4.1.3 Grundprinzipien der hormonellen Informationsübertragung

4.1.3.1 Wirkung von Hormonen

 

Hormone wirken am Zielort an ganz bestimmten Zellen, den sogenannten Zielzellen, die spezifische Rezeptorstrukturen besitzen. Diese Rezeptoren "erkennen" die Hormone, wobei das Hormon der Schlüssel und die Zielzelle das Schloß ist.

Die Wirkung erfolgt also über das "Schlüssel-Schloß-Prinzip", das wir schon bei den Enzymen kennengelernt haben. Demzufolge gibt es natürlich auch hormonähnliche Substanzen, die das Schloß oder den Schlüssel blockieren können.

Man nennt die Wirkung der Hormone an und in den Zielzellen Primärwirkung der Hormone.

Es sind 2 Typen von Rezeptoren bekannt, beides sind Proteine:

  • Membranrezeptoren (erkennen Katecholamin-, Polypeptid-, Glycoproteinhormone) und
  • intrazelluläre Rezeptoren ( erkennen Steroid-, Thyreoidea-Hormone).

Die hydrophilen Hormone (Peptidhormone, Proteine, Katecholamine) können die Zellmembran nicht passieren und nur über einen Membranrezeptor mit der Zelle Kontakt aufnehmen (siehe Bild oben links). Sie benötigen einen 2. Boten (meist cAMP) in der Zelle, um Reaktionen zu bewirken. Insulin wirkt nicht über cAMP. (siehe später)

Nachfolgend sollen zwei wichtige Primärwirkungen besprochen werden.

Primärwirkung bei wasserlöslichen Hormonen
(Peptid-Proteinhormone)

Oxytocin, ADH , Glucagon, Calzitonin, PTH , FSH, Corticotropin, Noradrenalin, TSH, Adrenalin.

Bei den meisten wasserlöslichen Hormonen (Aminosäurederivat-Peptid- und Proteinhormone) sitzt der Hormonrezeptor in der Zellmembran (7-Helix-Rezeptor). Das Hormon bindet an den Rezeptor, dies löst verschiedene Prozesse an der Innenseite der Zellmembran aus und führt zur Bildung von cAMP (= cyclo-AMP), das verschiedene andere Stoffwechselreaktionen in Gang setzt. Die Vorgänge sind nachfolgend dargestellt:

Dabei stellt das Hormon den ersten Boten ("first messenger") dar, cAMP den "second messenger".

cAMP aktiviert Proteinkinasen, die ihrerseits Enzyme durch Phosphorylierung aktivieren.

Dies führt zur Aktivierung des Transcriptions Faktors CREB (cAMP response element binding protein), der sich an bestimmte Bereiche der DNA anlagert und Gene aktiviert.

Neben dem "Second Messenger" cAMP gibt es noch einen anderen intrazellulären Botenstoff: IP3 = Inositol Triphosphat, das zusammen mit Ca2+ und Calmudolin zelluläre Enzymaktivitäten reguliert.

Primärwirkung bei lipophilen Hormonen (Steroide)

Sexualhormone, Cortisol, T4/T3 usw.

Die lipophilen Hormone (Steroide und T4/T3) diffundieren problemlos durch die Zellmembran und nehmen mit einem intrazellulären Rezeptorprotein im Kern Kontakt auf.

Dieser Komplex aktiviert an der DNA Gene zur Herstellung bestimmter Enzyme.

Rechts ist ein Bindung des Östrogenrezeptor-Komplexes (Dimer) an die DNA in einer Gif-Animation abgebildet.

Dabei wird die DNA teilweise entwunden und geknickt.

Hormone als Teil von Regulationsmechanismen

Die Hormone sind Teil der Regulationsmechanismen zur Steuerung von Organfunktionen und physikalischen und chemischen Körpersituationen. Solche zu regelnden Größen oder Situationen sind z. B. die Temperatur, der Bluzuckerspiegel oder die Ca2+-Konzentration im Blut, weiterhin z. B. der Tag/Nacht-Rhythmus.

An der Regelung sind mehrere Elemente beteiligt, die sich gegenseitig steuern. Ein solches System haben wir schon im Nervensystem kennengelernt, z. B. der Kniesehnenreflex.

Betrachten wir die Hierarchie der Hormondrüsen und die Produktion der Androgene (männliche Sexualhormone). Der Hypothalamus produziert das Gonadoliberin (GnRH) für das die Hypophyse Rezeptoren hat, die darauf FSH und LH ins Blut ausschüttet. Diese finden in den Hoden ihre Zielzellen, worauf dort die Leydigschen Zellen Testosteron bilden.

Testosteron bewirkt im männlichen Organismus Ausbildung und Erhaltung der sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale:

z. B. Behaarung, Stimme und Ausbildung der Milchdrüsen, Unterschiede in der Körpergröße, im Knochenbau, in der Herz- und Atemtätigkeit usw.

Testosteron seinerseits wirkt jedoch inhibierend auf die GnRH-Produktion im Hypothalamus und die FSH/LH-Produktion in der Hypophyse. Die beiden Organe müssen also Testosteronrezeptoren besitzen. Es hemmt demnach seine eigene Produktion; wird viel Hormon gebildet wird seine Produktion stark gehemmt, wird wenig produziert, ist die Hemmung nur gering. Man nennt diese Wirkung von Testosteron negative Rückkopplung. (feedback inhibition) So entsteht ein sich selbst regulierendes System. Fast alle Hormone sind an einem System mit negativer Rückkopplung beteiligt.

Hier einige Beispiele: Regulation der Na+-Konzentration an Muskelzellen und Nierenzellen durch Aldosteron, Insulin, Angiotensin und Katecholamine.

 

 

In der Technik sind solche Systeme schon länger bekannt. Man stellt die Zusammenhänge dort als Regelkreise dar. Für biologische Regelprozesse verwendet man in abgewandelter Form den biologischen Regelkreis (siehe unten).

Regelkreise

Betrachten wir als Beispiel die Temperaturregelung und die Darstellung im Regelkreis mit den beteiligten Regelkreiselementen.

Die zu regelnde Größe ist die Raumtemperatur (= Regelgröße). Diese wird durch Anheizen durch den Ofen eingestellt (= Stellglied). Wie stark der Ofen anheizen soll (= Stellgröße), wird ihm durch den Thermostaten (= Regler) mitgeteilt. Der Thermostat erhält laufend die aktuelle Temperaturinformation (= Istwert) vom Thermometer (= Fühler). Der Thermostat kann auf unterschiedliche Regeltemperaturen (= Sollwert) eingestellt werden (= Führungsgröße). Die konstantzuhaltende Temperatur wird z. B. durch Türöffnen verändert (= Störgröße). Das zu regelnde System ( in diesem Fall der Raum) wird Regelstrecke genannt.

Der obige Regelkreis besitzt ebenfalls negative Rückkopplung, je höher die Temperatur wird, desto weniger wird geheizt und umgekehrt. Die meisten Regelprozesse im menschlichen Körper funktionieren nach dem gleichen Prinzip.

Die Istwerte werden mit Hilfe von Rezeptoren gemessen. Der Regler für die meisten physiologischen Vorgänge befindet sich im Zentralnervensystem, insbesondere im Hypothalamus, obwohl es auch einige Regelvorgänge gibt, die nicht vom Zentralnervensystem gesteuert werden. Als Führungsgröße wirken oft Großhirnzentren. Die Steuersignale (= Stellgröße) des Regelzentrums werden über Nervenimpulse oder Hormone übertragen. Die Stellglieder, die aufgrund der Steuersignale ihre Aktivität verändern, können sehr unterschiedlich sein.

Grundsätzlich gibt es im menschlichen Körper vier verschiedene Arten von Veränderungsmöglichkeiten:

  • Die Durchlässigkeit der Zellwände kann verändert werden, z. B. wird bei der Regelung des Blutzuckergehaltes über die Insulinfreisetzung die Membrandurchlässigkeit für Glucose verändert.
  • Die Muskelaktivität kann verändert werden, z. B. schlägt das Herz schneller, wenn der Blutdruck sinkt.
  • Die Stoffwechselaktivität kann verändert werden.
  • Die Aktivität von Drüsen kann verändert werden, z.B. wird vermehrt das Hormon Adrenalin bei Streß ausgeschüttet.

Für die Regelung des Thyroxinspiegels und des Blutzuckerspiegels im Blut finden Sie in den nächsten Kapitel die biologischen Regelkreise.

 

 

 

Abb. 9

Schloß-Schlüssel-Prinzip bei Hormonen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 10

c-AMP

 

 

Abb. 11

Primärwirkung wasserlöslicher Hormone 1 -3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 12

Primärwirkung fettlöslicher Hormone

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 13

Primärwirkung des Östrogenrezeptors an der DNA

 

 

 

 

 

Abb. 14

Testosteronregelung

 

 

Abb. 15

hormonelle Regelung der Na+-Konzentration an Muskel- und Nierenzellen

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 16

hormonelle Regelung des Bludrucks

 

 

Abb. 17

hormonelle Regelung der HCl-Produktion im Magen

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Abb. 18

Entstehung von Migräne durch das Neurohormon Serotonin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 19

technischer Regelkreis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 20

biologischer Regelkreis

 

 

 

Weiterführende Quellen:
Hormone http://web.indstate.edu/thcme/mwking/hormone-table.html
http://www.innerbody.com/image/endoov.html
http://www.endocrineweb.com/
http://www.univ-st-etienne.fr/lbti/Mednucl/AtlasEnd/aindex.htm
Hormonsystem http://www.medizinfo.com/annasusanna/hormsyst.htm
Störungen des Hormonsystems http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/endocrinesystemhormones.html
Hypophyse/Hormonsystem http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html
Biologischer Regelkreis http://i115srv.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w9550dir/w9553000.htm