(lokale Regulatoren).

45. Chemische Signale bei Tieren
45.1 Eine Vielzahl von chemischer Signale koordiniert die
Körperfunktionen.
Hormone
Ein tierisches Hormon ist ein chemisches Signal, das in die Körperflüssigkeiten,
meistens Blut, ausgeschüttet wird und regulierende Botschaften im Körper verbreitet.
Dies erfolgt durch spezielle Zellen, die entweder endokrin oder neurosekretorisch
sein können. Als neurosekretorische Zellen bezeichnet man besondere Neuronen,
die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und darauf mit der Ausschüttung
von Hormonen in die Körperflüssigkeiten oder in Speicherorgane reagieren, aus
denen die Hormone zu einem späteren Zeitpunkt abgegeben werden.
Endokrine Zellen sind im Allgemeinen zu Organen zusammengefasst, die als
endokrine Drüsen bezeichnet werden. Man unterscheidet bei Tieren zwischen
exokrinen und endokrinen Drüsen. Exokrine Drüsen produzieren eine Vielzahl
von Substanzen, wozu Schweiss, Schleim und Verdauungsenzyme gehören.
Demgegenüber produzieren endokrine Drüsen Hormone und schütten diese
chemischen Botenstoffe in die Körperflüssigkeiten aus.
Die menschlichen Hormone sind nach ihrer chemischen Struktur in zwei Klassen
unterteilt. Die lipophilen Steroidhormone (vor allem Geschlechtshormone) und die
hydrophilen von Aminosäuren abgeleiteten Hormone.
Pheromone
Die Aufgabe der Pheromone besteht darin, die Übermittlung von Signalen zwischen
Tieren derselben Art. Es sind flüchtige Moleküle, die sich rasch in der Umwelt
verteilen und in geringen Mengen wirksam sind.
Lokale Regulatoren
Hormone übertragen Informationen via Blutkreislauf in den gesamten Körper,
während andere chemische Signale zwischen nahen oder benachbarten Zellen
funktionieren (lokale Regulatoren).
Bei der synaptischen Signalübertragung schüttet ein Neuron seinen Transmitter in
den synaptischen Spalt zwischen synaptischem Endkopf und Zielzelle aus. Etwas
weniger direkt, aber immer noch lokal beschränkt, läuft die parakrine
Signalübertragung ab. Diese findet statt, wenn eine Zelle regulatorisch wirkende
Substanzen in die umgebende interstitielle Flüssigkeit ausschüttet und diese nur auf
in der Nähe befindliche Zielzellen wirken.
Beispiele:
- einige Zellen produzieren Stickstoffmonoxid (NO), das hochreaktiv und giftig ist.
Deshalb wirkt es innert Sekunden auf die Zielzelle. Abgesondert von Neuronen
wirkt es als Neurotransmitter, weisse Blutzellen verwenden es als Killer von
Krebszellen und Bakterien.
- Wachstumsfaktoren sind Peptide und Proteine, die als lokale Regulatoren
funktionieren. Sie müssen in der extrazellulären Umgebung vieler Zellen für das
Wachstum, Teilung und Entwicklung vorhanden sein. Ein Wachstumsfaktor kann
verschiedene
Funktionen
haben.
Die
Interaktion
verschiedener
Wachstumsfaktoren reguliert das Zellverhalten in der Entwicklung von Gewebe
und Organen.
-1-
-
Prostaglandine (PG) sind veränderte Fettsäuren, die meist von den Lipiden der
Plasmamembran abstammen. PGs werden von den meisten Zelltypen in die
interstitielle Flüssigkeit abgegeben und funktionieren als lokale Regulatoren auf
benachbarte Zellen. PGs führen z.B. zu den Wehen oder helfen, Fieber, Schmerz
und Entzündungen auszulösen.
45.2 Die Bindung von Hormonen an spezifische Rezeptoren löst
Signalmechanismen auf zellulärer Ebene aus.
Hormone können in sehr geringen Konzentrationen wirken und können auf
unterschliedliche Zielzellen unterschiedlich wirken. Die Vielfalt der Antworten von
Zielzellen auf Hormone ist sehr gross und hängt von der Anzahl und Affinität der
Rezeptorproteine in den Zielzellen ab.
Steroidhormone dringen generell in die Zielzelle ein, binden an einen spezifischen
Rezeptor und der Hormon-Rezeptor-Komlex verändert die Genexpression. Die
meisten anderen Hormone, darunter auch die Peptidhormone wirken über
Signaltranduktionsketten, durch welche Enzyme im Cytoplasma über intrazelluläre
Botenstoffe reguliert werden. Steroide wirken also vor allem auf die Synthese von
Proteinen, während Peptidhormone auf die Aktivität von Enzyme und anderen
Proteinen wirken, die in der Zelle bereits vorhanden sind.
45.3 Viele chemische Signale werden durch sekundäre Messeneger
und Proteinkinasen übertragen und verstärkt.
Signaltransduktionswege am Beispiel des cAMP (zyklisches Adenosimonophosphat) als sekundärer Messenger.(Vergleiche auch Bilder und Beschrieb
im Buch)
Ein Hormon, ein primärer Messenger, bindet an ein spezifisches Rezeptorprotein in
der Plasmamembran einer Zielzelle und aktiviert diese. Der Hormon-RezeptorKomplex bindet dann an einen molekularen Überträger, ein G-Protein, das sich
ebenfalls in der Plasmamembran befindet. Das G-Protein (Überträgerprotein)
wiederum bindet GTP und stimuliert in diesem Zustand einen Effektor, das Enzym
Adenylatcyclase. Dieses Enzym setzt ATP zu cAMP um, welches den sekundären
Messenger darstellt. Einige G-Proteine stimulieren die Aktivität der Adenylatcyclase,
wodurch die Konzentration an cAMP im Cytoplasma und damit die Wirkung des
Hormons auf die Zielzelle gesteigert wird. Die inhibitorischen G-Proteine haben
gegesätzliche Wirkung.
Signalverstärkung und Signalspezifität
Eine Enzymkaskade, von einem Hormon ausgelöst, aktiviert in jedem Schritt ein
Enzym, welches seinerseits das nächste Enzym in der Folge aktiviert. Der Vorteil
dieser komplizierten Enzymkaskade ist das Verstärken der Antwort auf das Hormon.
In jedem katalytischen Schritt der Kaskade ist die Anzahl aktivierter Produkte sehr
viel grösser als im vorherigen Schritt.
Wie reagieren Zielzellen spezifisch auf die hormonellen Signale ?
- Ein bestimmter Zelltyp ist nur auf gewisse Hormone eingestimmt. Die Hormone
müssen auf die Rezeptoren auf der Oberfläche dieses Zelltyps passen.
- Die cAMP-abhängigen Proteinkinasen unterscheiden sich von Gewebe zu
Gewebe in ihrer Struktur und Funktion.
- Die Schritte, die auf die Aktivierung der Proteinkinasen folgen, unterscheiden sich
deutlich von einem Zelltyp zum anderen.
-2-
45.4 Bei Regulationsmechanismen von Invertebraten
endokrines System und Nervensystem oft eng zusammen.
wirken
In komplexeren Invertebraten wirken endokrines System und Nervensystem generell
bei der Kontrolle von Fortpflanzung und Entwicklung zusammen, wie zum Beispiel
bei den Insekten. Das Hormon Ectyson (E) stimuliert die Häutung und begünstigt die
Entwicklung adulter Merkmale. Kontrolliert wird die E-Produktion vom
prothoracotropen Hormon (PTTH), auch Brain Hormon genannt, welches in
neurosekretorischen Zellen im Hirn gebildet wird. Ein drittes Hormon, das
Juvenilhormon (JH), gleicht den PTTH- und E-Level aus und unterdrückt die
Metamorphose. Nur wenn der JH-Level sehr tief ist, kann eine E-initiierte Häutung
zur Puppe führen (siehe auch Bild im Buch).
45.5 Hypothalamus und Hypophyse steuern zahlreiche Funktionen
im endokrinen System der Wirbeltiere.
Hypothalamus
Der Hypothalamus spielt eine wichtige Rolle beim Zusammenwirken von
endokrinem System und Nervensystem. Diese Hirnregion empfängt Informationen
von Nerven aus dem gesamten Körper und von anderen Teilen des Gehirns. Der
Hypothalamus reagiert darauf mit dem Aussenden endokriner Signale, passend zur
Situation im externen Milieu.
Hypophyse (Hirnanhangdrüse)
Die Hypophyse ist ein kleines Organ mit vielfältigen endokrinen Funktionen und liegt
an der Basis des Hypothalamus. Sie ist eine übergeordnete Drüse, weil viele ihrer
Hormone andere endokrine Funktionen regulieren. Sie selbst steht aber unter der
hormonellen Kontrolle des Hypothalamus.
Neurohhypophyse (Hypophysenhinterlappen)
Die Neurohypophyse stellt eine Ausstülpung des Gehirn dar und speichert im
Gehirn gebildete Hormone und schüttet diese ins Blut aus. Zum Beispiel synthetisiert
der Hypothalamus die Peptidhormone Oxytocin und Adiuretin (ADH) und gibt sie
dann an die Neurohypophyse ab. Oxytocin induziert Uteruskontraktionen bei der
Geburt und regt die Milchdrüsen an. ADH wirkt auf die Nieren und fördert die
Zurückhaltung des Wassers im Urin (Osmolarität wird kontrolliert).
Adenohypophyse (Hypophysevorderlappen)
Die Adenohyphphyse besteht aus nicht-neuralem Gewebe mit endokriner Funktion
und synthetisiert selbst Hormone. Sie schüttet zwei Arten von Hormonen aus,
Releasing-Hormone (Freisetzungshormone) und inhibitorische Hormone
(hemmende Hormone).
-
Wachstumshormone (GHs) führen direkt zu Wachstum oder regen die
Produktion von insulinartigen Wachstumsfaktoren (IGFs) in der Leber an.
Störungen führen zu Gigantismus (Riesenwuchs), Zwergwuchs und Akromegalie
(Vergröberung der Gesichtszüge und enormes Wachstum an Händen und
Füssen).
-3-
Prolactin (PRL) hat eine grosse Vielfalt an Wirkungen, die es in verschiedenen
Vertebraten hervorruft. Zum Beispiel Drüsenwachstum und Milchbildung bei
Säugern, der Fettstoffwechsel bei Vögeln oder die Metamorphose bei Amphibien.
- Follikelstimilierende Hormone (FSH) und Luteinisierendes Hormon (LH) sind
die Gonadenhormone, da sie die Aktivität der männlichen und weiblichen
Gonaden steuern.
- Thyreotropin (TSH) reguliert die Thyroidhormone.
Aus einem einzigen Ursprungmolekül (Pro-Opiomelanocortin) entstammen die drei
weiteren Hormone:
- Adenocortocotropin (ATCH) stimuliert die Produktion und Sekretion von
Steroid-Hormonen in der Nebennierenrinde.
- Melanotropin (MSH) reguliert die Aktivität von Zellen und Pigmenten.
- Endorphine sind körpereigene Opiate.
-
45.6 Das endokrine System der Vertebraten ist für die Homöostase
verantwortlich und reguliert Wachstum, Entwicklung und
Fortpflanzung.
Schilddrüse
Sie produziert zwei ähnlich Hormone, die von der Aminosäure Tyrosin abgeleitet
werden: Trijodthyronin (T3, drei Jod-Atome) und Thyroxin (T4, vier Jod-Atome).
Beide werden durch ein komplexes negatives Rückkopplungssystem des
Hypothalamus und der Hypophyse kontrolliert. Schilddrüsenhormone sind zur
normalen Entwicklung von Knochen- und Nervenzellen notwendig (eine
Mangelerscheinung ist der Kretinismus) und helfen den Stoffwechsel, Blutdruck,
Verdauung....(Homöostase) aufrecht zu erhalten. Störungen zeigen sich als Hyper-,
Hypothyroidismus und Kropf. Die Schilddrüse sondert zudem Calcitonin ab, das den
Calcium-Level im Blut senkt.
Nebenschilddrüse
Die vier Nebenschilddrüsen sind in die Oberfläche der Schilddrüse eingebettet. Sie
sondern Parathyrin (PTH) ab, das den Calcium-Level im Blut erhöht. Die beiden
antagonistischen Hormone Calcitonin und PTH halten den Calciumhaushalt im Blut
aufrecht.
Pankreas (Bauchspeicheldrüse)
Er besteht aus endokrinem, hauptsächlich aber aus exokrinem Gewebe. Die
Langerhansschen Inseln, die endokrinen Zellhaufen des Pankreas, haben AlphaZellen, die das Peptidhormon Glucagon abgeben, und Beta-Zellen, die Insulin
absondern. Insulin und Glucagon regulieren auf antagonistische Weise die GlucoseKonzentration im Blut. Durch ein negatives Rückkopplungssystem determiniert die
Glucose-Konzentration die Mengen von Insulin und Glucagon, die abgegeben
werden.
Insulin senkt den Blutzuckerspiegel, indem es alle Körperzellen (ausser Hirn) anregt,
Glucose aufzunehmen und den Glycogen-Abbau in der Leber vermindert. Glucagon
hingegen signalisiert der Leber mehr Glycogen abzubauen und Amino- und
Fettsäuren zu Glucose zu verarbeiten.
Diabetes Mellitus ist eine Störung der Glucose-Homöostase wegen mangelnden
Insulins oder Fehlens einer Antwort auf Insulin im Zielgewebe. Die Folge ist ein zu
hoher Blutzuckerspiegel.
- Typ I : autoimmune Störung, eine Behandlung erfolgt durch Insulin-Injektionen.
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-
Typ II : Insulin-Mangel oder Veränderung der Insulin-Rezeptoren, eine
Behandlung erfolgt durch eine Diät.
Nebennieren (Rinde und Mark)
Nebennierenmark: Es besteht aus sekretorischen Zellen, die ursprünglich von der
Neuralleiste stammen. Das bekannte „fight-or-flight“-Verhalten wird ausgelöst durch
Adrenalin und Noradrenalin bei Kurzstress. Diese beiden Hormone gehören zu den
Catecholaminen, die aus der Aminosäure Tyrosin synthetisiert werden. Sie erhöhen
die Erhältlichkeit von Energiequellen und steigern die Blutversorgung zu Herz, Hirn
und gewissen Muskeln. Ausgelöst werden sie, wenn Nervenzellen erregt werden
durch Stress-Stimuli und folglich den Neurotransmitter Acetylcholin ins
Nebennierenmark freigeben.
Nebennierenrinde: Sie gibt Antwort auf endokrine Signale (Langzeitstress). ACTH
(aus Adenohypophyse) stimuliert Zellen der Nebennierenrinde Corticosteroide (z.B
Glucocorticoid, Mineralcorticoid) zu produzieren und abzusondern. Glucocorticoide
(z.B. Cortisol) rufen die Synthese von Glucose aus Proteinen (von Muskeln) und
Fetten hervor. Mineralcorticoide (z.B. Aldosteron) regulieren den Salz- und
Wasserhaushalt, indem sie durch die Nieren Sodium-Ionen und Wasser zurückhalten
und so den Blutdruck und das Blutvolumen erhöhen.
Gonaden (Hoden und Ovarien)
Sie produzieren Androgene, Östrogene und Gestagene, die alle in verschiedenen
Dosen bei Männern und Frauen vorkommen. Diese Steroidhormone wirken auf
Wachstum und Entwicklung und regulieren den Fortpflanzungszyklus und das
sexuelle Verhalten. Androgene (u.a. Testosteron) entwickeln und erhalten das
männliche Fortpflanzungssystem, bestimmen im Embryonal-Stadium die Entwicklung
zum Mann und sind verantwortlich für die Entwicklung der männlichen sekundären
Geschlechtsmerkmale. Östrogene (u.a. Östradiol) übernehmen die weibliche
Parallel-Rolle. Progestine (z.B. Progesteron) sind für die Vorbereitung und Erhaltung
der Uterusschleimhaut verantwortlich.
45.7 Endokrines System und Nervensystem sind strukturell,
chemisch und funktionell verbunden.
Man kann die Beziehung zwischen Hormon- und Nervensystem in drei Bereiche
unterteilen.
1. Strukturelle Beziehungen: Viele endokrine Drüsen bestehen aus
Nervengewebe. Einige davon sind in ihrer gegenwärtigen Form keine
Nervengewebe, haben sich aber evolutiv aus dem Nervensystem entwickelt.
2. Chemische Beziehungen: Mehrere Hormone der Wirbeltiere werden nicht nur
vom endokrinen System, sondern auch vom Nervensystem als Signalmoleküle
verwendet.
3. Funktionelle Beziehung : Die Kontrollmechanismen mancher physiologischer
Prozesse umfasst sowohl neuronale als auch hormonelle Ereignisse, die einander
abwechseln. Auch beeinflusst jedes System die Leistung des anderen.
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