Las hormonas juveniles ( HJ ) son un grupo de sesquiterpenoides acíclicos que regulan muchos aspectos de la fisiología de los insectos . El primer descubrimiento de una HJ fue realizado por Vincent Wigglesworth . Las HJ regulan el desarrollo, la reproducción, la diapausa y los polifenismos . [1] [2] [3]
En los insectos , la JH (anteriormente neotenina ) se refiere a un grupo de hormonas que aseguran el crecimiento de la larva , al mismo tiempo que evitan la metamorfosis . Debido a su exoesqueleto rígido, los insectos crecen en su desarrollo desprendiéndose sucesivamente de su exoesqueleto (un proceso conocido como muda ).
Las hormonas juveniles son secretadas por un par de glándulas endocrinas ubicadas detrás del cerebro, llamadas cuerpos alados . Los cuerpos alados también son importantes para la producción de huevos en los insectos hembra.
El JH fue aislado en 1965 por Karel Sláma y Carroll Williams y la primera estructura molecular de un JH se resolvió en 1967. [4]
La mayoría de las especies de insectos contienen solo la hormona de crecimiento juvenil (JH) III. [5] Hasta la fecha, JH 0, JH I y JH II se han identificado solo en los lepidópteros (mariposas y polillas). La forma JHB 3 (bisepóxido de JH III) parece ser la JH más importante en los dípteros o moscas. [6] Se ha demostrado que ciertas especies de crustáceos producen y secretan farnesoato de metilo, que es la hormona juvenil III que carece del grupo epóxido . [7] Se cree que el farnesoato de metilo desempeña un papel similar al de la JH en los crustáceos.
Al ser un sesquiterpenoide, la estructura química de la JH difiere significativamente de la estructura de otras hormonas animales . Se han encontrado algunos análogos de la JH en coníferas . [8]
El control primario de la hormona juvenil es por 1) la estimulación de los cuerpos alados por las alatotropinas [9], péptidos cortos que se unen a los receptores acoplados a la proteína G [10] , que envían señales a las glándulas para que produzcan JH, y 2) la inhibición de la producción de JH por las alatostatinas . Estas se dividen en tres clases: alatostatina A, [11] alatostatina B [12] y alatostatina C [13] (para una revisión de estos mecanismos de control, consulte: Stay y Woodhead 1993). [14] El control secundario del título de JH encontrado en la hemolinfa del insecto en desarrollo es la inactivación metabólica de JH por la esterasa específica de JH y la epóxido hidrolasa de la hormona juvenil [15] Durante la ecdisis, la forma de la cutícula vieja que se establece antes de la siguiente muda está controlada por el nivel de JH en el insecto. JH mantiene un estado juvenil. El nivel disminuye gradualmente durante el desarrollo del insecto, lo que le permite pasar a estadios sucesivos con cada muda.
Esto se ha demostrado en varios estudios, el más destacado de los cuales fue el realizado por VB Wigglesworth en los años 1960. En este estudio, se vincularon los sistemas sanguíneos de dos Rhodnius adultos, lo que garantizaba que el título de JH en ambos fuera igual. Uno era un Rhodnius de tercer estadio y el otro de cuarto estadio. Cuando se eliminaron los cuerpos alados del insecto de tercer estadio, el nivel de JH fue igual en ambos insectos al del animal de cuarto estadio y, por lo tanto, ambos pasaron al quinto estadio en la siguiente muda. Cuando se eliminaron los cuerpos alados del Rhodnius de cuarto estadio , ambos contenían un nivel de JH de tercer estadio y, por lo tanto, uno pasó al cuarto estadio y el otro permaneció en este estadio.
En general, la eliminación de los cuerpos alados de los juveniles dará como resultado un adulto diminuto en la siguiente muda. La implantación de los cuerpos alados en los últimos estadios larvarios aumentará los niveles de JH y, por lo tanto, producirá un estadio juvenil supernumerario (extra), etc.
Existe una interacción compleja entre la JH, la hormona ecdisona y la vitelogenina . En la etapa de desarrollo, siempre que haya suficiente JH, la ecdisona promueve las mudas de larva a larva. Con cantidades menores de JH, la ecdisona promueve la pupación. La ausencia completa de JH da como resultado la formación del adulto. [16] En las abejas melíferas adultas , los títulos de JH y vitelogenina en general muestran un patrón inverso. [17] [18] [19] [20]
Los títulos de JH en las abejas obreras aumentan progresivamente durante los primeros 15 días de vida de la obrera antes del inicio de la búsqueda de alimento . [21] Durante los primeros 15 días, las obreras realizan tareas dentro de la colmena , como cuidar larvas, construir panales y limpiar celdas. Los títulos de JH alcanzan su punto máximo alrededor del día 15; las obreras de esta edad vigilan, retiran las abejas muertas de la colonia y abanican la entrada de la colonia para enfriar el nido. La agresividad de las abejas guardianas está correlacionada con sus niveles de JH en sangre. Aunque las abejas guardianas tienen altos niveles de JH, sus ovarios están relativamente poco desarrollados. [22] [23] Sin embargo, JH no activa la búsqueda de alimento. Más bien, está involucrado en controlar el ritmo al que las abejas se convierten en recolectoras. [24]
Los títulos de vitelogenina son altos al comienzo de la vida adulta y disminuyen lentamente.
Se sabe que JH está involucrado en la diferenciación de castas reina-obrera durante la etapa larvaria. [25] La relación negativa única entre JH y vitelogenina puede ser importante para la comprensión de la longevidad de la reina. [26]
En muchas especies de mariposas y polillas, la JH es necesaria para la producción y liberación de la feromona sexual por parte de las hembras. Los experimentos realizados en Mythimna unipuncta (polilla del gusano cogollero) y Agrotis ipsilon (polilla del gusano cortador negro) han demostrado que la eliminación del cuerpo allata, que secreta la JH, detiene toda liberación de feromona sexual. Además, la JH es importante para el desarrollo ovárico. [27] [28] En el gusano cortador negro, se demostró que la JH también es necesaria en los machos para la respuesta a las feromonas. [29] También se ha demostrado que la JH se transfiere del macho a la hembra de Heliothis virescens durante la cópula. [30]
Los análogos sintéticos de la hormona juvenil, los imitadores de la hormona juvenil , se utilizan como insecticidas , impidiendo que las larvas se conviertan en insectos adultos. La propia JH es cara de sintetizar y es inestable a la luz. A niveles altos de JH, las larvas aún pueden mudar, pero el resultado será solo una larva más grande, no un adulto. Por lo tanto, se interrumpe el ciclo reproductivo del insecto . Un análogo de la JH, el metopreno , está aprobado por la OMS para su uso en cisternas de agua potable para controlar las larvas de mosquitos debido a su toxicidad excepcionalmente baja (LD50 >35.000 mg/kg en la rata). [ cita requerida ]
La hormona juvenil se produce en los cuerpos alados de los insectos. La JH se dispersará por toda la hemolinfa y actuará sobre los tejidos que responden a ella. La JH se degrada principalmente por las enzimas esterasa de la hormona juvenil (JHE) o epóxido hidrolasa de la hormona juvenil (JHEH). Tanto la JHE como la JHEH conducen a la supresión de la señalización y la respuesta de la JH. Los tejidos que responden a la JH pueden producir una o ambas de estas enzimas. [ cita requerida ]
La JH estimula las glándulas accesorias de los machos adultos, promoviendo el crecimiento de las glándulas y la producción de secreción de las glándulas accesorias. La producción de yema ( vitelogénesis ) en los ovarios femeninos también es estimulada por la acción de la JH. La JH también puede regular el comportamiento reproductivo en ambos sexos. [ cita requerida ]
La actividad de la hormona juvenil es destruida por dos enzimas. La esterasa JH escinde el éster metílico y produce ácido JH. El ácido JH es unido por la hidrolasa epóxido JH, que convierte el grupo epóxido en un diol. El orden de escisión depende del orden del insecto. En los lepidópteros, el orden es el que se indica aquí; la escisión del éster precede a la hidratación del epóxido. Cualquiera de las dos termina la actividad de la hormona. El ácido diol JH, el producto de ambas enzimas, es activado por la cinasa diol JH para aumentar la solubilidad para la excreción. [ cita requerida ]
La biosíntesis de JH es similar a la del colesterol en los animales. [ cita requerida ] Existen diferencias considerables entre la biosíntesis de los homoisoprenoides JH que se encuentran casi exclusivamente en los lepidópteros, en comparación con los isoprenoides JH III, bisepóxido JH III y farnesoato de metilo que se encuentran en otros insectos. [ cita requerida ]
La biosíntesis del colesterol ha sido estudiada exhaustivamente en animales. Todos los pasos ocurren en el citosol. El material de partida es el citrato, que es exportado por la mitocondria cuando los combustibles metabólicos son altos. Se convierte en acetil-CoA, ADP, CO 2 y oxaloacetato por la ATP-citrato liasa, junto con ATP y CoASH como sustratos. Tres acetil-CoAs son convertidos en HMG-CoA por las isoformas citosólicas de tiolasa y 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA sintasa. La HMG-CoA es luego reducida por NADPH a mevalonato por la HMG-CoA reductasa, la enzima que controla la velocidad de la biosíntesis del colesterol. Esta enzima tiene 8 dominios helicoidales que la anclan en la membrana de Golgi del RE; [31] el dominio catalítico está en el citosol. Las estatinas , una clase de fármacos basados en un metabolito de moho que, al menos en un momento, fueron la clase de fármacos más vendida en el mundo, lo inhiben fuertemente. El mevalonato es eliminado por una serie de 3 quinasas para dar el altamente lábil 1,2-difosfomevalonato-3-fosfato, que es activado por una liasa para dar fosfato, CO2 y difosfato de isopentenilo . La isopentenil difosfato isomerasa convierte este último en el menos estable difosfato de dimetilalilo . La farnesil difosfato sintasa toma una DMAPP y dos IPP para dar el metabolito C15 farnesil difosfato . Hay una gran cantidad de pasos adicionales para generar colesterol a partir de IPP, el precursor ubicuo de todos los isoprenoides. [ cita requerida ]
Parece que la biosíntesis de JH III es idéntica a la del colesterol, desde la producción de IPP hasta FPP, aunque no parece haber estudios sobre la exportación de citrato u otros metabolitos desde la mitocondria al citosol , o la formación de acetil-CoA . Las enzimas de esta vía se estudiaron por primera vez en Manduca sexta , que produce JH tanto homoisoprenoides como isoprenoides (JHIII). [32]
Muy pronto se demostró que el propionato se incorporaba de manera muy eficiente en JH II y JH I en extractos libres de células de los cuerpos allata de M. sexta . [33] [34] El mevalonato y el acetato también se incorporan en JH I, II, JH III de M. sexta , aunque de manera mucho menos eficiente que el propionato. [34] Jennings et al. demostraron que el homomevalonato se incorpora en JH II en M. sexta . [35] Baker identificó 3-hidroxi-3-etilglutarato y 3-hidroxi-3-metilglutarato de la misma fuente de enzima incubada con acetil y propionil-CoA . [36] Lee et al. demostraron que la misma fuente de enzimas produce eficientemente tanto mevalonato como su homólogo 3-etil, el homomevalonato. [37] Bergot demostró que el mevalonato y el homomevalonato producidos por estas enzimas tienen la misma configuración de isómero óptico 3S que las enzimas de vertebrados. [38] Baker demostró que el difosfato de isopentenilo y su homólogo, el difosfato de 3-etil-butenilo (difosfato de homoisopentenilo), se metabolizan a sus correspondientes difosfatos alílicos, DMAPP y homoDMAPP (difosfato de 3-etil-3-metilalilo). Este último es necesario para la biosíntesis de JH I, JH II y 4-metil-JH I. Se requieren 2 unidades de homoDMAPP para la biosíntesis de JH I y 4-metil-JH I, y una para la biosíntesis de JH II. [39]
Todas las partes del esqueleto carbonado provienen del IPP. Luego, una enzima prenil transferasa/farnesil difosfato sintasa se une al IPP, le quita el difosfato para dar un carbocatión alílico y lo agrega a un IPP para dar difosfato de geranilo (C 10 ). Luego hace lo mismo con el difosfato de geranilo, dando difosfato de farnesilo (C 15 ). Esta reacción parece ser la única reacción enzimática conocida que implica el acoplamiento de dos moléculas con un carbocatión. El par de electrones libres se suma al doble enlace del IPP, también isomerizando el IPP de modo que el producto es un difosfato alílico. Por lo tanto, esta parte de la vía de los isoprenoides parece casi idéntica a la del colesterol, con la excepción de las unidades homoisoprenoides específicas de los insectos. La farnesol deshidrogenasa dependiente de NAD+, una enzima de los cuerpos alados involucrada en la síntesis de la hormona juvenil, demostró que la misma fuente de enzimas produce eficientemente tanto mevalonato como su homólogo 3-etilo, el homomevalonato. [40]
Configuración absoluta de homomevalonato y coenzima a 3-hidroxi-3-etilglutaril y 3-hidroxi-3-metilglutaril, producida por extractos libres de células de cuerpos alados de insectos. Una nota de advertencia sobre la predicción de la estereoquímica absoluta basada en el orden de elución cromatográfica líquida de los derivados diastereoméricos. [41] demostró que el mevalonato y el homomevalonato producidos por estas enzimas tienen la misma configuración de isómero óptico 3S que las enzimas de vertebrados. [39] demostró que el difosfato de isopentenilo y su homólogo, el difosfato de 3-etil-butenilo (difosfato de homoisopentenilo) se metabolizan a sus difosfatos alílicos correspondientes, DMAPP y homoDMAPP (difosfato de 3-etil-3-metilalilo). Este último es necesario para la biosíntesis de JH I, JH II y 4-metil JH I. Se requieren 2 unidades de homoDMAPP para la biosíntesis de JH I y 4-metil JH I, y una para la biosíntesis de JH II.
Sin embargo, en este punto estas vías divergen. Mientras que la gran mayoría del farnesil difosfato se convierte finalmente en colesterol en los animales, en los insectos aparentemente actúa sobre él una difosfatasa para dar farnesol , que a su vez es actuado por una enzima dependiente de NAD+, la farnesol/farnesal deshidrogenasa en M. sexta [40] para dar ácido farnesoico. Trabajos posteriores han demostrado que la enzima es altamente específica para alcoholes alílicos trans con al menos tres unidades de isopreno, [42] y que también está presente en mosquitos. [43]
Los siguientes pasos de la biosíntesis de JH difieren entre órdenes. En los lepidópteros y mosquitos, el ácido farnesoico o sus homólogos es epoxidado por una metil epoxidasa del ácido farnesoico dependiente de P450, y luego es metilado por una metil transferasa del ácido JH [44] . En la mayoría de los órdenes, el ácido farnesoico es metilado por la metil transferasa del ácido farnesoico y luego es epoxidado por una metil transferasa dependiente de P450. [44]
Una publicación reciente de Nouzova et al. (2015) muestra que la alatostatina C, el péptido que inhibe la producción de JH por los cuerpos alados, bloquea el transporte de citrato fuera de la mitocondria en Aedes aegypti . Este es un mecanismo de control muy lógico para la biosíntesis de JH. [45]