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Dr. Fernando D. Saraví Las células de nuestro organismo están inmersas en una fase líquida que Claude Bernard (1813-1878) denominó medio interno. Bernard comprendió que la estabilidad físico-química del medio interno es una condición indispensable para la vida. La función normal de las células solamente puede mantenerse si la temperatura, la osmolaridad, el pH y, en general, la composición química del ambiente que las rodea se mantienen dentro de límites relativamente estrechos. En el mismo sentido, Walter Bradford Cannon (1971-1945) propuso en 1928 el concepto de homeostasis (del griego homo, “similar” y stasis, “estado”). En fisiología, el término “homeostasis” comprende, por una parte, el conjunto de mecanismos reguladores que permiten mantener la constancia del medio interno y por otra el resultado de la acción armónica de dichos mecanismos. Para mantener la homeostasis, los organismos multicelulares requieren sistemas de comunicación entre células, tejidos y órganos que coordinen sus actividades, permitiendo un funcionamiento armónico y eficaz. Actualmente se reconocen tres sistemas de comunicación, a saber: el sistema nervioso, el sistema inmune y el sistema endocrino. Hasta principios del siglo XX se creía que las funciones de comunicación dependían exclusivamente del sistema nervioso. En 1902 William Bayliss y Ernest Starling demostraron la existencia de un mensajero químico producido en el duodeno que, liberado a la sangre, estimulaba la secreción pancreática, al que llamaron “secretina”. La secretina fue la primera de un gran número de secreciones internas o endocrinas (en contraste con las secreciones externas o exocrinas) que se han caracterizado desde entonces y forman el vasto campo de estudio de la endocrinología. Posteriormente Starling empleó el término “hormona” (del griego hormao, “yo excito”) para referirse a sustancias químicas que son llevadas por el torrente sanguíneo desde el órgano que las produce hasta el órgano sobre el cual ejercen su acción. El reconocimiento de que ciertas glándulas (como la tiroides o la suprarrenal) producen exclusivamente secreciones internas, llevó a la definición clásica de hormona: una sustancia química producida por una glándula cuya secreción se vuelca a la sangre y es llevada por ésta hasta el tejido u órgano en el cual produce su efecto. El avance del conocimiento exige ampliar el concepto de hormona, teniendo en cuenta que: 1. Las hormonas pueden ser producidas por células no glandulares, como neuronas (especialmente las hipotalámicas: vasopresina, oxitocina, hormonas liberadoras e inhibidoras), células musculares (cardiomiocitos- péptidos natriuréticos) y adiposas (leptina). 2. Las hormonas pueden ejercer efectos celulares sin necesidad de alcanzar el torrente sanguíneo para ejercer su acción. Estos efectos se denominan paracrinos cuando son ejercidos por una célula sobre células vecinas o autocrinos cuando la célula que secreta la hormona es influenciada por su propia secreción. Como ejemplo de efectos paracrinos pueden mencionarse las acciones de los esteroides sexuales en las gónadas. Un ejemplo de efecto autocrino es el del factor de crecimiento epidérmico sobre las células que lo producen. Las hormonas son agentes biológicos muy potentes, que poseen efectos celulares definidos en concentraciones muy bajas (típicamente del orden nanomolar). Su elevada potencia se debe a que actúan ligándose reversiblemente a moléculas celulares específicas denominadas receptores hormonales, cuya ocupación inicia procesos bioquímicos de señalización intracelular. Los principales receptores y sus mecanismos de transducción se describirán luego bajo el título MECANISMOS DE ACCIÓN HORMONAL. GLÁNDULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ENDOCRINOS Las glándulas de secreción interna son: 1. La hipófisis 2. La tiroides 3. Las paratiroides 4. Las adrenales 5. Las gónadas 6. El páncreas Desde luego, el páncreas cumple asimismo una función exocrina como productor de jugo alcalino Organización del sistema endocrino Posgrado-00 Sello Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 2 rico en enzimas digestivas. La función endocrina está limitada a los islotes de Langerhans. Como se dijo, además de las glándulas citadas otros órganos y tejidos secretan hormonas. En la Tabla 1 hay una lista de las estructuras secretoras y sus principales productos endocrinos. NATURALEZA QUÍMICA DE LAS HORMONAS La mayor parte de las sustancias reconocidas como hormonas pertenecen a uno de los siguientes grupos químicos: esteroides, péptidos, glicoproteínas y aminas (Tabla 2). A continuación se reseñan sus principales propiedades. Esteroides Los esteroides son hormonas de naturaleza lipídica, ya que derivan del colesterol y están relacionadas con el ciclopentanoperhidrofenantreno. Son secretados por la corteza adrenal, las gónadas y la placenta. Los esteroides incluyen glucocorticoides, mineralocorticoides, andrógenos, estrógenos y progestágenos. Los esteroides que cada una de las glándulas citadas produce y libera dependen de la dotación enzimática y vías de síntesis que posea la glándula específica.1 1 El 1,25-dihidroxicolecalciferol o calcitriol es también un esteroide, pero su síntesis es compleja y se estudiará en el capítulo correspondiente. Tabla 1: Órganos y tejidos productores de hormonas. Estructura Principales hormonas Glándulas endocrinas clásicas Hipófisisis Adenohipófisis Hormona del crecimiento, corticotropina, tirotropina, gonadotropinas (FSH y LH), prolactina Neurohipófisis Vasopresina, oxitocina Tiroides Triiodotironina, tiroxina, calcitonina Paratiroides Hormona paratiroidea Suprarrenales (adrenales) Corteza Cortisol, aldosterona, andrógenos Médula Adrenalina, noradrenalina Gónadas Testículo Testosterona, estradiol, inhibina, activina, hormona inhibidora de los conductos de Müller Ovario Estradiol, progesterona, andrógenos, inhibina, activina, péptido liberador de FSH, relaxina, folistatina Placenta Gonadotropina coriónica humana, lactógeno placentario humano, progesterona, estrógenos, relaxina, inhibina, corticoliberina (CRH) Páncreas Insulina, glucagon, somatostatina, péptido intestinal vasoactivo, polipéptido pancreático, gastrina Pineal Melatonina, aminas biógenas, péptidos Órganos endocrinos no clásicos Hipotálamo Corticoliberina (CRH), tiroliberina (TRH), gonadoliberina (GnRH), somatoliberina (GHRH), somatostatina, diversos factores de crecimiento Corazón Atriopeptinas (péptidos natriuréticos auriculares) Riñón Eritropoyetina, calcitriol Hígado Factor símil insulina 1 (IGF-1), hepcidina Tracto digestivo Gastrina, secretina, colecistokinina, péptido intestinal vasoactivo (VIP), enteroglucagon, péptido liberador de gastrina, ghrelina Tejido adiposo Leptina, adiponectina, resistina Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 3 Los esteroides son compuestos no polares, liposolubles, que atraviesan fácilmente las membranas biológicas. En general, se secretan tan pronto se sintetizan, y como consecuencia las glándulas esteroidogénicas poseen cantidades muy limitadas de sus productos de secreción. Debido a su escasa hidrosolubilidad, los esteroides circulan en el plasma mayormente unidos de manera reversible a proteínas (P). La escasa concentración de esteroide libre (S) se encuentra en equilibrio con la fracción unida a proteína (SP): SP ↔ S + P La concentración total de la hormona en plasma es la suma de ambas fracciones. La fracción libre es la que tiene puede difundir al intersticio y ejercer su efecto biológico sobre las células que responden al esteroide en cuestión. No obstante, la fracción de esteroide unida a proteínasposee gran importancia por tres razones: 1. Constituye un reservorio accesible de la hormona en cuestión. 2. Reduce las fluctuaciones de la concentración plasmatica de esteroide libre frente a cambios en la tasa de secreción. 3. Prolonga la vida media del esteroide en circulación, al reducir su tasa de depuración metabólica (solamente la fracción libre está sujeta a depuración). Las acciones mejor caracterizadas de las hormonas esteroides requieren su ingreso a las células blancos y su interacción con receptores intracelulares, cuya ocupación modifica la expresión génica y por tanto la síntesis de proteínas efectoras (efectos genómicos). Por esta razón, el efecto de un esteroide tiene generalmente una latencia de horas. Adicionalmente, diversos esteroides pueden también actuar sobre receptores de membrana acoplados a sistemas efectores intracelulares que no requieren cambios en la expresión génica, y por tanto se manifiestan en segundos o minutos. En general, estos efectos no genómicos complementan o amplifican los efectos genómicos antes mencionados. Por su naturaleza liposoluble, la mayoría de las hormonas esteroides y sus análogos sintéticos llegan a la circulación general luego de su administración oral. Una excepción importante es la testosterona. Péptidos y glicoproteínas Constan de una o más cadenas de aminoácidos, a los cuales se les añaden glúcidos en el caso de las Tabla 2: Clases de hormonas según su estructura química (Porterfield). Esteroides Polipéptidos Glicoproteínas Aminas Aldosterona Cortisol Estradiol Progesterona Testosterona 1,25-dihidroxi- colecalciferol (calcitriol) Corticotropina (ACTH) Prolactina Somatotropina (GH) Angiotensina II Calcitonina Hormona paratiroidea (PTH) Vasopresina (ADH) Oxitocina Factores de crecimiento (IGFs, NGF, EGF, etc) Colecistokinina Secretina Gastrina Relaxina Inhibina Insulina Glucagon Hormonas hipotalámicas Ghrelina Adrenomedulinas Hormona folículostimulante (FSH) Hormona luteinizante (LH) Tirotropina (TSH) Gonadotropina coriónica humana (hCG) Adrenalina Noradrenalina Dopamina Tiroxina Triiodotironina Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 4 glicoproteínas. Son en general polares, hidrosolubles y no atraviesan las membranas. El hipotálamo, la hipófisis, las paratiroides, las células parafoliculares de la tiroides, el páncreas endocrino y la placenta secretan hormonas peptídicas y glicoproteicas. El miocardio, el riñón, el epitelio digestivo y el tejido adiposo también producen hormonas de esta clase. Se sintetizan como precursores en polirribosomas, con un péptido-señal de 15 a 30 aminoácidos en el extremo N. Un complejo de reconocimiento detiene la síntesis hasta que se produce el anclaje en el aparato de Golgi. Allí el bloqueo desaparece y continúa la síntesis. El péptido-señal es clivado por una peptidasa. Se completa la síntesis y en el interior de la cisterna puede ser glicosilado. Posteriormente el producto es almacenado en vesículas secretoras con membranas lipídicas. Frente a una señal apropiada, la hormona peptídica o glicoproteica es liberada por excitosis de las vesículas mediada por Ca2+, que interactúa con el citoesqueleto. La mayoría de las hormonas de esta clase circula en plasma en forma libre, por lo cual tienen vida media plasmática breve, del orden de minutos. Son excepciones importantes la hormona de crecimiento (somatotropina) y los factores de crecimiento similares a la insulina (IGF) que se unen a proteínas específicas en el plasma. Los péptidos y glicoproteínas no ingresan a las células blanco, sino que se ligan a receptores de membrana. Por esta razón sus efectos iniciales son rápidos (segundos a minutos), aunque en muchos casos también poseen efectos de desarrollo más lento, como por ejemplo en la división celular. De ser necesaria su administración terapéutica, las hormonas de esta clase se administran por vía parenteral (inyectable) y en algunos casos (calcitonina, vasopresina, oxitocina) por vía nasal. La vía oral es inapropiada porque son digeridas en el tracto digestivo. Aminas Incluyen a las hormonas tiroideas y las catecolaminas, producidas respectivamente por los folículos tiroideos y la médula adrenal. Ambos grupos derivan del aminoácido aromático tirosina, pero presentan importantes diferencias. Las hormonas tiroideas, tiroxina y triiodotironina, se sintetizan como parte de una proteína yodada, la tiroglobulina, que se almacena en los folículos tiroideos. Por tanto, la tiroides posee una elevada cantidad de hormonas almacenada. La solubilidad en agua de las hormonas tiroideas es limitada, pero es mayor en lípidos. Circulan en plasma unidas a proteínas, lo que les otorga una vida media larga (días). Las hormonas tiroideas pueden atravesar las membranas biológicas pasivamente y por medio de transportadores específicos. Dentro de la célula se ligan a receptores unidos al ADN y modifican la expresión génica. La tiroxina y la triiodotironina se pueden administrar por vía oral. Las catecolaminas (dopamina, adrenalina y noradrenalina) son sintetizadas por neuronas postganglionares simpáticas, la médula adrenal y ciertas neuronas del sistema nervioso central. No cruzan con facilidad las membranas, se almacenan en vesículas de núcleo denso, son hidrosolubles, circulan en plasma mayormente en forma libre y poseen vida media breve. Actúan sobre receptores de membrana. No pueden administrarse por vía oral por ser metabolizadas en el epitelio intestinal. Otras sustancias Existen muchos agentes biológicos de diferente naturaleza que comparten ciertas propiedades con las hormonas “clásicas” mencionadas pero no se incluyen entre ellas. Por ejemplo, los eicosanoides derivan del ácido araquidónico (lípido). Incluyen prostaglandinas, leucotrienos, prostaciclina y tromboxanos. Aunque son liposolubles, actúan sobre receptores de membrana. Son producidos por muchos tejidos y sus acciones son principalmente paracrinas y autocrinas. Otras sustancias con efectos paracrinos son las aminas serotonina e histamina y el gas óxido nítrico. FUNCIONES DE LAS HORMONAS Antes de reseñar los principales procesos fisiológicos sujetos a regulación hormonal, conviene considerar algunos aspectos generales. 1. La capacidad de un tejido para responder a una hormona depende de la presencia de receptores para la misma en sus células. Algunas enfermedades endocrinas, como la resistencia completa a los andrógenos, se deben a defectos en los receptores hormonales. 2. Una hormona determinada puede tener múltiples efectos en diversos tejidos, propiedad llamada pleiotropía. Por ejemplo, la testosterona activa la espermatogénesis, estimula el crecimiento del vello corporal, Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 5 aumenta la masa muscular, incrementa la masa de eritrocitos circulante, inhibe la liberación de gonadotropinas y actúa sobre el sistema nervioso central estimulando el deseo sexual (líbido) y la agresividad. 3. La otra cara de la moneda es que múltiples hormonas cooperan para regular ciertos procesos y funciones. En algunos casos, las diferentes hormonas tienen efectos complementarios que se potencian entre sí (sinergia), mientras que en otros los efectos son antagónicos. El desarrollo de la glándula mamaria y la lactancia provee un ejemplo de sinergia. Su desarrollo depende de estrógenos, progesterona y prolactina. Esta última es necesaria para que se secrete leche, y la oxitocina para que la leche sea eyectada. Adicionalmente, se requiere hormonas tiroideas y cortisol, que no promueven el desarrollo mamario, pero son necesarias para que la glándula responda a las otras hormonas citadas. Este tipo de influencia se denomina acción permisiva, en contraste con las acciones primarias de los estrógenos, la progesterona y la prolactina. Un ejemplo deantagonismo es el efecto opuesto que tiene la aldosterona y las atriopeptinas sobre la retención renal de Na+. Las hormonas leptina y ghrelina tienen influencia opuesta sobre el apetito y la ingesta de alimentos. Asimismo, la hormona paratiroidea y la calcitonina tienen efectos antagónicos sobre la calcemia. Crecimiento y desarrollo Como se verá en el capítulo correspondiente, el crecimiento y desarrollo normal exige la participación de múltiples hormonas, incluyendo insulina, factores insulinosímiles, somatotropina, hormonas tiroideas, glucocorticoides y esteroides sexuales. El crecimiento y desarrollo del hueso requiere además de calcitriol. Mantenimiento del medio interno El mantenimiento de la constancia del volumen y la composición del líquido extracelular es esencial para conservar la función celular y la presión arterial. Un gran número de hormonas participa en esta función. Las principales son el sistema renina- angiotensina-aldosterona, la vasopresina, las atriopeptinas y las adrenomedulinas. Metabolismo intermedio y balance energético La actividad de las vías metabólicas responsables de la síntesis y degradación de hidratos de carbono, lípidos y proteínas, y la relación entre estos procesos, está continuamente regulada por un conjunto de hormonas. Entre las principales se destaca la insulina, pero también son importantes la somatotropina, los factores insulinosímiles, la adrenalina, el glucagon, los glucocorticoides y las hormonas tiroideas. Para mantener su estructura y función, el organismo debe regular también la incorporación de alimentos (ingesta). Varias hormonas, como leptina, orexinas y ghrelina regulan la conducta alimentaria y contribuyen a la relativa constancia de la masa y composición corporal en el tiempo. Reproducción La reproducción es indispensable para perpetuar la especie. El desarrollo y la maduración de los órganos sexuales, la producción de gametos están reguladas por complejas interacciones entre la gonadoliberina secretada por el hipotálamo, las gonadotropinas hipofisiarias y los esteroides sexuales. Las hormonas también influyen en el comportamiento sexual y reproductivo. Otras hormonas, producidas por la placenta, se requieren para mantener el embarazo. La oxitocina facilita el parto, promueve la conducta materna y, junto con la prolactina, permite la lactancia. REGULACIÓN DE LA SECRECIÓN HORMONAL Conjuntamente con el sistema nervioso, el sistema endocrino favorece la constancia del medio interno (homeostasis) y la adaptación frente a determinadas situaciones fisiológicas y patológicas (alostasis). Además regula una serie de funciones orgánicas. Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 6 Para que las hormonas cumplan adecuadamente sus funciones fisiológicas, es necesario que las propias secreciones hormonales sean cuidadosamente reguladas. Muchas enfermedades endocrinas se deben a defectos de regulación, que conducen a un exceso o un déficit hormonal. La forma más común de regulación es la retroalimentación. En ella, la hormona produce un efecto y este último modifica directa o indirectamente la tasa de secreción de la hormona. La retroalimentación puede ser negativa o (más raramente) positiva (Fig. 1). La regulación de la secreción de la primera hormona descubierta, la secretina, proporciona un ejemplo clásico de retroalimentación negativa (Fig. 2). La llegada al duodeno de quimo ácido proveniente del estómago estimula la secreción de secretina por parte de las células S del epitelio duodenal. La secretina induce la producción de abundante jugo pancreático alcalino que neutraliza el contenido de la luz duodenal y de este modo cancela el estímulo para la liberación de secretina. En este caso, la retroalimentación se debe a la reducción de la concentración de protones en el contenido duodenal. En la retroalimentación negativa, la respuesta endocrina tiende a cancelar el mismo cambio que la originó, dando como resultado la atenuación de las fluctuaciones del sistema. Varias hormonas importantes son reguladas por retroalimentación negativa mediada por la concentración plasmática de sustancias no hormonales. Por ejemplo, la secreción de hormona paratiroidea es estimulada por una reducción de la calcemia. La hormona causa una elevación de la calcemia y de este modo cancela la señal que originó un aumento de su secreción. Otro ejemplo es la secreción de insulina, que es estimulada por un aumento de la glucemia. La insulina causa una reducción de la glucemia, suprimiendo así la señal que incrementó su secreción. Nótese que en el primer caso el estímulo para la secreción hormonal es la disminución de la calcemia y en el segundo el aumento de la glucemia. No obstante, en ambos casos la retroalimentación es negativa porque la hormona correspondiente tiende a anular la alteración original (aumentar la calcemia o reducir la glucemia en los ejemplos dados). Otras formas de retroalimentación negativa operan cuando una hormona estimula la liberación de otra hormona (Fig. 1). Si la hormona Y estimula la secreción de la hormona Z, el aumento de la concentración plasmática de Z inhibe la secreción de Y. Esta modalidad se aplica particularmente a las hormonas hipofisiarias que estimulan secreciones de otras glándulas endocrinas. Por ejemplo, la secreción hipofisiaria de corticotropina estimula la secreción de cortisol por la corteza suprarrenal. El aumento de la secreción de cortisol inhibe a su vez la liberación de corticotropina. En algunos casos existen múltiples asas de retroalimentación negativa (Fig. 3). El ejemplo citado de la liberación de corticotropina y cortisol corresponde a un asa corta. Si la glándula secretora de una hormona regula su propia secreción por un efecto autocrino, el asa se denomina ultracorta. A la inversa, existen asas largas. En el ejemplo de la corticotropina, la secreción de ésta es estimulada por la hormona hipotalámica corticoliberina. El cortisol inhibe la liberación de corticotropina no sólo actuando sobre la hipófisis, sino también sobre el hipotálamo, al reducir la liberación de corticoliberina. La retroalimentación positiva es mucho menos común. El ejemplo clásico es el efecto estimulante de los estrógenos sobre la liberación de gonadotropinas, que a su vez estimulan la liberación de más estrógenos y finalmente desencadenan la ovulación. La retroalimentación negativa tiende a hacer que el sistema controlado se mantenga relativamente estable en el tiempo, mientras que la retroalimentación positiva es intrínsecamente Organización del sistema endocrino Dr. Fernando D. Saraví 7 inestable y requiere de algún mecanismo adicional que interrumpa el ciclo de estimulación recíproca (en el ejemplo citado, la ovulación y posterior formación del cuerpo lúteo). La retroalimentación negativa es un factor a tener en cuenta cuando se emplean preparados hormonales. Por ejemplo, la administración de un glucocorticoide potente reducirá por retroalimentación negativa la secreción de corticotropina. Si se suprime la administración luego de un tratamiento prolongado, la recuperación de la secreción normal de corticotropina y la respuesta de la corteza adrenal puede requerir cierto tiempo. Por esta razón, luego de la administración de dosis altas de glucocorticoides por más de una semana, la suspensión de la hormona exógena debe hacerse de manera gradual, que permita al sistema regulador normal recuperar su función normal. La administración exógena también puede resultar en reducción del número de receptores o menor eficacia del acoplamiento del complejo hormona- receptor (downregulation). Además de control por retroalimentación, existen casos de control por anteroalimentación, en los cuales una señal estimulante (o inhibitoria) no es directamente regulada negativamente por el cambio que produce. Retomando el ejemplo de lainsulina, el principal regulador de su secreción es la glucemia. No obstante, el aumento de concentración de glucosa en la luz intestinal estimula la liberación de insulina antes que la glucosa sea absorbida y produzca cambios en la glucemia. El aumento postprandial de la glucemia es menor que si no hubiera anteroalimentación. De este modo, en el contexto de un sistema regulado por retroalimentación, la anteroalimentación se anticipa y atenúa los cambios en la variable regulada, en este caso la glucemia. Variaciones cíclicas de la secreción hormonal A menudo las secreciones endocrinas presentan ritmos carácterísticos, generados endógenamente pero regulados por influencias externas, como la iluminación ambiental. Estos ritmos son importantes para la función normal. Muchos de estos ritmos tienen un ciclo con un período próximo a las 24 h y se llaman circadianos. Por ejemplo, la secreción de cortisol aumenta durante la noche, alcanza el máximo entre las 6 y las 8, luego desciende en la mañana, se estabiliza al mediodía y cae al mínimo a última hora de la tarde. Existe asimismo secreción pulsátil, con ciclos menores de 24 h, para diversas hormonas como somatotropina y LH. Algunas hormonas, como testosterona, se segregan de manera pulsátil con ciclos de 60 a 90 min. La pulsatilidad es importante para mantener el número y función de los receptores y la capacidad de respuesta de los tejidos. Por otra parte, la concentración media de estrógenos y progesterona en la mujer en edad reproductiva oscila normalmente con un período largo de un mes, correspondiente al ciclo menstrual. USOS TERAPÉUTICOS DE LAS HORMONAS Las hormonas o sus análogos sintéticos pueden en general emplearse en terapéutica para: 1. Suplir una deficiencia, como terapia de reemplazo. Por ejemplo, la administración de insulina a pacientes diabéticos o de tiroxina a pacientes hipotiroideos, 2. Lograr un efecto específico con dosis que no elevan los valores plasmáticos por encima del rango fisiológico. Por ejemplo, el empleo de asociaciones de estrógenos y progestágenos como contraceptivos. 3. Obtener con dosis altas efectos hormonales que no son obvios en concentraciones fisiológicas. Por ejemplo, el uso de glucocorticoides como antiinflamatorios, o de calcitonina para tratar la osteoporosis. Fig. 3 Dr. Fernando D. Saraví Las acciones de las hormonas sobre los tejidos son mediadas por receptores específicos, en general proteínas, que se unen reversiblemente a la hormona en cuestión con elevada afinidad mediante interacciones hidrofóbicas y electrovalentes. Como consecuencia de la unión entre la hormona y el receptor, este último sufre modificaciones estructurales que desencadenan respuestas celulares. Las hormonas solamente producen efectos directos en aquellos tejidos que poseen receptores para ellas. Por esta razón, diferentes hormonas que actúan a través de un mismo tipo de receptor y mecanismo de acoplamiento pueden tener efectos fisiológicos muy diversos porque las células que responden son diferentes en cada caso. Además de su alta afinidad química, cada receptor posee elevada especificidad para la hormona que lo activa. Esto significa que el receptor para una hormona determinada no liga, o liga muy débilmente, otras hormonas análogas pero no iguales. La afinidad de la unión hormona-receptor se cuantifica mediante la constante de disociación Kd. En un sistema que posea una sola clase de receptores que no interactúan entre sí, la constante de disociación corresponde a la concentración de la hormona a la cual, en el equilibrio, 50 % de los receptores están ligados a la hormona. La afinidad es inversamente proporcional a Kd. Las Kd de los receptores hormonales se hallan generalmente en el rango de concentraciones nanomolar (10 -9 mol/L) a picomolar (10 -12 mol/L). Relación entre concentración y respuesta Las células poseen un número finito de receptores, por lo cual la unión hormona-receptor es un proceso saturable. En el equilibrio, se cumple que la concentración de receptores ocupados (HR) depende de las concentraciones de la hormona (H), de los receptores (R) y de la Kd: H + R ↔ HR En el caso más simple existe una relación sigmoidea entre el logaritmo de la concentración hormonal y la fracción de receptores ocupados (Fig. 1). Si el efecto máximo de la hormona se produce cuando todos los receptores están ocupados, la relación entre concentración y efecto biológico tiene la misma forma. En este caso, cuando la concentración de la hormona corresponde a la Kd del complejo hormona- receptor, el efecto es 50 % del máximo. No obstante, en muchos casos la respuesta máxima se produce con una concentración hormonal muy inferior a la necesaria para saturar los receptores. Por ejemplo, la estimulación de la síntesis de testosterona en las células de Leydig es máxima con una concentración de hormona luteinizante que ocupa aprox. 1 % de los receptores presentes. En otros casos se obtienen respuestas máximas con concentraciones que ligan 2 ó 3 % de los receptores. La fracción de receptores que no necesita ligarse para una respuesta máxima se denomina de receptores de reserva. La expresión “receptores de reserva” es desafortunada porque sugiere que tales receptores no se emplean, cuando en realidad se refiere a la fracción que no está ligada a la hormona cuando el efecto de ésta es máximo. Debido a la cinética de la unión entre hormona y receptor indicada en las ecuaciones anteriores, la presencia de receptores de reserva tiene importancia fisiológica. Sería más apropiado llamarlos receptores redundantes. En términos generales, a mayor concentración de receptores de reserva, menor es ][ ]].[[ HR RH Kd Kd RH HR ]].[[ ][ Mecanismos de acción hormonal Fig. 1 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 2 la concentración de hormona necesaria para una respuesta máxima. Por ejemplo, si una célula tiene un total de 10 000 receptores para una hormona y 80 % son receptores de reserva, la respuesta máxima se alcanza cuando 2000 receptores (20 %) están ligados a la hormona. Si el número total de receptores fuera de 5 000, se requeriría que 40 % de los receptores (2000 de 5000) ligaran la hormona. Debido a la ley de acción de masas, esto requiere una concentración de hormona mayor (con Kd constante). Si la célula tuviera menos de 2000 receptores, además de desplazarse la curva concentración-efecto, la respuesta máxima disminuiría. En síntesis, la presencia de receptores de reserva causa una mayor sensibilidad de la célula a los efectos de la hormona. Adicionalmente, la ocupación de receptores de reserva permite prolongar la respuesta a una hormona cuando sus niveles plasmáticos descienden. Regulación de los receptores Los receptores son proteínas, y como las demás proteínas celulares sufren un continuo recambio. La concentración de receptores está regulada dinámicamente. En general, tiende a disminuir frente a una acción hormonal sostenida (downregulation o decremento regulado) y a aumentar frente a una deprivación hormonal (upregulation o incremento regulado). El decremento regulado puede ocurrir por una disminución en la síntesis del receptor, por un aumento en su tasa de degradación, o por ambos fenómenos a la vez. A la inversa, el incremento regulado puede deberse a mayor tasa de síntesis, menor tasa de degradación o ambas cosas. Otras formas de regulación más rápidas son complementarias de las anteriores. Por ejemplo, pueden cambiar la afinidad del receptor por la hormona o reducir la respuesta intracelular a la ocupación del receptor. Algunos de estos efectos rápidos son mediados por kinasas que fosforilan los receptores, o fosforilasas que tienen el efecto opuesto.Aunque existen particularidades con respecto a los mecanismos de transducción de las señales originadas por la interacción hormona- receptor, también hay características generales que se describirán a continuación. Una primera generalización concierne a la localización celular de los receptores, que según el caso se encuentran dentro de la célula (en el citoplasma o el núcleo) o, por el contrario, en la membrana celular. RECEPTORES DE MEMBRANA Las hormonas hidrosolubles, que no ingresan fácilmente a las células, actúan sobre proteínas integrales de membrana cuyo sitio de unión a la hormona se halla en la cara externa de la membrana. Las catecolaminas y las hormonas peptídicas y glicoproteicas se ligan a receptores de membrana. La ocupación de receptores de membrana por la hormona correspondiente es seguida de modificación de la actividad de alguna enzima unida a la membrana que activa o inhibe la producción de moléculas que actúan como segundos mensajeros intracelulares (la hormona es el “primer mensajero”). Los principales sistemas de segundos mensajeros son los de ciclasas de nucleótidos, fosfatidilinositol, Ca 2+ - calmodulina y diversas kinasas. Los sistemas de segundos mensajeros no solamente traducen la señal hormonal sino que la amplifican notablemente, ya que cada molécula enzimática activada actúa sobre numerosas moléculas de sustrato. Fig. 2 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 3 Los principales tipos de receptor hormonal de membrana pertenecen a las siguientes clases (Fig 2): 1. Receptores acoplados a proteínas G 2. Receptores con actividad de guanilato ciclasa 3. Receptores con actividad intrínseca de tirosina kinasa y 4. Receptores que reclutan kinasas intracelulares. Receptores acoplados a proteínas G Esta es la mayor superfamilia de receptores, que tienen ciertas características estructurales en común un extremo N extracelular, siete hélices que atraviesan la membrana y un extremo amino terminal. Se asocian con heterotrímeros llamados proteínas G por su afinidad por el GTP. 1 El extremo N está glicosilado. La quinta asa de conexión entre los segmentos transmembrana es la región que se liga a las proteínas G (Fig. 3). Las proteínas G tienen tres subunidades llamadas alfa, beta y gamma. En ausencia de estímulo, la subunidad alfa está ligada a GDP. Cuando la hormona ocupa el receptor, la proteína G cede el GDP. La subunidad alfa liga GTP y se disocia del dímero beta-gamma. Dichas subunidades así disociadas son capaces de modificar la actividad de enzimas y de canales iónicos. Las proteínas G acopladas a receptores para hormonas y otros mediadores químicos se clasifican en Gs, Gi, Gq (ó Gq/11) y G12/G13. La diferencia está dada por la subunidad alfa (s, i y q respectivamente). Las subunidades beta y gamma son similares para todas ellas. La proteína Gs estimula la adenilato ciclasa, mientras que la proteína Gi la inhibe. La proteína Gq activa otra enzima ligada a la membrana, la fosfolipasa C. La proteína G2/G13 activa a GTPasas de las familias Ras y Rho, pero no será tratada aquí. Las catecolaminas, gonadotropinas, tirotropina, corticotropina, hormona paratiroidea y calcitonina son ejemplos de hormonas que interactúan con receptores acoplados a proteínas G. La lista incluye otros los receptores para otros mediadores como prostaglandinas, factor activador de las plaquetas (PAF), histamina, serotonina, acetilcolina (receptores 1 Curiosamente, el primer receptor asociado a proteína G que se descubrió no es un receptor hormonal, sino el pigmento visual rodopsina, que tiene un papel central en originar una señal químioeléctrica tras interactuar con fotones del rango visible, esencial para la visión. muscarínicos) y opiopeptinas (opioides endógenos). La vía de señalización de los receptores acoplados a proteína G depende de la clase de ésta. Adenilato ciclasa. En el caso de proteínas Gs y Gi, las subunidades alfa se disocian del dímero beta-gamma, ligan GTP y estimulan o inhiben, respectivamente, la síntesis de cAMP (Fig. 4). El cAMP actúa sobre una kinasa de los grupos hidroxilo de serina y treonina llamada PKA. La PKA tiene dos subunidades catalíticas unida a dos subunidad reguladoras. El cAMP se une a las subunidades reguladoras, lo cual deja libres a las subunidades catalíticas para fosforilar numerosas proteínas que median diversos efectos celulares, muchos de ellos rápidos. El cAMP tiene otros efectos rápidos que no son mediados por PKA, como la regulación de los canales iónicos del nódulo sinusal, responsable del ritmo cardíaco (Ver ELECTROFISIOLOGÍA CELULAR CARDÍACA). El cAMP posee asimismo efectos más lentos, mediados por cambios en la transcripción y síntesis de proteínas. Entre las proteínas fosforiladas por PKA está el factor de transcripción llamado CREB (cAMP-response element binding). El CREB fosforilado migra al núcleo, donde se une a ciertas secuencias de ADN llamadas CRE (cAMP response element), lo que resulta en aumento o disminución de la transcripción génica, según el caso. La finalización del efecto hormonal mediado por receptores ligados a proteínas Gs ó Gi puede ocurrir por varios mecanismos: Disociación del complejo hormona-receptor; fosforilación del receptor por una kinasa activada por las subunidades beta-gamma; hidrólisis del GTP unido a la subunidad alfa, que entonces se disocia de la adenilato ciclasa, y defosforilación de las proteínas fosforiladas por la PKA. Fig. 3 Fig. 3 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 4 Por su parte, la acción del cAMP mismo es terminada por su transformación en 5’-AMP (no cíclico) mediada por diversas fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos. De las 11 fosfodiesterasas conocidas, 4, 7 y 8 son selectivas para cAMP; 5, 6 y 9 degradan cGMP y 1 a 3, 10 y 11 degradan ambos nucleótidos. Fosfolipasa C. La subunidad alfa de la proteína Gq/11 activa la enzima ligada a la membrana, fosfolipasa C (Fig. 5). Esta enzima desdobla 4,5-fosfatidilinositol en diacilglicerol e inositol 1,4,5 trifosfato (IP3). El diacilglicerol permanece ligado a la membrana, donde contribuye a activar la isoforma beta de la proteína kinasa C (PKC). Las proteína kinasas C, al igual que las PKA, fosforilan residuos de serina y treonina en las proteínas blancos. El IP3 es soluble y difunde hacia el retículo endoplásmico. La activación de receptores para IP3 del retículo endoplásmico causa la liberación de Ca 2+ hacia el citosol. El Ca 2+ liberado produce algunos efectos directos (por ejemplo, contracción muscular) y tiene un efecto sinérgico con el diacilglicerol para activar la PKCNo obstante, muchos efectos iniciados por Ca 2+ son mediados por la proteína modulada por calcio, calmodulina (Fig. 6). La calmodulina actúa como un sensor intracelular de Ca 2+ . La proteína posee cuatro sitios de unión al Ca 2+ , dos en el extremo N- terminal y dos en el extremo C-terminal. Estos extremos están unidos por una cadena muy flexible, que le permite al complejo Ca 2+ - calmodulina unirse a diversas proteínas intracelulares y regular su función. Los principales mediadores de la acción del complejo Ca 2+ -calmodulina son cierto número de kinasas de serina y treonina llamadas kinasas dependientes de calmodulina (CaMK). Algunas de ella son especializadas, ya que actúan sobre un único sustrato. Un ejemplo es la kinasa de cadenas livianas de miosina, que desencadena la contracción del músculo liso. Otras son llamadas multifuncionales, porque actúan sobre numerosas proteínas efectoras. Una de ellas es la kinasa de Fig. 4 Fig. 4 Fig. 5 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví5 kinasa dependiente de calmodulina (CaMKK), que fosforila otras CaMK y también la kinasa dependiente de AMP ó AMPK (Fig. 7). Esta última, que no debe confundirse con la PKA, es un sensor del estado energético celular. Cuando la síntesis de ATP es insuficiente, aumenta la concentración de ADP y AMP. La AMPK media una serie de efectos que permite la adaptación celular a la deprivación de energía, como en el ayuno, o a un aumento desproporcionado de su consumo, como en el músculo durante el ejercicio físico. Algunas CaMK, en particular la IV luego de ser fosforilada por la CaMKK, es un regulador de la transcripción génica. Los efectos del IP3 concluyen con su defosforilación hasta inositol, que es reciclado, junto con el diacilglicerol, para resintetizar 4,5- fosfatidilinositol. Los efectos del Ca 2+ concluyen por disminución de su concentración en el citosol. Esta última se debe a recaptación activa por el retículo endoplásmico y salida al medio extracelular a través de la membrana, mediada por transporte activo primario y secundario. Receptores con actividad catalítica Son receptores de membrana que poseen actividad enzimática intrínseca o la adquieren por unión a una kinasa citoplásmica. En ambos casos, la unión del ligando al receptor es lo que inicia la actividad enzimática. Se reconocen cinco clases de receptores de este tipo: 1. Con actividad de guanilato ciclasa 2. Con actividad de tirosina kinasa 3. Asociados a tirosina kinasas 4. Con actividad de serina/treonina kinasa 5. Con actividad de tirosina fosfatasa. Las dos últimas clases no se tratarán en detalle. El receptor para factor transformante del crecimiento beta (TGF-) es un ejemplo de receptor con actividad de serina/treonina kinasa, y la proteína CD45, activable por anticuerpos, es un ejemplo de receptor con actividad de tirosina fosfatasa. Receptores con actividad de guanilato ciclasa Son glicoproteínas integrales de membrana con un solo segmento intramembranoso, que funcionan como dímeros. La porción intracelular tiene actividad de guanilato ciclasa. Las atriopeptinas y los péptidos relacionados, guanilina y uroguanilina, son los ligandos específicos de estos receptores. La ocupación del receptor produce activación de la enzima, que produce cGMP a partir de GTP. El cGMP activa una kinasa llamada proteína kinasa G y además reduce indirectamente la actividad de la PKA porque activa la fosfodiesterasa 3 que degrada cAMP. Además, el cGMP puede modular directamente la actividad de canales iónicos. En el epitelio del colon y de los túbulos renales, la activación de estos receptores reduce la absorción de sodio. En el colon activa además la secreción de cloruro y bicarbonato. La activación excesiva de los receptores con actividad de guanilato ciclasa causa diarrea secretoria. Existe otra guanilato ciclasa, de diferente estructura, que se localiza en el citosol y por ello es llamada soluble. La actividad de esta enzima no es afectada por las atriopeptinas, sino que es regulada por el segundo mensajero gaseoso, óxido nítrico (ver FUNCIÓN ENDOTELIAL). Receptores con actividad intrínseca de tirosina kinasa Estos receptores tienen la característica de poseer una porción intracelular catalítica, capaz de fosforilar residuos de tirosina. Sus ligandos naturales incluyen la insulina y una serie de factores de crecimiento, como el factor de crecimiento insulinosímil 1 (IGF-1), epidérmico Fig. 7 Fig. 7 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 6 (EGF), derivado de plaquetas (PDGF), fibroblástico (FGF) y nervioso (NGF). Los receptores para los factores de crecimiento – excepto IGF-1– constan de una sola cadena que atraviesa la membrana. La porción extracelular (extremo N-terminal) es rica en residuos de cisteína. Cuando se unen a su ligando, estos receptores se dimerizan. Esto hace que sus dominios catalíticos se aproximen entre sí, de modo que cada unidad catalítica fosforila a la otra en residuos específicos de tirosina. Con ello, ambas dos unidades de tirosina kinasa adquieren actividad catalítica plena. Este proceso se denomina “autofosforilación”, aunque sería más apropiado llamarlo fosforilación recíproca. Los receptores para insulina e IGF-1, por su parte, constan de dos tipos de subunidades: una subunidad alfa extracelular que es rica en cisteína y es el sitio de unión de la hormona, y una subunidad beta que atraviesa la membrana y se liga a la subunidad alfa mediante un puente disulfuro. La subunidad beta posee la actividad de tirosina kinasa en su porción citoplásmica. Estos receptores no requieren de la hormona para dimerizarse, sino que están en la membrana como dímeros 22 de manera constitutiva con las cadenas alfa unidas entre sí por puentes disulfuro (Fig. 2). La unión a la hormona de las subunidades alfa causa un cambio conformacional de las subunidades beta, que se fosforilan recíprocamente. Además de activar la actividad enzimática, la fosforilación de los residuos de tirosina del receptor les permite unirse a proteínas con dominios llamados SH2 y SH3. La sigla SH se refiere a que poseen homología con Src, un protooncogén que participa en el control del crecimiento celular. Diversas proteínas con dominios SH2, de aproximadamente 100 aminoácidos, se unen selectivamente a determinadas fosfotirosinas del receptor, formando una unidad efectora. En algunos casos, el reclutamiento de proteínas efectoras se debe a fosforilación de éstas. Por ejemplo, la tirosina kinasa del receptor insulínico fosforila un proteína llamada sustrato del receptor de insulina 1 (IRS-1) que sirve como andamio para que se acoplen otras proteínas. Los dominios SH3 poseen la mitad de longitud de los SH2 y participan en direccionar las proteínas efectoras a diferentes compartimientos celulares. Entre los substratos activados por los receptores de tirosina kinasa está una fosfolipasa C llamada gamma (PLC-) que genera inositol trifosfato y diacilglicerol, con activación de sus respectivas vías de señalización, lo que implica una superposición con las vías activadas por receptores acoplados a proteína Gq. Asimismo, el complejo de tirosina kinasa y las moléculas reclutadas activa factores de transcripción y modifica la expresión génica. Receptores asociados a tirosina kinasa Este tipo de receptores constituye la superfamilia de receptores para citokinas. Pertenecen a ella los receptores para somatotropina, prolactina y una serie de factores hemopoyéticos, como eritropoyetina y factores estimulantes de colonias (Ver HEMATOPOYESIS). Estos receptores constan de una cadena única (alfa, beta o gamma) que atraviesa la membrana. Las cadenas pueden asociarse formando homodímeros 2, heterodímeros o asociaciones más complejas. La porción extracelular contiene residuos de cisteína unidos por puentes disulfuro y la secuencia de aminoácidos característica triptófano-serina-otro aminoácido-triptófano-serina (WSXWS). Los receptores para interferones e interleukina 10 carecen de esta secuencia. La porción intracelular carece de actividad de tirosina kinasa, pero cuando el receptor se une al ligando, forma un dímero o un trímero y sufre un cambio conformacional que le permite ligar en forma no covalente tirosina kinasas presentes en el citosol. Las más importantes de estas kinasas son las de las familias Src y Janus. A su vez, las kinasas reclutadas fosforilan otras proteínas efectora de la cascada. Por ejemplo, JAK1 (de la familia Janus) fosforila miembros de la familia STAT (Signal Trasnducers and Activators of Transcription) que forman complejos, los cuales migran al núcleo y modifican la transcripción génica. Los miembros precisos de la familia STAT que son fosforilados por efectode cada ligando son diferentes, y proporcionan una base para la especificidad de la acción hormonal. Por ejemplo, la activación de receptores para eritropoyetina causa la fosforilación de componentes de STAT diferentes que una citokina inflamatoria como interleukina 2. La eficacia de la vía de kinasas y STAT es limitada por antagonistas, como la interleukina 6, que producen o activan inhibidores de la fosforilación de tirosinas en las proteínas blancos. RECEPTORES INTRACELULARES Los receptores intracelulares para hormonas son factores de transcripción activados por ligandos. Por razones históricas se denominan en conjunto “receptores hormonales nucleares”, aunque hoy se sabe que no todos ellos se Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 7 concentran en el núcleo celular. Los receptores intracelulares actúan sobre determinadas secuencias de DNA que se llaman “elementos de respuesta hormonal” (HRE). Se conocen 48 receptores intracelulares, que se clasifican en tres grupos: Tipo I: Receptores para hormonas esteroides (glucocorticoides, mineralocorticoides, estrógenos, progesgestágenos y andrógenos). Tipo II: Receptores para hormonas tiroideas, vitamina D, ácido retinoico todo-trans (RAR) y 9-cis (RXR) y receptores activados por proliferador de peroxisomas (PPAR). Tipo III. Receptores huérfanos, así llamados porque al momento de ser identificados, se desconocían su ligando endógeno; por ejemplo, COUP-TF1. Este es el tipo de receptores intracelulares más numeroso. Hay un rápido avance en identificar estos ligandos y sus funciones, que parecen ser múltiples. Los receptores huérfanos para los cuales se ha identificado uno o más ligandos endógenos como colesterol y ácidos biliares, o exógenos como el antibiótico rifampicina, se denominan “adoptados”. Estructura de los receptores intracelulares Los receptores intranucleares poseen un plan estructural común a todos ellos, con variantes propias de cada receptor específico (Fig. 8). Las porciones de la molécula se denominan con letras, desde el extremo N-terminal, de la A a la F Todos los receptores intranucleares poseen como su parte central un dominio (C) que le permite ligarse al DNA, llamado también DBD (DNA-Binding Domain). Su estructura es muy similar en todos los receptores. Consta de 66 a 68 aminoácidos, que en sus extremos forman asas debido a la presencia, en cada uno, de Zn 2+ que forma enlaces coordinados con cuatro cisteínas. Estas asas, o “dedos de zinc” están formadas por 12 ó 13 aminoácidos, separadas por un segmento lineal de 15 a 17 aminoácidos. Una de las asas contiene la llamada “caja P”, una secuencia importante para reconocer la secuencia blanco del DNA y la otra una caja D, que facilita la dimerización del receptor y el espaciado de los dos hemisitios del HRE (que se tratan luego). Al dominio de unión al DNA, hacia el extremo C-terminal, le sigue un dominio D denominado secuencia de localización nuclear o “bisagra”. Esta porción de la molécula es flexible y facilita la adaptación de la molécula al DNA. En el resto del receptor, hasta el extremo C-terminal, hay dos dominios de unión a la hormona llamados HBD (Hormone Binding Domain) 1 y 2. Poseen, respectivamente, 42 y 22 aminoácidos hidrofóbicos. En los dominios de unión a la hormona hay asimismo una porción que participa en la activación de la transcripción Fig. 8 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 8 iniciada por la hormona, llamada AF-2 (Activation Function-2). En nomenclatura alfabética, la región entre la bisagra y el extremo C-terminal se llama dominio E. El receptor para estrógenos tiene además un breve dominio F, de función desconocida, en el extremo C-terminal. La parte de la molécula receptora que se extiende entre el extremo N-terminal hasta el dominio de unión al DNA se llama dominio A/B y es la más variable entre los diferentes receptores intracelulares. Por ejemplo, el dominio A/B posee 24 aminoácidos en el receptor para calcitriol (forma activa de la vitamina D) y 421 aminoácidos en el receptor para glucocorticoides. Esta región posee un dominio de activación llamado AF-1, cuya función se complementa con el ya citado AF-2. Activación de los receptores En ausencia de unión a la hormona correspondiente, los receptores pueden hallarse en el citosol o en el núcleo. Los receptores para mineralocorticoides y glucocorticoides predominan en el citoplasma, mientras que los receptores para esteroides sexuales tienden a concentrarse en el núcleo. En ausencia del esteroide correspondiente, estos receptores se encuentran como monómeros, formando complejos macromoleculares solubles con diversas proteínas, entre otras las proteínas del choque térmico o HSP (Heat Shock Proteins). Las HSP se nombran según su masa molecular aproximada en kDa; por ejemplo, HSP90 ó HSP70. Estas proteínas, cuyo nombre se debe a que su expresión aumenta mucho con la hipertermia, son “chaperonas” o proteínas que acompañan a otras proteínas y las dirigen a su destino correcto dentro de la célula. Algunas son también rotamasas, es decir enzimas que contribuyen a que las proteínas adquieran la configuración tridimensional para cumplir su función. Cuando los monómeros de receptores forman parte de los complejos con chaperonas, no pueden ligarse al DNA. La unión de la hormona esteroide al receptor causa la disociación de las proteínas acompañantes. En la Fig. 9 hay un diagrama de la estructura del receptor de andrógenos, con la molécula de testosterona en blanco. El receptor disociado de las chaperonas y unido a la hormona se dimeriza, gracias a la secuencia de la caja D. Ambos miembros del homodímero así formado se complementan para unirse a las secuencias apropiadas (HRE) del DNA. Si el dímero se forma en el citosol, es a continuación translocado al núcleo, donde se une al DNA (Fig. 10, arriba). Los receptores de tipo II (para hormonas tiroideas, calcitriol y retinoides) no se unen a proteínas acompañantes, sino que se encuentran ligadas al DNA incluso en ausencia de la hormona. En esta condición, están ligados a moléculas correpresoras que inhiben la transcripción de los genes regulados. La unión a la hormona, por ejemplo trioidotironina, causa un cambio conformacional que lleva a la disociación del correpresor. Transactivación de la transcripción génica Cuando el receptor esteroide dimérico, unido a la hormona, se liga con alta afinidad al DNA en los correspondientes elementos de respuesta hormonal y recluta moléculas coactivadoras, incapaces de unirse directamente al DNA. Un componente importante de los coactivadores es la histona acetilasa (histona acetiltransferasa), que relaja la compactación del DNA, como requisito para permitir la transcripción. Este proceso se denomina transactivación. A continuación, los coactivadores ligan factores de transcripción, que permiten el reclutamiento y la activación de la RNA polimerasa II. Esto permite iniciar la transcripción génica (Fig. 10, abajo). En otros casos, sin embargo, cuando el receptor activado se liga al DNA, en lugar de coactivadores recluta represores de la transcripción génica, con lo cual inhibe la transcripción de algunos genes expresados constitutivamente. Los receptores esteroides activados también pueden inhibir la transcripción de ciertos genes sin ligarse al DNA, sino a otras proteínas, como algunos factores de transcripción. Un ejemplo conocido es la unión del receptor de glucocorticoides activado al factor de transcripción NF-kB, que inhibe su acción y es responsable por gran parte del efecto antiinflamatorio de los glucorticoides. En el caso de los receptores de tipo II, cuando la hormona se liga al receptor que ya estáMecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 9 unido al DNA, el receptor se desliga del complejo correpresor y recluta coactivadores, con lo cual se inicia la transcripción de DNA en mRNA. Fosforilación de receptores intracelulares Los receptores para esteroides pueden ser fosforilados por serina/treonina kinasas, como HER-2 y kinasas dependientes de ciclinas. El número de sitios de fosforilación depende del receptor específico. Por ejemplo, el receptor mineralocorticoide posee un solo sitio de fosforilación, mientras que el receptor androgénico tiene nueve. La fosforilación de los receptores modifica su función por diversos mecanismos, como cambios en la estabilidad del receptor, su localización subcelular, su capacidad para ligarse al DNA, y sus interacciones con coactivadores o correpresores. Especificidad tisular de la transcripción génica regulada por esteroides La especificidad de los efectos de una hormona puede explicarse en algunos casos por la existencia de diferentes receptores para la misma, que activan un grupo diverso de elementos de respuesta hormonal del DNA. Por ejemplo, existen dos clases de receptores nucleares para estrógenos, llamados ER y ER. Por otra parte, una misma hormona esteroide puede activar genes diversos en diferentes tejidos que tienen receptores idénticos. Por ejemplo, la testosterona reduce la degradación de proteínas en el tejido muscular pero no en el adiposo, mientras que aumenta la expresión de citokinas proinflamatorias en el tejido adiposo, pero no en el muscular. Si bien todas las células comparten un mismo genoma, el repertorio de genes capaces de ser transcriptos de un determinado tipo celular es limitado. Esto se debe a cambios epigenéticos que ocurren durante el desarrollo y la diferenciación, como metilación del DNA y modificaciones de las histonas asociadas, que son diferentes en cada tejido. El efecto de la hormona dependerá en parte de cuáles sean las porciones accesibles e inaccesibles del DNA de cada célula. Por lo anterior, no solamente habrá diferencias entre tejidos en los elementos de respuesta hormonal accesibles, sino también en la expresión de coactivadores, correpresores y otros modificadores de la respuesta hormonal, como las kinasas que fosforilan los receptores o las fosfatasas que los defosforilan. Si bien estas múltiples variables dificultan el análisis del sistema, por otra parte lo tornan notablemente versátil. Fig. 10 Fig. 11 Mecanismos de acción hormonal Dr. Fernando D. Saraví 10 RECEPTORES DE MEMBRANA PARA HORMONAS ESTEROIDES Los efectos de los esteroides mediados por cambios en la transcripción génica se producen en forma lenta (horas) y son suprimidos por los inhibidores de la síntesis de proteínas, como la cicloheximida. Estos efectos, llamados genómicos, son los más importantes y mejor estudiados. No obstante, se sabe que en ciertas células diversas hormonas esteroides, como estradiol, aldosterona y calcitriol, pueden causar efectos específicos rápidos (segundos a minutos) que no son bloqueados por inhibición de la síntesis de proteínas. Estos efectos se llaman, en conjunto, no genómicos. Se ha postulado que los efectos no genómicos pueden ser mediados por receptores de estructura similar a los intracelulares (ya descriptos) pero acoplados a mecanismos de transducción típicos de los receptores de membrana. Otra posibilidad es que las acciones no genómicas se deban a interacción del esteroide con receptores de membrana de estructura diferente a la de los intracelulares. En principio, ambas posibilidades no se excluyen entre sí. Un ejemplo de receptor de membrana para esteroides es un receptor acoplado a proteína G originalmente llamado GPR30, que se clasificó entre los receptores huérfanos por desconocerse su ligando. Actualmente se sabe que GPR30 tiene alta afinidad por los estrógenos, por lo cual se lo denomina GPER1 (G-Protein-coupled Estrogen Receptor 1). Al parecer, GPER1 puede acoplarse con diversos sistemas de segundos mensajeros, como kinasas, cAMP y Ca 2+ . Mediante sus efectos en kinasas como MAPK y c-Src, el GPER1 puede también causar cambios rápidos en la transcripción génica. En el estado actual del conocimiento, parece adecuado concebir las acciones no genómicas de los esteroides como capaces de complementar o modular sus acciones genómicas (Fig. 11). Fig. 11 Dr. Fernando D. Saraví El hipotálamo y la hipófisis o glándula pituitaria funcionan conjuntamente como las estructuras centrales de la regulación neuroendocrina. El hipotálamo es la parte del diencéfalo que se halla por debajo del tálamo (de ahí su nombre) y forma parte del piso del tercer ventrículo. Está limitado lateralmente por las cisuras hipotalámicas, que lo separan de los lóbulos temporales. En sentido anteroposterior se extiende desde el quiasma óptico hasta los cuerpos mamilares, que son su límite posterior. La hipófisis (del griego hypo, debajo y physein, crecer) es una glándula que se encuentra unida al hipotálamo, por debajo de éste, alojada en la silla turca del esfenoides. Según el desarrollo embrionario, la hipófisis se divide en adenohipófisis (origen ectodérmico) y neurohipófisis (origen neural). La neurohipófisis forma la mayor parte del lóbulo posterior. También se consideran parte de la neurohipófisis la eminencia media del hipotálamo y el tallo infundibular (del latín infundibulum, embudo). La adenohipófisis se divide en una parte distal (pars distalis) que forma el lóbulo anterior, una parte intermedia (pars intermedia) separada de la distal por el remanente de la luz de la bolsa de Rathke y adherida a la neurohipófisis, y una pars tuberalis que rodea el tallo infundibular. La parte intermedia forma el lóbulo del mismo nombre, que en el ser humano es rudimentario. Las principales hormonas secretadas por la adenohipófisis son 1 : 1. Somatotropina u hormona del crecimiento (GH). 2. Tirotropina u hormona estimulante de la tiroides (TSH). 3. Corticotropina u hormona estimulante de la corteza adrenal (ACTH). Las mismas células que producen ACTH también pueden secretar otras hormonas sintetizadas como parte de la misma molécula precursora de la ACTH. Estas incluyen la hormona estimulante de los 1 El sufijo “tropina” (de tropos, atracción) se emplea hoy con preferencia a “trofina” (de trofos, crecimiento) para designar varias hormonas de la adenohipófisis. En realidad, ambos (por ej., corticotrofina ó corticotropina) son aceptables. melanocitos alfa (-MSH), -lipotropina y-endorfina. 4. Gonadotropinas: Hormona estimulante del folículo (FSH) y luteinizante (LH). 5. Prolactina. Aunque el hipotálamo es una pequeña región del encéfalo, tiene un papel central o destacado en una serie de funciones fisiológicas importantes que requieren de la participación de efectores musculares y glandulares. Por ejemplo, la regulación de la temperatura corporal y de la ingesta de agua y alimentos, la conducta reproductiva, los ritmos circadianos, la respuesta circulatoria al ejercicio físico y la expresión emocional. Su papel en el sistema endocrino es doble. Por una parte secreta hormonas que estimulan o inhiben la liberación de hormonas de la adenohipófisis y por otra produce las hormonas vasopresina y oxitocina, que se liberan a la circulación general desde el lóbulo neural (posterior). Para comprender cómo el hipotálamo controla la secreción hipofisiaria, es necesario repasar las relaciones vasculares entre ambas estructuras. IRRIGACIÓN DE LA HIPÓFISIS Las arterias hipofisiarias superiores e inferiores son ramas de las carótidas internas. Las superiores dan pequeñas ramasa la adenohipófisis, pero la mayor parte de su caudal transcurre por una rica red capilar que se forma en la eminencia media. En 1930, Gregor Popa y Una Fielding descubrieron que esta red capilar (plexo primario) estaba estrechamente vinculada con la red capilar de la adenohipófisis por un sistema de venas portas. Estos vasos, llamados venas portas largas, llevan sangre desde la eminencia media y el tallo infundibular hacia la adenohipófisis, donde hay un segundo lecho capilar (Fig. 1). La neurohipófisis es irrigada por la arteria hipofisiaria inferior. De parte de los plexos capilares de la neurohipófisis se originan las venas portas cortas, que vuelven a capilarizarse en la adenohipófisis. Por consiguiente, la sangre que irriga la adenohipófisis es casi exclusivamente venosa, formando un sistema de baja presión que drena hacia los senos cavernosos. 2 2 Esta disposición torna a la adenohipófisis susceptible a la isquemia durante episodios de hipotensión arterial severa, particularmente cuando la glándula está hipertrofiada, como en el Hipotálamo e hipófisis Hipotálamo e hipófisis Dr. Fernando D. Saraví 2 Las hormonas hipotalámicas que regulan la secreción adenohipofisiaria son producidas en neuronas pequeñas (parvocelulares) cuyos somas se hallan en diversos núcleos hipotalámicos. Sus axones terminan en la ya citada red de capilares muy permeables de la eminencia media, donde está ausente la barrera hematoencefálica. Las hormonas viajan desde estos capilares por los venas portas largas hasta el lóbulo anterior, donde se encuentra el segundo plexo de capilares fenestrados, muy permeables, que permiten por un lado el acceso de las hormonas hipotalámicas a la adenohipófisis y por otra la salida de las hormonas adenohipofisiarias a la circulación general. La neurohipófisis es irrigada por la arteria hipofisiaria inferior (la superior irriga la eminencia media). De parte de los plexos capilares de la neurohipófisis se originan las venas portas cortas (no se muestran en la Fig. 1) que vuelven a capilarizarse en la adenohipófisis. Por consiguiente, la sangre que irriga la adenohipófisis es casi exclusivamente venosa, formando un sistema de baja presión que drena hacia los senos cavernosos. 3 embarazo. Esta combinación de factores puede ocasionar necrosis isquémica durante el parto, por hipotensión consecutiva a hemorragia excesiva, y es seguida de panhipopituitarismo (síndrome de Sheehan). 3 Esta disposición torna a la adenohipófisis susceptible a la isquemia durante episodios de hipotensión arterial severa, particularmente cuando la glándula está hipertrofiada, como en el embarazo. Esta combinación de factores puede HORMONAS HIPOTALÁMICAS LIBERADORAS E INHIBIDORAS La adenohipófisis posee inervación simpática y parasimpática de sus vasos sanguíneos, pero no recibe inervación del hipotálamo ni de la neurohipófisis. Aunque se ha descrito una inervación peptidérgica (de origen desconocido) que puede experimentalmente modificar la secreción de corticotropina y prolactina, permanece en pie la idea que el control hipotalámico de la secreción hormonal adenohipofisiaria se realiza exclusivamente por vía sanguínea. La secreción de algunas hormonas de la adenohipófisis está reguladas por un control dual, por una hormona hipotalámica estimulante y otra inhibitoria. Tal es el caso de la somatotropina y la prolactina. En el control de la secreción de las gonadotropinas, tirotropina y corticotropina, solamente se han identificado hormonas hipotalámicas estimulantes. El control de la secreción de cada hormona hipotalámica se estudiará en los capítulos dedicados a los blancos glandulares de las hormonas de la adenohipófisis. Hormona liberadora de tirotropina Es un tripéptido formado por piroglutamina- histidina-prolinamida, también llamado tiroliberina o TRH (Thyrotropin Releasing Hormone). Se produce a partir de un precursor de 29 kDa. Es principalmente sintetizado en neuronas parvocelulares (pequeñas) del núcleo paraventricular del hipotálamo. También estimula la secreción de prolactina. Existen neuronas que sintetizan TRH en otras partes del sistema nervioso, como la médula espinal. Esto sugiere que también es un neurotransmisor. Hormona liberadora de corticotropina Es un péptido de 41 aminoácidos llamado también corticoliberina y CRH (Corticotropin Releasing Hormone). También se produce principalmente en el núcleo paraventricular. Está relacionada con otros péptidos de 38 y 40 llamados urocortinas. Además de la corticotropina, la CRH estimula la secreción de ocasionar necrosis isquémica durante el parto, por hipotensión consecutiva a hemorragia excesiva, y es seguida de panhipopituitarismo (síndrome de Sheehan). Fig. 1 Hipotálamo e hipófisis Dr. Fernando D. Saraví 3 -endorfina, un péptido opioide que se sintetiza como parte del mismo precursor que la corticotropina. La hormona neurohipofisiaria vasopresina también estimula la liberación de corticotropina y de hecho, posee un efecto sinérgico con la CRH: la respuesta secretora a ambos péptidos es superior a la suma de las respuestas que causan por separado. La corticoliberina y péptidos afines son producida también en otras partes del sistema nervioso y otros tejidos. La CRH es sintetizada por la placenta y puede tener un papel importante en el desencadenamiento del parto. Hormona liberadora de prolactina La prolactina es una hormona que está sujeta principalmente a control inhibitorio, que es ejercido por la dopamina (DA). La liberación de prolactina aumenta cuando disminuye la descarga dopaminérgica en el sistema túberoinfundibular. Esto puede ocurrir por causas fisiológicas en la lactancia, o por administración de fármacos (como los antipsicóticos típicos) que bloquean la transmisión dopaminérgica mediada por receptores D2. Algunos péptidos como TRH y péptido intestinal vasoactivo (VIP) pueden estimular la secreción de prolactina, pero no se ha demostrado un papel fisiológico al respecto. Lo mismo puede decirse del llamado péptido liberador de prolactina (PrRP), que si bien produce experimentalmente este efecto, se produce principalmente en el bulbo raquídeo y no se libera al sistema porta hipofisiario. Actualmente se cree que, pese a su nombre, el PrRP participa en otras funciones, como regulación de la ingesta de alimentos y respuesta al estrés. Por otra parte, es probable que la oxitocina tenga un papel fisiológico como estimulante de la secreción de prolactina. Hormona liberadora de gonadotropinas Es un péptido de 10 aminoácidos, proveniente de un precursor de 92 aminoácidos cuyo gen está en el brazo corto del cromosoma 8. Históricamente llamado hormona liberadora de LH (LHRH), hoy se lo llama “liberadora de gonadotropinas” o gonadoliberina (GnRH, Gonadotropin Releasing Hormone) porque también estimula la liberación de FSH. Los somas de las neuronas que producen GnRH se ubican en el hipotálamo anterior y mediobasal y en el núcleo arcuato. Se ha identificado una segunda hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH-II), que es también un decapéptido. El gen de su precursor Fig. 2 Hipotálamo e hipófisis Dr. Fernando D. Saraví 4 se halla en el cromosoma 20. Su papel fisiológico no es claro. Hormona liberadora de somatotropina Es un péptido de 44 aminoácidos, también conocido como somatoliberina o GHRH (Growth Hormone Releasing Hormone). Las neuronas que lo sintetizan se encuentran principalmente en el núcleo arcuato. Un segundo péptido liberador de somatotropina es laghrelina (de Growth Hormone Release) que se sintetiza principalmente en el estómago, aunque también se la ha localizado en el hipotálamo. Se tratará en el capítulo dedicado a CRECIMIENTO Y DESARROLLO. Hormona inhibidora de la somatotropina Es un péptido de 14 aminoácidos, más conocido como somatostatina (SRIF, Somatotropin Release Inhibitory Factor). Tiene una estructura cíclica debido a un puente disulfuro entre sus dos cisteínas. Existen otras formas moleculares, incluida una de 28 aminoácidos. Al parecer todas derivan de diferentes formas de procesamiento postranslacional de un mismo gen. En el hipotálamo, se produce mayormente en neuronas del área periventricular anterior. La somatostatina se encuentra en neuronas extrahipotalámicas, donde presuntamente actúa como neurotransmisor, y en células enteroendocrinas y los islotes de Langerhans pancreáticos, donde ejerce efectos paracrinos. Mecanismo de acción de las hormonas hipotalámicas estimulantes e inhibidoras En general, estas hormonas hipotalámicas actúan sobre receptores de membrana acoplados a proteínas G presentes en las correspondientes células de la adenohipófisis. Las hormonas liberadoras aumentan la síntesis de cAMP y la concentración intracelular de Ca 2+ , necesario para la exocitosis. La producción de derivados del ácido araquidónico – prostaglandinas, leucotrienos y epóxidos – también activa la secreción. Las hormonas estimulantes no sólo aumentan la liberación, sino que también activan la síntesis de las correspondientes hormonas de la adenohipófisis, en parte por aumento de la transcripción y en parte por estabilización de sus mRNA. Por su parte, las hormonas inhibidoras reducen la síntesis de cAMP e impiden el aumento de la concentración de Ca 2+ en el citosol. Los efectos de las hormonas hipotalámicas sobre la liberación de hormonas hipofisiarias son rápidos (en menos de un minuto). Los efectos sobre la síntesis ocurren más lentamente. Tabla 1: Principales hormonas de la adenohipófisis. Los porcentajes entre paréntesis corresponden a la proporción de cada tipo celular en la adenohipófisis. AA = aminoácido. Hormona Masa molecular Célula productora Hormonas hipotalámicas Órganos blancos Polipéptidos Corticotropina 4.5 kDa (39 AA) Corticotropas (20 %) Corticoliberina (vasopresina) Corteza adrenal Somatotropina 22.7 kDa (191 AA) Somatotropas (45 %) Somatoliberina Somatostatina Hígado y otros tejidos Prolactina 23.5 kDa (198 AA) Lactotropas (25 %) Dopamina (oxitocina) Glándula mamaria Glicoproteínas Tirotropina 32 kDa (201 AA) Tirotropas (5 %) Tiroliberina Tiroides Folículo estimulante 32 kDa (204 AA) Gonadotropas (5 %) Gonadoliberina Ovario Testículo Luteinizante 32 kDa (204 AA) Gonadotropas (5 %) Gonadoliberina Ovario Testículo Hipotálamo e hipófisis Dr. Fernando D. Saraví 5 HORMONAS DE LA ADENOHIPÓFISIS Las hormonas de la adenohipófisis son péptidos (somatotropina, prolactina, corticotropina y hormonas relacionadas con ésta) o glicoproteínas (gonadotropinas y tirotropina). Las hormonas peptídicas son sintetizadas como precursores que luego son procesados, con clivaje de la hormona correspondiente, que se almacena en gránulos secretorios. Las hormonas glicoproteicas constan de dos cadenas (alfa y beta). Las cadenas alfa de las tres hormonas glicoproteicas hipofisarias y de una cuarta, la gonadotropina coriónica humana (hCG) secretada por la placenta, son idénticas, codificadas por un gen en el cromosoma 6. La especificidad para sus respectivos receptores está determinada por la estructura de las cadenas beta, que son codificadas en genes en los cromosomas 19 (LH y hCG), 11 (FSH) y 1 (TSH) En la Fig. 2 y la Tabla 1 se resumen las características principales de las hormonas adenohipofisiarias. Otros aspectos serán tratados en otros capítulos a propósito de la regulación del crecimiento, la reproducción y las funciones de las glándulas tiroides y suprarrenales. Regulación integrada de la secreción de la adenohipófisis Las hormonas hipotálamicas actúan sobre la adenohipófisis, y las hormonas hipofisiarias estimulan la secreción de hormonas en sus blancos glandulares (Fig. 3). A su vez, estas últimas hormonas reducen, por retroalimentación, negativa, la correspondiente secreción hipotalámica e hipofisiaria. Un caso especial es el de la regulación de las gonadotropinas en la mujer, que también está sujeta a retroalimentación positiva (ver CICLO OVÁRICO). Además de la retroalimentación que ejercen las hormonas secretadas periféricamente, las propias hormonas hipofisarias pueden modificar su propia liberación, por asas cortas de retroalimentación negativa. Por ejemplo, las gonadotropinas, corticotropina, prolactina y somatotropina reducen la liberación de las correspondientes hormonas hipotalámicas. Además de las células secretoras de hormonas, la adenohipófisis contiene células de origen neuroectodérmico llamadas células folículo-estrelladas (FE). Deben su nombre a que entre sus somas forman pequeños folículos y a que emiten prolongaciones o pedicelos que rodean las células secretoras (Fig. 4). Las células FE están funcionalmente acopladas por nexos (uniones comunicantes) y forman una red de comunicación intraglandular que puede transmitir, por ejemplo, ondas de Ca 2+ e impulsos eléctricos. Las células FE participan en la regulación de la secreción de TSH y probablemente de otras hormonas hipofisiarias. Finalmente, algunas hormonas hipotalámicas, como somatoliberina, somatostatina y GnRH autolimitan su propia liberación mediante asas ultracorta de retroalimentación negativa. HORMONAS DE LA NEUROHIPÓFISIS La neurohipófisis tiene una masa de 100 a 150 mg y contiene las porciones terminales, amielínicas, de los axones de neuronas de grandes somas (magnocelulares) ubicadas en los núcleos hipotalámicos supraóptico y paraventricular. La neurohipófisis posee además células gliales llamadas pituicitos, intercaladas entre las terminales axónicas. Las dos hormonas neurohipofisiarias son vasopresina 4 y oxitocina. Cada neurona produce una u otra hormona, pero no ambas. Ambos son nonapéptidos con una estructura cíclica dada por un puente disulfuro. Solamente difieren en dos aminoácidos (Fig. 5). Las hormonas se denominaron según el efecto que fue primeramente reconocido: vasoconstricción en el caso de la vasopresina y acelerador del parto para la oxitocina (del griego oxy, rápido y tokos, parto). 4 La vasopresina del ser humano y la mayoría de los mamíferos se llama a veces arginina- vasopresina, para distinguirla de la lisina- vasopresina que producen cerdos e hipopótamos. Fig. 3 Hipotálamo e hipófisis Dr. Fernando D. Saraví 6 La vasopresina y la oxitocina son sintetizadas como precursores en el soma magnocelular y transportados hacia las terminales nerviosas neurohipofisiarias por transporte axonal rápido (8 mm/h). Durante el transporte se produce la escisión del precursor en la hormona activa y un fragmento asociado mucho mayor, llamado neurofisina. La neurofisina I asociada a la oxitocina es diferente de la II, asociada a la vasopresina. Las hormonas neurohipofisiarias se almacenan en gránulos junto con las neurofisinas y se liberan a la circulación junto con ellas. La liberación de las hormonas por exocitosis es disparada por los potenciales de acción que se propagan desde el soma. Como se verá luego, los patrones de descarga de las neuronas que producen cada hormona es diferente. Una vez liberadas, la vasopresina y la oxitocina circulan libres en el plasma y son rápidamente degradadas (minutos) en el riñón y, en menor medida,
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