Biologie-Kennis.nl

Hormonen en het endocrine systeem

Het lichaam en zijn lange afstand regulatoren. In het volwassen worden van een vlinder ondergaat een vlinder een enorme metamorfose. De mollige, kruipende rups die zich omhult in een cocon heeft weinig gelijkenis met de delicate, vrij vliegende vlinder die een dag later komt. Binnen de cocon, monteren gespecialiseerde groepen van cellen de volwassen weefsels en organen, terwijl de meeste andere weefsels van de rups worden afgebroken.
De complete verandering van de lichaamsvorm van de rups noemen we een metamorfose, het is een van de vele biologische processen gestuurd door hormonen. Bij dieren, is een hormoon (van het Griekse Horman, op te wekken) een molecuul dat wordt uitgescheiden in extracellulaire vloeistof, het circuleert in het bloed of hemolymfe, en communiceert regelgeving berichten door het hele lichaam. In het geval van de rups, zorgt de communicatie door hormonen voor de timing van de metamorfose en zorgt het hormoon dat verschillende delen van de volwassen insect zich in de goede volgorde ontwikkelen.
Hoewel de bloedsomloop het mogelijk maakt voor een hormoon om alle cellen van het lichaam te bereiken, hebben alleen de target cellen receptoren die een antwoord mogelijk te maken. Een hormoon lokt een specifieke reactie uit, zoals een verandering in de stofwisseling,  zijn doel cellen, terwijl de cellen die geen receptor hebben voor dat bepaalde hormoon onaangetast blijven. Chemische signalering door hormonen is de functie van het endocriene systeem, een van de twee fundamentele systemen voor communicatie en regelgeving door het hele lichaam. Hormonen uitgescheiden door endocriene cellen reguleren reproductie, ontwikkeling, energie metabolisme, groei en gedrag. Het andere belangrijke communicatie-en controlesysteem is het zenuwstelsel, een netwerk van gespecialiseerde neuron-cellen, dat signalen langs gewijde trajecten stuurt. Deze signalen reguleren op hun beurt andere cellen, met inbegrip van neuronen, spiercellen en endocriene cellen. Omdat door signalering van neuronen het vrijkomen van hormonen kan worden gereguleerd, overlappen het zenuwstelsel en het endocriene systeem vaak in functie. In dit hoofdstuk gaan we beginnen met een overzicht van de verschillende soorten chemische signalisatie in dieren. Wij zullen dan onderzoeken hoe het hormonen target cellen reguleren, hoe hormoon secretie wordt gereguleerd, en hoe hormonen helpen bij handhaven homeostase. We zullen ook kijken naar hoe de activiteiten van het endocriene en het zenuwstelsel worden gecoördineerd. We zullen afsluiten met een analyse van de rol van hormonen bij het reguleren van groei, ontwikkeling, productie en reproductie. Moleculen binden aan bepaalde receptoren en zorgen zo voor een specifieke reactie.

Hormonen, de focus van dit stuk, zijn een van de soorten die chemische stoffen uitgescheiden om informatie tussen dierlijke cellen te verzenden. Laten we de overeenkomsten en verschillen bekijken in de functies van deze signaalmoleculen.

Soorten Uitgescheiden signaalmoleculen

Hormonen en andere signaalstoffen zorgen voor reacties door te binden aan specifieke receptoreiwitten in of op doelcellen. Alleen cellen die receptoren hebben voor een bepaald uitgescheiden molecuul zijn target cellen; andere cellen reageren niet goed op dat molecuul. Moleculen die gebruikt worden in het signaleren, zijn vaak ingedeeld naar de aard van de afscheidende cel en de route van het signaal waarbij het zijn doel bereikt.

Hormonen

Hormonen die uitgescheiden worden in de extracellulaire vloeistoffen door endocriene cellen bereiken hun doelgroep cellen via de bloedbaan (of hemolymfe). Sommige endocriene systeem-cellen worden aangetroffen in organen die deel uitmaken van andere orgaansystemen. Bijvoorbeeld, binnen het verterings-en uitscheidingsstelsel, de maag en nieren bevatten beide endocriene cellen. Andere endocriene cellen zijn gegroepeerd in afvoerbuis organen die we endocriene klieren noemen. Net als geïsoleerde endocriene cellen, scheiden endocriene klieren hormonen rechtstreeks uit in de omringende vloeistof. Exocriene klieren, zoals speekselklieren, hebben buizen die stoffen afgescheiden op lichaamsoppervlakken of in lichaamsholten.
Hormonen regelen een scala aan functies in het lichaam. Ze onderhouden homeostase; bemiddelen reacties op prikkels uit de omgeving, reguleren de groei, ontwikkeling en voortplanting. Zo coördineren hormonen de reacties van het lichaam op stress, uitdroging, of een lage bloedsuikerspiegel. Ze controleren ook de tijd van verschijning van  kenmerken die een kind onderscheiden van een volwassene.

Lokale regulatoren

Veel soorten cellen produceren lokale regulatoren, dit zijn uitgescheiden moleculen die handelen over korte afstanden en hun target cellen bereiken door diffusie. Zoals we zullen bespreken, spelen lokale regulatoren een rol in tal van andere processen, met inbegrip van regulering van de bloeddruk, de zenuwstelsel functie en de voortplanting. Lokale regulatoren functioneren in paracriene en autocriene signalering. Paracriene signalen werken zoals volgend, target cellen liggen in de buurt van de afscheidende cel. Autocriene signalering werken zoals je hierna leest, het uitgescheiden moleculen werkt op de afscheidende cel zelf. Sommige uitgescheiden moleculen hebben zowel paracriene en autocriene activiteit. Hoewel de definitie van hormonen kan worden uitgebreid tot de lokale regulatoren, gebruiken we in dit hoofdstuk het hormoon om te verwijzen naar chemische stoffen die target cellen bereiken via de bloedbaan.

Neurotransmitters en neurohormonen

Uitgescheiden moleculen hebben ook een cruciale rol bij het doorgeven van informatie door neuronen. Neuronen communiceren met doelgroep cellen, zoals andere neuronen en spiercellen, in gespecialiseerde kruispunten ook wel bekend als synapsen. Op veel synapsen, scheiden neuronen moleculen af, de zogenaamde neurotransmitters die op een zeer korte afstand diffuseren om te binden met receptoren op de doelwitcellen. Neurotransmitters staan centraal in gevoel, geheugen, cognitie, en beweging. Neuro-endocriene signalering, neuronensectretie cellen, gespecialiseerde neuronen veelal gevonden in de hersenen, scheiden moleculen die diffuseren van de zenuwcel uiteindes in de bloedbaan. Deze moleculen, die zich door de bloedbaan verspreiden naar target cellen , zijn een klasse van hormonen die we neurohormonen noemen. Een voorbeeld hiervan is ADH (vasopressine), een hormoon van cruciaal belang voor de nierfunctie en de vochtbalans.

Feromonen

Niet alle uitgescheiden signaalstoffen handelen binnen het lichaam. Leden van dezelfde diersoort communiceren soms met feromonen, chemische stoffen die vrijkomen in de externe omgeving. Feromonen hebben vele functies, inclusief het  markeren van paden die leiden tot voedsel, het uitzetten van gebieden, waarschuwen voor roofdieren, en het aantrekken van potentiële partners.

Chemische klassen van Hormonen

Nu we hormonen onderscheiden van andere uitgescheiden signaalstoffen,  gebaseerd op het type en de locatie van de betrokken cellen, gaan We nu naar de chemische samenstelling van hormonen kijken. Op basis van hun structuur en route voor synthese, zijn hormonen vaak verdeeld in drie groepen: polypeptiden (eiwitten en peptiden), aminen, en steroïden. Het polypeptide hormoon insuline is opgebouwd uit twee polypeptide ketens. Net als de meeste hormonen in deze groep, wordt insuline gevormd door splitsing van een langere eiwitketen. Adrenaline en thyroxine zijn amine hormonen, die worden gesynthetiseerd uit een enkel aminozuur, hetzij tyrosine of tryptofaan. Steroïde hormonen, zoals cortisol, zijn lipiden die vier gefuseerde koolstofringen bevatten. Alle zijn afgeleid van de steroïde cholesterol.
Hormonen variëren in hun oplosbaarheid in waterige en lipide-rijke omgevingen. Polypeptiden en vele amine hormonen zijn oplosbaar in water. Wanneer het om onoplosbare lipiden gaat, kunnen deze hormonen niet door het plasma membranen van cellen. In tegenstelling kunnen steroïdhormonen, evenals andere grotendeels niet-polaire hormonen zoals thyroxine, gemakkelijk door celmembranen heen. Of een hormoon wel of niet in staat is om celmembranen te passeren heeft te maken met een verschil in de locatie van de receptoren in de doelcellen.

Hormoonreceptor Locatie:
Wetenschappelijk onderzoek

Bij het bestuderen van hormoon-receptoren is het voor biologen nodig om uit te vinden waar ze zich bevinden en waar ze functioneel interactie uitoefenen met hormonen. Om te leren hoe ze deze vragen beantwoorden, gaan we een aantal van de kritische experimenten bekijken.
Bewijs dat receptoren voor steroïdhormonen zich bevinden in doelwitcellen kwam uit het bestuderen van het gewervelde hormoon estradiol, een vorm van oestrogeen. Voor de meeste zoogdieren, inclusief de mens, zijn oestrogenen nodig voor de normale ontwikkeling en functie van het vrouwelijk voortplantingssysteem. In experimenten uitgevoerd in de vroege jaren 60, werden vrouwelijke ratten behandeld met radioactieve vormen van estradiol. Toen de onderzoekers de cellen in het reproductieve systeem van ratten onderzochten, vonden ze dat het hormoon zich had opgehoopt in de kernen. In tegenstelling daarvan, hoopte estradiol zich niet op in cellen van weefsels die niet gevoelig zijn voor oestrogenen.
Toen wetenschappers later de receptoren voor oestrogenen ontdekten, bevestigden zij dat de receptor moleculen werden gevonden in de cellen. Andere steroïde hormonen en lipide-oplosbare hormonen zoals thyroxine hadden ook intracellulaire receptoren. Maar hoe zit het met in water oplosbare hormonen? Omdat deze hormonen niet kunnen diffunderen in een lipide bilaag. Onderzoekers veronderstelden dat hun receptoren zich op het celoppervlak zullen bevinden. Studies waaruit blijkt dat radioactieve hormonen binden aan geïsoleerde celmembranen worden in dit model ondersteund. Toch heeft een aantal biologen zich afgevraagd of water oplosbare hormonen ook kunnen leiden tot signalering vanuit cellen.
In de jaren 70, hebben John Horowitz en collega's aan de Universiteit van California onderzocht of receptoren voor een wateroplosbaar hormoon exclusief op het celoppervlak te vinden zijn. In kikkers,  het melanocyt-stimulerend hormoon (MSH) regelt de locatie van pigmentkorrels in de huidcellen. Om te bepalen waar het hormoon actief is, gebruikten de onderzoekers micro-injectie, een techniek die kleine hoeveelheden van een stof kan introduceren in een cel of omringende vloeistof. Uit hun experimenten bleek dat MSH alleen een reactie gaf als het geïnjecteerd werd in de interstitiële vloeistof, waardoor het mogelijk was om te binden aan het celoppervlak receptoren.

Cellulaire reactie trajecten

Receptor locatie is een van de vele verschillen tussen de reactie trajecten van water-oplosbare en vetoplosbare hormonen. Water oplosbare hormonen worden afgescheiden door exocytose, en reizen vrij in de bloedbaan, waarna ze binden aan celoppervlak signaal receptoren. Binding van deze hormonen aan receptoren induceert veranderingen in cytoplasmatische moleculen en verandert soms gentranscriptie (synthese van boodschapper-RNA moleculen). In tegenstelling, vetoplosbare hormonen diffuseren over de membranen van endocriene cellen en reizen in de bloedbaan gebonden aan eiwitten. Bij oplossing in doelcellen, binden ze aan intracellulaire signaal receptoren en veroorzaken veranderingen in de gen-transcriptie.
Het begrijpen van de verschillende cellulaire reacties op water en lipide-oplosbare hormonen, zullen we elk verder onderzoeken.

Traject voor wateroplosbare Hormonen

De binding van een water oplosbaar hormoon op een signaal receptor-eiwit triggers gebeurtenissen in het plasmamembraan die resulteren in een cellulaire respons. De respons kan de activatie van een enzym, een verandering in de opname of uitscheiding van specifieke moleculen, of een herschikking van het cytoskelet vormen. Bovendien veroorzaken sommige celoppervlak receptoren dat eiwitten in het cytoplasma zich verplaatsen naar de kern en daar transcriptie veranderen van specifieke genen.
De reeks van veranderingen in de cellulaire eiwitten die het extracellulaire chemische signaal omzetten naar een specifieke intracellulaire respons heet signaaltransductie. Een signaaltransductie route omvat meestal meerdere stappen, die elk specifieke moleculaire interacties heeft.
Om te onderzoeken hoe de signaaltransductie bijdraagt tot hormoon signalering, gaan we eens kijken naar de reactie op korte termijn stress. Wanneer je je in een stressvolle situatie bevind, misschien het lopen naar een bus die wegrijdt, scheiden je bijnieren adrenaline uit. Als epinefrine(adrenaline) levercellen bereikt, bindt het aan een G-eiwit-gekoppelde receptor op  het plasmamembraan. De binding van hormoon-receptor veroorzaakt een serie van gebeurtenissen waarbij de synthese van cyclisch AMP (cAMP) plaatsvind als een kortstondige second messenger. Activatie van proteïne kinase A door cAMP leidt tot activatie van een enzym dat nodig is voor glycogeen afbraak en de inactivatie van een enzym dat nodig is voor glycogeen synthese. Het netto resultaat is dat in de lever glucose vrijkomt van stoffen in de bloedbaan, waardoor je de brandstof krijgt die je nodig hebt om de vertrekkende bus te achtervolgen.

Route voor vetoplosbare Hormonen

Intracellulaire receptoren voeren meestal de gehele taak uit van de transductie van een signaal binnen een doelcel. Het hormoon activeert de receptor, die vervolgens rechtstreeks leidt tot een cel respons. In de meeste gevallen, is de reactie op een lipide-oplosbare hormoon een verandering in de genexpressie.
Steroïdhormoonreceptoren bevinden zich in het cytosol voorafgaand aan de binding aan een hormoon. Wanneer een steroïde hormoon zich bindt aan zijn cytosolische receptor, dan vormt een hormoon-receptor complex, die zich beweegt naar de kern. Daar aangekomen gaat het receptor gedeelte van het complex een interactie aan met DNA of met een DNA-bindend eiwit, hierdoor stimuleerd het de transcriptie van specifieke genen. Estradiol heeft een specifieke receptor in de lever cellen van vrouwelijke vogels en kikkers. Binding van estradiol aan deze receptor activeert transcriptie van het gen voor het eiwit vitellogenine. Na vertaling van het boodschapper-RNA, is vitellogenine uitgescheiden en vervoerd in het bloed naar het reproductieve systeem, waar het wordt gebruikt om eigeel te produceren.
Thyroxine, vitamine D en andere vetoplosbare hormonen,  de niet steroïde hormonen, hebben receptoren die veelal in de kern liggen. Deze receptoren binden hormoon moleculen die diffunderen uit de bloedbaan in zowel het plasmamembraan en nucleaire middelen. Eenmaal gebonden door een hormoon, bindt de receptor aan specifieke plaatsen in het DNA van de cel en stimuleert de transcriptie van specifieke genen.
Recente experimenten wijzen uit dat vetoplosbare hormonen soms de reacties op het celoppervlak triggeren zonder dat eerst de kern wordt bezocht. Hoe en wanneer deze reacties zich voordoen, zijn momenteel het onderwerp van actief onderzoek.

Meerdere effecten van hormonen

Veel hormonen lokken meer dan een type respons uit in het lichaam. De effecten als gevolg van een bepaald hormoon kan variëren als doelcellen verschillen in de moleculen die de reactie ontvangen of produceren. Gekeken naar het effect van adrenaline in het bemiddelen van een reactie van het lichaam op korte termijn stress. Veroorzaakt Epinefrine gelijktijdig glycogeen afbraak in de lever, verhoogde bloedtoevoer naar grote skeletspieren, en verminderde bloedtoevoer naar het spijsverteringskanaal. Deze gevarieerde effecten versterken de snelle reacties van het lichaam in noodsituaties.
Weefsels verschillen in hun reactie op adrenaline, omdat ze verschillen in hun receptoren of signaaltransductiewegen. Doelcel herkenning van adrenaline heeft te maken met de G-eiwit gekoppelde receptoren. De adrenaline receptor van een levercel wordt een beta - type receptor genoemd. Het werkt door middel van proteïne kinase A voor het regelen van enzymen in glycogeen metabolisme. In de bloedvaten die de skeletspieren bereiken, is dezelfde kinase geactiveerd door dezelfde adrenaline receptor verantwoordelijk voor het inactiveren van een spier-specifiek enzym. Het resultaat is een relaxatie van glad spierweefsel en daarmee een verhoogde bloedtoevoer. In tegenstelling, darm-bloed
aderen geven expressie van een Alpha-type epinefrine receptor. In plaats van het activeren van proteïne kinase A, geeft de een receptor een afzonderlijke signaalweg die een andere G-eiwit en verschillende enzymen vrijmaakt. Het resultaat is een gladde spiercontractie en beperkt de bloedstroom.
Vetoplosbare hormonen oefenen vaak verschillende effecten uit op verschillende doelgroepen cellen. Het oestrogeen dat een vogel lever stimuleert om het dooier eiwit, vitellogenine, te synthetiseren stimuleert ook haar voortplantingssysteem om eiwitten te maken die het eiwit vormen gaan  synthetiseren.
In sommige gevallen, heeft een bepaald hormoon verschillende effecten in verschillende soorten. Bijvoorbeeld thyroxine geproduceerd door de schildklier reguleert het metabolisme bij kikkers, mensen en andere gewervelde dieren. Echter, heeft thyroxine nog een aanvullend en afzonderlijke effect in kikkers, het stimuleren van resorptie van de staart van de kikkervisje in haar metamorfose tot een volwassen kikker.

Signalering door lokale regulators

Denk eraan dat lokale regulatoren uitgescheiden moleculen zijn die naburige cellen linken (paracriene signalering) of die terugkoppeling geven op de afscheidende cel (autocriene signalering). Eenmaal uitgescheiden, fungeren lokale regulatoren op hun target cellen binnen enkele seconden of zelfs milliseconden, zo lokken zij reacties uit die sneller zijn dan hormonen. Niettemin, de wegen waarlangs lokale regulatoren reacties triggeren zijn dezelfde als die geactiveerd worden door hormonen.
Verschillende types van chemische verbindingen functioneren als lokale regulatoren. Polypeptide lokale regulatoren omvatten cytokinen, die een rol spelen in de immuunrespons en de meeste groeifactoren, welke cel proliferatie en differentiatie stimuleren. Veel soorten cellen groeien, delen en ontwikkelen gewoonlijk alleen als groeifactoren aanwezig zijn in hun extracellulaire milieu.
Het gas stikstofmonoxide (NO), dat bestaat uit stikstof dubbel gebonden aan zuurstof, dient in het lichaam zowel als een neurotransmitter en als lokale regulator. Wanneer het niveau van zuurstof (02) in het bloed daalt, synthetiseren endotheliale cellen in bloedvatwanden NO en laat deze gaan. Stikstofmonoxide activeert een enzym dat de naburige gladde spiercellen ontspant, wat resulteert in vasodilatatie, waardoor de bloedstroom verbetert in de weefsels. In de menselijke mannen, zorgt NO voor vasodilatatie bevordering en stelt de seksuele functie instaat door de bloedtoevoer naar de penis, waardoor een erectie plaatsvindt. Zeer reactief en potentieel toxisch, veroorzaakt  NO meestal veranderingen in een doelcel binnen een paar seconden van het contact en breekt dan op. Het medicijn Viagra (sildenafil citraat), een behandeling bij erectiestoornissen, onderhoudt een erectie door te interfereren met deze verdeling van NO.
Een groep van lokale regulatoren genoemd prostaglandinen zijn gewijzigde vetzuren. Ze worden zo genoemd omdat ze voor het eerst werden ontdekt in prostaatklier afscheidingen die bijdragen aan sperma. Prostaglandines worden geproduceerd door een groot aantal celtypen en voor gevarieerde activiteiten. In sperma dat de voortplantingsorganen van een vrouw bereikt, stimuleren prostaglandinen de gladde spieren van de baarmoeder en helpen bij het contracteren, waardoor zaadcellen een eicel bereiken. Bij het begin van de bevalling, zorgen prostaglandine-afscheidende cellen van de placenta ervoor dat de nabijgelegen spieren van de baarmoeder meer prikkelbaar zijn, om zo te helpen weeën op te wekken.
In het immuunsysteem, bevorderen prostaglandines koorts en ontstekingen en ook intensivering van het gevoel van pijn. De anti-inflammatoire en pijnstillende werking van aspirine en ibuprofen zijn te wijten aan de remming van de prostaglandinesynthese door deze medicijnen. Prostaglandines helpen ook bij het reguleren van de aggregatie van bloedplaatjes, een stap in de vorming van bloedstolsels. Omdat bloedstolsels een hartaanval kunnen veroorzaken door het blokkeren van de bloedstroom in vaten die het hart leveren, raden sommige artsen mensen met een risico op een hartaanval aspirine te nemen op een regelmatige basis.