Гормон ( от греческого причастия ὁρμῶν , «приведение в движение») — это класс сигнальных молекул в многоклеточных организмах , которые отправляются в отдаленные органы в результате сложных биологических процессов для регулирования физиологии и поведения . [1] Гормоны необходимы для правильного развития животных , растений и грибов . Из-за широкого определения гормона (как сигнальной молекулы, оказывающей свое действие вдали от места его образования), к гормонам можно отнести множество видов молекул. К веществам, которые можно считать гормонами, относятся эйкозаноиды (например, простагландины и тромбоксаны ), стероиды (например , эстроген и брассиностероид ), производные аминокислот (например , адреналин и ауксин ), белки или пептиды (например, инсулин и пептиды CLE ) и газы (например, адреналин и ауксин ). например этилен и оксид азота ).
Гормоны используются для связи между органами и тканями . У позвоночных гормоны отвечают за регулирование широкого спектра процессов, включая как физиологические процессы, так и поведенческую деятельность, такие как пищеварение , обмен веществ , дыхание , сенсорное восприятие , сон , выделение , лактация , индукция стресса , рост и развитие , движение , размножение и настроение . манипуляция. [2] [3] [4] У растений гормоны модулируют почти все аспекты развития, от прорастания до старения . [5]
Гормоны влияют на удаленные клетки, связываясь со специфическими белками -рецепторами в клетке-мишени, что приводит к изменению функции клетки. Когда гормон связывается с рецептором, это приводит к активации пути передачи сигнала , который обычно активирует транскрипцию гена , что приводит к увеличению экспрессии целевых белков . Гормоны также могут действовать негеномными путями, синергируя с геномными эффектами. [6] Водорастворимые гормоны (такие как пептиды и амины) обычно действуют на поверхность клеток-мишеней через вторичные мессенджеры . Жирорастворимые гормоны (такие как стероиды ) обычно проходят через плазматические мембраны клеток-мишеней (как цитоплазматических , так и ядерных ), чтобы действовать внутри их ядер . Брассиностероиды, тип полигидроксистероидов, представляют собой шестой класс растительных гормонов и могут быть полезны в качестве противоракового препарата при эндокринно-зависимых опухолях, вызывая апоптоз и ограничивая рост растений. Несмотря на то, что они жирорастворимы, они тем не менее прикрепляются к своим рецепторам на поверхности клетки. [7]
У позвоночных эндокринные железы представляют собой специализированные органы, секретирующие гормоны в эндокринную сигнальную систему . Секреция гормонов происходит в ответ на специфические биохимические сигналы и часто подвергается регуляции по отрицательной обратной связи . Например, высокий уровень сахара в крови (концентрация глюкозы в сыворотке) способствует синтезу инсулина . Затем инсулин снижает уровень глюкозы и поддерживает гомеостаз , что приводит к снижению уровня инсулина. При секреции водорастворимые гормоны легко транспортируются по кровеносной системе. Жирорастворимые гормоны должны связываться с гликопротеинами-переносчиками плазмы (например, тироксинсвязывающим глобулином (ТБГ)) с образованием лиганд -белковых комплексов. Некоторые гормоны, такие как инсулин и гормоны роста, могут выделяться в кровоток уже в полной активности. Другие гормоны, называемые прогормонами , должны активироваться в определенных клетках посредством ряда этапов, которые обычно строго контролируются. [8] Эндокринная система секретирует гормоны непосредственно в кровоток , обычно через фенестрированные капилляры , тогда как экзокринная система секретирует гормоны опосредованно, через протоки . Гормоны с паракринной функцией тканей.
кончики молодых листьев и апикальная меристема побега . Отсутствие специализированных желез означает, что основное место выработки гормонов может меняться на протяжении всей жизни растения, причем место выработки зависит от возраста растения и окружающей среды. [9]
Клетки, производящие гормоны, находятся в эндокринных железах , таких как щитовидная железа , яичники и семенники . [10] Гормональная передача сигналов включает следующие этапы: [11]
Экзоцитоз и другие методы мембранного транспорта используются для секреции гормонов при подаче сигнала эндокринным железам. Иерархическая модель представляет собой чрезмерное упрощение процесса гормональной передачи сигналов. Клеточные реципиенты определенного гормонального сигнала могут быть одним из нескольких типов клеток, находящихся в различных тканях, как в случае с инсулином , который запускает широкий спектр системных физиологических эффектов. Различные типы тканей также могут по-разному реагировать на один и тот же гормональный сигнал. [ нужна цитата ]
Арнольд Адольф Бертольд был немецким физиологом и зоологом , у которого в 1849 году возник вопрос о функции семенников . Он заметил у кастрированных петухов, что у них не такое сексуальное поведение, как у петухов с неповрежденными семенниками. Он решил провести эксперимент на петухах-самцах, чтобы изучить этот феномен. Он держал группу петухов с неповрежденными семенниками и увидел, что у них были сережки и гребни нормального размера (вторичные половые органы ), нормальная ворона и нормальное сексуальное и агрессивное поведение. Он также заказал группе, у которой хирургическим путем удалили яички, и заметил, что их вторичные половые органы уменьшились в размерах, имели слабую ворону, не имели сексуального влечения к самкам и не были агрессивными. Он понял, что этот орган необходим для такого поведения, но не знал, как это сделать. Чтобы проверить это дальше, он удалил одно яичко и поместил его в брюшную полость. Петухи действовали и имели нормальную физическую анатомию . Он смог увидеть, что расположение яичек не имеет значения. Затем он хотел посмотреть, был ли в семенниках задействован генетический фактор, обеспечивающий эти функции. Он пересадил яичко от другого петуха петуху с удаленным одним семенником и увидел, что у них также нормальное поведение и физическая анатомия. Бертольд определил, что расположение или генетические факторы семенников не имеют значения в отношении половых органов и поведения, но что это явление вызывается каким-то химическим веществом , секретируемым семенниками. Позже было установлено, что этим фактором был гормон тестостерон . [12] [13]
Хотя Чарльз Дарвин был известен прежде всего своими работами по теории эволюции , он также очень интересовался растениями. На протяжении 1870-х годов он и его сын Фрэнсис изучали движение растений к свету. Им удалось показать, что свет воспринимается на кончике молодого стебля (колеоптиле ) , тогда как изгиб происходит ниже по стеблю. Они предположили, что «передаваемое вещество» передает направление света от кончика вниз к стеблю. Идея «передаваемого вещества» изначально была отвергнута другими биологами растений, но их работа позже привела к открытию первого растительного гормона. [14] В 1920-х годах голландский учёный Фриц Вармолт Вент и русский учёный Николай Холодный (работавшие независимо друг от друга) убедительно показали, что за этот изгиб ответственно асимметричное накопление гормона роста. В 1933 году этот гормон был окончательно выделен Кёглем, Хааген-Смитом и Эркслебеном и получил название « ауксин ». [14] [15] [16]
Британский врач Джордж Оливер и физиолог Эдвард Альберт Шефер , профессор Университетского колледжа Лондона, совместно изучали физиологические эффекты экстрактов надпочечников. Впервые они опубликовали свои результаты в двух отчетах в 1894 году, а полная публикация последовала в 1895 году . физиологические изменения, был первым гормоном, который был открыт. Термин «гормон» позже был придуман Старлингом. [19]
Уильям Бэйлисс и Эрнест Старлинг , физиолог и биолог соответственно, хотели проверить, оказывает ли нервная система влияние на пищеварительную систему . Они знали, что поджелудочная железа участвует в секреции пищеварительной жидкости после прохождения пищи из желудка в кишечник , что, по их мнению, происходит за счет нервной системы. Они перерезали нервы поджелудочной железы на животной модели и обнаружили, что секрецию поджелудочной железы контролируют не нервные импульсы. Было установлено, что фактор, секретируемый из кишечника в кровоток , стимулирует поджелудочную железу выделять пищеварительные жидкости. Это было названо секретином : гормон.
Гормональные эффекты зависят от того, где они высвобождаются, поскольку они могут выделяться по-разному. [20] Не все гормоны высвобождаются из клетки в кровь до тех пор, пока не связываются с рецептором на мишени. Основными типами гормональной сигнализации являются:
Поскольку гормоны определяются функционально, а не структурно, они могут иметь разнообразную химическую структуру. Гормоны встречаются в многоклеточных организмах ( растениях , животных , грибах , бурых и красных водорослях ). Эти соединения встречаются также в одноклеточных организмах и могут действовать как сигнальные молекулы , однако нет единого мнения о том, что эти молекулы можно называть гормонами. [21] [22]
По сравнению с позвоночными, насекомые и ракообразные обладают рядом структурно необычных гормонов, таких как ювенильный гормон — сесквитерпеноид . [24]
Примеры включают абсцизовую кислоту , ауксин , цитокинин , этилен и гиббереллин . [25]
Большинство гормонов инициируют клеточный ответ, первоначально связываясь либо с рецепторами клеточной поверхности , либо с внутриклеточными рецепторами . Клетка может иметь несколько разных рецепторов , которые распознают один и тот же гормон, но активируют разные пути передачи сигнала , или клетка может иметь несколько разных рецепторов, которые распознают разные гормоны и активируют один и тот же биохимический путь. [26]
Рецепторы большинства пептидов , а также многих эйкозаноидных гормонов встроены в клеточную мембрану в качестве рецепторов клеточной поверхности, и большинство из них относятся к классу рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), состоящих из семи трансмембранных альфа-спиральных белков. Взаимодействие гормона и рецептора обычно запускает каскад вторичных эффектов внутри цитоплазмы клетки , описываемых как сигнальная трансдукция , часто включающих фосфорилирование или дефосфорилирование различных других цитоплазматических белков, изменения проницаемости ионных каналов или повышение концентрации внутриклеточных молекул, которые могут действуют как вторичные посредники (например, циклический АМФ ). Некоторые белковые гормоны взаимодействуют также с внутриклеточными рецепторами, расположенными в цитоплазме или ядре, по интракринному механизму. [27] [28]
Рецепторы стероидных или тиреоидных гормонов расположены внутри клетки , в цитоплазме клетки-мишени . Эти рецепторы принадлежат к семейству ядерных рецепторов лиганд-активируемых факторов транскрипции . Чтобы связать свои рецепторы, эти гормоны должны сначала пересечь клеточную мембрану. Они могут это делать, потому что они жирорастворимы. Объединенный комплекс гормон-рецептор затем перемещается через ядерную мембрану в ядро клетки, где он связывается со специфическими последовательностями ДНК , регулируя экспрессию определенных генов и тем самым увеличивая уровни белков, кодируемых этими генами. [29] Однако было показано, что не все стероидные рецепторы расположены внутри клетки. Некоторые связаны с плазматической мембраной . [30]
Гормоны оказывают на организм следующее воздействие: [31]
Гормон может также регулировать выработку и высвобождение других гормонов. Гормональные сигналы контролируют внутреннюю среду организма посредством гомеостаза .
Скорость биосинтеза и секреции гормонов часто регулируется гомеостатическим механизмом отрицательной обратной связи . Такой механизм зависит от факторов, влияющих на обмен веществ и выведение гормонов. Таким образом, сама по себе более высокая концентрация гормона не может запустить механизм отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь должна быть вызвана перепроизводством «эффекта» гормона. [32] [33]
Секрецию гормонов можно стимулировать и ингибировать:
Особой группой гормонов являются тропные гормоны , которые стимулируют выработку гормонов других эндокринных желез . Например, тиреотропный гормон (ТТГ) вызывает рост и повышение активности другой эндокринной железы, щитовидной железы , что увеличивает выработку гормонов щитовидной железы . [34]
Чтобы быстро высвободить активные гормоны в кровообращение , биосинтетические клетки гормонов могут производить и хранить биологически неактивные гормоны в форме пре- или прогормонов . Затем они могут быть быстро преобразованы в активную гормональную форму в ответ на определенный стимул. [34]
Считается, что эйкозаноиды действуют как местные гормоны. Их считают «локальными», поскольку они оказывают специфическое воздействие на клетки-мишени вблизи места их образования. У них также есть быстрый цикл разложения, благодаря которому они не достигают отдаленных участков тела. [35]
Гормоны также регулируются агонистами рецепторов. Гормоны — это лиганды, которые представляют собой любые виды молекул, которые производят сигнал путем связывания с рецепторным участком белка. Гормональные эффекты могут ингибироваться и, таким образом, регулироваться конкурирующими лигандами, которые связываются с тем же рецептором-мишенью, что и рассматриваемый гормон. Когда конкурирующий лиганд связывается с рецепторным участком, гормон не может связываться с этим участком и не может вызывать ответ от клетки-мишени. Эти конкурирующие лиганды называются антагонистами гормона. [36]
Многие гормоны и их структурные и функциональные аналоги используются в качестве лекарств . Наиболее часто назначаемыми гормонами являются эстрогены и прогестагены (в качестве методов гормональной контрацепции и в качестве ЗГТ ), [37] тироксин (в виде левотироксина при гипотиреозе ) и стероиды (при аутоиммунных заболеваниях и некоторых респираторных заболеваниях ). Инсулин используют многие диабетики . Местные препараты для применения в отоларингологии часто содержат фармакологические эквиваленты адреналина , тогда как в дерматологической практике широко используются стероидные кремы и кремы с витамином D. [38]
«Фармакологическая доза» или «супрафизиологическая доза» гормона — это медицинский термин, обозначающий количество гормона, которое намного превышает то, которое естественным образом встречается в здоровом организме. Эффекты фармакологических доз гормонов могут отличаться от реакций на природные количества гормонов и могут быть терапевтически полезными, хотя и не без потенциально неблагоприятных побочных эффектов. Примером может служить способность фармакологических доз глюкокортикоидов подавлять воспаление .
На неврологическом уровне о поведении можно судить по концентрации гормонов, на которую, в свою очередь, влияют закономерности высвобождения гормонов; количество и расположение рецепторов гормонов; и эффективность гормональных рецепторов, участвующих в транскрипции генов. Концентрация гормонов не провоцирует поведение, поскольку это может подорвать действие других внешних раздражителей; однако он влияет на систему, увеличивая вероятность возникновения определенного события. [39]
Не только гормоны могут влиять на поведение, но также поведение и окружающая среда могут влиять на концентрацию гормонов. [40] Таким образом, формируется петля обратной связи, то есть поведение может влиять на концентрацию гормонов, что, в свою очередь, может влиять на поведение, которое, в свою очередь, может влиять на концентрацию гормонов, и так далее. [41] Например, петли обратной связи гормон-поведение необходимы для обеспечения постоянства эпизодической секреции гормонов, поскольку поведение, на которое влияют эпизодически секретируемые гормоны, напрямую предотвращает непрерывное высвобождение указанных гормонов. [42]
Чтобы определить, присутствует ли в системе определенное взаимодействие гормона и поведения, можно использовать три широких этапа рассуждений :
Существуют различные четкие различия между гормонами и нейротрансмиттерами : [43] [44] [36]
Нейрогормоны — это тип гормонов, которые имеют общее с нейротрансмиттерами. [47] Они производятся эндокринными клетками, которые получают сигналы от нейронов, или нейроэндокринными клетками. [47] И классические гормоны, и нейрогормоны секретируются эндокринной тканью; однако нейрогормоны являются результатом комбинации эндокринных и нервных рефлексов, создавая нейроэндокринный путь. [36] В то время как эндокринные пути производят химические сигналы в форме гормонов, нейроэндокринный путь включает в себя электрические сигналы нейронов. [36] В этом пути результатом электрического сигнала, вырабатываемого нейроном, является высвобождение химического вещества, которое является нейрогормоном . [36] Наконец, как и классический гормон, нейрогормон высвобождается в кровоток, чтобы достичь своей цели. [36]
Транспорт гормонов и участие связывающих белков являются важным аспектом при рассмотрении функции гормонов. [48]
Образование комплекса со связывающим белком имеет ряд преимуществ: увеличивается эффективный период полураспада связанного гормона и создается резервуар связанных гормонов, который выравнивает колебания концентрации несвязанных гормонов (связанные гормоны заменяют несвязанные гормоны). гормоны, когда они выводятся). [49] Примером использования гормонсвязывающих белков является тироксинсвязывающий белок, который несет до 80% всего тироксина в организме, что является важнейшим элементом в регулировании скорости метаболизма. [50]