Biochemie

ují (především inhibují či zeslabují) účinek některých hormonů změnou aktivity adenylátcyklasy a tím i změnou hladiny cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP), prostředníka hormonálního účinku. Prostaglandiny například tlumí odbourávání tuků v buňkách tukové tkáně vyvolané některým hormonem. Snadno se dají připravit syntheticky a lze jich prakticky využít k regulaci plodnosti, k indukci porodu, v humánní medicíně též ke snížení krevního tlaku a krevní srážlivosti.
Hormonální poruchy vedou v organismu živočichů často k pathologickým projevům vyvolaným nadbytečnou či nedostatečnou produkcí příslušného hormonu. Terapeuticky lze řadu případů těchto poruch řešit použitím synthetických analog, majících často několikanásobně vyšší účinek nežli hormony přirozené.
11.1.5. Mechanismus účinku živočišných hormonů
Tím, že některé hormony hypofysy působí na hormonální žlázy s vnitřní sekrecí, je činnost těchto žláz přímo řízena na principu jakési „nadřazenosti“ hormonů (viz obrázek).
Tento vzájemný vztah může být vícestupňový s možností zpětné vazby, zapojované či vypínané podle množství periferně účinného hormonu kolujícího v krvi či míze.
Vlastní mechanismus, kterým hormony vyvolávají specifické odezvy v cílových buňkách, je zprostředkován specifickou látkou bílkovinné povahy nazývanou receptor. Vysokoafinitní interakce hormonů s odpovídajícími receptory připomíná absolutní specifitu enzymových bílkovin a příslušných substrátů.
Podle toho, kde se kontaktuje hormon s receptorem, rozeznáváme receptory membránové a nitrobuněčné. Membránové receptory jsou vlastní všem peptidovým hormonům a prostaglandinům, receptory uvnitř buňky jsou typické pro steroidní hormony a hormony štítné žlázy.
Izolace a fyzikálně-chemická charakterizace receptorových bílkovin narážela na řadu těžko překonatelných obtíží, což bylo způsobeno porušením jemné a složité buněčné substruktury izolačními postupy. Významných úspěchů bylo při studiu hormonálních receptorů dosaženo teprve vyvinutím nových pracovních technik, jmenovitě afinitní chromatografie. Na základě získaných poznatků byla zformována představa molekulárního mechanismu přenosu hormonálního signálu buněčnou membránou prostřednictvím tzv. „druhých poslů“, zejména cAMP. Na tomto mechanismu lze demonstrovat společné rysy všem hormonům.
Systém hormon - druhý posel umožňuje následující jevy:
Specifitu danou chemickou komplementaritou signální molekuly (hormonu jako prvního posla) a příjemce (receptoru).
Zesílení či amplifikaci signálu. Je to dáno potřebou malého počtu molekul hormonu k pozitivnímu ovlivnění druhého posla, v případě aktivace adenylátcyklasy k výraznému zvýšení počtu molekul cAMP.
Ekonomičnost a zjednodušení informace, projevující se ve specializované buňce stejnou odpovědí na několik hormonů.
Komplexnost pochodů, které se po vazbě hormonu na receptor rozběhnou.
První látkou, která byla označena jako druhý posel, je již zmíněný cAMP. Byly však objeveny vlastnosti charakteristické pro druhého posla i u dalších látek. Jsou to cGMP, vápenaté ionty a fosfolipidy.
cAMP je ideálním intracelulárním druhým poslem pro hormonální stimulaci, neboť má malou molekulu, která se rychle a v dostatečném množství tvoří na vnitřní straně plasmatické membrány. Je tvořen allosterickým enzymem adenylátcyklasou, katalysujícím vznik cyklické molekuly adenosin-3(,5(-fosfátu.
Svoji aktivitu uplatňuje cAMP prostřednictvím cAMP-dependentní proteinkinasy, která realizuje přenesenou informaci kovalentní modifikací (fosforylací) specifických bílkovin. cAMP využívá většina polypeptidových hormonů ke zvýšení propustnosti biologických membrán, k aktivaci enzymů fosforylací nebo allosterickou modifikací.
cGMP se vyskytuje ve většině buněk jako doplněk strukturálně podobného cAMP. Předpokládá se, že jeho úloha je obdobná, i když nebyla dosud jednoznačně potvrzena.
Vápenaté ionty
Metabolismus vápníku má některá specifika, která naznačují jeho roli jako intracelulárního druhého posla. Jedním ze specifik je relativně nízký obsah Ca2+ v cytoplasmě ve srovnání s jeho obsahem uvnitř buněčných organel, jmenovitě v endoplasmatickém retikulu a mitochondriích.
Bylo zjištěno, že některé hormony otvírají svou vazbou na membránové receptory kanálky v buněčných membránách, kterými vápenaté ionty vnikají do cytoplasmy. Přenosem extracelulárních vzruchů do buňky hormonem (1. poslem) může koncentrace Ca2+ v cytosolu o dva řády stoupnout. Toto zvýšení koncentrace vyvolá následně příslušnou odpověď, realizovanou interakcí vápenatých iontů s některými kyselými proteiny. Cytoplasma obsahuje několik takových specifických kyselých bílkovin, vyznačujících se vysokou afinitou k vápenatým iontům. Nejprostudovanější z těchto bílkovin je kalmodulin schopný vázat čtyři vápenaté ionty za současné změny konformace. Tato konformační změna přímo souvisí s afinitou tohoto Ca2+-kalmodulinového komplexu vůči některým kinasám, které jsou tímto komplexem aktivovány.
Zdá se však, že chování vápenatých iontů je s největší pravděpodobností spojeno s přeměnou membránových fosfolipidů.
Membránové fosfolipidy
Doposud se předpokládalo, že Ca2+ jsou přímým druhým poslem přenášejícím hormonální signál z vnějšího do vnitřního prostoru buňky. Podle nových poznatků se však vápenaté ionty uplatňují pravděpodobně prostřednictvím fosfolipidů, jmenovitě polyfosfoinositidů. Tyto polyfosfoinositidy vznikly z fosfatidylinositolů připojením jedné nebo dvou fosfátových skupin k inositolovému kruhu v poloze 4 a 5. Připojení těchto fosfátů mají na svědomí kinasy, aktivované výše zmíněným Ca2+-kalmodulinovým komplexem.
Stále více skutečností svědčí o tom, že tyto fosfolipidy mají rozhodující význam při přenosu signálů přenášených hormony. Hormony totiž stimulují v membránách cílových buněk přeměnu fosfatidylinositidů v inositoltrifosfát a diacylglycerol. Oba tyto reakční produkty se potom chovají jako onen druhý posel, který vyvolává příslušnou buněčnou odpověď.
Inositoltrifosfát má schopnost mobilizovat vápenaté ionty v cytoplasmě tím, že je uvolňuje ze subcelulárních částic, zejména z endoplasmatického retikula. Tyto ionty se potom mohou uplatňovat v úloze jakéhosi „třetího posla“.
Diacylglycerol slouží, podobně jako cAMP, prostřednictvím aktivace specifické proteinkinasy při fosforylaci specifických buněčných bílkovin.
11.2. Rostlinné hormony
U rostlin, na rozdíl od živočichů, nedochází k regulaci metabolismu prostřednictvím nervového systému. Rostliny využívají k regulaci vodivý systém , kterým mohou být regulační látky, vyskytující se v rostlinách ve velmi nízkých koncentracích, transportovány z místa vzniku do místa určení. Tyto látky se tvoří zvláště v lodyžních a kořenových vrcholech a odtud proudí především parenchymatickými pletivy do celého těla rostliny. Liší se od živočišných hormonů mj. tím, že nejsou specifické.
Růstové regulátory povzbuzující ve fysiologických koncentracích růst rostlin nebo jednotlivých orgánů označujeme jako stimulátory, ty, které ve fysiologických koncentracích růst brzdí nazýváme inhibitory.
Nativní fytohormony
Nativní (endogenní) jsou ty růstové látky, které si rostlina sama vytváří k regulaci svého růstu. Označujeme je jako rostlinné hormony.
Růstové regulátory (přírodní fytohormony i synthetická analoga) mají velký praktický význam v produkci rostlin při zvyšování výnosu, odolnosti rostlin atd.
Podle chemické povahy řadíme k nativním fytohormonům látky:
indolové auxiny
giberelliny
cytokininy
kyselinu abscisovou
brassinosteroidy
ethylen
Rostlinné hormony působí na úrovni genu, ovlivňují přenos genetické informace. Stimulují synthesu mRNA a umožňují začátek proteosynthesy, kontrolují metabolismus a fysiologické pochody v rostlinách.
Fytohormony působí buď společně (v součtu nebo synergicky), nebo proti sobě (antagonicky) v návaznosti na vnitřní nebo vnější podněty.
Fytohormony indolové
Vznikají při metabolismu aminokyselin nejčastěji z tryptofanu. Biosynthesa (-indolyloctové kyseliny (IAA, auxin) probíhá u vyšších rostlin, ale i u některých mikroorganismů (např. Agrobacterium tumefaciens), dvěma cestami. Buď přes kyselinu (-indolylpyrohroznovou, nebo přes tryptamin.
První z reakcí, jejímž produktem je indolylpyruvát, je reakce katalysovaná transaminasou. Akceptorem aminoskupiny může být některá z oxokyselin.
(-indolylpyruvát se dekarboxyluje enzymem indolylpyruvátdekarboxylasou na (-indolylacetaledehyd.
Vzniklý (-indolylacetaldehyd je v další reakci oxidován flavinovou dehydrogenasou (indolylacetaldehyddehydrogenasou) na (-indolylacetát.
Alternativní cesta synthesy IAA vychází opět z aminokyseliny tryptofanu, který je dekarboxylován příslušnou dekarboxylasou na tryptamin.
Následnou oxidační deaminací se tryptamin mění působením dehydrogenasy s NAD+ na auxin.
Pro růstové a morfogenetické pochody v rostlinách je významná koncentrace nativního auxinu v pletivu, která nesouvisí jen s jeho biosynthesou, ale i s jeho degradací. K té dochází především enzymovou oxidací IAA-peroxidasou, jejíž aktivita je zvláště vysoká v kořenech.
Podobně jako IAA má auxinovou aktivitu hlavně u brukvovitých rostlin (-indolylacetonitril. Z neindolových auxinů je v rostlinách přítomná kyselina fenyloctová.
Účinky auxinů jsou velmi četné a rozmanité. Zesilují prodlužování buněk (prodlužovací růst rostlin), podporují zakládání adventivních kořenů, apikální dominanci lodyhy, kambiální aktivitu, pozitivně ovlivňují zakořeňování. Podporují též buněčné dělení, zvyšují synthesu DNA a RNA. Prostřednictvím mRNA zesiluje auxin také proteosynthesu a tím synthesu četných rostlinných enzymů, např. celulasy ve stoncích hrachu setého.
Auxin se tvoří u vyšších rostlin především v lodyžních vrcholech a v nejmladších listech. Synthesuje se ale i u nižších rostlin a bakterií. Poprvé byl izolován z lidské moče v roce 1934 ( Kögl a kol., 1934 ), jako fytohormon byl identifikován v roce 1950.
Ukázalo se, že auxin je schopný v nízkých koncentracích stimulovat růst rostlin, zatímco ve vyšších koncentracích jej brzdí, nebo dokonce působí herbicidně. Na auxin jsou podstatně citlivější rostliny dvouděložné než jednoděložné, což bylo využíváno k hubení dvouděložných plevelů v kulturách jednoděložných rostlin.
Po objevení nativních auxinů bylo zkoumáno mnoho sloučenin k ověření případné auxinové aktivity. Tak byly objeveny synthetické auxiny (tzv. auxinoidy). Patří k nim kyselina (-indolylmáselná (IBA), (-naftyloctová (NAA), 2,4-dichlorfenoxyoctová (2,4D), 2,4,5-trichlorfenoxyoctová (2,4,5 T), 2-methyl-4-chlorfenoxyoctová (MCPA) a další.
Giberelliny
Byly objeveny v roce 1938. První čistý giberellin připravili T. Yabuta a Y. Sumuki v roce 1954 a označili ho jako giberellin A3. Tento giberellin se používá ve sladovnictví a v některých odvětvích rostlinné výroby. Některé giberelliny byly izolovány jako metabolity houby Gibberella fujikuroi. Většina giberellinů však byla nalezena u vyšších rostlin, v nichž se tvoří především v nejmladších listech, v kořenech a semenech.
V rostlinách se giberelliny vyskytují volné nebo vázané na glukosu nebo její estery. Po chemické stránce jsou giberelliny odvozeny od gibanového skeletu, který se tvoří z acetylkoenzymu A přes kyselinu mevalonovou a geranylgeranyldifosfát.
Na rozdíl od auxinů si giberelliny zachovávají svoji aktivitu po dlouhou dobu a nepůsobí toxicky ani ve vyšších koncentracích. Proto u rostlin neexistuje zvláštní enzymový systém odbourávání giberellinů. Na neaktivní formu však mohou giberelliny přecházet tvorbou konjugátů se sacharidy.Giberelliny příznivě ovlivňují buněčné dělení, prodlužovací růst lodyh, ruší dormanci semen. Stimulují aktivitu některých enzymů, např. ( -amylasy klíčících obilek a proteinasy.
Cytokininy
Cytokininy byly objeveny v roce 1955 a z jejich názvu vyplývá, že podněcují buněčné dělení. Obecně stimulují metabolismus rostlin, zvláště synthesu DNA, RNA a bílkovin. Spolu s auxiny a giberelliny zprostředkovávají odpověď rostlin na faktory životního prostředí jako je světlo, teplota, sucho. Vznikají hlavně v kořenech (kořenový vrchol ), ale i v pupenech. Na rozdíl od auxinů a giberellinů podporují růst i bočních pupenů bez ohledu na apikální dominanci. Ve stárnoucím pletivu brání cytokininy poklesu obsahu DNA, RNA i bílkovin. Brání i odbourávání chlorofylu a tím i stárnutí listů, zvyšují resistenci rostlin vůči houbovým chorobám a proti imisím (kyselým dešťům). Cytokininy působí kladně i na rovnoměrný vývoj klasů.
Jedná se o N9 substituované deriváty adeninu s rozdílnými substituenty. Podle substituentů je rozdělujeme na isoprenoidní a aromatické cytokininy. První nativní cytokinin, tzv. zeatin, byl izolován z nezralých obilek kukuřice a je představitelem isoprenoidní skupiny. Později byl zeatin zjištěn i v kokosovém mléce. Dalšími nativními cytokininy jsou dihydrozeatin a isopentenyladenosin. V dřeni stonku tabáku byl objeven kinetin.
Aromatické cytokininy reprezentované 6- benzylaminopurinem (benzyladeninem) a jeho 2- hydroxylovaná analoga byla dříve považována za syntetické látky. Před několika lety bylo prokázáno, že se tyto cytokininy vyskytují i v nativní formě. Jsou soustředěny kolem aktivního 6-(3´ hydroxybenzyl)aminopurinu objeveného v listech topolu a nazvaného topolin. Aromatické cytokininy se od isoprenoidních liší nejen chemickou stavbou, ale i spektrem biologických aktivit. Ovlivňují převážně vývojový proces, zvláště rezistenci vůči stresům.
Cytokininy vznikají pravděpodobně jako produkt degradace tRNA. Například v tRNA aminokyseliny serinu a tyrosinu byly objeveny isomery cytokininu. V pletivech se cytokininy odbourávají přes adenin, xanthin, kyselinu močovou, kyselinu allantoinovou až na močovinu.
Kromě nativních cytokininů jsou známy i synthetické cytokininy, jako např.  tetrahydropyranylbenzyladenin.
Brassinosteroidy
Jsou to rostlinné růstové regulátory strukturálně podobné živočišným steroidním hormonům. Byly objeveny Japonci v řepkovém pylu (Brassica napus L.) a odtud dostaly i název. Z různých přírodních materiálů bylo zatím izolováno a určeno přes čtyřicet brassinosteroidů (BR). Jsou obsaženy nejen ve vyšších rostlinnách, zemědělských plodinách a plevelech, ale i v řasách např. Chlorella vulgaris, Hydrodictyon reticulatum.
Endogenní hladiny BR se pohybují v milimolárních až mikromolárních koncentracích. Výchozí sloučeninou pro synthesu BR je acetylkoenzymA. Ten poskytuje přes kyselinu mevalonovou skvalen, 24- methylencholesterol a campesterol - přímý prekursor brassinosteroidů.

BR ovlivňují růst i vývoj rostlin. Podporují klíčení, vscházení, tvorbu adventivních kořenů, růst čerstvé hmoty i sušiny, zvyšují počet listů a listovou plochu a tím i intensitu fotosynthesy (fixace CO2 se zvyšuje až o 40%), fertilitu pylu a v konečné fázi i výnos. Indukují de novo genovou expresi. Stimulují buněčné dělení a elongaci především v mladých pletivech a výhoncích, zvyšují stabilitu biomembrán. Vykazují antistresové účinky tím, že podporují odolnost a přizpůsobivost rostlin vůči chladu, suchu, zasolení, infekci aj. Působí synergicky s ostatnímy fytohormony, nejčastěji s auxiny. Jsou využívány v polních podmínkách zemědělské praxe. Aplikují se postřikem v různých růstových fázích