El sistema endocrino consta de tejidos vasculares sin conductos que liberan una variedad de hormonas de forma regulada. Las hormonas endocrinas controlan o regulan una multitud de procesos biológicos en prácticamente todos los tejidos. La disfunción endocrina es común en especies de importancia veterinaria, y el conocimiento de la química hormonal y los mecanismos de acción es fundamental para comprender el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades endocrinas.
Principales clases químicas de las hormonas endocrinas
Tipo de hormona | Medios de producción | Localización de la población de receptores | Estructura en diferentes especies |
|---|---|---|---|
Hormonas proteicas y polipeptídicas (p. ej., ACTH, insulina) | Transcripción/traducción de genes | Superficie celular | Variable (algunas idénticas, otras no) |
Hormonas esteroideas (p. ej., estrógeno, cortisol) | Conversión de colesterol | Intracelular | Idéntica |
Hormonas de aminoácidos modificados (p. ej., tiroxina, catecolaminas) | Modificación de la tirosina | Intracelular (tiroxina) y superficie celular (catecolaminas) | Idéntica |
Existen tres categorías químicas principales de hormonas: proteínas y polipéptidos, hormonas esteroideas y las hormonas elaboradas a partir de los aminoácidos modificados, como se indica en la tabla Principales clases químicas de hormonas.
Hormonas proteicas y polipeptídicas en animales
Algunos ejemplos de hormonas proteicas y polipeptídicas incluyen la ACTH procedente de la hipófisis, la insulina del páncreas y la hormona paratiroidea (PTH) de las glándulas paratiroides. Estas hormonas varían en tamaño desde los tres aminoácidos (como la hormona que libera tirotropina) hasta las proteínas considerablemente más grandes con estructuras de subunidades (p. ej., la hormona luteinizante).
Las hormonas proteicas y polipeptídicas se producen en su tejido endocrino de origen mediante la transcripción del gen que codifica la hormona y su posterior traducción. Las hormonas proteicas y polipeptídicas se sintetizan inicialmente como productos de mayor tamaño (preprohormonas o preformas de hormonas) que se procesan para autentificar la hormona en el interior de la célula antes de su secreción. En el gen que codifica la estructura de la proteína se encuentran las secuencias de los aminoácidos (péptido señal) que comunican a la célula cuántas de estas moléculas están destinadas para la ruta secretoria regulada.
Durante el procesamiento pueden producirse otras modificaciones postraslacionales, como el plegado, la glucosilación, la formación de enlace de disulfido y el ensamblaje de subunidades. A continuación, la hormona plegada y procesada se almacena en gránulos secretores o en vesículas, como parte de la preparación para la liberación por exocitosis.
La liberación de hormona se desencadena por señales únicas de esa hormona. Por ejemplo, la secreción de PTH es estimulada por una disminución en la concentración de calcio iónico o libre presente en el líquido extracelular que baña las células principales paratiroideas. La insulina, en contraste, se secreta en respuesta a un incremento de la concentración de glucosa que baña las células beta del páncreas.
La mayoría de las células que producen proteínas y hormonas polipeptídicas almacenan cantidades sustanciales de estas sustancias por vía intracelular. Esto permite una respuesta rápida cuando se necesitan mayores cantidades en circulación. En general, las hormonas proteicas y polipeptídicas tienen semividas relativamente cortas en sangre (minutos) y no viajan en proteínas transportadoras unidas a la sangre (existen excepciones; p. ej., el factor de crecimiento similar a la insulina 1 se une en gran medida a proteínas).
Las hormonas proteicas y polipeptídicas actúan sobre sus células diana uniéndose a receptores localizados en la superficie celular. Estos receptores son proteínas y glucoproteínas incrustadas en la membrana celular que se extienden a través de la membrana, al menos una vez, de manera que el receptor quede expuesto a ambos ambientes, tanto al extracelular como al intracelular.
Varias clases o tipos de receptores de hormonas en la superficie celular traducen los mensajes hormonales hacia el interior de la célula por distintos medios.
En una clase, los receptores están acoplados a proteínas G (guanosina). Los receptores acoplados a la proteína G (GPCR) tienen siete dominios que atraviesan la membrana (y también se conocen como receptores 7-transmembrana). Después de la unión hormonal, estos receptores activan una proteína G que se localiza también en la membrana. Una o varias de las subunidades de la proteína G afectan (activan o inhiben) a otras moléculas de baja secuencia (conocidas como efectoras), como las enzimas (p. ej., adenilato ciclasa o fosfolipasa C) o los canales de iones.
La activación de una proteína G puede dar lugar a la producción de un segundo mensajero, como el monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico o AMPc), que luego puede unirse a la proteína cinasa A, provocando su activación y la posterior fosforilación de otras proteínas. Así pues, la transducción de la señal se produce en cascada y, a menudo, amplificando las series de acontecimientos desencadenados cuando una hormona se une a su receptor.
Los efectos iniciales de la célula diana que siguen a la unión de una hormona proteica o polipeptídica se producen muy rápidamente (de segundos a minutos). Por último, las hormonas afectan a las células diana de múltiples maneras, incluida la activación de la secreción, el aumento de la absorción de una molécula o la activación de la mitosis.
Otros receptores, como el de la insulina, no solo se unen a la hormona, sino que también actúan como enzimas, con la capacidad de fosforilar residuos de tirosina. Los residuos de las tirosinas fosforiladas sirven a su vez como sitios de acoplamiento para las proteínas de señalización.
Los receptores de superficie celular son dinámicos; su número o su actividad cambian en diferentes condiciones fisiológicas.
En algunos casos, como la exposición a cantidades excesivas de hormona, puede producirse una regulación a la baja de los receptores. La disminución y un descenso en la receptividad del tejido diana pueden deberse a la internalización de los receptores con posterioridad a la unión al ligando o a una desensibilización por la cual el receptor es químicamente modificado y se vuelve menos activo.
En sentido contrario, una falta de exposición a hormonas conduce a un aumento en el número de receptores sobre las células diana (es decir, regulación por incremento).
Las enfermedades se han vinculado con mutaciones en los receptores hormonales, que pueden dar como resultado la inactivación o una activación constitutiva o no hormonal de la ruta. A veces, la sustitución de un único aminoácido es la causa.
Hormonas esteroides en animales
Las hormonas esteroideas son derivados del colesterol e incluyen productos de la corteza adrenal, de los ovarios y de los testículos, así como de la molécula relacionada, la vitamina D.
A diferencia de las hormonas proteicas y polipeptídicas, las hormonas esteroideas maduras no se almacenan en grandes cantidades. Cuando es necesario se sintetizan rápidamente a partir del colesterol mediante una serie de reacciones enzimáticas.
La mayoría del colesterol necesario para una rápida síntesis de las hormonas esteroideas se almacena intracelularmente en el tejido de origen. Como respuesta a las señales adecuadas, el precursor se traslada a las organelas (las mitocondrias y el retículo endoplásmatico liso), donde una serie de enzimas (p. ej., las isomerasas, las deshidrogenasas) rápidamente transforma la molécula en la hormona esteroidea apropiada. La identificación del producto esteroide final es, de este modo, dictada por el conjunto de enzimas expresado en ese tejido.
Las hormonas esteroideas son hidrofóbicas y se introducen a través de las membranas celulares con facilidad. En sangre, se unen en una gran proporción a proteínas portadoras. La albúmina se une a muchos esteroides de forma bastante flexible; además, existen globulinas con uniones específicas para muchas hormonas esteroideas.
Muchas de la hormonas esteroideas en circulación están unidas a proteínas portadoras; una pequeña fracción circula libremente o sin unión. Se cree que los esteroides que circulan libremente son la porción biológicamente activa de las hormonas esteroideas, es decir, que están disponibles para entrar en las células diana. Existe un rápido equilibrio entre la unión de la proteína y esteroides libres en el líquido extracelular.
Entre las posibles funciones de las proteínas que se unen a las hormonas esteroideas se encuentra la de ayudar en la liberación tisular de esteroides al proporcionar una distribución uniforme a todas las células dentro de un tejido diana, la amortiguación de las grandes fluctuaciones en la hormona libre y la prolongación de la semivida de los esteroides en la sangre.
En relación con las hormonas proteicas y polipeptídicas, los esteroides suelen tener una mayor semivida, a menudo en un rango de varios minutos a horas.
Las hormonas esteroideas actúan sobre las células diana a través de los receptores localizados en el interior de la célula. Estos receptores se encuentran por lo general en el núcleo, aunque algunos parecen residir, cuando están desocupados, en el citoplasma. Hay varias clases de receptores esteroideos: para glucocorticoides, mineralocorticoides, progestágenos, etc. Los receptores esteroides engloban una familia de proteínas relacionadas que también muestran semejanza con los receptores para las hormonas tiroideas y para la vitamina D.
Los receptores de hormonas esteroideas tienen regiones o dominios que realizan tareas específicas: una para la identificación y unión del esteroide, otra para unirse a una región específica en el ADN cromosómico y una tercera que ayuda a regular el complejo transcripcional.
Las hormonas esteroideas penetran en sus objetivos mediante su difusión a través de la membrana celular y posteriormente mediante su unión al receptor, lo que causa un cambio estructural en el nuevo complejo. Esto, a su vez, conduce a la liberación de proteínas asociadas (p. ej., proteínas de golpe de calor) y al movimiento hacia el núcleo (si fuera necesario), seguidas por la unión del complejo a las regiones del ADN localizadas cerca de los genes regulados por esteroides específicos. El resultado es un cambio en la tasa de transcripción de los genes específicos, ya sea incrementando o disminuyendo su expresión. Así pues, las hormonas esteroideas funcionan, en primer lugar, afectando a las tasas de la producción del ARN mensajero específico y de las proteínas en sus dianas.
La acción esteroidea es relativamente lenta al comienzo (horas), pero puede durar mucho tiempo debido a la duración de la producción y a la semivida del ARN mensajero y de las proteínas inducidas en las células diana.
Algunos esteroides también actúan a través de mecanismos no genómicos. Por ejemplo, se cree que muchos de los efectos antiinflamatorios de los glucocorticoides ocurren porque el complejo glucocorticoide-receptor se une a factores de transcripción proinflamatorios en el interior de las células e inhibe su acción. Además, los efectos rápidos de los esteroides probablemente estén mediados, al menos en parte, por su unión a receptores no clásicos localizados en las membranas celulares diana.
Los esteroides en la sangre se eliminan por el metabolismo en el hígado. Las formas reducidas se producen y seguidamente se conjugan con el ácido y el sulfato glucorónico. Estos metabolitos son libremente solubles en la sangre y se eliminan del organismo mediante la excreción renal y a través del tracto digestivo. Pequeñas cantidades de hormonas esteroideas libres también se excretan directamente a través los riñones.
Hormonas de aminoácidos modificados en animales
Las hormonas en esta clase se obtienen a partir de la modificación química de los aminoácidos, principalmente la tirosina. Incluyen las hormonas tiroideas y las catecolaminas (la epinefrina y la norepinefrina).
La tiroxina (T4) y la triyodotironina (T3) se almacenan en la tiroides como parte de la tiroglobulina; la secreción de estas hormonas afecta al consumo por la célula tiroidea y a la rotura de esta gran molécula liberando T4 y T3.
El yodo desempeña un papel central y esencial en la síntesis de la hormona tiroidea.
Las hormonas tiroideas actúan sobre los objetivos de forma muy similar a como lo hacen los esteroides; son relativamente insolubles en agua, son transportadas por proteínas portadoras de la sangre y actúan sobre sus dianas a través de receptores intracelulares. Las hormonas tiroideas se transportan a las células diana a través de transportadores de membrana celular, como el transportador de monocarboxilato 8 y el polipéptido transportador de aniones orgánicos.
Las catecolaminas se producen por hidroxilación, por descarboxilación y por metilación de la tirosina y son secretadas dentro de la sangre desde la médula adrenal. Tienen semividas muy cortas (<5 minutos), no se unen a proteínas y actúan sobre sus dianas a través de los receptores de superficie celular (receptores alfa y beta adrenérgicos).
