Биологиялық сигнал молекулалары: Гормондар және олардың ролі

Кіріспе

Биологиялық сигналды молекула

Гормон (грекше ὁρμῶν, "қозғалысқа келтіру") – физиологиялық және мінез-құлық процестерін реттеу үшін күрделі биологиялық механизмдер арқылы көпжасушалы организмдердегі алыс мүшелерге немесе тіндерге жіберілетін сигналды молекулалар класы. Гормондар жануарлардың, өсімдіктердің және саңырауқұлақтардың дұрыс дамуы үшін қажет. Гормонның кең анықтамасы (өндіріс орнынан қашықта әсер ететін сигналдық молекула ретінде) көптеген молекулаларды гормон ретінде жіктеуге мүмкіндік береді. Гормонға жататын заттардың қатарында эйкозаноидтар (мысалы, простагландиндер және тромбоксандар), стероидтар (мысалы, эстрогендер және брассиностероидтер), аминқышқылдарының туындылары (мысалы, адреналин және ауксин), белоктар немесе пептидтер (мысалы, инсулин және CLE пептидтері) және газдар (мысалы, этилен және азот оксиді) бар. Гормондар органдар мен тіндер арасында байланыс құру үшін қолданылады. Омыртқалы жануарларда гормондар ас қорыту, метаболизм, тыныс алу, сезім қабылдауы, ұйқы, экскреция, лактация, стресс тудыру, өсу және даму, қозғалыс, көбею және көңіл-күйді реттеу сияқты физиологиялық процестер мен мінез-құлық әрекеттерін бақылайды. Өсімдіктерде гормондар өсімнен бастап қартаюға дейін дамудың барлық аспектілерін өзгертеді. Гормондар мақсатты жасушадағы белгілі бір рецепторлы ақуыздарға байланысып, жасуша функцияларында өзгерістер тудырады. Гормон рецепторға байланысқанда, әдетте ген транскрипциясын белсендіретін сигналдық каскадтар іске қосылады, бұл мақсатты ақуыздардың экспрессиясын арттырады. Гормондар геномдық әсерлермен үйлесімде болатын геномдық емес жолдарда да әрекет ете алады. Суда еритін гормондар (пептидтер мен аминдер сияқты) әдетте екінші хабаршылар арқылы мақсатты жасушалардың бетінде әрекет етеді. Липидтерде еритін гормондар (мысалы, стероидтар) мақсатты жасушалардың (цитоплазмалық және ядролық) плазмалық мембраналарынан өтіп, ядроларында әрекет етеді. Брассиностероидтар – полигидроксистероидтер класына жататын өсімдік гормондарының алтыншы тобы, эндокриндік сезімтал ісіктерге қарсы күресте апоптозды тудыру және өсімдіктердің өсуін шектеу үшін қатерлі ісікке қарсы препарат ретінде қолданылуы мүмкін. Липидтерде еритін болғамен, олар клетка бетіндегі рецепторларына жабысады. Омыртқалы жануарларда эндокринді бездер – эндокриндік сигналдық жүйеге гормондарды бөліп шығаратын арнайы органдар. Гормон секрециясы белгілі бір биохимиялық сигналдарға жауап ретінде жүзеге асады және көбінесе теріс кері байланыс реттеуіне бағынады. Мысалы, қандағы қанттың жоғары деңгейі (қан сарысуындағы глюкоза концентрациясы) инсулин синтезін күшейтеді. Инсулин глюкоза деңгейін төмендетіп, гомеостазды сақтайды, нәтижесінде инсулин деңгейі төмендейді. Секрециядан кейін суда еритін гормондар қан айналымы арқылы оңай тасымалданады. Липидтерде еритін гормондар плазмадағы тасымалдаушы гликопротеиндермен (мысалы, тироксин байланыстыратын глобулинмен (ТБГ)) байланысып, лиганд-ақуыз кешенін құрауы керек. Инсулин және өсу гормондары сияқты кейбір гормондар қан ағынына толық белсенді күйде түседі. Ал прогормондар деп аталатын басқа гормондар белгілі бір жасушаларда, әдетте қатаң бақыланатын бірнеше қадам арқылы белсендірілуі керек. Эндокриндік жүйе гормондарды тікелей қан ағынына, әдетте қақпалы капиллярлар арқылы бөліп шығарады, ал экзокриндік жүйе өз гормондарын арналар арқылы жібереді. Паракриндік функциясы бар гормондар интерстициалдық кеңістік арқылы жақын маңдағы мақсатты тіндерге таралады. Өсімдіктерде гормондарды бөліп шығаруға арналған арнайы органдар жоқ, бірақ гормон өндірісі кеңістікте бөлінеді. Мысалы, ауксин гормоны негізінен жас жапырақтардың ұштарында және түбірдің өсу конусында түзіледі. Арнайы бездердің болмауы гормон өндірісінің негізгі орны өсімдіктің өмір бойы өзгеруі мүмкін екенін білдіреді, ал өндіріс орны өсімдіктің жасы мен ортасына байланысты.

A hormone (from the Greek participle ὁρμῶν, "setting in motion") is a class of signaling molecules in multicellular organisms that are sent to distant organs or tissues by complex biological processes to regulate physiology and behavior. Hormones are required for the correct development of animals, plants and fungi. Due to the broad definition of a hormone (as a signaling molecule that exerts its effects far from its site of production), numerous kinds of molecules can be classified as hormones. Among the substances that can be considered hormones, are eicosanoids (e. g. prostaglandins and thromboxanes), steroids (e. g. oestrogen and brassinosteroid), amino acid derivatives (e. g. epinephrine and auxin), protein or peptides (e. g. insulin and CLE peptides), and gases (e. g. ethylene and nitric oxide). Hormones are used to communicate between organs and tissues. In vertebrates, hormones are responsible for regulating a wide range of processes including both physiological processes and behavioral activities such as digestion, metabolism, respiration, sensory perception, sleep, excretion, lactation, stress induction, growth and development, movement, reproduction, and mood manipulation. In plants, hormones modulate almost all aspects of development, from germination to senescence. Hormones affect distant cells by binding to specific receptor proteins in the target cell, resulting in a change in cell function. When a hormone binds to the receptor, it results in the activation of a signal transduction pathway that typically activates gene transcription, resulting in increased expression of target proteins. Hormones can also act in non genomic pathways that synergize with genomic effects. Water soluble hormones (such as peptides and amines) generally act on the surface of target cells via second messengers. Lipid soluble hormones, (such as steroids) generally pass through the plasma membranes of target cells (both cytoplasmic and nuclear) to act within their nuclei. Brassinosteroids, a type of polyhydroxysteroids, are a sixth class of plant hormones and may be useful as an anticancer drug for endocrine responsive tumors to cause apoptosis and limit plant growth. Despite being lipid soluble, they nevertheless attach to their receptor at the cell surface. In vertebrates, endocrine glands are specialized organs that secrete hormones into the endocrine signaling system. Hormone secretion occurs in response to specific biochemical signals and is often subject to negative feedback regulation. For instance, high blood sugar (serum glucose concentration) promotes insulin synthesis. Insulin then acts to reduce glucose levels and maintain homeostasis, leading to reduced insulin levels. Upon secretion, water soluble hormones are readily transported through the circulatory system. Lipid soluble hormones must bond to carrier plasma glycoproteins (e. g., thyroxine binding globulin (TBG)) to form ligand protein complexes. Some hormones, such as insulin and growth hormones, can be released into the bloodstream already fully active. Other hormones, called prohormones, must be activated in certain cells through a series of steps that are usually tightly controlled. The endocrine system secretes hormones directly into the bloodstream, typically via fenestrated capillaries, whereas the exocrine system secretes its hormones indirectly using ducts. Hormones with paracrine function diffuse through the interstitial spaces to nearby target tissue. Plants lack specialized organs for the secretion of hormones, although there is spatial distribution of hormone production. For example, the hormone auxin is produced mainly at the tips of young leaves and in the shoot apical meristem. The lack of specialised glands means that the main site of hormone production can change throughout the life of a plant, and the site of production is dependent on the plant's age and environment.

Кіріспе және жалпы түсінік

Гормон шығаратын жасушалар қалқанша безі, жұмыртқа безі және ұрық безі сияқты ішкі секреция бездерінде кездеседі. Гормоналды сигнал беру келесі қадамдарды қамтиды:
Белгілі бір гормонның белгілі бір тінде биосинтезі. Гормонды сақтау және бөлінуі. Гормонды мақсатты жасушаларға тасымалдау. Мақсатты жасуша мембранасы немесе ішкі жасушалық рецептор ақуызы гормонды таниды. Алынған гормоналды сигналдың сигнал трансляциясы процесі арқылы релесі мен күшеюі: Бұл жасушалық жауапқа алып келеді. Мақсатты жасушалардың реакциясы бастапқы гормон өндіретін жасушалар тарапынан танылуы мүмкін, бұл гормон өндірісінің төмендеуіне әкеледі. Бұл гомеостаздық теріс кері байланыс циклының мысалы. Гормонның ыдырауы. Эндокринді бездер сигнал алғанда гормондарды бөліп шығару үшін экзоцитоз және мембраналық тасымалдаудың басқа да әдістері қолданылады. Иерархиялық модель гормоналды сигнал беру процесін шамадан тыс жеңілдету болып табылады. Белгілі бір гормоналды сигналды қабылдайтын жасушалар, инсулин сияқты, әртүрлі тіндерде орналасқан бірнеше жасуша типтерінің бірі болуы мүмкін, бұл әртүрлі жүйелік физиологиялық әсерлерге әкеледі. Сондай-ақ, әртүрлі тіндер бірдей гормоналды сигналға әртүрлі жауап беруі мүмкін.

Арнольд Адольф Бертольд (1849 ж.)

Арнольд Адольф Бертольд – 1849 жылы жұмыртқаның қызметі туралы сұрақ қойған неміс физиологы және зоологы. Ол қастрацияланған әтештердің толық жұмыртқасы бар әтештерге қарағанда әлсіз жыныстық мінез-құлық танытқанын байқады. Ол бұл құбылысты зерттеу үшін еркек әтештермен тәжірибе жүргізуге бел буды. Бір топ әтешті жұмыртқаларымен қалдырды, олардың қалыпты өлшемдегі қабыршақтары мен шошасы (екіншілік жыныстық мүшелер), қалыпты дауысы және қалыпты жыныстық және агрессивті мінез-құлықтары болды. Тағы бір топ әтештердің жұмыртқаларын хирургиялық жолмен алып тастады, олардың екіншілік жыныстық мүшелері кішірейгенін, дауысы әлсіз болғанын, аналықтарға қызығушылық танытпағанын және агрессивті емес екенін көрді. Ол бұл мүшенің осы мінез-құлық үшін өте маңызды екенін түсінді, бірақ қалай екенін білмеді. Бұл мәселені одан әрі тексеру үшін ол бір жұмыртқаны алып тастап, іш қуысына орналастырды. Әтештердің мінез-құлқы өзгермеді және дене құрылысы қалыпты қалды. Ол жұмыртқаның орналасуының маңызды емес екенін анықтады. Содан кейін ол жұмыртқадағы генетикалық факторлардың осы функцияларды қамтамасыз ететінін білгісі келді. Ол басқа әтештен жұмыртқаны алып, бір жұмыртқасы алынып тасталған әтешке трансплантациялады, олардың мінез-құлқы мен дене құрылысы да қалыпты болды. Бертольд жұмыртқаның орналасуының немесе генетикалық факторларының жыныстық мүшелер мен мінез-құлыққа ешқандай қатысы жоқ екенін, бірақ жұмыртқадан шығатын белгілі бір химиялық заттың осы құбылыстың себебі екенін анықтады. Кейін бұл заттың тестостерон гормоны екені анықталды.

Чарльз және Фрэнсис Дарвин (1880)

Чарльз Дарвин эволюция теориясы бойынша жұмыстарымен танымал болғанымен, өсімдіктерге де зор қызығушылық танытқан. 1870 жылдары ол ұлы Фрэнсиспен бірге өсімдіктердің жарыққа қарай қозғалысын зерттеді. Олар жарықтың жас сабақтың ұшында (колеоптилде) сезілетінін, ал иілу сабақтың төменгі бөлігінде болатынын көрсетті. Олар "берілетін заттың" жарықтың бағытын ұштан сабаққа жеткізетінін болжады. Басқа өсімдік биологтары алғашында "берілетін зат" идеясын қабылдамады, бірақ олардың жұмысы кейін алғашқы өсімдік гормонының табылуына әкелді. 1920 жылдары голланд ғалымы Фриц Вармольт Вент және орыс ғалымы Николай Холодный (бір-бірінен тәуелсіз жұмыс істеп) өсу гормонының асимметриялық жиналуы осы иілуге жауапты екенін нақтылады. 1933 жылы бұл гормонды Кёгль, Хааген Смит және Эркслебен ажыратып алды және оған "ауксин" деген ат берді.

Оливер мен Шефер (1894)

Британдық дәрігер Джордж Оливер мен Лондон университетінің профессоры, физиолог Эдвард Альберт Шефер бүйрекүсті безінің экстракттарының физиологиялық әсерін зерттеуде бірлесіп жұмыс істеді. Олар алғашқы нәтижелерін 1894 жылы екі есепте жариялады, ал толық жарияланым 1895 жылы жарық көрді. 1902 жылы Бейлис пен Старлинг тапқан секретинге қате атрибуцияланғанымен, Оливер мен Шефердің адреналин қамтитын бүйрекүсті безінің экстракты, физиологиялық өзгерістерге себеп болатын зат, – алғаш рет ашылған гормон болды. «Гормон» терминін кейін Старлинг ойлап тапты.

Бейлисс және Старлинг (1902)

Физиолог Уильям Бейлис және биолог Эрнест Старлинг жүйке жүйесінің ас қорыту жүйесіне әсер ететінін анықтағысы келді. Олар тамақ асқазаннан ішекке өткеннен кейін ас қорыту сұйықтықтарының бөлінуіне ұйқы безінің қатысы бар екенін білді және мұның жүйке жүйесіне байланысты деп ойлады. Жануарлар моделінде ұйқы безіне бағытталған нервтерді кесіп, секрецияны нерв импульстары емес екенін анықтады. Ішектерден қанға өтетін фактор ұйқы безін ас қорыту сұйықтықтарын бөлуге ынталандыратыны анықталды. Бұл фактор секретин деп аталды: гормон.

Сигнал беру түрлері

Гормоналды әсерлер олардың қай жерде бөлінетініне байланысты, себебі олар әртүрлі тәсілдермен бөлінуі мүмкін. Барлық гормондар клеткадан қанға тек мақсатты рецепторға байланысқанда ғана шығарылады. Гормондық сигнал берудің негізгі түрлері:
+Сигнал беру түрлері ГормондарSNТүсіндірмелер1Эндокриндік қан ағынына түскеннен кейін мақсатты жасушаларға әсер етеді.2Паракриндік жақын орналасқан жасушаларға әсер етеді және жалпы қан айналымына кіруі міндетті емес.3Автокриндік оны бөліп шығарған жасуша түрлеріне әсер етеді және биологиялық әсер тудырады.4Интракриндік оны синтездеген жасушалардың ішінде әсер етеді.

Химиялық кластар

Гормондар құрылымдық емес, функционалдық тұрғыдан анықталғандықтан, олардың химиялық құрамы әртүрлі болуы мүмкін. Гормондар көпжасушалы организмдерде (өсімдіктерде, жануарларда, саңырауқұлақтарда, қоңыр және қызыл балдырларда) кездеседі. Бұл заттар бір жасушалы организмдерде де табылады және сигналдық молекулалар ретінде әрекет ете алады, бірақ оларды гормон деп атауға қатысты пікір білдірушілік жоқ.

Омыртқасыздар

Омыртқалы жануарлармен салыстырғанда, жәндіктер мен қабықшалылар жасөспірімдер гормоны сияқты, құрылысы ерекше бірнеше гормондарға ие, ол сесквитерпеноид болып табылады.

Өсімдіктер

Мысалға, абсциз қышқылы, ауксин, цитокинин, этилен және гиббереллин жатады.

Қабылдағыштар

Көптеген гормондар жасушалық жауапты жасуша беткі рецепторларына немесе жасуша ішіндегі рецепторларға байланысу арқылы бастайды. Жасуша бір гормонды танитын, бірақ әртүрлі сигналдарды жіберу жолдарын белсендіретін бірнеше түрлі рецепторға ие болуы мүмкін, немесе жасуша әртүрлі гормондарды танитын және бірдей биохимиялық жолды белсендіретін бірнеше түрлі рецепторға ие болуы мүмкін. Пептид гормондарының көпшілігі, сондай-ақ көптеген эйкозаноид гормондарының рецепторлары жасушалық мембранаға жасуша беттік рецепторлар ретінде енген, және олардың көпшілігі жеті альфа-спиральді трансмембраналық ақуыздан тұратын G белоктарымен жұптасқан рецепторлар (GPCR) класына жатады. Гормон мен рецептордың өзара әрекеттесуі әдетте жасушаның цитоплазмасында екіншілік әсерлер тізбегін тудырады, бұл сигнал трандукциясы деп аталады, көбінесе басқа цитоплазмалық ақуыздардың фосфорилирленуі немесе дефосфорилирленуі, иондық каналдардың өткізгіштігінің өзгеруі немесе екіншілік хабаршылар ретінде әрекет ететін жасуша ішіндегі молекулалардың концентрациясының артуы (мысалы, циклдік АМФ). Кейбір белок гормондары цитоплазмада немесе ядрода орналасқан жасуша ішіндегі рецепторлармен интракрин механизмі арқылы да өзара әрекеттеседі. Стероидтық немесе қалқанша безі гормондары үшін олардың рецепторлары жасушаның цитоплазмасында орналасқан. Бұл рецепторлар лигандпен белсендірілетін транскрипция факторларының ядролық рецепторлар отбасысына жатады. Олардың рецепторларына байланысу үшін бұл гормондар алдымен жасуша мембранасынан өтуі керек. Олар липидтерге ерігіш болғандықтан мұны істей алады. Гормон-рецептор кешені содан кейін ядролық мембрана арқылы жасуша ядросына өтеді, онда ол белгілі бір ДНК тізбектерімен байланысып, белгілі бір гендердің экспрессиясын реттейді және осылайша осы гендер кодтайтын ақуыздардың деңгейін арттырады. Дегенмен, барлық стероид рецепторлары жасушаның ішінде орналасқан емес екені көрсетілді. Кейбіреулері плазмалық мембранамен байланысты.

Терапиялық қолдану

Көптеген гормондар мен олардың құрылымдық және функционалдық аналогтары дәрі ретінде қолданылады. Ең көп тағайындалатын гормондар – эстрогендер мен прогестогендер (гормоналды контрацепцияның әдістері ретінде және ГЗТ ретінде), тироксин (левотироксин ретінде, гипотиреоз үшін) және стероидтар (аутоиммундық аурулар мен бірнеше тыныс алу жолдарының бұзылыстары үшін). Көптеген диабетпен ауыратын адамдар инсулин қолданады. Отоларингологияда қолданылатын жергілікті препараттардың құрамында көбінесе адреналиннің фармакологиялық эквиваленттері болады, ал дерматологиялық практикада стероидтік және D витаминін қосатын кремдер кеңінен қолданылады. "Фармакологиялық доза" немесе "супрафизиологиялық доза" гормоны – медициналық қолданыстағы термин, ол дені сау организмде табиғи түрде кездесетін мөлшерден әлдеқайда көп гормон мөлшерін білдіреді. Гормондардың фармакологиялық дозаларының әсері табиғи мөлшерге жауаптан өзгеше болуы мүмкін және терапиялық тұрғыдан пайдалы болуы мүмкін, бірақ потенциалды жағымсыз әсерлерден толыққанды қорғай алмайды. Мысалы, глюкокортикоидтардың фармакологиялық дозалары қабынуды басуға қабілетті.