίζει μία διαδικασία που τελικά παράγει cAMP. Ειδικότερα μετά την επαφή της ορμόνης με τον υποδοχέα της η πρωτεΐνη G βοηθά στη μετατροπή του GDP σε GTP, το οποίο διεγείρει το ATP να μετατραπεί σε cAMP

Cyclic AMP and Hormone Action From the Meek to the Mighty Hormones are important regulators of biological processes. Those that work through the action of 3’-5’-cyclic AMP (cAMP) control enzymes by using ATP to phosphorylate serine and threonine groups on target enzymes. These so-called protein kinases represent a sequel of catalytic steps designed to amplify the action of the hormone. The key word here is “catalytic”, which means many progeny can come from one. There is a pattern to many protein kinase-dependent processes and this tutorial will help you see commonality in the mechanism. As you study the steps, asks yourself why doesn’t the hormone just engage the enzyme directly. You will soon realize that hormones are present in fleeting amounts and cannot be effective at these minute levels. Rather their action depends on events that allow the meek hormone to raise to a higher level of effectiveness and deliver a mighty blow to the cell process in question. The meek to the mighty helps you see how this is possible.

Initial response Let’s begin by examining a typical c-AMP-dependent hormone response system. First we must realize that cAMP action is inside the cell and the hormone is outside. A connection, therefore, must be made across the membrane. The connecting point is a receptor for the hormone in close proximity to a membrane bound enzyme, adenylcyclase (click 1). Hormone receptor Adenylcyclase When the hormone contacts its receptor it sets into motion a series of reactions that ultimately lead to the synthesis of cAMP (click 1). GDP GTP cAMP G protein ATP The first reaction is the exchange of GDP with GTP on G protein (click 1). This allows an “active” G protein to travel to adenylcyclase and stimulate the enzyme to make cAMP from ATP (click 1). Click 1 to go on.

+ C + 4 cAMP C cAMP-dependent Protein Kinase The next step in the reaction sequence is to activate the first kinase enzyme, which is called cAMP-dependent protein kinase or cAPK for short. The catalytic subunits of cAPK are held in check by regulatory subunits (click 1). But, when cAMP is around, the regulatory subunits bind the cAMP and dissociate from the catalytic subunits (click 1). + 4 cAMP C R cAMP + C R The catalytic subunit is now free to attack a protein target. You should note at this stage that by raising cAMP levels through an enzyme, the hormone has dramatically amplified its ability to elicit a response. This is the advantage of a “catalytic” (one begets many) as opposed to a stoichiometric (one begets one) response. Click 1 to go on.

2ATP 2ADP         Active phosphorylase Kinase Calmodulin cAPK Inactive Phosphorylase Kinase P         Active phosphorylase Kinase P Catalytic site Is any protein a target for the catalytic subunit of cAPK? No, only kinase enzymes will be acted upon. These target enzymes, therefore, must have some unique features. Phosphorylase kinase, for example, is composed of 4 different subunits (click 1). The delta subunit is calmodulin, a calcium binding protein, that regulates the activity (click 1). The gamma subunit has the catalytic site (click 1). The enzyme is not active. To activate phosphorylase kinase, the catalytic subunit transfers 2 PO4s from 2 ATPs to the alpha and beta subunits (click 1). Phosphorylation at these sites renders phosphorylase kinase active. Conversely, removing phosphate inactivates the kinase. Be alert, therefore, to phosphatases that may exert control over the function of phosphorylase kinases. Click 1 to go on.

Crunch Time Now comes crunch time. What is the function of the target kinases. The answer is they phosphorylate enzymes that control a critical steps in a pathway. For example, phosphorylase or glycogen synthase are targets of a protein kinase. For phosphorylase, the kinase enzyme is phosphorylase kinase. The sequence of events is highlighted in the figure below (click 1).     Phosphorylase kinase P C R cAMP dependent protein kinase Phosphorylase Adenylcyclase P So now you can see how a hormone external to a cell can have a profound effect on glycogen degradation, glycogen synthesis, and other processes whose enzymes have activities controlled by the presence or absence of phosphate groups. Click 1 to test what you learned.

Test and Expand your Knowledge of cAMP Systems 1. Besides glucagon, can you name other hormones that elicit a cAMP response? Ans: epinephrine and norepinephrine 2. What name is given to a class of receptors that connect with adenylcyclase thru G proteins? Ans: Beta adrenergic 3. Based on the composition of phosphorylase kinase, what other factor may be expected to stimulate the activity of the enzyme and increase glycogen breakdown? Ans: Calcium ion. It binds to calmodulin one of the subunits of the kinase and activates the gamma (catalytic) subunit. 4. Supposing one hormone elicits 100 times it number of cAMP molecules. Then 2 cAMP molecules elicits 500 times their number of active phosphorylase kinases. Now suppose each phosphorylase kinase activates 1000 phosphorylase molecules. How many times has the single hormone been amplified? Ans: 25 million times. This means that one nanomole is having the same effect as 25 millimoles of hormone.

                                                                                                                                                                                                                                                       Back to the top

ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Hormone Adenylcyclase receptor ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ GDP GTP cAMP ATP G protein ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ Εικόνα 2: Η παραγωγή cAMP από τη δράση της αδενυλκυκλάσης

Pathways involved in the regulation of glycogen phosphorylase Pathways involved in the regulation of glycogen phosphorylase. See the text for details of the regulatory mechanisms. PKA is cAMP-dependent protein kinase. PPI-1 is phosphoprotein phosphatase-1 inhibitor. Whether a factor has positive (+ve) or negative (-ve) effects on any enzyme is indicated. Briefly, phosphorylase b is phosphorylated, and rendered highly active, by phosphorylase kinase. Phosphorylase kinase is itself phosphorylated, leading to increased activity, by PKA (itself activated through receptor-mediated mechanisms). PKA also phosphorylates PPI-1 leading to an inhibition of phosphate removal allowing the activated enzymes to remain so longer. Calcium ions can activate phosphorylase kinase even in the absence of the enzyme being phosphorylated. This allows neuromuscular stimulation by acetylcholine to lead to increased glycogenolysis in the absence of receptor stimulation.

P     P Εικόνα 2: Η αλληλουχία δράσης της αδενυλκυκλάσης C Phosphorylase kinase P C R cAMP dependent protein kinase Phosphorylase Adenylcyclase P Εικόνα 2: Η αλληλουχία δράσης της αδενυλκυκλάσης