17.3: הורמונים
- Page ID
- 206294
בסוף פרק זה תוכל:
- זהה את שלושת סוגי ההורמונים העיקריים על בסיס מבנה כימי
- השווה והשוואה בין קולטני הורמונים תוך תאיים וקרום התא
- תאר מסלולי איתות הכוללים cAMP ו- IP3
- זהה מספר גורמים המשפיעים על תגובת תא המטרה
- דון בתפקידם של לולאות משוב וגירויים הומורליים, הורמונליים ועצביים בשליטה על ההורמונים
למרות שהורמון נתון עשוי לנוע בכל הגוף בזרם הדם, הוא ישפיע על הפעילות רק של תאי המטרה שלו; כלומר, תאים עם קולטנים להורמון המסוים הזה. ברגע שההורמון נקשר לקולטן, מתחילה שרשרת אירועים המובילה לתגובת תא המטרה. להורמונים תפקיד קריטי בוויסות תהליכים פיזיולוגיים בגלל תגובות תאי המטרה שהם מווסתים. תגובות אלו תורמות לרבייה אנושית, צמיחה והתפתחות של רקמות הגוף, חילוף חומרים, איזון נוזלים ואלקטרוליטים, שינה ותפקודי גוף רבים אחרים. ההורמונים העיקריים של גוף האדם והשפעותיהם מזוהים בטבלה\(\PageIndex{1}\).
| בלוטה אנדוקרינית | הורמונים קשורים | מחלקה כימית | אפקט |
|---|---|---|---|
| יותרת המוח (קדמית) | הורמון גדילה (GH) | חלבון | מקדם צמיחה של רקמות הגוף |
| יותרת המוח (קדמית) | פרולקטין (PRL) | פפטיד | מקדם ייצור חלב |
| יותרת המוח (קדמית) | הורמון מגרה בלוטת התריס (TSH) | גליקופרוטאין | ממריץ את שחרור הורמון בלוטת התריס |
| יותרת המוח (קדמית) | הורמון אדרנוקורטיקוטרופי (ACTH) | פפטיד | ממריץ את שחרור ההורמונים על ידי קליפת האדרנל |
| יותרת המוח (קדמית) | הורמון מגרה זקיק (FSH) | גליקופרוטאין | ממריץ את ייצור הגמטות |
| יותרת המוח (קדמית) | הורמון מחלמן (LH) | גליקופרוטאין | ממריץ את ייצור האנדרוגן על ידי בלוטות המין |
| יותרת המוח (אחורי) | הורמון אנטי-דיורטי (ADH) | פפטיד | ממריץ ספיגה חוזרת של מים בכליות |
| יותרת המוח (אחורי) | אוקסיטוצין | פפטיד | מגרה התכווצויות הרחם במהלך הלידה |
| בלוטת התריס | תירוקסין (T 4), טריודוטירונין (T 3) | אמין | לעורר את קצב חילוף החומרים הבסיסי |
| בלוטת התריס | קלציטונין | פפטיד | מפחית רמות Ca 2 + בדם |
| פארתירואיד | הורמון פארתירואיד (PTH) | פפטיד | מגביר את רמות Ca 2 + בדם |
| יותרת הכליה (קליפת המוח) | אלדוסטרון | סטרואידים | מעלה את רמות Na + בדם |
| יותרת הכליה (קליפת המוח) | קורטיזול, קורטיקוסטרון, קורטיזון | סטרואידים | הגדל את רמות הגלוקוז בדם |
| יותרת הכליה (מדולה) | אפינפרין, נוראדרנלין | אמין | לעורר את תגובת הלחימה או הבריחה |
| האצטרובל | מלטונין | אמין | מסדיר מחזורי שינה |
| לבלב | אינסולין | חלבון | מפחית את רמות הגלוקוז בדם |
| לבלב | גלוקגון | חלבון | מעלה את רמות הגלוקוז בדם |
| אשכים | טסטוסטרון | סטרואידים | ממריץ התפתחות של מאפייני מין כולל קול עמוק יותר, מסת שריר מוגברת, התפתחות שיער גוף וייצור זרע |
| השחלות | אסטרוגנים ופרוגסטרון | סטרואידים | לעורר התפתחות של מאפייני מין כולל התפתחות רקמת שומן ושד, ולהכין את הגוף ללידה |
סוגי הורמונים
ההורמונים של גוף האדם ניתן לחלק לשתי קבוצות עיקריות על בסיס המבנה הכימי שלהם. הורמונים שמקורם בחומצות אמינו כוללים אמינים, פפטידים וחלבונים. אלה שמקורם בשומנים כוללים סטרואידים (איור\(\PageIndex{1}\)). קבוצות כימיות אלה משפיעות על התפלגות ההורמון, על סוג הקולטנים שאליהם הוא נקשר ועל היבטים אחרים של תפקודו.
Amine Hormones
Hormones derived from the modification of amino acids are referred to as amine hormones. Typically, the original structure of the amino acid is modified such that a –COOH, or carboxyl, group is removed, whereas the , or amine, group remains.
Amine hormones are synthesized from the amino acids tryptophan or tyrosine. An example of a hormone derived from tryptophan is melatonin, which is secreted by the pineal gland and helps regulate circadian rhythm. Tyrosine derivatives include the metabolism-regulating thyroid hormones, as well as the catecholamines, such as epinephrine, norepinephrine, and dopamine. Epinephrine and norepinephrine are secreted by the adrenal medulla and play a role in the fight-or-flight response, whereas dopamine is secreted by the hypothalamus and inhibits the release of certain anterior pituitary hormones.
Peptide and Protein Hormones
Whereas the amine hormones are derived from a single amino acid, peptide and protein hormones consist of multiple amino acids that link to form an amino acid chain. Peptide hormones consist of short chains of amino acids, whereas protein hormones are longer polypeptides. Both types are synthesized like other body proteins: DNA is transcribed into mRNA, which is translated into an amino acid chain.
Examples of peptide hormones include antidiuretic hormone (ADH), a pituitary hormone important in fluid balance, and atrial-natriuretic peptide, which is produced by the heart and helps to decrease blood pressure. Some examples of protein hormones include growth hormone, which is produced by the pituitary gland, and follicle-stimulating hormone (FSH), which has an attached carbohydrate group and is thus classified as a glycoprotein. FSH helps stimulate the maturation of eggs in the ovaries and sperm in the testes.
Steroid Hormones
The primary hormones derived from lipids are steroids. Steroid hormones are derived from the lipid cholesterol. For example, the reproductive hormones testosterone and the estrogens—which are produced by the gonads (testes and ovaries)—are steroid hormones. The adrenal glands produce the steroid hormone aldosterone, which is involved in osmoregulation, and cortisol, which plays a role in metabolism.
Like cholesterol, steroid hormones are not soluble in water (they are hydrophobic). Because blood is water-based, lipid-derived hormones must travel to their target cell bound to a transport protein. This more complex structure extends the half-life of steroid hormones much longer than that of hormones derived from amino acids. A hormone’s half-life is the time required for half the concentration of the hormone to be degraded. For example, the lipid-derived hormone cortisol has a half-life of approximately 60 to 90 minutes. In contrast, the amino acid–derived hormone epinephrine has a half-life of approximately one minute.
Pathways of Hormone Action
The message a hormone sends is received by a hormone receptor, a protein located either inside the cell or within the cell membrane. The receptor will process the message by initiating other signaling events or cellular mechanisms that result in the target cell’s response. Hormone receptors recognize molecules with specific shapes and side groups, and respond only to those hormones that are recognized. The same type of receptor may be located on cells in different body tissues, and trigger somewhat different responses. Thus, the response triggered by a hormone depends not only on the hormone, but also on the target cell.
Once the target cell receives the hormone signal, it can respond in a variety of ways. The response may include the stimulation of protein synthesis, activation or deactivation of enzymes, alteration in the permeability of the cell membrane, altered rates of mitosis and cell growth, and stimulation of the secretion of products. Moreover, a single hormone may be capable of inducing different responses in a given cell.
Pathways Involving Intracellular Hormone Receptors
Intracellular hormone receptors are located inside the cell. Hormones that bind to this type of receptor must be able to cross the cell membrane. Steroid hormones are derived from cholesterol and therefore can readily diffuse through the lipid bilayer of the cell membrane to reach the intracellular receptor (Figure \(\PageIndex{2}\)). Thyroid hormones, cross the cell membrane by a specific carrier-mediated mechanism that is energy and Na+ dependent.
The location of steroid and thyroid hormone binding differs slightly: a steroid hormone may bind to its receptor within the cytosol or within the nucleus. In either case, this binding generates a hormone-receptor complex that moves toward the chromatin in the cell nucleus and binds to a particular segment of the cell’s DNA. In contrast, thyroid hormones bind to receptors already bound to DNA. For both steroid and thyroid hormones, binding of the hormone-receptor complex with DNA triggers transcription of a target gene to mRNA, which moves to the cytosol and directs protein synthesis by ribosomes.
מסלולים הכוללים קולטני הורמונים של קרום התא
הורמונים הידרופיליים, או מסיסים במים, אינם מסוגלים להתפזר דרך דו שכבת השומנים של קרום התא ולכן עליהם להעביר את המסר שלהם לקולטן הממוקם על פני התא. פרט להורמוני בלוטת התריס, המסיסים בשומנים, כל ההורמונים שמקורם בחומצות אמינו נקשרים לקולטני קרום התא הממוקמים, לפחות בחלקם, על פני השטח החוץ -תאיים של קרום התא. לכן, הם אינם משפיעים ישירות על שעתוק גני המטרה, אלא יוזמים מפל איתות המתבצע על ידי מולקולה הנקראת שליח שני. במקרה זה, ההורמון נקרא שליח ראשון.
השליח השני המשמש את רוב ההורמונים הוא אדנוסין מונופוספט מחזורי (cAMP). במערכת השליחים השנייה של cAMP, הורמון מסיס במים נקשר לקולטן שלו בקרום התא (שלב 1 באיור\(\PageIndex{3}\)). קולטן זה קשור לרכיב תוך תאי הנקרא חלבון G, וקשירת ההורמון מפעילה את רכיב חלבון ה- G (שלב 2). חלבון ה- G המופעל בתורו מפעיל אנזים הנקרא אדניליל ציקלאז, הידוע גם בשם אדנילט ציקלאז (שלב 3), הממיר אדנוסין טריפוספט (ATP) ל- cAMP (שלב 4). כשליח השני, cAMP מפעיל סוג של אנזים הנקרא חלבון קינאז שנמצא בציטוזול (שלב 5). קינאזות חלבון מופעלות יוזמות מפל זרחון, שבו קינאזות חלבון מרובות מזרחנות (מוסיפות קבוצת פוספט ל) חלבונים תאיים רבים ושונים, כולל אנזימים אחרים (שלב 6).
The phosphorylation of cellular proteins can trigger a wide variety of effects, from nutrient metabolism to the synthesis of different hormones and other products. The effects vary according to the type of target cell, the G proteins and kinases involved, and the phosphorylation of proteins. Examples of hormones that use cAMP as a second messenger include calcitonin, which is important for bone construction and regulating blood calcium levels; glucagon, which plays a role in blood glucose levels; and thyroid-stimulating hormone, which causes the release of T3 and T4 from the thyroid gland.
Overall, the phosphorylation cascade significantly increases the efficiency, speed, and specificity of the hormonal response, as thousands of signaling events can be initiated simultaneously in response to a very low concentration of hormone in the bloodstream. However, the duration of the hormone signal is short, as cAMP is quickly deactivated by the enzyme phosphodiesterase (PDE), which is located in the cytosol. The action of PDE helps to ensure that a target cell’s response ceases quickly unless new hormones arrive at the cell membrane.
Importantly, there are also G proteins that decrease the levels of cAMP in the cell in response to hormone binding. For example, when growth hormone–inhibiting hormone (GHIH), also known as somatostatin, binds to its receptors in the pituitary gland, the level of cAMP decreases, thereby inhibiting the secretion of human growth hormone.
Not all water-soluble hormones initiate the cAMP second messenger system. One common alternative system uses calcium ions as a second messenger. In this system, G proteins activate the enzyme phospholipase C (PLC), which functions similarly to adenylyl cyclase. Once activated, PLC cleaves a membrane-bound phospholipid into two molecules: diacylglycerol (DAG) and inositol triphosphate (IP3). Like cAMP, DAG activates protein kinases that initiate a phosphorylation cascade. At the same time, IP3 causes calcium ions to be released from storage sites within the cytosol, such as from within the smooth endoplasmic reticulum. The calcium ions then act as second messengers in two ways: they can influence enzymatic and other cellular activities directly, or they can bind to calcium-binding proteins, the most common of which is calmodulin. Upon binding calcium, calmodulin is able to modulate protein kinase within the cell. Examples of hormones that use calcium ions as a second messenger system include angiotensin II, which helps regulate blood pressure through vasoconstriction, and growth hormone–releasing hormone (GHRH), which causes the pituitary gland to release growth hormones.
Factors Affecting Target Cell Response
You will recall that target cells must have receptors specific to a given hormone if that hormone is to trigger a response. But several other factors influence the target cell response. For example, the presence of a significant level of a hormone circulating in the bloodstream can cause its target cells to decrease their number of receptors for that hormone. This process is called downregulation, and it allows cells to become less reactive to the excessive hormone levels. When the level of a hormone is chronically reduced, target cells engage in upregulation to increase their number of receptors. This process allows cells to be more sensitive to the hormone that is present. Cells can also alter the sensitivity of the receptors themselves to various hormones.
Two or more hormones can interact to affect the response of cells in a variety of ways. The three most common types of interaction are as follows:
- The permissive effect, in which the presence of one hormone enables another hormone to act. For example, thyroid hormones have complex permissive relationships with certain reproductive hormones. A dietary deficiency of iodine, a component of thyroid hormones, can therefore affect reproductive system development and functioning.
- The synergistic effect, in which two hormones with similar effects produce an amplified response. In some cases, two hormones are required for an adequate response. For example, two different reproductive hormones—FSH from the pituitary gland and estrogens from the ovaries—are required for the maturation of female ova (egg cells).
- The antagonistic effect, in which two hormones have opposing effects. A familiar example is the effect of two pancreatic hormones, insulin and glucagon. Insulin increases the liver’s storage of glucose as glycogen, decreasing blood glucose, whereas glucagon stimulates the breakdown of glycogen stores, increasing blood glucose.
Regulation of Hormone Secretion
To prevent abnormal hormone levels and a potential disease state, hormone levels must be tightly controlled. The body maintains this control by balancing hormone production and degradation. Feedback loops govern the initiation and maintenance of most hormone secretion in response to various stimuli.
Role of Feedback Loops
The contribution of feedback loops to homeostasis will only be briefly reviewed here. Positive feedback loops are characterized by the release of additional hormone in response to an original hormone release. The release of oxytocin during childbirth is a positive feedback loop. The initial release of oxytocin begins to signal the uterine muscles to contract, which pushes the fetus toward the cervix, causing it to stretch. This, in turn, signals the pituitary gland to release more oxytocin, causing labor contractions to intensify. The release of oxytocin decreases after the birth of the child.
The more common method of hormone regulation is the negative feedback loop. Negative feedback is characterized by the inhibition of further secretion of a hormone in response to adequate levels of that hormone. This allows blood levels of the hormone to be regulated within a narrow range. An example of a negative feedback loop is the release of glucocorticoid hormones from the adrenal glands, as directed by the hypothalamus and pituitary gland. As glucocorticoid concentrations in the blood rise, the hypothalamus and pituitary gland reduce their signaling to the adrenal glands to prevent additional glucocorticoid secretion (Figure \(\PageIndex{4}\)).
תפקיד גירויי הבלוטה האנדוקרינית
רפלקסים המופעלים על ידי גירויים כימיים ועצביים שולטים בפעילות האנדוקרינית. רפלקסים אלה עשויים להיות פשוטים, הכוללים תגובה הורמונלית אחת בלבד, או שהם עשויים להיות מורכבים יותר וכוללים הורמונים רבים, כפי שקורה בשליטה ההיפותלמית של הורמונים מבוקרים יותרת המוח הקדמית.
גירויים הומורליים הם שינויים ברמות הדם של כימיקלים שאינם הורמונליים, כגון חומרים מזינים או יונים, הגורמים לשחרור או עיכוב של הורמון, בתורו, לשמור על הומאוסטזיס. לדוגמה, אוסמורצפטורים בהיפותלמוס מזהים שינויים באוסמולריות הדם (ריכוז המומסים בפלסמת הדם). אם אוסמולריות הדם גבוהה מדי, כלומר הדם אינו מדולל מספיק, אוסמורצפטורים מאותתים להיפותלמוס לשחרר ADH. ההורמון גורם לכליות לספוג מחדש יותר מים ולהפחית את נפח השתן המיוצר. ספיגה חוזרת זו גורמת להפחתת האוסמולריות של הדם, ומדללת את הדם לרמה המתאימה. ויסות הגלוקוז בדם הוא דוגמא נוספת. רמות גלוקוז גבוהות בדם גורמות לשחרור אינסולין מהלבלב, מה שמגביר את ספיגת הגלוקוז על ידי תאים ואחסון כבד של גלוקוז כגליקוגן.
בלוטה אנדוקרינית עשויה גם להפריש הורמון בתגובה לנוכחות הורמון אחר המיוצר על ידי בלוטה אנדוקרינית אחרת. גירויים הורמונליים כאלה כוללים לרוב את ההיפותלמוס, המייצר הורמונים משחררים ומעכבים השולטים בהפרשת מגוון הורמוני יותרת המוח.
בנוסף לאותות כימיים אלה, ניתן לשחרר הורמונים גם בתגובה לגירויים עצביים. דוגמה נפוצה לגירויים עצביים היא הפעלת תגובת הלחימה או הבריחה על ידי מערכת העצבים הסימפתטית. כאשר אדם תופס סכנה, נוירונים סימפטיים מאותתים לבלוטת יותרת הכליה להפריש נוראדרנלין ואפינפרין. שני ההורמונים מרחיבים את כלי הדם, מגבירים את הלב ואת קצב הנשימה ומדכאים את מערכת העיכול והחיסון. תגובות אלו מגבירות את הובלת החמצן של הגוף למוח ולשרירים, ובכך משפרות את יכולתו של הגוף להילחם או לברוח.
חיבור יומיומי
ביספנול A והפרעה אנדוקרינית
יתכן ששמעת דיווחי חדשות על השפעותיו של חומר כימי הנקרא ביספנול A (BPA) בסוגים שונים של אריזות מזון. BPA משמש בייצור פלסטיק קשיח ושרפי אפוקסי. פריטים נפוצים הקשורים למזון שעשויים להכיל BPA כוללים בטנה של פחי אלומיניום, מיכלי אחסון מזון מפלסטיק, כוסות שתייה, כמו גם בקבוקי תינוקות וכוסות "סיפי". שימושים אחרים ב- BPA כוללים ציוד רפואי, סתימות שיניים ורירית צינורות מים.
מחקרים מצביעים על כך ש- BPA הוא משבש אנדוקריני, כלומר הוא מפריע לרעה למערכת האנדוקרינית, במיוחד בתקופת ההתפתחות לפני הלידה ואחרי הלידה. בפרט, BPA מחקה את ההשפעות ההורמונליות של אסטרוגנים ויש לו השפעה הפוכה - זו של אנדרוגנים. מינהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) מציין בהצהרתם על בטיחות BPA שלמרות שמחקרי טוקסיקולוגיה מסורתיים תמכו בבטיחות רמות נמוכות של חשיפה ל- BPA, מחקרים אחרונים המשתמשים בגישות חדשות לבדיקת השפעות עדינות הובילו לדאגה מסוימת לגבי ההשפעות הפוטנציאליות של BPA על המוח, ההתנהגות ובלוטת הערמונית בעוברים, תינוקות וילדים צעירים. ה- FDA מקל כיום על ירידה בשימוש ב- BPA בחומרים הקשורים למזון. חברות אמריקאיות רבות הסירו מרצונם BPA מבקבוקי תינוקות, כוסות "סיפי" ומצעי פחיות פורמולה לתינוקות, ורוב בקבוקי המים הניתנים לשימוש חוזר הנמכרים כיום מתהדרים בכך שהם "ללא BPA". לעומת זאת, גם קנדה וגם האיחוד האירופי אסרו לחלוטין את השימוש ב- BPA במוצרי תינוקות.
ההשפעות המזיקות הפוטנציאליות של BPA נחקרו הן במודלים של בעלי חיים והן בבני אדם וכוללות מגוון גדול של השפעות בריאותיות, כגון עיכוב התפתחותי ומחלות. לדוגמה, חשיפה טרום לידתית ל- BPA במהלך השליש הראשון להריון אנושי עשויה להיות קשורה לצפצופים והתנהגות תוקפנית במהלך הילדות. מבוגרים שנחשפו לרמות גבוהות של BPA עלולים לחוות שינוי באיתות בלוטת התריס ותפקוד מיני של גברים. חשיפה ל- BPA במהלך תקופת ההתפתחות לפני הלידה או לאחר הלידה במודלים של בעלי חיים נצפתה כגורמת לעיכובים נוירולוגיים, שינויים במבנה המוח ובתפקודו, תפקוד מיני, אסטמה וסיכון מוגבר לסוגי סרטן מרובים. מחקרים במבחנה הראו גם כי חשיפה ל- BPA גורמת לשינויים מולקולריים המתחילים התפתחות סרטן השד, הערמונית והמוח. למרות שמחקרים אלה השפיעו על BPA בהשפעות בריאותיות רבות, ישנם מומחים המזהירים כי חלק מהמחקרים הללו עלולים להיות פגומים וכי יש לבצע מחקר נוסף. בינתיים, ה- FDA ממליץ לצרכנים לנקוט באמצעי זהירות כדי להגביל את חשיפתם ל- BPA. בנוסף לרכישת מזון באריזה ללא BPA, על הצרכנים להימנע מנשיאה או אחסון של מזון או נוזלים בבקבוקים עם קוד המיחזור 3 או 7. אסור לחמם מזון ונוזלים במיקרוגל בשום צורה של פלסטיק: השתמש במקום זאת בנייר, זכוכית או קרמיקה.