Общая характеристика эндокринных желез и гормонов
В регуляции функций организма кроме нервной системы принимает участие комплекс биологически активных соединений, образующих эндокринную систему. Взаимодействие указанных систем позволяет говорить о единой нейроэндокринной регуляции функций организма.
Для регуляции многих органов и процессов данный механизм регуляции хотя и действует более медленно, но оказывается более эффективным, чем нейрогенная регуляция. Это обусловлено тем, что:
— биологически активное соединение может поступать к каждой клетке;
— спектр указанных регуляторов более широк, чем медиаторов нервов;
— биологически активные соединения действуют на клетки более продолжительное время.
Все железы организма подразделяются на 2 группы:
1. экзокринные — выполняют функцию внешней секреции, имеют выводные протоки и образуют секреты (пищеварительные соки), которые поступают в различные полости желудочно-кишечного тракта.
2. эндокринные — выполняют функцию внутренней секреции; не имеют выводных протоков; выделяют секрет за счет экзоцитоза непосредственно в межклеточное пространство, откуда секрет поступает в кровь, лимфу или ликвор. Продукты жизнедеятельности желез внутренней секреции называют инкретами или гормонами.
Имеются также эндокринные клетки, рассеянные диффузно вне пределов одного органа (АПУД система пищеварительного тракта, клетки предсердия).
Термин «гормон» (от греческого «hormau» — возбуждаю, приводить в движение, побуждать) был предложен английскими — физиологами В. Бейлисом и Э. Старлингом в 1902 г., когда выделили из слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки специальное вещество — секретин, способствующее образованию поджелудочного сока.
Эндокринные железы — это анатомические образования, лишенные выводных протоков, единственной или основной функцией которых является внутренняя секреция гормонов.
Эндокринные железы расположены в различных частях организма и имеют разнообразную структуру; развиваются из эпителиальной ткани, нейроглии и нервной ткани; обильно оплетены сетью кровеносных сосудов и имеют хорошее кровоснабжение. Особенностью сосудов желез внутренней секреции является высокая проницаемость, что способствует легкому проникновению гормонов в кровь. Железы внутренней секреции хорошо снабжены интерорецепторами и иннервируются вегетативной нервной системой.
Рисунок 1. Схема расположения эндокринных желез в тепе человека. Вид (по М.P. Сапину и Д. Б. Никитюк, 2002) 1 — гипофиз и эпифиз (шишковидное тело); 2 — околощитовидные железы; 3 — щитовидная железа; 4 — надпочечники; 5 — панкреатические островки; 6 — яичник; 7 — яичко.
Морфофункциональные особенности желез внутренней секреции:
1. высокая степень специализации рабочих клеток эндокриноцитов — по выработке гормонов;
2. отсутствие выводных протоков для синтезируемых веществ;
3. обилие кровеносных капилляров;
4. интенсивный метаболизм;
5. многочисленный и разнообразный рецепторный аппарат;
6. избирательная химическая чувствительность к эндогенным веществам.
Эндокринные железы состоят из ряда взаимосвязанных и тонко сбалансированных компонентов, обеспечивающих:
1. биосинтез и секрецию гормонов (или прогормонов);
2. процессы специфической регуляции и саморегуляции функций железы;
3. специфический транспорт секретируемых гормонов в кровь.
Имеются железы со смешанной функцией, осуществляющие наряду с внутренней и внешнюю секрецию — половые железы (гонады) и поджелудочная железа. К железам внутренней секреции относят гипофиз и эпифиз, расположенные в пределах головного мозга и периферические железы, которые делят на зависимые и не зависимые от передней доли гипофиза (аденогипофиз).
К гипофиззависимым относят щитовидную железу, надпочечники (корковое вещество) и половые железы (яички, яичники). Взаимоотношения между ними и аденогипофизом строятся по принципу прямых (положительных) и обратных (отрицательных) связей. Это значит, что тронные гормоны аденогипофиза активируют выделение гормонов соответствующими железами, которые в свою очередь в определенных концентрациях воздействуют на аденогипофиз и тормозят его активность.
К гипофиззависимым относятся все прочие железы – около — щитовидные, эпифиз, панкреатические островки, мозговое вещество надпочечников, параганглии. Их деятельность подчинена собственным внутренним механизмам и ритмам.
Продукция биологически активных, веществ — это функция не только желез внутренней секреции, но и других традиционно неэндокринных органов: почек, желудочно-кишечного тракта, сердца. Не все вещества, образующиеся специфическими клетками этих органов, удовлетворяют классическим критериям понятия «гормоны». Поэтому наряду с термином «гормон» в последнее время используются также понятия гормоноподобные и биологически активные вещества (БАВ), гормоны местного действия, Некоторые из них синтезируются столь близко к своим органам-мишеням, что могут достигать их диффузией, не попадая в кровоток. Клетки, вырабатывающие такие вещества, называются паракринными.
Гормоны — это биологически высокоактивные вещества, синтезирующиеся и выделяющиеся во внутреннюю среду организма эндокринными железами и оказывающие регулирующее влияние на функции удаленных от места их секреции органов и систем организма.
Системные принципы гормональной регуляции физиологических функции
Гормональная регуляция — направленное изменение физиологических функций, обусловленное действием гормонов и биологически активных веществ.
1. Гормональная регуляция физиологических процессов является специализированной формой гуморальной регуляции.
2. Гормоны ослабляют или усиливают действие нервной системы на течение физиологических процессов, а также действуют самостоятельно.
3. Гормональные эффекты в реагирующих клетках развиваются с большим латентным периодом, протекают медленнее и более продолжительно, чем нервные регулирующие влияния.
4. По отношению друг к другу гормоны играют либо вспомогательную роль, либо подавляют действие другого гормона в клетках-мишенях, либо блокируют или стимулируют секрецию другого гормона.
5. Гормональное обеспечение физиологических функций реализуется по принципу избыточности, т.е. биологически активных веществ выделяется значительно больше, чем требуется для изменения функций в данный момент. Избыток гормонов устраняется внутриклеточными ингибиторами и другими веществами плазмы крови и тканей, ограничивающими активность гормонов.
6. Гормональная регуляция характеризуется высокой надежностью: существует несколько механизмов распространения гормонов; несколько уровней регуляции образования гормонов и мест их синтеза; значительный резерв рецепторов.
7. Гормональная регуляция обеспечивает взаимодействие функций, дублирование процессов и включение резервных функций.
Один и тот же гормон может:
— передавать информацию локально в пределах ткани, где он образуется и распространяется здесь по межклеточным контактам;
— оказывать местное регуляторное влияние в ближайших тканях гуморально, через межклеточную жидкость;
— обладать дистантным действием на отдаленные от места выработки чувствительные органы и ткани через циркулирующие жидкости.
Классификация гормонов и биологически активных веществ
По химической структуре:
1. Производные аминокислот:
— производные тирозина: тироксин, трийодтиронин, дофамин, адреналин, норадреналин;
— производные триптофана: мелатонин, серотонин;
— производные гистидина: гистамин.
2. Белково-пептидные гормоны:
— полипептиды: кортикотропин, глюкагон, меланотропин, вазопрессин, окситоцин, пептидные гормоны желудка и кишечника;
— простые белки (протеины): инсулин, соматотропин, пролактин, паратгормон, кальцитонин;
— сложные белки (гликопротеиды): тиреотропин, фоллитропин, лютропин.
3. Стероидные гормоны:
— кортикостероиды: альдостерон, кортизол, кортикостерон.
— половые гормоны:
— андрогены: тестостерон;
— прогестерон.
4. Производные жирных кислот:
— арахидоновая кислота и ее производные: простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены.
Функциональная классификация гормонов.
1. Эффекторные гормоны ~ оказывают влияние непосредственно на орган-мишень;
2. Тропные гормоны — основная функция — регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов; выделяются аденогипофизом.
3. Рилизинг — гормоны — регулируют синтез и выделение гормонов аденогипофиза, преимущественно тронных: выделяются нервными клетками гипоталамуса.
В молекуле гормонов можно выделить отдельные фрагменты, которые выполняют различные функции:
— фрагменты, обеспечивающие поиск места действия гормона;
— фрагменты, обеспечивающие специфическое влияние гормона на клетку;
— фрагменты, регулирующие степень активности гормона и другие свойства.
Несмотря на различное химическое строение, гормоны имеют общие биологические свойства.
Биологические свойства гормонов:
1. Строгая специфичность (тропность) физиологического действия.
2. Высокая биологическая активность: гормоны оказывают свое физиологическое действие в очень малых дозах.
3. Дистантный характер действия: клетки-мишени располагаются обычно далеко от места образования гормонов.
4. Многие гормоны (стероидные и производные аминокислот) не имеют видовой специфичности.
5. Генерализованность действия.
6. Пролонгированность действия.
Установлены 4 тина физиологического действия на организм.
1. Кинетическое (пусковое) — вызывает определенную деятельность исполнительных органов.
2. Метаболическое — изменение обмена веществ.
3. Морфогенетическое — дифференцировка тканей и органов, действие на рост, стимуляция формообразовательного процесса.
4. Корригирующее — изменение интенсивности функций органов и тканей.
Динамика образования и действия гормонов
Синтез и секреция гормонов
Синтез и механизмы освобождения гормонов т эндокринных клеток определяются их химической природой.
Белково-пептидные гормоны и катехоламины по мере синтеза депонируются в гранулах. При воздействии секреторного стимула происходит опорожнение гранул механизмами экзоцитоза.
Тиреоидине гормоны хранятся в клетках в виде капельных включений, а стероидные гормоны выделяются по мере синтеза. Это означает, что синтез и секреция в первой и второй группе гормонов в определенной степени разобщены, тогда как скорость секреции стероидов определяются интенсивностью их синтеза, которая зависит от внутриклеточного содержания холестерола — предшественника стероидных гормонов. Вместе с тем секреция всех гормонов характеризуется общими признаками.
Секреторный цикл состоит из следующих процессов:
— поступления исходных веществ в клетку;
— внутриклеточного движения исходных продуктов синтеза, извлекаемых из внутриклеточных хранилищ;
— синтеза первичного секреторного продукта;
— транспорта, созревания и накопления секрета в клетки;
— выделении секрета из клетки.
Эндокринные клетки в покое и под влиянием специфических стимулов секретируют гормоны не непрерывно и равномерно, а дискретно, отдельными порциями, что связано со спецификой их биосинтеза, депонирования и транспорта. Секреторный гормональный цикл подвержен ритмическим изменениям, в которых выделяют максимумы и минимумы активности.
Ритмы секреции
Экзогенные ритмы. Ритмы гормональной активности, формируемые под влиянием внешних синхронизаторов, называются экзогенными. К внешним синхронизаторам относятся смена света и темноты, прием пищи, метеорологические факторы (температура, инсоляция, атмосферное давление), а для человека — различные социальные факторы.
Эндогенные ритмы. Ритмы, не зависящие от действия внешних синхронизаторов, сформировались в связи с циклическими явлениями в природе: суточными, лунными, сезонными, годичными. Эпифиз вырабатывает ночью мелатонин, а днем — серотонин и участвует в формировании ритмов половых циклов, сна и бодрствования, суточных колебаний температуры тела.
Взаимодействие экзогенных и эндогенных ритмов, их динамическая синхронизация обеспечивают нормальную жизнедеятельность.
Типы секреции
Выделяют 3 основных тина секреции гормонов:
1. освобождение из секреторных гранул (секреция белковопептидных гормонов и катехоламинов);
2. освобождение из связанной с белком формы (секреция тиреоидных гормонов);
3. относительно свободную диффузию через клеточные мембраны (стероидные гормоны).
Скорость секреции гормона
Скорость секреции определяется рядом факторов:
— возрастными периодами;
— функциональным состоянием организма;
— физической и умственной активностью;
— наличием стресса;
— менструальным циклом;
— беременностью;
— лактацией;
— мотивациями (голод и насыщение).
Гормональный эффект опосредован следующими основными этапами:
— синтезом и поступлением в кровь;
— формами транспорта;
— клеточными механизмами действия гормонов.
От места секреции гормоны доставляются к органам-мишеням циркулирующими жидкостями: кровью, лимфой. В крови гормоны циркулируют в нескольких формах:
1. в свободном состоянии;
2. в комплексе со специфическими белками плазмы крови;
3. в форме неспецифического комплекса с плазменными белками;
4. в адсорбированном состоянии на форменных элементах крови.
В состоянии покоя 80% приходится на комплекс со специфическими белками. Биологическая активность определяется содержанием свободных форм гормонов. Связанные формы гормонов являются депо или физиологическим резервом, из которого гормоны переходят в активную свободную форму по мере необходимости. Обязательным условием для проявления эффектов гормона является его взаимодействие с рецепторами.
Гормональные рецепторы — это особые белки клетки, для которых характерны:
1. высокое сродство к гормону;
2. высокая избирательность;
3. ограниченная связывающая емкость;
4. специфичность локализации рецепторов в тканях.
На одной и той же мембране клетки могут располагаться десятки разных типов рецепторов. Количество функционально активных рецепторов может изменяться при различных состояниях и в патологии. Так, при беременности в миометрии исчезают М-холинорецепторы, но возрастает количество окситоциновых рецепторов. При некоторых формах сахарного диабета имеет место функциональная недостаточность инсулярного аппарата, т.е. уровень инсулина в крови высокий, но часть инсулиновых рецепторов оккупирована аутоантителами к этим рецепторам. В 50% случаев рецепторы локализуются на мембранах клетки-мишени; 50% расположены внутри клетки.
Механизмы действия гормонов
Существует 2 основных механизма действия гормонов на уровне клетки:
1. реализация эффекта с наружной поверхности клеточной мембраны;
2. реализация эффекта после проникновения гормона внутрь клетки.
Реализация эффекта е наружной поверхности клеточной мембраны.
В этом случае рецепторы расположены на мембране клетки. В результате взаимодействия гормона с рецептором активируется мембранный фермент — аденилатциклаза. Фермент способствует образованию из АТФ важнейшего внутриклеточного посредника реализации гормональных эффектов — циклического 3,5- АМФ (цАМФ). цАмФ активирует клеточный фермент протинкиназу, который реализует действие гормона.
Установлено, что гормонозависимая аденилатциклаза — это общий фермент, на который действуют различные гормоны, в то время как рецепторы гормонов множественны и специфичны для каждого гормона.
Вторичными посредниками кроме цАМФ могут быть циклический 3,5-ГМФ (цГМФ), ионы кальция, инозитол-трифосфат. Так действуют пептидные, белковые гормоны, производные тирозина — катехоламины. Характерной особенностью действия этих гормонов является относительно быстрое возникновение ответной реакции, что обусловлено активацией предшествующих, уже синтезированных ферментов и других белков.
Реализация эффекта после проникновения гормона внутрь клетки.
В этом случае рецепторы для гормона находятся в цитоплазме клетки. Гормоны этого механизма действия в силу своей липофильности легко проникают через мембрану внутрь клетки- мишени и связываются в ее цитоплазме специфическими белками-рецепторами. Гормон-рецепторный комплекс входит в клеточное ядро. В ядре комплекс распадается и гормон взаимодействует с определенными участками ядерной ДНК, следствием чего является образование особой матричной РНК. Матричная РНК выходит из ядра и способствует синтезу на рибосомах белка или белка-фермента. Так действуют стероидные гормоны и производные тирозина — гормоны щитовидной железы. Для их действия характерна глубокая и длительная перестройка клеточного метаболизма.
Инактивации гормонов происходит в эффекторных органах, в основном в печени, где гормоны претерпевают различные химические изменения путем связывания с глюкуроновой или серной кислотой либо в результате воздействия ферментов. Частично гормоны выделяются с мочой в. неизмененном виде. Действие некоторых гормонов может блокироваться благодаря секреции гормонов, обладающих антагонистическим эффектом.
Функции гормонов:
1. Регуляция роста, развития и дифференцировки тканей и органов, что определяет физическое, половое и умственное развитие.
2. Обеспечение адаптации организма к меняющимся условиям существования.
3. Обеспечение поддержания гомеостаза.
Виды взаимодействия гормонов:
Каждый гормон не работает изолированно, поэтому важно учитывать возможные результаты их взаимодействия.
1. Синергизм — однонаправленное действие двух или нескольких гормонов. Адреналин и глюкагон активируют распад гликогена печени до глюкозы и вызывают увеличение уровня сахара в крови.
2. Антагонизм всегда относителен. Инсулин и адреналин оказывают противоположные действия на уровень глюкозы в крови. Инсулин вызывает гипогликемию, адреналин — гипергликемию. Биологическое значение эффектов сводится к улучшению углеводного питания тканей.
3. Пермиссивное действие гормонов заключается в том, что гормон не вызывает физиологического эффекта, но создает условия для ответной реакции клетки или органа на действие другого гормона. Глюкокортикоиды не влияют на тонус мышц сосудов и распад гликогена печени, создают условия, при которых даже небольшие концентрации адреналина увеличивают артериальное давление и вызывают гипергликемию в результате гликогенолиза в печени.
Другие биологически активные соединения.
Кроме гормонов существует множество других химических соединений, которые наряду с гормонами, нервной системой иди самостоятельно оказывают регулирующий или модулирующий эффект на функцию органов и систем организма.
К ним относятся;
1. нейромедиаторы — освобождаясь в нервных окончаниях, они могут оказывать и паракринный эффект:
— норадреналин
— ацетилхолин
— ГАМК
— серотонин
— гистамин.
2. аутокрины — вещества, образующиеся при воспалительных реакциях:
— гистамин
— брадикинин.
3. продукты метаболизма арахидоновой кислоты (входят в состав липидов клеточных мембран), которые образуются в ответ на гормональные и другие стимулы:
а) простагландины, так как впервые выделены из предстательной железы (Е1, Е2, F1, I2, G2);
б) тромбоксаны;
в) протациклины — они образуются из эндоперекисей арахидоновой кислоты при участии ферментного комплекса циклооксигеназы.
г) лейкотриены — катализируется липооксигеназными ферментами.
Все метаболиты арахидоновой кислоты называются эйкозаноиды. Данные вещества действуют либо на саму клетку, где синтезируются (аутокринное влияние), или на соседние (паракринное влияние). Эйкозаноиды усиливают или ослабляют действие гормонов и других агонистов, вызывают их синтез и секрецию.
Существенную роль в регуляции функций организма играют циркулирующие в крови:
1. неорганические ионы:
— калии
— натрий
— калий.
2. водород;
3. углекислый газ.
Кроме прямого регулирующего влияния все эти соединения, тесно взаимодействующие между собой, могут оказывать модулирующее влияние — повышая или снижая проявление влияния основных регуляторов, гормонов.
Регуляция гормональной активности
Регуляция желез внутренней секреции осуществляется несколькими взаимосвязанными механизмами: внутриклеточным, нервным, гормональным и негормональным факторами.
Внутриклеточная регуляция реализуется с помощью рецепторов гормонов, G-белков, циклических нуклеотидов, ферментов, ионов кальция и других вторых посредников синтеза и секреции гормонов, с участием генома. Гены задают тип синтезируемого в клетке гормона, тогда как другие гормоны являются регуляторами генов. Нейроэндокринные зоны гипоталамуса, эпифиз, мозговое вещество надпочечников и другие участки хромаффинной ткани регулируются непосредственно нервными механизмами.
Нервная регуляция представлена сложной совокупностью центральных механизмов, среди которых главная роль принадлежит гипоталамо-гипофизарной системе.
Нервная регуляция осуществляется по 3 направлениям:
1. уровень гормона через обратную связь регулирует секреторную активность железы, в которой он образуется. Эта регуляция секреции гормона под влиянием самого гормона опосредуется нейрогормональными механизмами гипоталамо-гипофизарной системы;
2. прямое воздействие нервов на синтез и секрецию гормона (нейрогипофиз, мозговой слой надпочечника);
3. нервная система косвенно регулирует гормональную активность, изменяя интенсивность кровоснабжения железы.
Непосредственное влияние на клетки железы
Непосредственное влияние на клетки железы оказывает концентрация субстрата, уровень которого регулирует гормон (обратная связь). Так, кальций крови влияет на секреторную активность паращитовидной и щитовидной желез, где образуются паратгормон и тирокальцитонин, а концентрация глюкозы крови определяет активность выхода инсулина из поджелудочной железы.
Функция подавляющего большинства клеток, синтезирующих гормоны, регулируется сочетанием нескольких механизмов. Кроме того, многие гормоны и гапоталамо-гипофизарные факторы оказывают перекрестное влияние на образование друг друга. Следовательно, говоря о том или ином механизме регуляции, речь идет лишь о преобладающем механизме регуляции.
Основную роль в физиологических механизмах регуляции играют нейрогормональные и гормональные механизмы, а также прямые влияния на эндокринные железы тех веществ, концентрацию которых регулирует данный гормон.
Регулирующее влияние ЦНС на деятельность эндокринных желез осуществляется через гипоталамус. Гипоталамус получает по афферентным путям мозга сигналы из внешней и внутренней среды. Нейросекреторные клетки гипоталамуса трансформируют афферентные нервные стимулы в гуморальные факторы, продуцируя рилизинг-гормоны. Они избирательно регулируют функции клеток аденогипофиза.
Среди рилизинг-гормонов различают:
1. либерины — стимуляторы синтеза и выделения гормонов аденогипофиза;
2. статины — ингибиторы секреции.
Они носят название соответствующих тропных гормонов: тиреолиберин, кортиколиберин, соматолиберин и т.д. В свою очередь, тройные гормоны аденогипофиза (передняя доля гипофиза) регулируют активность ряда других периферических желез внутренней секреции (кора надпочечников, щитовидная железа, гонады). Это так называемые прямые нисходящие регулирующие связи.
Кроме них внутри указанных систем существуют и обратные восходящие саморегулирующие связи. Обратные связи могут исходить как от периферической железы, так и от гипофиза.
По направленности физиологического действия обратные связи могут быть отрицательными и положительными. Отрицательные связи самоограничивают работу системы. Положительные связи самозапускают ее.
Так, низкие концентрации тироксина через кровь усиливают выработку тиреотропного гормона гипофизом и тиреолиберина — гипоталамусом. Гипоталамус значительно более чувствителен, чем гипофиз к гормональным сигналам, поступающим от периферических эндокринных желез. Благодаря механизму обратной связи устанавливается равновесие в синтезе гормонов, реагирующее на снижение или повышение концентрации гормонов желез внутренней секреции.
Некоторые железы внутренней секреции, такие как поджелудочная железа, околощитовидные железы, не находятся под влиянием гормонов гипофиза. Деятельность этих желез зависит от концентрации тех веществ, уровень которых регулируется этими гормонами.
Так, уровень паратгормона околощитовидных желез и кальцитонина щитовидной железы определяется концентрацией ионов кальция в крови. Глюкоза регулирует продукцию инсулина и глюкагона поджелудочной железой. Кроме того, функционирование этих желез осуществляется за счет влияния уровня гормонов-антагонистов.
Обратные гормональные связи — механизм взаимодействия периферических желез внутренней секреции с центрами их регуляции.
Взаимодействие периферической железы с гипоталамическими центрами и (иди) на уровне аденогипофиза формирует положительные и отрицательные обратные связи.
Взаимодействие периферической железы по механизму положительных (стимулирующих) и отрицательных (тормозящих) обратных связей с гипоталамическими центрами происходит посредством влияния на секрецию либеринов изменяющейся концентрации гормонов периферических желез внутренней секреции в циркулирующей крови.
Избыток в крови периферических гормонов тормозит стимулирующую секрецию либеринов, что приводит к снижению их концентрации.
Рисунок 2. Железы внутренней секреции и их гормоны (по В. Розену, 1984)
Недостаток периферических гормонов усиливаем продукцию гипоталамических либеринов и тройную функцию аденогипофиза, который через обратные связи стимулирует образование гормонов в железах внутренней секреции и приводит к повышению их уровня в крови.
Регуляция по принципу обратных связей, в которых участвуют медиальный гипоталамус, гипофиз и эндокринное железы, действует на основе взаимодействия гормонов со специфическими рецептарами в этих структурах. Такие же рецепторы обнаружены в различных структурах ЦНС, особенно в лимбических образованиях. Основную роль в действии механизмов обратной связи играют стероидные гормоны.