Hormon - Hormone

Links: Eine Hormon-Feedback-Schleife bei einer erwachsenen Frau. (1) Follikel-stimulierendes Hormon , (2) Luteinisierendes Hormon , (3) Progesteron , (4) Östrogen . Rechts: Auxintransport von Blättern zu Wurzeln bei Arabidopsis thaliana

Ein Hormon (aus dem griechischen Partizip ὁρμῶν , "in Bewegung setzen") ist jedes Mitglied einer Klasse von Signalmolekülen in mehrzelligen Organismen , die zu entfernten Organen transportiert werden, um Physiologie und Verhalten zu regulieren . Für die richtige Entwicklung von Tieren , Pflanzen und Pilzen werden Hormone benötigt . Die laxe Definition eines Hormons (als Signalmolekül, das entfernt von seinem Produktionsort wirkt) bedeutet, dass viele verschiedene Molekülklassen als Hormone definiert werden können. Zu den Substanzen, die als Hormone angesehen werden können, gehören Eicosanoide (zProstaglandine und Thromboxane ), Steroide (zB Östrogen und Brassinosteroid ), Aminosäurederivate (zB Epinephrin und Auxin ), Protein /Peptide (zB Insulin und CLE-Peptide ) und Gase (zB Ethylen und Lachgas ).

Hormone werden verwendet, um zwischen Organen und Geweben zu kommunizieren . Bei Wirbeltieren sind Hormone für die Regulierung vieler physiologischer Prozesse und Verhaltensaktivitäten wie Verdauung , Stoffwechsel , Atmung , Sinneswahrnehmung , Schlaf , Ausscheidung , Laktation , Stressinduktion , Wachstum und Entwicklung , Bewegung , Fortpflanzung und Stimmungsmanipulation verantwortlich . In Pflanzen modulieren Hormone fast alle Aspekte der Entwicklung, von der Keimung bis zur Seneszenz .

Hormone beeinflussen entfernte Zellen, indem sie an spezifische Rezeptorproteine in der Zielzelle binden, was zu einer Veränderung der Zellfunktion führt. Wenn ein Hormon bindet an den Rezeptor, so führt dies in der Aktivierung eines Signalübertragungsweges, der typischerweise Gen aktiviert die Transkription , einer erhöhten resultierenden Expression von Zielproteinen. Hormone können auch in schnellen, nicht genomischen Signalwegen wirken, die mit genomischen Wirkungen synergistisch sein können . Wasserlösliche Hormone (wie Peptide und Amine) wirken im Allgemeinen über sekundäre Botenstoffe auf die Oberfläche der Zielzellen . Lipidlösliche Hormone (wie Steroide) passieren im Allgemeinen die Plasmamembranen von Zielzellen (sowohl zytoplasmatisch als auch nukleär ), um in ihren Kernen zu wirken . Eine bemerkenswerte Ausnahme sind Brassinosteroide in Pflanzen, die, obwohl sie fettlöslich sind, immer noch an ihren Rezeptor an der Zelloberfläche binden.

Bei Wirbeltieren sind endokrine Drüsen spezialisierte Organe, die Hormone in das endokrine Signalsystem absondern . Die Hormonsekretion erfolgt als Reaktion auf spezifische biochemische Signale und unterliegt oft einer negativen Rückkopplungsregulation . Beispielsweise fördert ein hoher Blutzucker (Serumglukosekonzentration) die Insulinsynthese . Insulin wirkt dann, um den Glukosespiegel zu senken und die Homöostase aufrechtzuerhalten , was zu einem verringerten Insulinspiegel führt. Bei der Sekretion werden wasserlösliche Hormone leicht durch das Kreislaufsystem transportiert. Lipidlösliche Hormone müssen an Trägerplasma-Glykoproteine (zB Thyroxin-bindendes Globulin (TBG)) binden , um Ligand- Protein-Komplexe zu bilden . Einige Hormone sind vollständig aktiv, wenn sie in den Blutkreislauf abgegeben werden (wie es bei Insulin und Wachstumshormonen der Fall ist), während andere Prohormone sind, die in bestimmten Zellen durch eine Reihe von Aktivierungsschritten aktiviert werden müssen, die üblicherweise stark reguliert werden. Das endokrine System sondert Hormone direkt in den Blutkreislauf ab , typischerweise über gefensterte Kapillaren , während das exokrine System seine Hormone indirekt über Kanäle absondert . Hormone mit parakriner Funktion diffundieren durch die Zwischenräume zu nahegelegenem Zielgewebe.

Pflanzen fehlen spezialisierte Organe für die Hormonsekretion, obwohl die Hormonproduktion räumlich verteilt ist. Das Hormon Auxin wird beispielsweise hauptsächlich an den Spitzen junger Blätter und im Sprossspitzenmeristem gebildet . Das Fehlen spezialisierter Drüsen bedeutet, dass sich der Hauptort der Hormonproduktion im Laufe des Lebens einer Pflanze ändern kann und der Produktionsort vom Alter und der Umgebung der Pflanze abhängt.

Vorstellung und Überblick

Die hormonelle Signalübertragung umfasst die folgenden Schritte:

1. Biosynthese eines bestimmten Hormons in einem bestimmten Gewebe
2. Speicherung und Ausschüttung des Hormons
3. Transport des Hormons zu der/den Zielzelle(n)
4. Erkennung des Hormons durch einen zugehörigen Zellmembran oder intrazellulärer Rezeptor - Protein
5. Weiterleitung und Verstärkung des empfangenen Hormonsignals über einen Signaltransduktionsprozess : Dies führt dann zu einer zellulären Antwort. Die Reaktion der Zielzellen kann dann von den ursprünglichen hormonproduzierenden Zellen erkannt werden, was zu einer Herunterregulierung der Hormonproduktion führt. Dies ist ein Beispiel für eine homöostatische negative Rückkopplungsschleife .
6. Abbau des Hormons.

Hormonproduzierende Zellen sind typischerweise von einem spezialisierten Zelltyp und befinden sich in einer bestimmten endokrinen Drüse , wie der Schilddrüse , den Eierstöcken und den Hoden . Hormone verlassen ihre Ursprungszelle über Exozytose oder einen anderen Membrantransport . Das hierarchische Modell ist eine starke Vereinfachung des hormonellen Signalprozesses. Zelluläre Empfänger eines bestimmten hormonellen Signals können einer von mehreren Zelltypen sein, die sich in einer Reihe von verschiedenen Geweben befinden, wie dies bei Insulin der Fall ist , das eine Vielzahl von systemischen physiologischen Wirkungen auslöst. Unterschiedliche Gewebetypen können auch unterschiedlich auf dasselbe hormonelle Signal reagieren.

Entdeckung

Arnold Adolph Berthold (1849)

Arnold Adolph Berthold war ein deutscher Physiologe und Zoologe , der 1849 eine Frage zur Funktion der Hoden hatte . Er bemerkte bei kastrierten Hähnen, dass sie nicht das gleiche Sexualverhalten hatten wie Hähne mit intakten Hoden. Er beschloss, ein Experiment an männlichen Hähnen durchzuführen, um dieses Phänomen zu untersuchen. Er hielt eine Gruppe von Hähnen mit intakten Hoden und stellte fest, dass sie normal große Kehllappen und Kämme (sekundäre Geschlechtsorgane ), eine normale Krähe und normales sexuelles und aggressives Verhalten hatten. Er ließ auch einer Gruppe die Hoden chirurgisch entfernen und bemerkte, dass ihre sekundären Geschlechtsorgane verkleinert waren, eine schwache Krähe hatten, keine sexuelle Anziehungskraft auf Frauen hatten und nicht aggressiv waren. Er erkannte, dass dieses Organ für diese Verhaltensweisen unerlässlich war, aber er wusste nicht wie. Um dies weiter zu testen, entfernte er einen Hoden und legte ihn in die Bauchhöhle. Die Hähne handelten und hatten eine normale körperliche Anatomie . Er konnte sehen, dass die Lage der Hoden keine Rolle spielt. Dann wollte er sehen, ob es ein genetischer Faktor war, der an den Hoden beteiligt war, der diese Funktionen bereitstellte. Er verpflanzte einen Hoden von einem anderen Hahn auf einen Hahn, bei dem ein Hoden entfernt wurde, und stellte fest, dass sie auch ein normales Verhalten und eine normale körperliche Anatomie hatten. Berthold stellte fest, dass die Lage oder genetische Faktoren der Hoden in Bezug auf Sexualorgane und Verhaltensweisen keine Rolle spielen, sondern dass eine Chemikalie in den Hoden, die ausgeschieden wird, dieses Phänomen verursacht. Später stellte sich heraus, dass dieser Faktor das Hormon Testosteron war .

Charles und Francis Darwin (1880)

Obwohl Charles Darwin vor allem für seine Arbeiten zur Evolutionstheorie bekannt war , interessierte er sich auch stark für Pflanzen. In den 1870er Jahren untersuchten er und sein Sohn Francis die Bewegung von Pflanzen in Richtung Licht. Sie konnten zeigen, dass Licht an der Spitze eines jungen Stängels (der Koleoptile ) wahrgenommen wird , während die Biegung weiter unten am Stängel erfolgt. Sie schlugen vor, dass eine „durchlässige Substanz“ die Lichtrichtung von der Spitze bis zum Stiel mitteilt. Die Idee einer „übertragbaren Substanz“ wurde von anderen Pflanzenbiologen zunächst abgelehnt, aber ihre Arbeit führte später zur Entdeckung des ersten Pflanzenhormons. In den 1920er Jahren zeigten der niederländische Wissenschaftler Frits Warmolt Went und der russische Wissenschaftler Nikolai Cholodny (unabhängig voneinander) schlüssig, dass die asymmetrische Akkumulation eines Wachstumshormons für diese Biegung verantwortlich ist. 1933 wurde dieses Hormon schließlich von Kögl, Haagen-Smit und Erxleben isoliert und „ Auxin “ getauft .

Bayliss und Starling (1902)

William Bayliss und Ernest Starling , ein Physiologe bzw. Biologe , wollten herausfinden, ob das Nervensystem einen Einfluss auf das Verdauungssystem hat . Sie wussten, dass die Bauchspeicheldrüse an der Sekretion von Verdauungsflüssigkeiten nach der Passage der Nahrung vom Magen in den Darm beteiligt war , was ihrer Meinung nach auf das Nervensystem zurückzuführen war. Sie durchtrennten im Tiermodell die Nerven zur Bauchspeicheldrüse und fanden heraus, dass es nicht Nervenimpulse waren, die die Sekretion der Bauchspeicheldrüse steuerten. Es wurde festgestellt, dass ein Faktor, der vom Darm in den Blutkreislauf sezerniert wird, die Bauchspeicheldrüse zur Sekretion von Verdauungsflüssigkeiten stimuliert. Dieser Faktor wurde Sekretin genannt : ein Hormon, obwohl der Begriff Hormon erst 1905 von Starling geprägt wurde.

Signalisierungsarten

Hormonelle Wirkungen hängen davon ab, wo sie freigesetzt werden, da sie auf unterschiedliche Weise freigesetzt werden können. Nicht alle Hormone werden von einer Zelle ins Blut freigesetzt, bis sie an einen Rezeptor auf einem Zielmolekül bindet. Die wichtigsten Arten der Hormonsignalisierung sind:

Chemische Klassen

Da Hormone funktionell und nicht strukturell definiert sind, können sie unterschiedliche chemische Strukturen aufweisen. Hormone kommen in vielzelligen Organismen vor ( Pflanzen , Tiere , Pilze , Braunalgen und Rotalgen ). Diese Verbindungen kommen auch in einzelligen Organismen vor und können als Signalmoleküle fungieren , jedoch besteht keine Einigkeit darüber, dass diese Moleküle als Hormone bezeichnet werden können.

Wirbeltiere

Im menschlichen Körper werden verschiedene Arten von Hormonen mit unterschiedlichen biologischen Rollen und Funktionen ausgeschüttet.

Wirbellosen

Im Vergleich zu Wirbeltieren besitzen Insekten und Krebstiere eine Reihe strukturell ungewöhnlicher Hormone wie das Juvenilhormon , ein Sesquiterpenoid .

Pflanzen

Beispiele umfassen Abscisinsäure , Auxin , Cytokinin , Ethylen und Gibberellin .

Rezeptoren

Das linke Diagramm zeigt ein Steroid (Lipid)-Hormon (1), das in eine Zelle eindringt und (2) an ein Rezeptorprotein im Zellkern bindet, was (3) die mRNA-Synthese verursacht, die den ersten Schritt der Proteinsynthese darstellt. Die rechte Seite zeigt Proteinhormone (1), die an Rezeptoren binden, die (2) einen Transduktionsweg einleiten. Der Transduktionsweg endet (3), indem im Zellkern Transkriptionsfaktoren aktiviert werden und die Proteinsynthese beginnt. In beiden Diagrammen ist a das Hormon, b die Zellmembran, c das Zytoplasma und d der Zellkern.

Die meisten Hormone lösen eine zelluläre Reaktion aus, indem sie anfänglich entweder an Zellmembran-assoziierte oder intrazelluläre Rezeptoren binden . Eine Zelle kann mehrere verschiedene Rezeptortypen aufweisen, die dasselbe Hormon erkennen, aber verschiedene Signalübertragungswege aktivieren, oder eine Zelle kann mehrere verschiedene Rezeptoren aufweisen, die verschiedene Hormone erkennen und denselben biochemischen Weg aktivieren.

Rezeptoren für die meisten Peptide sowie viele Eicosanoid- Hormone sind in die Plasmamembran an der Oberfläche der Zelle eingebettet und die Mehrheit dieser Rezeptoren gehört zur Klasse der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) von sieben Alpha-Helix- Transmembranproteinen . Die Interaktion von Hormon und Rezeptor löst typischerweise eine Kaskade von Sekundäreffekten innerhalb des Zytoplasmas der Zelle aus, die als Signaltransduktion bezeichnet werden und häufig mit Phosphorylierung oder Dephosphorylierung verschiedener anderer zytoplasmatischer Proteine, Veränderungen der Ionenkanalpermeabilität oder erhöhten Konzentrationen intrazellulärer Moleküle einhergehen, die möglicherweise fungieren als sekundäre Botenstoffe (zB zyklisches AMP ). Einige Proteinhormone interagieren auch mit intrazellulären Rezeptoren, die sich im Zytoplasma oder im Zellkern befinden, durch einen intrakrinen Mechanismus.

Bei Steroid- oder Schilddrüsenhormonen befinden sich ihre Rezeptoren innerhalb der Zelle im Zytoplasma der Zielzelle. Diese Rezeptoren gehören zur nuklearen Rezeptorfamilie der ligandenaktivierten Transkriptionsfaktoren . Um ihre Rezeptoren zu binden, müssen diese Hormone zuerst die Zellmembran passieren. Sie können dies tun, weil sie fettlöslich sind. Der kombinierte Hormon-Rezeptor- Komplex wandert dann über die Kernmembran in den Zellkern, wo er an spezifische DNA-Sequenzen bindet , die Expression bestimmter Gene reguliert und dadurch die Menge der von diesen Genen kodierten Proteine ​​erhöht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich nicht alle Steroidrezeptoren innerhalb der Zelle befinden. Einige sind mit der Plasmamembran verbunden .

Auswirkungen beim Menschen

Hormone haben folgende Auswirkungen auf den Körper:

• Stimulation oder Hemmung des Wachstums
• Wach-Schlaf-Zyklus und andere zirkadiane Rhythmen
• Stimmungsschwankungen
• Induktion oder Suppression von Apoptose (programmierter Zelltod)
• Aktivierung oder Hemmung des Immunsystems
• Regulierung des Stoffwechsels
• Vorbereitung des Körpers auf Paarung , Kampf , Flucht und andere Aktivitäten
• Vorbereitung des Körpers auf einen neuen Lebensabschnitt wie Pubertät , Elternschaft und Wechseljahre
• Kontrolle des Fortpflanzungszyklus
• Heißhunger

Ein Hormon kann auch die Produktion und Freisetzung anderer Hormone regulieren. Hormonsignale steuern die innere Umgebung des Körpers durch Homöostase .

Verordnung

Die Geschwindigkeit der Hormonbiosynthese und -sekretion wird oft durch einen homöostatischen negativen Rückkopplungskontrollmechanismus reguliert . Ein solcher Mechanismus hängt von Faktoren ab, die den Stoffwechsel und die Ausscheidung von Hormonen beeinflussen. Somit kann eine höhere Hormonkonzentration allein den negativen Rückkopplungsmechanismus nicht auslösen. Negatives Feedback muss durch eine Überproduktion einer "Wirkung" des Hormons ausgelöst werden.

Der Blutzuckerspiegel wird im Körper durch einen negativen Rückkopplungsmechanismus auf einem konstanten Niveau gehalten. Bei zu hohem Blutzuckerspiegel schüttet die Bauchspeicheldrüse Insulin aus, bei zu niedrigem Blutzuckerspiegel Glucagon. Die gezeigte flache Linie stellt den homöostatischen Sollwert dar. Die sinusförmige Linie stellt den Blutzuckerspiegel dar.

Die Hormonsekretion kann stimuliert und gehemmt werden durch:

• Andere Hormone ( stimulierende - oder freisetzende -Hormone)
• Die Plasmakonzentrationen von Ionen oder Nährstoffen, sowie Bindung Globuline
• Neuronen und geistige Aktivität
• Umgebungsänderungen, z. B. von Licht oder Temperatur

Eine besondere Gruppe von Hormonen sind die tropischen Hormone , die die Hormonproduktion anderer endokriner Drüsen anregen . Zum Beispiel, Schilddrüsen-stimulierenden Hormon (TSH) bewirkt , dass das Wachstum und erhöhte Aktivität einer anderen endokrinen Drüse, die Schilddrüse , der Ausgang erhöht Schilddrüsenhormone .

Um aktive Hormone schnell in den Kreislauf freizusetzen, können Hormonbiosynthesezellen biologisch inaktive Hormone in Form von Prä- oder Prohormonen produzieren und speichern . Diese können dann als Reaktion auf einen bestimmten Reiz schnell in ihre aktive Hormonform umgewandelt werden.

Eicosanoide gelten als lokale Hormone. Sie gelten als "lokal", weil sie spezifische Wirkungen auf Zielzellen in der Nähe ihres Entstehungsortes besitzen. Sie haben auch einen schnellen Abbauzyklus, der dafür sorgt, dass sie keine entfernten Stellen im Körper erreichen.

Hormone werden auch durch Rezeptoragonisten reguliert. Hormone sind Liganden, das sind alle Arten von Molekülen, die ein Signal erzeugen, indem sie an eine Rezeptorstelle eines Proteins binden. Hormonwirkungen können durch konkurrierende Liganden, die an denselben Zielrezeptor wie das fragliche Hormon binden, gehemmt und somit reguliert werden. Wenn ein konkurrierender Ligand an die Rezeptorstelle gebunden ist, kann das Hormon nicht an diese Stelle binden und kann keine Reaktion von der Zielzelle auslösen. Diese konkurrierenden Liganden werden Antagonisten des Hormons genannt.

Therapeutischer Einsatz

Viele Hormone und ihre strukturellen und funktionellen Analoga werden als Medikamente verwendet . Die am häufigsten verschriebenen Hormone sind Östrogene und Gestagene (als Methoden der hormonellen Empfängnisverhütung und als HRT ), Thyroxin (als Levothyroxin , bei Hypothyreose ) und Steroide (bei Autoimmunerkrankungen und verschiedenen Atemwegserkrankungen ). Insulin wird von vielen Diabetikern verwendet . Lokale Präparate für die HNO-Heilkunde enthalten oft pharmakologische Äquivalente von Adrenalin , während Steroid- und Vitamin-D- Cremes in der dermatologischen Praxis häufig verwendet werden.

Eine "pharmakologische Dosis" oder "supraphysiologische Dosis" eines Hormons ist eine medizinische Verwendung, die sich auf eine Menge eines Hormons bezieht, die weit größer ist, als in einem gesunden Körper natürlicherweise vorkommt. Die Wirkungen pharmakologischer Hormondosen können sich von Reaktionen auf natürlich vorkommende Mengen unterscheiden und können therapeutisch nützlich sein, jedoch nicht ohne potenziell nachteilige Nebenwirkungen. Ein Beispiel ist die Fähigkeit pharmakologischer Dosen von Glukokortikoiden , Entzündungen zu unterdrücken .

Hormon-Verhaltens-Interaktionen

Auf neurologischer Ebene kann das Verhalten abgeleitet werden aus: Hormonkonzentrationen; Hormonfreisetzungsmuster; die Anzahl und Lage von Hormonrezeptoren; und die Effizienz von Hormonrezeptoren für diejenigen, die an der Gentranskription beteiligt sind. Hormone beeinflussen nicht nur das Verhalten, sondern auch das Verhalten und die Umwelt beeinflussen die Hormone. Somit wird eine Rückkopplungsschleife gebildet. Zum Beispiel kann das Verhalten Hormone beeinflussen, die wiederum das Verhalten beeinflussen können, was wiederum die Hormone beeinflussen kann und so weiter.

Bei der Bestimmung von Hormon-Verhaltens-Wechselwirkungen können drei breite Argumentationsstufen verwendet werden:

• Die Häufigkeit des Auftretens eines hormonell abhängigen Verhaltens sollte der seiner hormonellen Quelle entsprechen.
• Ein hormonell abhängiges Verhalten ist nicht zu erwarten, wenn die hormonelle Quelle (oder deren Wirkungsarten) nicht vorhanden ist.
• Es wird erwartet, dass die Wiedereinführung einer fehlenden verhaltensabhängigen hormonellen Quelle (oder ihrer Wirkungsarten) das fehlende Verhalten zurückbringt.

Vergleich mit Neurotransmittern

Es gibt verschiedene klare Unterschiede zwischen Hormonen und Neurotransmittern :

• Ein Hormon kann Funktionen über einen größeren räumlichen und zeitlichen Maßstab ausführen als ein Neurotransmitter, der oft in mikrometergroßen Abständen wirkt.
• Hormonelle Signale können praktisch überall im Kreislaufsystem wandern, während neuronale Signale auf bereits vorhandene Nervenbahnen beschränkt sind.
• Bei gleicher Reisedistanz können neuronale Signale viel schneller (im Millisekundenbereich) übertragen werden als hormonelle Signale (im Sekunden-, Minuten- oder Stundenbereich). Neuronale Signale können mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 Metern pro Sekunde gesendet werden.
• Die neuronale Signalübertragung ist eine Alles-oder-Nichts-(digitale) Aktion, während die hormonelle Signalübertragung eine Aktion ist, die kontinuierlich variabel sein kann, da sie von der Hormonkonzentration abhängt.

Neurohormone sind eine Art von Hormon, das von endokrinen Zellen produziert wird, die Input von Neuronen oder neuroendokrinen Zellen erhalten und als solche eine Gemeinsamkeit mit Neurotransmittern haben. Sowohl klassische Hormone als auch Neurohormone werden vom endokrinen Gewebe sezerniert; Neurohormone sind jedoch das Ergebnis einer Kombination aus endokrinen Reflexen und neuralen Reflexen, wodurch ein neuroendokriner Signalweg entsteht. Während endokrine Signalwege chemische Signale in Form von Hormonen produzieren, beinhaltet der neuroendokrine Signalweg die elektrischen Signale von Neuronen. Auf diesem Weg ist das Ergebnis des von einem Neuron erzeugten elektrischen Signals die Freisetzung einer Chemikalie, die das Neurohormon ist . Schließlich wird das Neurohormon wie ein klassisches Hormon in den Blutkreislauf freigesetzt, um sein Ziel zu erreichen.

Bindungsproteine

Der Hormontransport und die Beteiligung von Bindungsproteinen ist ein wesentlicher Aspekt bei der Betrachtung der Funktion von Hormonen. Die Bildung eines Komplexes mit einem Bindungsprotein hat mehrere Vorteile: Die effektive Halbwertszeit des gebundenen Hormons wird erhöht; Es entsteht ein Reservoir an gebundenen Hormonen, das die Konzentrationsschwankungen der ungebundenen Hormone ausgleicht (gebundene Hormone ersetzen die ungebundenen Hormone, wenn diese eliminiert werden).

Siehe auch

Verweise

Externe Links

• HMRbase: Eine Datenbank mit Hormonen und ihren Rezeptoren
• Hormone in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)