Введение

Молекула биологической сигнализации

Гормон (от греческого частицы ὁρμῶν, "приводящий в движение") – это класс сигнальных молекул в многоклеточных организмах, переносимых к отдаленным органам или тканям посредством сложных биологических процессов для регуляции физиологии и поведения. Гормоны необходимы для правильного развития животных, растений и грибов. Ввиду широкого определения гормона (как сигнальной молекулы, оказывающей свое действие вдали от места его синтеза), множество молекул могут быть классифицированы как гормоны. К веществам, которые могут рассматриваться как гормоны, относятся эйкозаноиды (например, простагландины и тромбоксаны), стероиды (например, эстроген и брассиностероид), производные аминокислот (например, эпинефрин и ауксин), белки или пептиды (например, инсулин и пептиды CLE) и газы (например, этилен и оксид азота). Гормоны используются для коммуникации между органами и тканями. У позвоночных гормоны отвечают за регуляцию широкого спектра процессов, включая как физиологические процессы, так и поведенческие реакции, такие как пищеварение, метаболизм, дыхание, сенсорное восприятие, сон, выделение, лактация, индукция стресса, рост и развитие, движение, размножение и модуляция настроения. У растений гормоны регулируют практически все аспекты развития, от прорастания до старения. Гормоны воздействуют на удаленные клетки, связываясь со специфическими рецепторными белками в клетке-мишени, что приводит к изменению функции клетки. Связывание гормона с рецептором запускает активацию пути передачи сигнала, который обычно активирует транскрипцию генов, приводя к увеличению экспрессии целевых белков. Гормоны также могут действовать по негеномным путям, синергичным с геномными эффектами. Водорастворимые гормоны (такие как пептиды и амины) обычно действуют на поверхности клеток-мишеней через вторичных посредников. Липидорастворимые гормоны (такие как стероиды) обычно проникают через плазматические мембраны клеток-мишеней (как цитоплазматические, так и ядерные) для действия внутри ядра. Брассиностероиды, тип полигидроксистероидов, представляют собой шестой класс растительных гормонов и могут быть полезны в качестве противораковых препаратов для эндокринно-чувствительных опухолей, вызывая апоптоз и ограничивая рост растений. Несмотря на липидную растворимость, они тем не менее связываются со своим рецептором на поверхности клетки. У позвоночных эндокринные железы – это специализированные органы, секретирующие гормоны в эндокринную систему сигнализации. Секреция гормонов происходит в ответ на специфические биохимические сигналы и часто подвергается регуляции отрицательной обратной связью. Например, высокая концентрация глюкозы в крови способствует синтезу инсулина. Инсулин затем снижает уровень глюкозы и поддерживает гомеостаз, что приводит к снижению уровня инсулина. После секреции водорастворимые гормоны легко транспортируются по кровеносной системе. Липидорастворимые гормоны должны связываться с плазменными гликопротеинами-носителями (например, тироксинсвязывающим глобулином (TBG)) для образования лиганд-белковых комплексов. Некоторые гормоны, такие как инсулин и гормон роста, могут высвобождаться в кровоток уже в полностью активной форме. Другие гормоны, называемые прогормонами, должны активироваться в определенных клетках посредством ряда последовательных этапов, которые обычно строго контролируются. Эндокринная система секретирует гормоны непосредственно в кровоток, как правило, через фенестрированные капилляры, в то время как экзокриновая система секретирует свои гормоны косвенно, используя протоки. Гормоны с паракринной функцией диффундируют через интерстициальное пространство к близлежащим тканям-мишеням. У растений отсутствуют специализированные органы для секреции гормонов, хотя наблюдается пространственное распределение продукции гормонов. Например, гормон ауксин вырабатывается главным образом на кончиках молодых листьев и в верхушечной меристеме побега. Отсутствие специализированных желез означает, что основной сайт продукции гормонов может меняться на протяжении всей жизни растения, а сайт продукции зависит от возраста и окружающей среды растения.

Введение и обзор

Клетки, производящие гормоны, находятся в эндокринных железах, таких как щитовидная железа, яичники и яички. Гормональная сигнализация включает следующие этапы: биосинтез конкретного гормона в определенной ткани; хранение и секреция гормона; транспорт гормона к клеткам-мишеням; распознавание гормона ассоциированным с клеткой мембранным или внутриклеточным рецепторным белком; передача и усиление полученного гормонального сигнала посредством процесса передачи сигнала, что приводит к клеточному ответу. Реакция клеток-мишеней может быть распознана клетками, изначально производящими гормон, что приводит к снижению продукции гормона. Это пример гомеостатической отрицательной обратной связи. Распад гормона. Экзоцитоз и другие методы мембранного транспорта используются для секреции гормонов при поступлении сигналов в эндокринные железы. Иерархическая модель является упрощением процесса гормональной сигнализации. Клеточные рецепторы конкретного гормонального сигнала могут быть одним из нескольких типов клеток, расположенных в различных тканях, как в случае инсулина, который вызывает широкий спектр системных физиологических эффектов. Различные типы тканей также могут по-разному реагировать на один и тот же гормональный сигнал.

Арнольд Адольф Бертольд (1849)

Арнольд Адольф Бертольд был немецким физиологом и зоологом, который в 1849 году заинтересовался функцией яичек. Он заметил, что у кастрированных петухов не наблюдается тех же сексуальных проявлений, что и у петухов с сохранными яичками. Он решил провести эксперимент на петухах, чтобы изучить это явление. Он содержал группу петухов с нетронутыми яичками и обнаружил, что у них нормальные по размеру сережки и гребни (вторичные половые признаки), нормальный крик и нормальное сексуальное и агрессивное поведение. Он также удалил яички у другой группы и заметил, что их вторичные половые признаки уменьшились в размере, крик стал слабым, у них не было сексуального влечения к самкам и они не проявляли агрессии. Он понял, что этот орган необходим для этих проявлений, но не знал, как именно. Чтобы проверить это, он удалил одно яичко и поместил его в брюшную полость. Петухи вели себя нормально и имели нормальное физическое строение. Он убедился, что местоположение яичек не имеет значения. Затем он захотел выяснить, играет ли роль генетический фактор, содержащийся в яичках, обеспечивающий эти функции. Он пересадил яичко от одного петуха петуху, у которого было удалено одно яичко, и обнаружил, что у него также нормальное поведение и физическое строение. Бертольд пришел к выводу, что местоположение или генетические факторы яичек не влияют на половые органы и поведение, но что определенное химическое вещество, выделяемое яичками, является причиной этих явлений. Позже было установлено, что этим веществом был гормон тестостерон.

Чарльз и Фрэнсис Дарвин (1880)

Хотя Чарльз Дарвин известен прежде всего своей теорией эволюции, он также живо интересовался растениями. В 1870-х годах он и его сын Фрэнсис изучали движение растений к свету. Им удалось показать, что свет воспринимается на кончике молодого стебля (колеоптиль), в то время как изгиб происходит ниже по стеблю. Они предположили, что «передающееся вещество» передает информацию о направлении света от кончика вниз по стеблю. Идея «передающегося вещества» первоначально была отвергнута другими биологами, изучающими растения, но их работа впоследствии привела к открытию первого растительного гормона. В 1920-х годах голландский ученый Фриц Вармольт Вент и русский ученый Николай Холодный (работавшие независимо друг от друга) окончательно доказали, что асимметричное накопление гормона роста отвечает за этот изгиб. В 1933 году этот гормон был окончательно выделен Кёглем, Хаагеном Смитом и Эркслебеном и получил название «ауксин».

Оливер и Шейфер (1894)

Британский врач Джордж Оливер и физиолог Эдвард Альберт Шейфер, профессор Университетского колледжа Лондона, сотрудничали в изучении физиологического действия экстрактов надпочечников. Они впервые опубликовали свои результаты в двух отчетах в 1894 году, а полная публикация последовала в 1895 году. Хотя часто ошибочно приписывается секретину, открытому Бейлисом и Старлингом в 1902 году, экстракт надпочечников Оливера и Шейфера, содержащий адреналин – вещество, вызывающее эти физиологические изменения, – был первым открытым гормоном. Термин "гормон" позднее был введен Старлингом.

Бейлис и Старлинг (1902)

Уильям Бэйлис и Эрнест Старлинг, физиолог и биолог соответственно, стремились выяснить, влияет ли нервная система на пищеварение. Они знали, что поджелудочная железа участвует в выделении пищеварительных соков после поступления пищи из желудка в кишечник, и полагали, что это происходит под контролем нервной системы. Они перерезали нервы, идущие к поджелудочной железе, в экспериментальной модели и обнаружили, что именно нервные импульсы не управляют секрецией поджелудочной железы. Было установлено, что поджелудочная железа стимулируется к выделению пищеварительных соков фактором, выделяемым кишечником в кровь. Этот фактор был назван секретином – гормоном.

Типы сигнализации

Гормональные эффекты зависят от места их высвобождения, поскольку высвобождение может происходить различными способами. Не все гормоны выделяются из клетки в кровь до тех пор, пока они не свяжутся с рецептором на клетке-мишени. Основные типы гормональной сигнализации:
+Типы сигнализации ГормоныSNTыпыОписание1ЭндокриннаяВоздействует на клетки-мишени после попадания в кровоток.2ПаракриннаяВоздействует на близлежащие клетки и не требует попадания в общий кровоток.3АвтокриннаяВоздействует на те типы клеток, которые ее выделили, вызывая биологический эффект.4ИнтракриннаяВоздействует внутриклеточно на клетки, которые ее синтезировали.

Химические классы

Поскольку гормоны определяются функционально, а не структурно, они могут обладать разнообразными химическими структурами. Гормоны присутствуют в многоклеточных организмах (растениях, животных, грибах, бурых и красных водорослях). Эти соединения встречаются также в одноклеточных организмах и могут выступать в роли сигнальных молекул, однако нет единого мнения о том, можно ли эти молекулы называть гормонами.

Беспозвоночные

По сравнению с позвоночными, насекомые и ракообразные обладают рядом структурно необычных гормонов, таких как ювенильный гормон – сесквитерпеноид.

Растения

Примерами служат абсцизовая кислота, ауксин, цитокинин, этилен и гиббереллин.

Рецепторы

Большинство гормонов инициируют клеточный ответ, первоначально связываясь либо с рецепторами на поверхности клетки, либо с внутриклеточными рецепторами. Клетка может иметь несколько различных рецепторов, распознающих один и тот же гормон, но активирующих разные пути передачи сигнала, или несколько различных рецепторов, распознающих разные гормоны и активирующих один и тот же биохимический путь. Рецепторы для большинства пептидных гормонов, а также многих эйкозаноидов, встроены в клеточную мембрану как рецепторы клеточной поверхности, и большинство из них относится к классу G-белкосоединенных рецепторов (GPCR) – семи трансмембранных белков с альфа-спиральной структурой. Взаимодействие гормона и рецептора обычно запускает каскад вторичных эффектов в цитоплазме клетки, описываемый как передача сигнала, часто включающий фосфорилирование или дефосфорилирование различных цитоплазматических белков, изменение проницаемости ионных каналов или повышение концентрации внутриклеточных молекул, которые могут выступать в качестве вторичных посредников (например, циклического АМФ). Некоторые белковые гормоны также взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами, расположенными в цитоплазме или ядре, посредством внутрикринного механизма. Для стероидных гормонов или гормонов щитовидной железы их рецепторы находятся внутри клетки, в цитоплазме клетки-мишени. Эти рецепторы принадлежат к семейству ядерных рецепторов – лигандоактивированных факторов транскрипции. Чтобы связаться со своими рецепторами, эти гормоны должны сначала преодолеть клеточную мембрану, что им удается благодаря их липофильности. Затем комплекс гормон-рецептор перемещается через ядерную мембрану в ядро клетки, где связывается со специфическими последовательностями ДНК, регулируя экспрессию определенных генов и тем самым повышая уровень белков, кодируемых этими генами. Однако было показано, что не все стероидные рецепторы локализованы внутри клетки; некоторые связаны с плазматической мембраной.

Терапевтическое применение

Многие гормоны и их структурные и функциональные аналоги используются в качестве лекарственных средств. Наиболее часто назначаемые гормоны – это эстрогены и прогестогены (в качестве методов гормональной контрацепции и заместительной гормональной терапии), тироксин (в виде левотироксина при гипотиреозе) и стероиды (при аутоиммунных заболеваниях и некоторых респираторных нарушениях). Инсулин используют многие пациенты с сахарным диабетом. Местные препараты для применения в отоларингологии часто содержат фармакологические эквиваленты адреналина, а стероидные и кремы с витамином D широко применяются в дерматологической практике. "Фармакологическая доза" или "супрафизиологическая доза" гормона – это медицинский термин, обозначающий количество гормона, значительно превышающее его естественный уровень в здоровом организме. Эффекты фармакологических доз гормонов могут отличаться от реакций на естественные уровни и могут быть терапевтически полезными, хотя и не обходятся без потенциальных нежелательных побочных эффектов. Примером может служить способность фармакологических доз глюкокортикоидов подавлять воспаление.