Informatie

4.14: Secundaire Boodschappers - Biologie


Second messengers zijn moleculen die signalen die worden ontvangen op receptoren op het celoppervlak - zoals de aankomst van eiwithormonen, groeifactoren, enz. - doorgeven aan moleculen in het cytosol en/of de kern. Maar naast hun taak als doorgiftemoleculen, dienen tweede boodschappers enorm om: versterken de kracht van het signaal. Binding van een ligand aan een enkele receptor op het celoppervlak kan uiteindelijk leiden tot enorme veranderingen in de biochemische activiteiten in de cel.

Er zijn 3 hoofdklassen van tweede boodschappers:

  1. cyclische nucleotiden (bijv. kamp en cGMP)
  2. inositol trifosfaat (IK P3) en diacylglycerol (DAG)
  3. calciumionen (Ca2+)

Cyclische nucleotiden

Cyclische AMP (cAMP)

Enkele van de hormonen die hun effecten bereiken via cAMP als tweede boodschapper:

  • adrenaline
  • glucagon
  • luteïniserend hormoon (LH)

Cyclisch AMP wordt gesynthetiseerd uit ATP door de werking van het enzym adenylylcyclase.

  • Binding van het hormoon aan zijn receptor wordt geactiveerd
  • een G-eiwit die op zijn beurt activeert
  • adenylylcyclase.
  • De resulterende stijging van cAMP zet de juiste respons in de cel aan door een van beide (of beide):
    • het veranderen van de moleculaire activiteiten in het cytosol, vaak met behulp van Proteïne Kinase EEN (PKA) — een cEENMP-afhankelijk eiwitkinase dat doeleiwitten fosforyleert
    • een nieuw patroon van gentranscriptie aanzetten

Cyclische GMP (cGMP)

Cyclisch GMP wordt gesynthetiseerd uit het nucleotide GTP met behulp van het enzym guanylylcyclase. Cyclische GMP dient als tweede boodschapper voor

  • atriaal natriuretisch peptide (ANP)
  • stikstofmonoxide (NO)
  • de reactie van de staafjes van het netvlies op licht

Sommige effecten van cGMP worden gemedieerd door Proteïne Kinase G (PKG) — een cGMP-afhankelijk eiwitkinase dat doeleiwitten in de cel fosforyleert.

Inositoltrifosfaat (IP3) en diacylglycerol (DAG)

Peptide- en eiwithormonen zoals vasopressine, schildklierstimulerend hormoon (TSH), en angiotensine en neurotransmitters zoals GABA binden aan G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR's) die het intracellulaire enzym activeren fosfolipase C (PLC).

Zoals de naam al doet vermoeden, hydrolyseert het fosfolipiden - in het bijzonder fosfatidylinositol-4,5-bisfosfaat (PIP2) die wordt gevonden in de binnenste laag van het plasmamembraan. Hydrolyse van PIP2 levert twee producten op:

  • diacylglycerol (DAG): DAG blijft in de binnenste laag van het plasmamembraan. Het rekruteert Proteïne Kinase C (PKC) - een Calcium-afhankelijk kinase dat veel andere eiwitten fosforyleert die de veranderingen in de cel teweegbrengen. Zoals de naam al doet vermoeden, vereist activering van PKC calciumionen. Deze worden beschikbaar gesteld door de actie van de andere tweede messenger - IP3.
  • inositol-1,4,5-trifosfaat (IK P3): Dit oplosbare molecuul diffundeert door het cytosol en bindt zich aan receptoren op het endoplasmatisch reticulum waardoor calciumionen vrijkomen (Ca2+) in het cytosol. De stijging van intracellulair calcium triggert de reactie.

Voorbeeld:

De calciumstijging is nodig voor NF-AT (de "nucleaire factor van geactiveerde T-cellen") om de juiste genen in de kern aan te zetten.

Het opmerkelijke vermogen van tacrolimus en ciclosporine voorkomen transplantaatafstoting is te wijten aan het blokkeren van deze weg.

De binding van een antigeen aan zijn receptor op een B-cel (de BCR) genereert ook de tweede boodschappers DAG en IP3.

Calciumionen (Ca2+)

Als de functies van IP3 en DAG geven aan dat calciumionen ook belangrijke intracellulaire boodschappers zijn. In feite zijn calciumionen waarschijnlijk de meest gebruikte intracellulaire boodschappers.

Als reactie op veel verschillende signalen kan een stijging van de concentratie van Ca2+ in het cytosol veroorzaakt vele soorten gebeurtenissen, zoals:

  • spiercontractie
  • exocytose, b.v.
    • afgifte van neurotransmitters bij synapsen (en essentieel voor de synaptische veranderingen op lange termijn die langetermijnpotentiëring (LTP) en langetermijndepressie (LTD) veroorzaken);
    • afscheiding van hormonen zoals insuline
  • activering van T-cellen en B-cellen wanneer ze antigeen binden met hun antigeenreceptoren (respectievelijk TCR's en BCR's)
  • adhesie van cellen aan de extracellulaire matrix (ECM)
  • apoptose
  • een verscheidenheid aan biochemische veranderingen gemedieerd door Proteïne Kinase C (PKC).

Normaal gesproken is het calciumgehalte in de cel erg laag (~ 100 nM). Er zijn twee belangrijke depots van Ca2+ voor de cel:

  • De extracellulaire vloeistof (ECF - gemaakt van bloed), waar de concentratie ~ 2 mM of 20.000 keer hoger is dan in het cytosol;
  • het endoplasmatisch reticulum ("sarcoplasmatisch" reticulum in de skeletspier).

Het niveau ervan in de cel kan echter dramatisch stijgen wanneer kanalen in het plasmamembraan openen om het vanuit de extracellulaire vloeistof of vanuit depots in de cel zoals het endoplasmatisch reticulum en mitochondriën binnen te laten.

Ca . krijgen2+ in (en uit) het cytosol

  • Spanningsafhankelijke kanalen
    • open als reactie op een verandering in membraanpotentiaal, b.v. depolarisatie van een actiepotentiaal
    • worden gevonden in prikkelbare cellen:
      • skeletspier
      • gladde spieren (Dit zijn de kanalen die worden geblokkeerd door geneesmiddelen, zoals felodipine [Plendil®], die worden gebruikt om hoge bloeddruk te behandelen. De instroom van Ca2+ trekt de gladde spierwanden van de arteriolen samen, waardoor de bloeddruk stijgt. De medicijnen blokkeren dit.)
      • neuronen. Wanneer de actiepotentiaal de presynaptische terminal bereikt, zal de instroom van Ca2+ triggert de afgifte van de neurotransmitter.
      • de smaakcellen die reageren op zout.
    • laat wat 10 . toe6 ionen om in elke seconde te stromen volgens de steile concentratiegradiënt.
  • Receptorgestuurde kanalen
    Deze bevinden zich in het postsynaptische membraan en openen zich wanneer ze de neurotransmitter binden. Voorbeeld: NMDA-receptoren.
  • G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR's). Dit zijn geen kanalen, maar ze leiden tot het vrijkomen van Ca2+ van het endoplasmatisch reticulum zoals hierboven beschreven. Ze worden geactiveerd door verschillende hormonen en neurotransmitters (evenals bittere stoffen op smaakcellen in de tong).

Ca2+ ionen worden geretourneerd

  • naar de ECF door actief transport met behulp van
    • een ATP-aangedreven pomp genaamd Ca2+ ATPase;
    • twee Na+/Ca2+ uitwisselaars. Deze antiport-pompen benutten de energie van
      • 3 Nee+ ionen die NAAR BENEDEN hun concentratiegradiënt stromen om één Ca . te pompen2+ tegen zijn helling en
      • 4 Nee+ ionen stromen naar pomp 1 Ca2+ en 1 K+ ionen hun concentratiegradiënten op.
  • naar het endoplasmatisch (en sarcoplasmatisch) reticulum met een andere Ca2+ ATPase.

Hoe kan zo'n eenvoudig ion als Ca2+ zoveel verschillende processen regelen? Enkele factoren op het werk:

  • lokalisatie binnen de cel (bijvoorbeeld vrijgelaten op één plek - het T-systeem is een voorbeeld - of verspreid door de cel)
  • door de vrijgekomen hoeveelheid (amplitudemodulatie, "AM")
  • door het los te laten in pulsen van verschillende frequenties (frequentiemodulatie, "FM")

Rol en functies van tweede boodschappers | farmacodynamiek

Na het lezen van dit artikel leer je over de rol en functies van second messengers.

Veel hormonen, neurotransmitters, autacoïden en geneesmiddelen werken in op specifieke membraanreceptoren, met als onmiddellijk gevolg activering van een cytoplasmatische component van de receptor, wat een enzym kan zijn zoals adenylaatcyclase, guanylaatcyclase of activering van een transportsysteem of opening van een ionkanaal.

Deze cytoplasmatische componenten die de stimulus van de receptoren overbrengen, staan ​​​​bekend als tweede boodschappers, waarbij de eerste boodschapper de receptor zelf is. Voorbeelden van second messengers zijn-cAMP, cGMP, ca 2+ , G-proteïnen, IP3, DAG, enz.

De rol van cAMP als tweede boodschapper werd voor het eerst onthuld door het werk van Sutherland in de late jaren 1950'8217. Deze ontdekking vernietigde de barrières die bestonden tussen biochemie en farmacologie. cAMP is een nucleotide dat in de cel wordt gesynthetiseerd uit ATP door de werking van adenylaatcyclase als reactie op activering van veel receptoren. Het wordt geïnactiveerd door hydrolyse tot 5'8242-AMP, door de werking van het enzym fosfodiësterase.

cAMP heeft verschillende regulerende effecten op cellulaire functies, bijvoorbeeld energiemetabolisme, celdeling en celdifferentiatie, ionentransport, ionkanaalfunctie, contractiliteit van gladde spieren enz. Deze gevarieerde effecten worden teweeggebracht door een gemeenschappelijk mechanisme, namelijk de activering van verschillende eiwitkinasen door cAMP.

Veel verschillende geneesmiddelen, hormonen van neurotransmitters, produceren hun effecten door de katalytische activiteit van adenylaatcyclase te verhogen of te verlagen en zo de concentratie van cAMP in de cel te verlagen of te verhogen. De cAMP-niveaus in de cel kunnen ook worden verhoogd door het metaboliserende enzym fosfodiësterase te remmen.

Cyclisch guanosinemonofosfaat is een andere intercellulaire boodschapper die wordt gesynthetiseerd door het enzym guanylaatcyclase van GTP. Het is geïdentificeerd in hartcellen, bronchiale gladde spiercellen en andere weefsels. Voor de meeste geproduceerde effecten lijkt cAMP stimulerend te zijn, terwijl cGMP remmend van aard lijkt te zijn.

Wanneer de cAMP- en cGMP-systemen beide aanwezig zijn in een enkele cel of weefsel, zijn ze gekoppeld aan receptoren waardoor geneesmiddelen tegengestelde effecten produceren. Bijvoorbeeld in hartweefselcellen verhogen β-adrenoceptoren de frequentie en kracht van contractie door cAMP-niveaus te verhogen, terwijl cholinerge receptoren een tegengesteld effect hebben door cGMP-niveaus te verhogen.

het IP3 en DAG-systeem is een ander belangrijk intracellulair tweede messenger-systeem en werd voor het eerst geïdentificeerd door Michell in 1975. Beide zijn afbraakproducten van membraanfosfolipiden door een enzym fosfolipase C. IP3 werkt zeer effectief om calcium uit intracellulaire winkels vrij te maken. Van dit Ca2+ is bekend dat het de functie van verschillende enzymen, contractiele eiwitten en ionkanalen reguleert.

DAG activeert direct proteïnekinase C en regelt de fosforylering van aminozuren van een verscheidenheid aan intracellulaire eiwitten. Dit veroorzaakt de afgifte van hormonen uit de endocriene klieren of moduleert de afgifte van neuro- en zenuwtransmitter of moduleert de samentrekbaarheid van gladde spieren of ontstekingsreacties of ionentransport of tumorbevordering enz. Er bestaan ​​minstens zes verschillende soorten PKC die ongelijk verdeeld zijn in verschillende cellen.

Activering van andere enzymen fosfolipase A2 leidt tot de productie van arachidonzuur uit de membraanfosfolipiden, die verder worden afgebroken tot prostaglandinen, leukotriënen, tromboxanen enz.

Ze staan ​​bekend om hun rol als lokale hormonen, maar het is van belang dat onlangs is aangetoond dat arachidonzuur zelf en zijn metabolieten functioneren als intracellulaire boodschappers die de kaliumkanaalfunctie in bepaalde neuronen regelen.

Calciumionen zijn van groot belang bij vele andere intracellulaire tweede boodschappers. Veel regulerende acties worden gemedieerd door Ca2+ gebonden aan zijn intracellulaire regulerende eiwit, calmoduline. Ca2+-ionen zijn ook betrokken bij de afgifte van arachidonzuur uit membraanfosfolipiden door geactiveerde fosfolipasen en initiëren zo de synthese van prostaglandinen en leukotriënen. Van Ca2+ in synergie met PKC is aangetoond dat het de cellulaire functie activeert, zoals hepatocytglycogenolyse, insulineafgifte uit de pancreas. Ca2+ speelt ook een belangrijke rol bij samentrekking en ontspanning van skelet- en gladde spieren van het lichaam.

G-eiwitten vertegenwoordigen het niveau van het middenmanagement in de cellulaire organisatie en zijn in staat om te communiceren tussen de receptoren en de effector-enzymen of ionkanalen. Ze werden G-eiwitten genoemd vanwege hun interactie met de guanine-nucleotiden, GTP en GDP.

De G-eiwitten zijn gebonden aan het cytoplasmatische oppervlak van het plasmamembraan. Het zijn heterotrimere moleculen bestaande uit 3 subeenheden α, β en γ (fig 3.10). Hun classificatie als stimulerend of remmend is gebaseerd op de identiteit van hun onderscheiden α-subeenheid.

De β- en γ-subeenheden blijven geassocieerd als β γ-complex met het cytoplasmatische oppervlak van het membraan wanneer het systeem inactief is of in rusttoestand, GDP is gebonden aan de α-subeenheid.

Telkens wanneer een agonist een interactie aangaat met de receptor, vergemakkelijkt dit de GTP-binding aan de α-subeenheid en bevordert het de dissociatie van GDP van zijn plaats. Binding van GTP activeert de α-subeenheid en men denkt dat α-GTP dissociëert van β en een interactie aangaat met een membraangebonden effector.

Het proces wordt beëindigd wanneer de hydrolyse van GTP tot GDP plaatsvindt door de GTpase-activiteit van de α-subeenheid. Het resulterende α-BBP dissocieert vervolgens van de effector en herenigt zich met β γ, waardoor de responscyclus wordt voltooid. Hechting van de subeenheid aan een effectormolecuul verhoogt in feite de GTpase-activiteit, de grootte van deze toename varieert voor verschillende soorten effector.

Mechanismen van dit type resulteren in het algemeen in amplificatie omdat een enkel agonist-receptorcomplex verschillende G-eiwitmoleculen beurtelings kan activeren, en elk van deze kan lang genoeg geassocieerd blijven met het effector-enzym om veel productmoleculen te produceren.

Het product is vaak een tweede boodschapper en verdere versterking vindt plaats voordat de uiteindelijke cellulaire respons wordt geproduceerd. Het is de biologische aanpassing van een organisme voor oordeelkundig gebruik van zijn zendersubstanties.

G-eiwitten zijn niet allemaal identiek, vooral de α-subeenheid vertoont variabiliteit. Er wordt aangenomen dat er drie hoofdvariëteiten van G-eiwit zijn, namelijk. Gs, Gl en GQ. Gs en Gi produceren respectievelijk stimulatie en inhibitie van het effectorsysteem (fig. 3.11). Het is niet ongebruikelijk dat meerdere receptoren in een individuele cel een enkel G-eiwit activeren en een enkele receptor die meer dan één G-eiwit reguleert.


1. INLEIDING

Signalen die worden ontvangen door receptoren aan het celoppervlak of, in sommige gevallen, in de cel, worden vaak door de cel doorgegeven via het genereren van kleine, snel diffunderende moleculen die second messengers worden genoemd. Deze tweede boodschappers zenden het initiële signaal uit (het 𠇏irst message”) dat optreedt wanneer een ligand zich bindt aan een specifieke cellulaire receptor (zie Heldin et al. 2014) ligandbinding verandert de eiwitconformatie van de receptor zodanig dat het nabijgelegen effector stimuleert eiwitten die de productie of, in het geval van ionen, afgifte of instroom van de second messenger katalyseren. De tweede boodschapper diffundeert vervolgens snel naar eiwitdoelen elders in de cel, waardoor de activiteiten veranderen als reactie op de nieuwe informatie die door de receptor wordt ontvangen. Drie klassieke second messenger-routes worden geïllustreerd in figuur 1: (1) activering van adenylylcyclase door G-proteïne-gekoppelde receptoren (GPCR's) om de cyclische nucleotide second messenger 3′-5′-cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) te genereren ( 2) stimulatie van fosfoinositide 3-kinase (PI3K) door groeifactorreceptoren om de lipide second messenger fosfatidylinositol 3,4,5-trisfosfaat (PIP) te genereren3) en (3) activering van fosfolipase C door GPCR's om de twee tweede boodschappers membraangebonden boodschapper diacylglycerol (DAG) en oplosbare boodschapper inositol 1,4,5-trifosfaat (IP3), die zich bindt aan receptoren op subcellulaire organellen om calcium vrij te geven in het cytosol. De activering van meerdere effectorroutes door een enkele plasmamembraanreceptor en de productie van meerdere tweede boodschappers door elke effector kan een hoge mate van versterking in signaaltransductie genereren en diverse, pleiotrope reacties stimuleren, afhankelijk van het celtype.

Second messengers verspreiden informatie die is ontvangen van celoppervlakreceptoren. Aangegeven zijn drie voorbeelden van een receptor die een effector activeert om een ​​tweede boodschapper te produceren die de activiteit van een doelwit moduleert. Rechts kan binding van agonisten aan een GPCR (de receptor) adenylylcyclase (de effector) activeren om cAMP (de tweede boodschapper) te produceren om proteïnekinase A (PKA het doelwit) te activeren. Links kan binding van groeifactoren aan een receptortyrosinekinase (RTK de receptor) PI3K (de effector) activeren om PIP te genereren3 (de tweede boodschapper), die Akt (het doelwit) activeert. In het centrum activeert binding van liganden aan een GPCR (receptor) fosfolipase C (PLC de effector), om twee tweede boodschappers te genereren, DAG en IP3, die respectievelijk proteïnekinase C (PKC het doelwit) activeren en calcium uit intracellulaire winkels afgeven.

Second messengers vallen in vier hoofdklassen: cyclische nucleotiden, zoals cAMP en andere oplosbare moleculen die binnen de cytosol lipidenboodschappers signaleren die binnen celmembranen signaleren ionen die binnen en tussen cellulaire compartimenten en gassen signaleren en vrije radicalen die door de hele cel en zelfs naar aangrenzende cellen. Tweede boodschappers van elk van deze klassen binden aan specifieke eiwitdoelen, waardoor hun activiteit verandert om stroomafwaartse signalen door te geven. In veel gevallen zijn deze doelwitten enzymen waarvan de katalytische activiteit wordt gemodificeerd door directe binding van de tweede boodschappers. De activering van meerdere doelenzymen door een enkele tweede boodschappermolecuul versterkt het signaal verder.

Second messengers worden niet alleen geproduceerd als reactie op extracellulaire stimuli, maar ook als reactie op stimuli vanuit de cel. Bovendien worden hun niveaus voortreffelijk gecontroleerd door verschillende homeostatische mechanismen om precisie in celsignalering te garanderen. Ontregeling van de output van de tweede boodschapper als reactie op een bepaalde agonist kan inderdaad leiden tot cel-/orgaandisfunctie en ziekte. Chronische blootstelling aan cAMP in het hart resulteert bijvoorbeeld in een ongecontroleerde en asynchrone groei van hartspiercellen, pathologische hypertrofie genaamd. Deze hartziekte in een vroeg stadium presenteert zich als een verdikking van de hartspier (myocard), een afname van de grootte van de hartkamer en veranderingen in contractiliteit. Omdat een dergelijke langdurige blootstelling aan second messengers schadelijke effecten heeft, bestaan ​​er specifieke enzymen, kanalen en buffereiwitten om second messengers snel te verwijderen, hetzij door ze te metaboliseren of ze weg te houden van doelmoleculen.


Toegangsopties

Krijg volledige toegang tot tijdschriften voor 1 jaar

Alle prijzen zijn NET prijzen.
De btw wordt later bij het afrekenen toegevoegd.
De belastingberekening wordt definitief tijdens het afrekenen.

Krijg beperkte of volledige toegang tot artikelen op ReadCube.

Alle prijzen zijn NET prijzen.


4.14: Secundaire Boodschappers - Biologie

Een abonnement op J o VE is vereist om deze inhoud te bekijken. U kunt alleen de eerste 20 seconden zien.

De JoVE-videospeler is compatibel met HTML5 en Adobe Flash. Oudere browsers die HTML5 en de H.264-videocodec niet ondersteunen, gebruiken nog steeds een op Flash gebaseerde videospeler. We raden aan om de nieuwste versie van Flash hier te downloaden, maar we ondersteunen alle versies 10 en hoger.

Mocht dat niet helpen, laat het ons dan weten.

In tegenstelling tot passief transport, gebruikt primair actief transport de energie van ATP om eiwitpompen aan te drijven die zijn ingebed in het celmembraan, die ionen transporteren tegen hun elektrochemische gradiënten, een richting die ze normaal niet zouden bewegen tijdens diffusie.

Eén zo'n transporteur is de natrium-kaliumpomp, die aanvankelijk zo is georiënteerd dat hij het membraan overspant met zijn extracellulaire zijde gesloten en zijn intracellulaire gebied open en geassocieerd met een ATP-molecuul. In deze conformatie heeft de transporter een hoge affiniteit voor natriumionen die normaal in de cel aanwezig zijn, en drie van deze ionen gaan de pomp binnen en hechten zich eraan.

Door een dergelijke binding kan ATP een van zijn fosfaatgroepen naar de transporter overbrengen, waardoor de energie wordt geleverd die nodig is om de intracellulaire kant van de pomp te sluiten en het extracellulaire gebied te openen.

Deze nieuwe conformatie vermindert de affiniteit van de pomp voor natriumionen, ze komen vrij in de extracellulaire ruimte, maar verhoogt de affiniteit voor kalium, waardoor het twee kaliumionen in de omgeving kan binden.

De extracellulaire kant van de pomp sluit zich dan en de van ATP afgeleide fosfaatgroep op de transporter komt los. Hierdoor kan een nieuw ATP-molecuul zich associëren met de intracellulaire kant van de pomp, die zich opent en de kaliumionen de cel binnenlaat, waardoor de transporter terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm en de cyclus opnieuw begint.

5.11: Primair actief transport

In tegenstelling tot passief transport, houdt actief transport in dat een stof door membranen wordt verplaatst in een richting tegen de concentratie of elektrochemische gradiënt in. Er zijn twee soorten actief transport: primair actief transport en secundair actief transport. Primair actief transport maakt gebruik van chemische energie van ATP om eiwitpompen aan te drijven die in het celmembraan zijn ingebed. Met energie van ATP transporteren de pompen ionen tegen hun elektrochemische gradiënten en in de richting waarin ze normaal gesproken niet door diffusie zouden reizen.

Relatie tussen concentratie, elektrische en elektrochemische gradiënten

Om de dynamiek van actief transport te begrijpen, is het belangrijk om eerst elektrische en concentratiegradiënten te begrijpen. Een concentratiegradiënt is een verschil in de concentratie van een stof over een membraan of ruimte die beweging van gebieden met een hoge concentratie naar gebieden met een lage concentratie aandrijft. Evenzo is een elektrische gradiënt de kracht die het gevolg is van het verschil tussen elektrochemische potentialen aan elke kant van het membraan die leidt tot de beweging van ionen over het membraan totdat de ladingen aan beide zijden van het membraan vergelijkbaar zijn. Een elektrochemische gradiënt ontstaat wanneer de krachten van een chemische concentratiegradiënt en elektrische ladingsgradiënt worden gecombineerd.

Natrium-kaliumpomp

Een belangrijke transporteur die verantwoordelijk is voor het in stand houden van de elektrochemische gradiënt in cellen is de natrium-kaliumpomp. De primaire actieve transportactiviteit van de pomp vindt plaats wanneer deze zodanig is georiënteerd dat deze het membraan overspant met zijn extracellulaire zijde gesloten, en zijn intracellulaire gebied open en geassocieerd met een ATP-molecuul. In deze conformatie heeft de transporter een hoge affiniteit voor natriumionen die normaal in lage concentraties in de cel aanwezig zijn, en drie van deze ionen gaan de pomp binnen en hechten zich eraan. Door een dergelijke binding kan ATP een van zijn fosfaatgroepen naar de transporter overbrengen, waardoor de energie wordt geleverd die nodig is om de intracellulaire kant van de pomp te sluiten en het extracellulaire gebied te openen.

De verandering in conformatie vermindert de affiniteit van de pomp voor natriumionen die vrijkomen in de extracellulaire ruimte, maar verhoogt de affiniteit voor kalium, waardoor het twee kaliumionen kan binden die in lage concentratie aanwezig zijn in de extracellulaire omgeving. De extracellulaire kant van de pomp sluit zich dan en de van ATP afgeleide fosfaatgroep op de transporter komt los. Hierdoor kan een nieuw ATP-molecuul zich associëren met de intracellulaire kant van de pomp, die zich opent en de kaliumionen de cel in laat gaan en de transporter terugbrengt naar zijn oorspronkelijke vorm en de cyclus opnieuw begint.

Vanwege de primaire actieve transportactiviteit van de pomp, ontstaat er een onbalans in de verdeling van ionen over het membraan. Er zijn meer kaliumionen in de cel en meer natriumionen buiten de cel. Daarom wordt de binnenkant van de cellen negatiever dan de buitenkant. Een elektrochemische gradiënt wordt gegenereerd als gevolg van de onbalans van de ionen. De kracht van de elektrochemische gradiënt stuwt vervolgens de reacties van secundair actief transport voort. Secundair actief transport, ook wel co-transport genoemd, vindt plaats wanneer een stof over een membraan wordt getransporteerd als gevolg van de elektrochemische gradiënt die wordt ingesteld door primair actief transport zonder dat extra ATP nodig is.

Sahoo, Swagatika, Maike K. Aurich, Jon J. Jonsson en Ines Thiele. &ldquoMembraantransporters in een metabolische kennisbank op menselijke genoomschaal en hun implicaties voor ziekten.&rdquo Grenzen in de fysiologie 5 (11 maart 2014). [Bron]


4.14: Secundaire Boodschappers - Biologie

Hoe kan één signaalmolecuul (hormoon, zender, etc.) verschillende effecten hebben op verschillende weefsels?

A . Twee basismethoden

1. Gebruik dezelfde receptor en dezelfde 2e boodschapper, maar verschillende doeleiwitten

A. Een voorbeeld:

(1). In skeletspieren: epinefrine veroorzaakt glycogeenafbraak.

(2). In gladde longspieren: epinefrine veroorzaakt spierontspanning.

B. Waarom is dit logisch?

(1). Epinefrine (ook wel adrenaline genoemd) wordt geproduceerd als reactie op stress.

(2). Als reactie op stress, moet u glucose "mobiliseren" - het uit de opslag halen zodat het kan worden afgebroken om energie te leveren. Daarom moeten de glycogeenafbraak (en de glycogeensynthese) in spieren (en lever) worden verhoogd.

(3). Als reactie op stress, moet u dieper ademen. Daarom hebben gladde spieren rond buizen die lucht vervoeren (bronchiolen) nodig om te ontspannen.

C. Hoe is dit mogelijk? Dezelfde receptoren, dezelfde 2nd messenger (cAMP) worden gebruikt.

2. De oplossing: PKA wordt geactiveerd in zowel skeletspieren als gladde spieren. De doeleiwitten die beschikbaar zijn om te worden gefosforyleerd, zijn echter verschillend in de twee weefsels. Daarom worden verschillende eiwitten gefosforyleerd en geactiveerd (of geïnactiveerd) in de twee verschillende weefseltypes.

A. In skeletspieren fosforyleert PKA fosforylasekinase, glycogeenfosforylase enz., zoals op hand-out 12D.

b, In gladde spieren die de bronchiolen omringen, fosforyleert PKA een eiwit (MLCK) dat nodig is voor contractie, en inactiveert het. Daarom kan er geen contractie optreden.

Alleen ter informatie: om gladde spieren te laten samentrekken, moet een actief kinase (MLCK) Ca++ binden (in de vorm van een calmoduline/Ca++-complex). Als MLCK gefosforlyseerd is, kan het Ca++/calmoduline-complex er niet aan binden en treedt er geen contractie op. (We zullen de rol van calmoduline en het mechanisme van contractie van gladde spieren later bespreken.) Als je alle details van de rol van MLCK wilt zien, zie Becker fig. 16-24.

2. Verschillende receptoren en tweede boodschappers gebruiken in verschillende celtypen

(Zie Becker fig. 14-23 (10-24). Een voorbeeld -- effecten van epinefrine (adrenaline) op gladde spieren. Sommige gladde spieren ontspannen en sommige trekken samen als reactie op epinefrine. In dit geval zijn er verschillende receptoren en tweede boodschappers zijn betrokken.Hoe werkt dit?Zie hieronder.

Probeer probleem 6-11.

B. Voorbeeld van het gebruik van verschillende tweede boodschappers (en verschillende receptoren)

1. Het fenomeen:

A. Epinefrine (afgescheiden als reactie op stress) heeft verschillende effecten op verschillende gladde spieren:

(1). Op sommige gladde spieren, epi → contractie

(2). Op andere gladde spieren, epi → ontspanning (zoals hierboven)

B. Hoe is dit zinvol?

(1). In de perifere bloedsomloop trekken gladde spieren rond bloedvaten (arteriolen) samen, waardoor het bloed van de perifere bloedsomloop naar essentiële inwendige organen wordt geleid

(2). In de longen ontspannen gladde spieren rond buizen die lucht vervoeren (bronchiolen), zodat de longen meer kunnen uitzetten en u dieper kunt ademen.

A. Ca++ stimuleert spiercontractie.

B. Epinefrine bindt aan receptoren op sommige gladde spieren (bijv. rond arteriolen) → Ca++ vrijgemaakt uit ER → intracellulair Ca++ up → stimuleert contractie.

C. Epinefrine bindt aan receptoren op sommige gladde spieren (bijv. rond de bronchiolen) → fosforyleert eiwit dat nodig is voor reactie op Ca++, waardoor reactie wordt voorkomen.

A. Twee basistypen epinefrine-receptoren - alfa- en bèta-adrenerge receptoren genoemd (adrenerge = voor adrenaline). De twee typen onderscheiden zich (voornamelijk) door hun relatieve affiniteiten voor epinefrine (adrenaline) en norepinefrine (noradrenaline).

B. Sommige soorten gladde spieren hebben meestal het ene type receptoren, andere het andere. (Zie onderstaande tabel en tabel aan het einde van college 15 voor details over receptoreigenschappen.)

C. Twee soorten receptoren activeren verschillende G-eiwitten en genereren verschillende tweede boodschappers zoals op hand-out 12A. (We zullen de details later bespreken. Wat u tot nu toe moet weten, vindt u hieronder.)

(1). Bèta-receptoren → G-eiwittype (Gs) → cAMP-reactie → PKA

(2). Alfa1 receptoren → verschillende G-eiwitten (GP) → verschillende second messenger (IP3) → bindt aan receptoren op ER-membraan → opent Ca++-kanalen in ER → Ca++ uitgave van ER → contractie

4. Hoe werkt dit allemaal om een ​​gepaste reactie op stress (epinefrine) mogelijk te maken?

A. Bèta-type receptoren. Bèta-receptoren worden aangetroffen in longweefsel in gladde spieren rond bronchiolen.
Stress (popquiz, leeuw op straat, etc.) → epinefrine → spieren ontspannen → bronchiolen verwijden → diepere ademhaling → meer zuurstof → energie om met stress om te gaan.

B. Alfa-type receptoren. Alfa-receptoren worden aangetroffen in gladde spieren die bloedvaten van de perifere circulatie omringen.
Stress → epinefrine → spieren trekken samen → vernauwen de perifere bloedsomloop → sturen bloed naar essentiële organen om te reageren op stress (hart, longen, skeletspier).

Probeer de problemen 6-20 & 6-21 om de effecten van verschillende receptoren te bekijken. Merk op dat u niet de details hoeft te weten van hoe IP3 wordt gegenereerd, maar u moet wel weten dat PLC het enzym is dat verantwoordelijk is voor het produceren van IP3. Om onbekende redenen zijn de Griekse symbolen in deze opgaven niet afgedrukt in de laatste editie van het opgavenboek en zijn er in plaats daarvan spaties. Waar er '1' of '2' receptoren staan, moet het '⓫' of '⓬' receptoren zijn. Waar '/' staat, moet 'β/δ' staan. (Er ontbreekt een β & δ in de beschrijving van experiment (4) in de tabel, en in de zin na het einde van 6-21, deel C-3.)

  • Agonist = nabootsing van hormoon of ligand bindt aan receptor en heeft hetzelfde effect als ligand.
  • Antagonist = blokker van effect van hormoon of ligand bindt aan receptor (en voorkomt binding van normale ligand) maar activeert de receptor niet.

Probeer probleem 6-8 en 6-9 als dat nog niet het geval is. (Om agonisten en antagonisten te beoordelen.)

6. Samenvatting van effecten van epinefrine op gladde spieren (in long versus perifere circulatie)

Opmerking: er zijn meer dan twee soorten epinefrine-receptoren op gladde spiercellen, dus epinefrine kan op andere manieren de gladde spieren in andere weefsels beïnvloeden. (Er zijn subtypes van alfa en subtypes van bèta.)

* Details over hoe PLC IP3 genereert, staan ​​op hand-out 12A. We zullen dit later bespreken.


Tweede Boodschappers in de cel

Veel verschillende soorten moleculen kunnen dienen als tweede boodschappers. Het signaal, of ligand, dat aan een membraanreceptor bindt, leidt tot de productie van tweede boodschappers in de cel. Het oorspronkelijke signaal komt meestal niet de cel binnen. Het kleine molecuul "cAMP" was de eerste tweede boodschapper die moest worden geïdentificeerd. Andere voorbeelden van second messengers zijn NO, IP3 en DAG. Onderstaande figuur toont een voorbeeld van de productie van second messengers.

De figuur toont een systeem waarbij het signaal ervoor zorgt dat een G-eiwit actief wordt en het membraanenzym fosfolipase C stimuleert. Dit enzym degradeert het celmembraan fosfatidyl inositol waarbij IP3 (inositoltrifosfaat) vrijkomt en diacylglycerol (glycerol met twee vetzuren, DAG) achterblijft. . Beide zijn second messengers, waarbij IP3 ervoor zorgt dat het endoplasmatisch reticulum Ca++ afgeeft (ook een second messenger). De DAG activeert proteïnekinase C, een kinase die voor activiteit afhankelijk is van Ca++. Merk op dat beide tweede boodschappers een rol spelen bij de activering van proteïnekinase C. De reactie van de cel zal afhangen van welke doelwitten voor proteïnekinase C beschikbaar zijn


De rol van mRNA bij eiwitsynthese

  1. Via een proces dat bekend staat als transcriptie, wordt een RNA-kopie gemaakt van een DNA-sequentie voor het maken van een bepaald eiwit.
  2. Deze kopie - mRNA - reist van de kern van de cel naar het deel van de cel dat bekend staat als het cytoplasma, dat ribosomen huisvest. Ribosomen zijn complexe machines in de cellen die verantwoordelijk zijn voor het maken van eiwitten.
  3. Vervolgens, via een ander proces dat translatie wordt genoemd, 'lezen' ribosomen het mRNA en volgen de instructies, waardoor het eiwit stap voor stap wordt gemaakt.
  4. De cel brengt vervolgens het eiwit tot expressie en het vervult op zijn beurt zijn aangewezen functie in de cel of het lichaam.

Ontvang het nieuwste ViennaRNA-pakket

Compileren van broncode

Installeren vanaf de broncode is de aanbevolen manier om het meeste uit het ViennaRNA-pakket te halen. Voor de beste draagbaarheid gebruikt het ViennaRNA-pakket de GNU-tools autoconf , automake en libtool en kan dus op bijna elk computerplatform worden gecompileerd en geïnstalleerd. Zie de INSTALL-instructies voor details.

Voor degenen die geïnteresseerd zijn om bij te dragen aan de ontwikkeling van het ViennaRNA Package door patches te sturen die functionaliteiten toevoegen of bugs oplossen, bieden we toegang tot de master branch van de ViennaRNA Package repository op github.

Installeer een voorgecompileerd binair pakket

For those unable to compile the ViennaRNA Package, or who simply don't want to, we also provide precompiled binary packages for several Linux distributions and installer executables for Windows and MacOS X. To comply with the packaging standards of the corresponding Linux distributions we split the ViennaRNA Package into Core. usually the executable programs en utility scripts Development Files. de RNAlib C-library and the corresponding header files Perl Bindings. De RNA module to access RNAlib C-library functions from within Perl scripts Python Bindings. De RNA class to access RNAlib C-library functions from within Python scripts


Abstract

Achtergrond

Cyclic guanosine monophosphate ( cGMP ) is a second messenger regulated through natriuretic peptide and nitric oxide pathways. Stimulation of cGMP signaling is a potential therapeutic strategy for heart failure with preserved ejection fraction ( HF p EF ) and atherosclerotic cardiovascular disease ( ASCVD ). We hypothesized that plasma cGMP levels would be associated with lower risk for incident HF p EF , any HF , ASCVD , and coronary heart disease (CHD).

Methods and Results

We conducted a case–cohort analysis nested in the ARIC (Atherosclerosis Risk in Communities) study. Plasma cGMP was measured in 875 participants at visit 4 (1996–1998), with oversampling of incident HF p EF cases. We used Cox proportional hazard models to assess associations of cGMP with incident HF p EF , HF , ASCVD ( CHD +stroke), and CHD . The mean ( SD ) age was 62.4 (5.6) years and median (interquartile interval) cGMP was 3.4 pmol/ mL (2.4–4.6). During a median follow‐up of 9.9 years, there were 283 incident cases of HF p EF , 329 any HF , 151 ASCVD , and 125 CHD . In models adjusted for CVD risk factors, the hazard ratios (95% CI ) associated with the highest cGMP tertile compared with lowest for HF p EF , HF , ASCVD , and CHD were 1.88 (1.17–3.02), 2.18 (1.18–4.06), 2.84 (1.44–5.60), and 2.43 (1.19–5.00), respectively. In models further adjusted for N‐terminal‐proB‐type natriuretic peptide, associations were attenuated for HF p EF and HF but remained statistically significant for ASCVD (2.56 [1.26–5.20]) and CHD (2.25 [1.07–4.71]).

Conclusies

Contrary to our hypothesis, higher cGMP levels were associated with incident CVD in a community‐based cohort. The associations of cGMP with HF or HF p EF may be explained by N‐terminal‐proB‐type natriuretic peptide, but not for ASCVD and CHD.

Clinical Perspective

What Is New?

In a community‐based cohort of men and women, plasma cyclic guanosine monophosphate levels are associated with increased risk of incident heart failure with preserved ejection fraction and other cardiovascular diseases.

The associations of cyclic guanosine monophosphate with heart failure outcomes may be explained by N‐terminal‐proB‐type natriuretic peptide, but associations with other cardiovascular diseases may follow different pathways.

What Are the Clinical Implications?

Plasma cyclic guanosine monophosphate levels reflect upstream N‐terminal‐proB‐type natriuretic peptide signaling.

Abnormalities in the natriuretic peptide‐cGMP signaling pathway precede the development of heart failure with preserved ejection fraction and other cardiovascular end points these may potentially be targets for therapeutic interventions.

Invoering

Although progress in clinical management of heart failure (HF) has resulted in decreased mortality, the prognosis of HF with preserved ejection fraction (HFpEF) remains largely the same. 1 HFpEF accounts for 50% of all HF cases, and it is projected to outgrow HF with reduced ejection fraction (HFrEF) over the next decade. 2 , 3 Therefore, factors that influence the pathogenesis of HFpEF may identify potential pharmacotherapy targets and have a direct impact in the prevention or treatment of HFpEF.

Cyclic guanosine monophosphate (cGMP) is an intracellular second messenger generated by guanylyl cyclases linked to either nitric oxide (NO) 4 or natriuretic peptide (NP) 5 signaling. It primarily signals by binding to and activating protein kinase G, and by interactions with other phosphodiesterases that can regulate the companion second messenger cyclic adenosine monophosphate. These effectors in turn contribute to a broad range of cardiovascular effects, including reducing vascular motor tone, antifibrotic and antihypertrophic signaling, 6 and increases in protein quality control. 7 , 8 Alterations in the cGMP signaling cascade have been implicated in several cardiovascular disorders, and new pharmacological approaches to stimulate cGMP synthesis are being evaluated as potential therapeutic agents for HFrEF, 9 , 10 HFpEF, 11 and other cardiovascular diseases (CVD). 12

Population‐based studies on cGMP are largely limited to cross‐sectional evaluations of the association between plasma cGMP and CVD risk factors in small samples. 13 , 14 , 15 , 16 , 17 To our knowledge, the association of plasma cGMP levels with the risk of developing incident CVD events has not been assessed in prospective studies. Using a case–cohort design, we measured plasma cGMP in a subset of women and men in the ARIC (Atherosclerosis Risk in Communities) study to evaluate the association between cGMP levels and CVD end points. Our primary hypothesis was that cGMP levels would be inversely associated with the risk of incident HFpEF. Our secondary hypothesis was that cGMP levels would also be inversely associated with the incidence of atherosclerotic cardiovascular disease (ASCVD), coronary heart disease (CHD), and any HF outcomes. We also assessed whether these associations differed by sex and race, and whether they were independent of NT‐proBNP (N‐terminal pro B‐type natriuretic peptide), an upstream factor regulating NP‐cGMP signaling.

Methoden:

Data Availability Statement

The ARIC cohort participates in the National Heart, Lung, and Blood Institute's Biologic Specimen and Data Repository (BioLINCC). The ARIC data are available upon request through BioLINCC (https://biolincc.nhlbi.nih.gov/studies/aric/).

Case–Cohort Design

The ARIC Study is an ongoing, prospective, predominantly biracial, community‐based study investigating risk factors for CVD. 18 Women and men 45 to 64 years of age were sampled in 1987–1989 from 4 US communities: Forsyth County, NC Jackson, MS Minneapolis suburbs, MN and Washington County, MD. Follow‐up visits were conducted in 1990–1992 (Visit 2), 1993–1995 (Visit 3), 1996–1998 (Visit 4), 2011–2013 (Visit 5), and 2016–2017 (Visit 6). The ARIC study has been approved by institutional review boards at all centers, and written informed consent was provided by all participants.

Among 9706 participants attending Visit 4 and free of HF at that visit, we conducted a case–cohort analysis based on 332 cases who developed HFpEF between January 1, 2005 (the date of onset for HFpEF adjudication in ARIC) and December 31, 2013 (the administrative censoring date by the time of case selection), as well as a random sample of 700 participants attending Visit 4 and free of HF at that visit (selected using a simple random sampling approach 25 participants in the random cohort sample were also included in the group of incident HFpEF cases). Visit 4 served as the baseline for this analysis. We then excluded participants with depleted plasma sample (n=19), unmeasurable plasma cGMP levels (n=13), participants with self‐reported race other than black or white (n=2), blacks from the Minneapolis and Washington County centers (n=6), and participants with prevalent CVD at Visit 4 (n=92).

The final study sample comprised 875 participants (Figure 1), including 283 participants who developed incident HFpEF, 329 participants who developed any HF, 151 participants who developed incident ASCVD, 125 participants who developed CHD, and 617 participants in the random cohort sample. Of note, association of cGMP with HFrEF was not examined because of few incident HFrEF cases (n=32). The reason for the greater number of HFpEF cases compared with HFrEF is that our study design specifically selected for HFpEF as our case status in this case–cohort design, given our a priori interest in understanding mechanisms for HFpEF development.

Figuur 1. Flowchart of study participants. ASCVD indicates atherosclerotic cardiovascular disease cGMP, cyclic guanosine monophosphate CHD, coronary heart disease CVD, cardiovascular disease HFpEF, heart failure with preserved ejection fraction.

Measurement of cGMP

Plasma cGMP was determined from samples collected at visit 4 (1996–1998) and stored at −80°C until cGMP measurement was performed in 2017. cGMP concentrations were assessed at the Atherosclerosis Clinical Research Laboratory at Baylor College of Medicine using a competitive ELISA assay (Cayman Chemical Company, MI), with the addition of an optional acetylation procedure per manufacturer protocol. Intra‐ and interassay coefficients of variation were 4.2% and 13.5%, respectively.

Outcome Assessment

The primary outcome of this study is HFpEF. The secondary outcomes are any HF, ASCVD, and CHD. Participants were followed for CVD‐related events from visit 4 (1996–1998) through December 31, 2016 (the administrative censoring date by the time of data analysis). Incident ASCVD and HF events were identified through annual follow‐up telephone interviews, local hospital discharge lists, and death records from the National Death Index. 19 Information on all hospitalizations was extracted by trained staff and validated by physician reviewers.

HF was defined as the first HF hospitalization (International Classification of Diseases, Ninth Revision [ICD‐9] code 428) or death related to HF (ICD‐9 code 428 or ICD‐10 code I‐50). 20 HF types were classified based on left ventricular ejection fraction results from inpatient or pre‐admission tests. HFpEF was defined as a normal or mildly decreased systolic function (left ventricular ejection fraction ≥50%) within 2 years of reviewer assessment. 21 The median (interquartile range) difference of the EF and HF admission date was 1 (0–2) days.

CHD was defined as definite or probable myocardial infarction, definite fatal CHD, or cardiac procedure (percutaneous coronary interventions, bypass surgery, or coronary revascularization). ASCVD was defined as CHD or ischemic stroke (definite or probable embolic or thrombotic brain infarction).

All ASCVD and HF events were adjudicated by a physician panel using standardized criteria through review of death certificates, hospital discharge summaries, physician notes, and clinical, laboratory, and/or imaging data. While ASCVD, CHD, and any HF events have been ascertained since the ARIC baseline visit, the adjudication for the HF subtypes of HFpEF and HFrEF only became available for HF cases occurring after January 1, 2005.

Risk Factor Assessment

CVD risk factors were collected at baseline and at each follow‐up visit. Sports physical activities were assessed via a modified Baecke questionnaire at visit 3. 22 Weight and height were measured in light clothing. Sitting blood pressure measurements were taken 3 times after 5 minutes of rest during each visit using a random‐zero sphygmomanometer. Blood pressure measurements at visit 4 were calculated as average of the first and second measurements (second and third measurements in previous visits). 23 Diabetes mellitus was defined by self‐report of a physician diagnosis, a fasting blood glucose level ≥126 mg/dL, a nonfasting blood glucose level ≥200 mg/dL, or use of hypoglycemic medications. Total cholesterol, high‐density lipoprotein cholesterol, and triglyceride levels were measured using standardized enzymatic methods. Estimated glomerular filtration rate (eGFR) was calculated using the Chronic Kidney Disease Epidemiology Collaboration equation based on serum creatinine. 24 Plasma NT‐proBNP was measured using an electrochemiluminescent immunoassay on an automated Cobas e411 analyzer (Roche Diagnostics). 25

Statistische analyse

The study end points were the development of incident HFpEF, HF, ASCVD, and CHD. Participants were followed from visit 4 until the development of a study end point, death, dropout, or until December 31, 2016 (the administrative censoring date by the time of data analysis). We used multiple imputation with chained equations to impute missing covariates (8%). Since adjudication for HFpEF cases was only available after January 1, 2005, we specified delayed entry on January 1, 2005 for all analyses (median follow‐up 9.9 years). 26

We used Cox proportional hazards regression models to estimate hazard ratios and 95% CI for the CVD outcomes associated with cGMP tertiles. The tertiles were based on the distribution of cGMP in the random cohort sample, and estimated hazard ratios comparing the second and third tertiles with the first tertile (reference category). To account for the case–cohort design, we used the method of Lin 27 to fit weighted proportional hazards models. In addition to modeling cGMP as categorical variable, we assessed associations of cGMP as a continuous variable with CVD outcomes, per a 1 SD increase in loge‐transformed cGMP levels. We also modeled loge‐transformed cGMP levels as restricted cubic splines with knots at the 5th, 50th, and 95th percentiles of its distribution in the cohort random sample.

For each outcome, we used 4 models with increasing degrees of adjustment. Model 1 adjusted for demographic factors: age, sex, and race/center groups. Model 2 further adjusted for lifestyle variables: education, physical activity, smoking, alcohol consumption, and body mass index. Model 3 further adjusted for intermediate CVD risk factors: systolic blood pressure, use of antihypertensive medications, total cholesterol, high‐density lipoprotein cholesterol, use of lipid‐lowering medication, diabetes mellitus, and estimated glomerular filtration rate. Finally, model 4 further adjusted for loge‐transformed NT‐proBNP.

We conducted subgroup analyses by sex, race, and NT‐proBNP tertile. Spearman's rank‐order correlation efficient was used to assess the correlation between cGMP and NT‐proBNP. Finally, we performed additional analyses to evaluate the association of NT‐proBNP levels with CVD outcomes adjusting for loge‐transformed cGMP. All reported P values were 2‐sided and the significance level was set at 0.05. Statistical analyses were performed using Stata version 15 (StataCorp LP, College Station, TX).

Resultaten

The average age of participants in the random cohort sample (n=617) at baseline was 62.4 years (SD 5.6), and their median cGMP was 3.3 pmol/mL (interquartile interval 2.3–4.4). Participants with higher cGMP levels were more likely to be older, black, and nondiabetic they were more likely to have lower levels of body mass index, triglycerides, estimated glomerular filtration rate, and higher levels of systolic blood pressure, high‐density lipoprotein cholesterol, and NT‐proBNP (Table 1). cGMP and NT‐proBNP were correlated with a Spearman correlation coefficient of 0.37. The baseline characteristics of participants who developed HFpEF, HF, ASCVD, and CHD over follow‐up are shown in Table S1.

Table 1. Baseline Characteristics by cGMP Tertiles Among Random Cohort Sample

BMI indicates body mass index BP, blood pressure cGMP, cyclic guanosine monophosphate eGFR, estimated glomerular filtration rate HDL, high‐density lipoprotein NT‐proBNP, N‐terminal pro B‐type natriuretic peptide.

a Values in the table are mean (SD), median (interquartile interval), or number (percentage).

b Data for physical activity are from Atherosis Risk in Communities (ARIC) visit 3.

During a median of 9.9 years of follow‐up, there were 283 incident cases of HFpEF, 329 any HF, 151 ASCVD, and 125 CHD. In models adjusted for demographics, lifestyle characteristics, and CVD risk factors, higher plasma cGMP levels were associated with a higher risk of incident CVD events (Table 2, model 3). The hazard ratios (95% CI) associated with the highest tertile of cGMP compared with lowest for HFpEF, HF, ASCVD, and CHD were 1.88 (1.17–3.02), 2.18 (1.18–4.06), 2.84 (1.44–5.60), and 2.43 (1.19–5.00), respectively. In models further adjusted for NT‐proBNP, the associations were attenuated and no longer significant for HFpEF and HF, but remained statistically significant for ASCVD and CHD (hazard ratio [95% CI] for HFpEF: 1.30 [0.79–2.14], HF: 1.68 [0.88–3.22], ASCVD: 2.56 [1.26–.20] and CHD: 2.25 [1.07–.71]) (Table 2, model 4).

Table 2. Hazard Ratios (95% CI) for Cardiovascular Outcome Associations With cGMP Levels

ASCVD indicates atherosclerotic cardiovascular disease cGMP, cyclic guanosine monophosphate HFpEF, heart failure with preserved ejection fraction IR, incident rate.

Model 1: age, sex, race/center. Model 2: model 1 + education, smoking, alcohol consumption, body mass index, physical activity. Model 3: model 2 + systolic blood pressure, hypertension medication, diabetes mellitus, total and high‐density lipoprotein cholesterol, lipid‐lowering medication, estimated glomerular filtration rate. Model 4: model 3 + log‐transformed N‐terminal pro B‐type natriuretic peptide. 1 SD of loge‐transformed cGMP levels: 0.64.

In spline regression analyses, there was generally a positive dose–response relationship between higher cGMP levels and incident CVD outcomes (Figure 2). De P values for the nonlinear spline components of cGMP for the outcomes of HFpEF, HF, ASCVD, and CHD were 0.80, 0.27, 0.90, and 0.52, respectively, indicating that the associations between cGMP with these end points were approximately linear.

Figuur 2. HR for incident cardiovascular outcomes by cGMP levels. The curves represent the adjusted hazard ratios for heart failure with preserved ejection fraction ( HF p EF ), heart failure ( HF ), atherosclerotic cardiovascular disease ( ASCVD ), and coronary heart disease ( CHD ) by log‐ cGMP levels. The dose–response association was estimated using linear cubic splines for log‐ cGMP levels in multivariable Cox regression models. The models were adjusted for age, sex, race/center, education, smoking, alcohol consumption, body mass index, physical activity, systolic blood pressure, hypertension medication, diabetes mellitus, total and high‐density lipoprotein cholesterol, lipid‐lowering medication, estimated glomerular filtration rate, and log‐transformed NT ‐pro BNP . Curves represent adjusted HRs (solid lines) and their 95% CI (dashed lines) based on restricted cubic splines for log‐ cGMP with knots at the 5th, 50th, and 95th percentiles of the distribution of cGMP in the random cohort sample. The reference values (diamond dots) were set at 10th percentile of the distribution of cGMP in the random cohort sample. The histogram represents the distribution of cGMP in the random cohort sample. ASCVD indicates atherosclerotic cardiovascular disease cGMP , cyclic guanosine monophosphate CHD , coronary heart disease HF p EF , heart failure with preserved ejection fraction HR, hazard ratio NT ‐pro BNP , N‐terminal pro B‐type natriuretic peptide.

In subgroup analysis, the associations between cGMP and CVD outcomes were consistent across NT‐pro‐BNP levels, with P values for interaction of 0.94, 0.32, 0.56, and 0.52 for HFpEF, HF, ASCVD, and CHD, respectively (Table 3). There were no significant interactions by sex and race for the associations of cGMP and CVD outcomes, although the associations appeared to be stronger in women than men (Tables S2, S3). Finally, the associations between NT‐proBNP and HFpEF/HF outcomes were slightly attenuated but remained strong after additionally adjusting for loge‐transformed cGMP (Table S4). However, the association between NT‐proBNP with ASCVD/CHD outcomes was no longer significant after adjusting for cGMP.

Table 3. Hazard Ratios (95% CI) for Cardiovascular Outcomes Associations With cGMP and NT‐proBNP Levels

ASCVD indicates atherosclerotic cardiovascular disease cGMP, cyclic guanosine monophosphate HFpEF, heart failure with preserved ejection fraction NT‐proBNP, N‐terminal pro B‐type natriuretic peptide.

1 SD of loge‐transformed cGMP levels: 0.64.

* Model adjusted for age, sex, race/center, education, smoking, alcohol consumption, body mass index, physical activity, systolic blood pressure, hypertension medication, diabetes mellitus, total and high‐density lipoprotein cholesterol, lipid‐lowering medication, and estimated glomerular filtration rate.

Discussie

In this community‐based cohort of middle‐aged to older men and women followed for 10 years, higher plasma cGMP levels were associated with an increased risk of incident HF and CVD outcomes. However, the associations for HFpEF and HF were largely explained by NT‐proBNP, an upstream messenger to cGMP in the NP signaling pathway. On the other hand, the associations of cGMP with ASCVD and CHD, while attenuated, remained strong and statistically significant after adjustment for NT‐proBNP, suggesting alternate pathways in their relationships not fully explained by the NP pathway. The associations between cGMP levels and CVD outcomes were generally consistent by sex and NT‐proBNP levels, although the associations appeared to be stronger in women than in men. Our findings contradict our initial hypothesis of an inverse association between cGMP and CVD outcomes, and suggest that the association of plasma cGMP with HF outcomes reflect the underlying association between NT‐proBNP and HF outcomes. In hindsight, this makes plausible biological sense given that circulating plasma cGMP is largely reflective of NP, and not NO, pools.

CGMP Signaling Pathways and Mechanisms of Action

BNP is a hormone released by myocardial cells as a compensatory mechanism in response to ventricular wall stretch stemming from increased ventricular blood volume. 28 BNP‐signaling binds to the particulate (membrane‐bound) guanylate cyclase complex (guanylyl cyclases‐A), which stimulates the synthesis of cGMP. cGMP in turn binds to regulatory domains in protein kinase G as well as modulates selective phosphodiesterases that control cGMP or cyclic adenosine monophosphate hydrolysis 7 . Prior Mendelian randomization studies have suggested a protective effect of the NP‐cGMP pathway, demonstrating that genetic variants associated with increased circulating BNP were found to be associated with reduced frequency of hypertension, metabolic dysfunction, and mortality. 29 , 30 However, the current study found a direct association between plasma NT‐proBNP and cGMP with CVD outcomes.

Rather than suggesting cGMP and its associated signaling are maladaptive, the new findings are likely explained by 2 factors. First, elevated plasma cGMP, like NT‐proBNP, serves as a biomarker for subclinical CVD, its elevation being a reflection of compensations that ultimately proved inadequate. Second, cGMP‐targeting phosphodiesterases could have potentially depressed cGMP levels despite higher NP‐stimulated synthesis. If so, the relation of cGMP to CVD risk would not have mirrored that of NT‐proBNP. That they do mirror one another indicates that phosphodiesterases regulatory differences are less important in predicting CVD evolution.

Another reason for the observed correlations between cGMP and NT‐proBNP is that we assessed plasma, which reflects cGMP production via the NP pathway more than the NO pathway. 31 This is because NP‐generated cGMP resides at the plasma membrane and is secreted into the extracellular space, whereas NO signaling via intracellular guanylyl cyclases‐1 generates very small compartmentalized cGMP that is not as easily detected in plasma. 32 A prior study found that infusion of the endogenous NO inhibitor, asymmetrical dimethylarginine, decreased plasma cGMP, lowered cardiac output, and increased vascular resistance. 33 However, in other studies, nitrate therapy decreased 17 or did not change plasma cGMP. 34 Similarly, in the INDIE‐HFpEF (Inorganic Nitrite Delivery to Improve Exercise Capacity in HFpEF) trial, inorganic nitrite also did not change plasma cGMP levels. 35 By contrast, studies of sacubitril/valsartan therapy in HFrEF subjects, the former being a neprilysin inhibitor that can augment NP‐dependent signaling, have consistently found associations with elevated plasma and urinary cGMP. 10 Both plasma and urinary cGMP are derived from the NP pathway, but they are not correlated. 36 Plasma cGMP is only partially eliminated through renal clearance, whereas urinary cGMP is primarily generated by renal cells. 31

Population‐Based Studies

Based on preclinical and small clinical studies, stimulation of the cGMP pathway appeared to be a promising potential therapeutic strategy for the treatment of HFpEF. 37 Nevertheless, more understanding is needed regarding the utility of measuring plasma cGMP levels as a prognostic marker of incident disease. However, few prior population studies have evaluated the association between cGMP with incident CVD risk. A case–control study showed that plasma cGMP levels were higher in 18 HF patients compared with 15 controls. 17 Similarly, plasma and urinary cGMP levels were significantly higher in 50 congestive HF patients than in 70 randomly selected healthy participants. 36 In another study of 84 asymptomatic men, plasma cGMP was positively associated with carotid intima‐media thickness and diameter, but was not associated with atherosclerotic plaques. 16 These studies were limited by cross‐sectional or retrospective designs, small sample sizes, poor adjustment for covariates, and the use of highly selected samples. Importantly, our study newly adds to the literature by now presenting associations of plasma cGMP with various incident CVD outcomes in a community‐based cohort free of HF and CVD at baseline, and our prospective findings of cGMP being associated with incident CVD events are consistent with prior cross‐sectional studies.

Biomarker Paradox

In the PARADIGM‐HF (Prospective Comparison of ARNI [Angiotensin Receptor‐Neprilysin Inhibitor] with ACEI [Angiotensin‐Converting‐Enzyme Inhibitor] to Determine Impact on Global Mortality and Morbidity in Heart Failure) trial, both urinary cGMP and plasma BNP levels were higher with sacubitril/valsartan treatment than with enalapril, but NT‐proBNP levels were lower. Since BNP is a substrate for neprilysin, the higher BNP levels likely reflect the effect of the neprilysin inhibitor sacubitril while the lower concentrations of NT‐proBNP on drug treatment likely reflect the favorable effects on reducing myocardial stress. 10 This paradox highlights the complexity of interpreting these biomarkers in serum/plasma, where despite the cardioprotective effects of natriuretic peptides, plasma levels of NT‐proBNP are elevated in pathological states.

We had hypothesized that cGMP would be inversely associated with CVD outcomes, but found the opposite instead. The NP pathway is a major upstream regulator of plasma cGMP, 31 and our findings here in the ARIC study, as well as in a cross‐sectional analysis from the MESA study (Multi‐Ethnic Study of Atherosclerosis), 38 indicate that plasma cGMP levels directly track with plasma NT‐proBNP levels. Our results suggest that abnormalities in the NP‐cGMP signaling pathway may precede HFpEF and other CVDs. These changes may be amenable to therapeutic interventions. However, in our study, the associations between cGMP and CVD outcomes did not differ across NT‐proBNP levels, suggesting that the cardiovascular effects of cGMP did not depend on the bioavailability of NT‐proBNP. A limitation of our study was the lack of information on other natriuretic peptides including BNP and atrial natriuretic peptide, as well as the lack of information on NO‐dependent cGMP, and we were not able to tease out the associations of plasma cGMP derived from other signaling pathways.

Race and Sex Differences

We could not detect differences in the association of cGMP levels with CVD end points by sex and race. However, because of limited power, the effect modifications by sex and race require evaluation in other studies. Plasma cGMP levels in our random cohort sample were slightly lower in whites than in blacks (median 3.1 versus 3.7 pmol/mL, p=0.03), whereas previous studies demonstrate that plasma NT‐proBNP levels were higher in whites than in blacks in ARIC and in other cohorts, 39 , 40 and genetic European ancestry was associated with higher NT‐proBNP levels compared with African ancestry. 40 , 41 The associations of NT‐proBNP with all‐cause and cardiovascular mortality were similar by race in the REGARDS (Reasons for Geographic and Racial Differences in Stroke) study, 39 but there may be racial differences in NP‐mediated cGMP production and its association with CVD outcomes. Additionally, women have both higher cGMP levels and NT‐proBNP levels when compared with men, 42 and the prevalence of HFpEF is higher in women versus men. 43 The racial and sex differences in cGMP signaling physiology and their implications for prognosis and treatment of CVD need to be further examined in population studies, including a more detailed evaluation of the differences in genetic variants that determine cGMP levels.

Strengths and Limitations

Our study has some additional limitations. First, we measured plasma cGMP and NT‐proBNP at only a single point in time and did not have data on longitudinal changes that may be more informative of the underlying cardiovascular changes that determine disease risk. Single measurements may have also resulted in measurement error because of within‐person variability in cGMP and NT‐proBNP levels. Second, our study was designed primarily to evaluate the association of cGMP with incident HFpEF (the case status selected for our case–cohort design), and had limited power to evaluate some CVD end points such as stroke and HFrEF, as well as to perform subgroup analyses. Third, we could only identify HF and CVD cases through hospitalization or death certificate, which might miss patients who were not hospitalized presenting with less severe cases of HF managed entirely in the outpatient setting. Nevertheless, among HF diagnosed in a community‐based outpatient setting, 74% are hospitalized within 1.7 years. 44 Finally, our study was observational in nature, and we were not able to evaluate whether inhibition or enhancement of cGMP by therapeutic interventions were associated with changes of risk for CVD outcomes.

The strengths of this study included the use of a well‐established cohort with a rigorous study protocol, high‐quality measurements of cGMP and other study variables, and detailed information on multiple potential factors, including NT‐proBNP. The 10 years of follow‐up also enabled us to estimate the long‐term associations of cGMP with incident ASCVD and HF risk.

Conclusies

In summary, our findings suggest that abnormalities in the NP‐cGMP signaling pathway precede the development of HFpEF and other CVD end points. We found that higher cGMP levels were associated with incident HFpEF and any HF, but these associations were attenuated and were no longer significant after adjusting for NT‐proBNP. Since cGMP synthesis is activated by NPs, our findings suggest that the association of plasma cGMP with HF outcomes reflects the underlying association between NT‐proBNP and HF outcomes. However, the associations of the highest tertile of cGMP levels (compared with lowest) with ASCVD and CHD outcomes remained statistically significant even after adjusting for NT‐proBNP, suggesting other pathways explain the relationship that are not entirely mediated through NT‐proBNP. Repeated measurements of biomarkers in this pathway are needed to better understand the complex changes that occur before the development of clinically overt CVD. Additional studies should further explore the potential role of cGMP as a diagnostic and prognostic biomarker for HF and other CVD outcomes.

Bronnen van financiering

This work was funded by the American Heart Association Go Red for Women Strategically Focused Research Network grant 16SFRN27870000. The Atherosclerosis Risk in Communities study has been funded in whole or in part with Federal funds from the National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract nos. (HHSN268201700001I, HHSN268201700002I, HHSN268201700003I, HHSN268201700005I, and HHSN268201700004I). Drs Zhao and Michos are also funded by the Blumenthal Scholars Preventive Cardiology Fund at Johns Hopkins University.


Bekijk de video: Cellen: celdeling en kanker met uitleg (December 2021).