Chemické signály

Existují dva systémy vnitřní komunikace nervový a hormonální Nervový systém - rychlejší poselství, odpověď těla na environmentální stimuly (např. ucuknutí ruky z rozpálených kamen) hormonální systém - zpravidla pomalejší poselství, jak rychle růst, kdy vzniknou sekundární pohlavní znaky, kdy se housenka změní v kuklu atd. ačkoli se oba systémy od sebe obvykle odlišují, často pracují společně a hranice mezi nimi nemusí být ostrá

Endokrinní systém Endokrinní systém je tvořen všemi buňkami těla, které vylučují hormony endokrinní žlázy (=žlázy s vnitřní sekrecí) - nemají vyústění, hormony vylučují přímo do tělních tekutin exokrinní žlázy (žlázy s vnější sekrecí) - mají kanálky, které vylučují produkty těchto žláz na příslušná místa (žlázy potní, mléčné, slinné atd.)

Endokrinní systém a nervový systém jsou spolu strukturálně, chemicky a funkčně spojeny Neurosekreční buňky v mozku produkují hormony do krve adrenalin pracuje jako hormon („fight or flight“ hormon) i jako neurotransmiter při kojení stimuluje sání kojence nervová zakončení v prsu, nervový systém přenese impulsy do mozku a hypotalamus spustí vylučování oxytocinu z hypofýzy. Oxytocin způsobí v prsu sekreci mléka

Oba systémy pracují často mechanismem zpětné vazby Pozitivní zpětná vazba - např. při kojení Negativní zpětná vazba - mnohem častější, uplatňuje se v procesech udržení homeostázy

Příklad negativní zpětné vazby udržení rovnováhy Ca++ iontů antagonistickým působením kalcitoninu a parathyroidního hormonu

Hormony u bezobratlých U nezmara znám hormon podporující růst a pučení a zároveň zabraňující sexuálnímu rozmnožování u zeje obrovského znám hormon stimulující kladení tisíců vajíček a zároveň zabraňující pohybu a příjmu potravy, které jsou u tohoto plže neslučitelné s rozmnožováním u hmyzu a korýšů způsobuje hormon ekdyzon svlékání

Hormonální regulace vývoje hmyzu

Hormonální regulace vývoje hmyzu Ekdyzon je vylučován párem prothorakálních žlaz, umístěných těsně za hlavou. Ekdyzon podporuje svlékání podporuje vývoj znaků dospělce (proměnu housenky na motýla) Ekdyzon sám je kontrolován jiným hormonem, zvaným mozkový hormon (BH). Tento hormon podporuje prothorakální žlázy, aby vylučovaly ekdyzon.

Hormonální regulace vývoje hmyzu Účinky ekdyzonu a BH vyrovnává tzv. juvenilní hormon. Juvenilní hormon je vylučován malými žlazami těsně za mozkem, zvanými corpora allata. Juvenilní hormon podporuje udržení larválních charakteristik za přítomnosti velkých dávek ekdyzonu sice svlékání nastane, výsledkem je ovšem jen větší larva pokud hladina JH poklesne, výsledkem svlékání je kukla

Hormony, místní regulátory, feromony Hormony - přenáší informaci díky krevního systému v rámci těla Místní regulátory - působí pouze na sousední buňky, pronikají do nich, nebo zůstanou v extracelulární matrix a jsou odbourány enzymy, to vše během vteřin nebo dokonce milisekund feromony - přenáší informaci mezi organismy (např. pohlavní feromony hmyzu, agregační feromony…)

Mechanismus chemické signalizace

Místní regulátory (local regulators) Růstové faktory - peptidy nebo proteiny stimulující buněčnou proliferaci. Jeden růstový faktor může mít i více cílových buněk. Růstové faktory zřejmě odpovídají za diferenciaci buněk v embryonálním vývoji

Oxid dusnatý oxid dusnatý (NO) - velmi reaktivní a jedovatý plyn. Navodí v buňce změny a během sekund je odbourán. Sekretují ho nervové buňky, kde slouží jako neurotransmitery, pokud ho vylučují bílé krvinky, slouží k zabíjení bakterií nebo rakovinových buněk. Rovněž uvolňuje stěny cév a cévy rozšiřuje.

Prostaglandiny prostaglandiny - modifikované mastné kyseliny, často odvozené od lipidů plazmatické membrány. Název podle prvního místa objevu - prostata. Prostaglandiny ve spermatu způsobují kontrakce hladkého svalstva ve stěně dělohy, čímž se pomáhá spermiím v cestě k vajíčku. Prostaglandiny vylučované placentou způsobí změnu ve svalových buňkách dělohy, které jsou pak více excitabilní což pomáhá k navození porodu prostaglandiny napomáhají vzniku horečky, zánětu a zesilují pocit bolesti. Aspirin a ibuprofen zabraňují syntéze prostaglandinů

Mechanismy chemické signalizace Recepce - molekula hormonu se naváže na receptorový protein buď v membráně, nebo uvnitř buňky signální transdukce - signál může vést přes několik dalších přenašečů odpověď - změna chování buňky

Mechanismy chemické signalizace (recepce, signální transdukce, odpověď)

Mechanismy chemické signalizace

Signální transdukce Je řada kroků uvnitř buňky, vedoucí k odpovědi. Cílové místo může být buď v cytoplasmě (např. aktivace nějakého enzymu) nebo v jádře (ovlivnění exprese genů) stejný signál může u různých buněk vyvolat různé odpovědi - na obr. acetylcholin

Mechanismus účinku steroidních a thyroidních hormonů Na rozdíl od hormonů odvozených od proteinů, steroidní hormony a hormony štítné žlázy vstupují do buňky. Jejich účinky nebývají tak rychlé, ale trvají déle (např. vývoj pohlavních znaků)

Mechanismus účinku hormonů odvozených od proteinů V tomto případě hormon do buňky sám nevstoupí.

Hormony Steroidní (hormony kůry nadledvin a pohlavní hormony) peptidické nebo proteinové Působení: principiálně na všechny buňky, jen některé ale na ně mají receptory

Endokrinní systém obratlovců

Endokrinní systém obratlovců Některé hormony zasahují jen jednu cílovou tkáň jiné, jako např. pohlavní hormony, zasahují většinu tkání tropní hormony zasahují jiné endokrinní žlázy a jsou důležité pro koordinaci a regulaci celého systému

Hypotalamus a hypofýza Hypotalamus (součást mezimozku) - přijímá informace z nervů z celého těla, jakož i z jiných částí mozku, a vysílá endokrinní signály podle potřeb například u mnoha obratlovců dostává hypotalamus od mozku signál o změně ročního období a hypotalamus spustí tvorbu pohlavních hormonů hypofýza je prostorově i funkčně spojena s hypotalamem, kterému je podřízena

Hypotalamus a hypofýza

Hypotalamus a hypofýza

Hypofýza (podvěsek mozkový) Se skládá ze dvou částí: adenohypofýza (přední lalok hypofýzy) neurohypofýza (zadní lalok hypofýzy) adenohypofýza vzniká z tkáně tvořící u embrya ústní patro, která se pohybuje směrem vzhůru a nakonec ztrácí spojení s ústy. Adenohypofýza je tvořena endokrinními buňkami, tvořícími a vylučujícími hormony přímo do krve

Hypofýza (podvěsek mozkový) hypotalamus kontroluje činnost adenohypofýzy dvěma skupinami hormonů RH - uvolňující hormony (releasing hormones) „liberiny“ IH - inhibiční hormony – „statiny“ RH a IH se dostávají do krevních kapilár na bázi hypotalamu a díky portálním cévám k adenohypofýze, kde se tyto cévy opět rozvětvují

Hypofýza (podvěsek mozkový) Neurohypofýza - je součást mozku. Embryonálně vzniká jako hrbolek na hypotalamu a roste směrem dolů, až se setká s budoucí adenohypofýzou. Neurohypofýza zůstává celý život částí hypotalamu uchovává a vylučuje dva hormony, které jsou tvořeny neurosekrečními buňkami hypotalamu: oxytocin a antidiuretický hormon (ADH) (=vazopresin)

Neurohypofýza Oxytocin ADH kontrakce děložního svalstva při porodu stahy svalů mléčných žlaz při kojení ADH podporuje zpětné vstřebávání vody v nefronech ledvin

Neurohypofýza mechanismus funkce ADH Krevní osmolarita je monitorována skupinami nervových buněk v hypotalamu, které pracují jako osmoreceptory na principu zpětné vazby když se koncentrace krve zvýší, tyto buňky se díky osmóze slabě svraští a vyšlou nervové signály do neurosekrečních buněk hypotalamu tyto hypotalamické buňky zareagují vyloučením ADH ze svých konců, které jsou umístěny v neurohypofýze když se ADH dostane k ledvinám, naváže se na receptory buněk lemující sběrné kanálky

Neurohypofýza mechanismus funkce ADH tato vazba zvýší propustnost těchto kanálků pro vodu, která se tak dostane do krve, čímž se zabrání zvyšování koncentrace krve Osmoreceptory v hypotalamu rovněž navodí pocit žízně - požitá voda dále sníží krevní osmolaritu až na žádanou hladinu - nastává tedy i behaviorální odpověď organismu snížení koncentrace krve způsobí mechanismem zpětné vazby snížení vylučování ADH a rovněž snížení pocitu žízně porucha nedostatku ADH: nemoc žíznivka (až 20 l moči denně)

Neurohypofýza oxytocin a ADH jsou tvořeny devíti aminokyselinami Oba hormony se liší jen dvěma aminokyselinami

Adenohypofýza

Adenohypofýza tropní hormony Produkuje množství hormonů. Čtyři z nich jsou tropní hormony: TSH (thyreotropin)- podporuje činnost štítné žlázy (thyroxin a trijodtyronin) ACTH (adrenokortikotropní hormon, kortikotropin) - stimuluje činnost kůry nadledvin FSH (folikulostimulační hormon) a LH (luteinizační hormon) - kontrolují gonády

Adenohypofýza tropní hormony FSH, LH a TSH jsou si velmi blízké chemicky - glykoproteiny FSH a LH se nazývají gonadotropiny, protože stimulují práci pohlavních žláz

Adenohypofýza ostatní hormony GH (růstový hormon) (=STH, somatotropin) - protein, asi 200 aminokyselin, podporuje růst přímo, rovněž podporuje vznik růstových faktorů (=tropní efekt) např. stimuluje růst kostí a chrupavek tak, že stimuluje játra k produkci IGFs (insulinlike growth factors), které se uvolní do krve a přímo stimulují růst kostí a chrupavek za této situace se dá GH chápat jako tropní hormon a játra jako endokrinní žláza

Růstový hormon nemoci Nadbytek v mládí: gigantismus nadbytek v dospělosti: akromegalie (abnormální růst kostí končetin a hlavy) nedostatek v mládí: trpasličí vzrůst (nanismus) léčba: užití STH z mrtvol = stálý nedostatek průlomem se stává genové inženýrství a jeho tvorba z cDNA bakteriemi někteří atleti užívají ilegálně ke tvorbě svalů

Růstový hormon nemoci akromegalie Gigantismus - zde způsobený rakovinou adenohypofýzy

Adenohypofýza ostatní hormony - prolaktin Prolaktin (PRL) - velmi podobný růstovému hormonu, je možné že vznikly ze stejného genu fyziologická role je však odlišná velká diversita rolí u různých skupin obratlovců u savců stimuluje růst mléčných žláz a syntézu mléka u ptáků regulace metabolismu tuků a rozmnožování u obojživelníků zpožďuje metamorfózu u sladkovodních ryb regulace iontové rovnováhy = jedná se zřejmě o velmi starobylý hormon, jehož funkce během evoluce diverzifikovala

Adenohypofýza ostatní hormony ACTH - adrenokortikotropní hormon - stimuluje produkci a sekreci steroidních hormonů z kůry nadledvin MSH (melanocyte stimulating hormone) - reguluje aktivitu pigmentových buněk v kůži některých obratlovců; rovněž důležitý v metabolismu tuků endorfiny - produkován některými neurony v mozku - zbraňují vnímání bolesti (tyto hormony chemicky napodobuje heroin a váže se ke stejným receptorům)

Epifýza (šišinka mozková) Vylučuje hormon melatonin pro Descarta byla epifýza sídlem duše podle druhu obratlovce epifýza obsahuje světločivné buňky nebo je nervovými vlákny spojena s očima a melatonin reguluje funkce závisející na roční době spolu s MSH stimuluje pigmentaci kůže melatonin je vylučován v noci a jeho množství závisí na její délce

Epifýza (šišinka mozková) V zimním období je melatoninu vylučováno víc produkce melatoninu je spojena s aktivitou tzv. biologických hodin, a s ní spojenými aktivitami, např. načasování rozmnožování cílovými buňkami jsou asi SCN (suprachiasmatická jádra) v mozku

Štítná žláza Tvořena dvěma laloky na ventrální straně tracheje produkuje thyroxin (T4) a trijodtyronin (T3)

Štítná žláza Savci tvoří převážně (T4) - 95%, ale cílové buňky z něj většinu přetvoří na (T3) , která má větší afinitu k receptoru, který se nachází uvnitř jídra sekrece thyroxinu a trijidtyroninu je kontrolována hypotalamem a hypofýzou principem zpětné vazby

Štítná žláza U pulců je thyroxinem kontrolována metamorfóza na žábu thyroidní hormony zvyšují spotřebu kyslíku a buněčný metabolismus (viz choroby) u člověka vede nedostatek ke kretenismu - zpomalená kosterní růst a mentální zaostalost. Alespoň částečně může být nemoc léčena dávkami thyroxinu podávanými v mládí opakem je Basedowova choroba thyroidní hormony se rovněž podílejí na udržení krevního tlaku, tepové frekvence, svalového tonu, trávení a reprodukce

Štítná žláza nemoci Hypothyroidismus - může vést až ke kretenismu hyperthyroidismus - vysoká tělní teplota, silné pocení, ztráta tělní váhy, vysoký krevní tlak, iritabilita

Štítná žláza nemoci Při nedostatku jódu se netvoří dostatečné množství thyroidních hormonů, které tak nemohou zpětnovazebně regulovat hypothalamus. TSH tak stále stimuluje růst štítné žlázy, což má za následek její zbytnění (vole)

Štítná žláza Kromě hormonů T4 a T3 obsahuje štítná žláza i buňky, produkující hormon kalcitonin kalcitonin snižuje hladinu vápníku v krvi

Příštitná tělíska (glandula parathyreoidea) 4 drobná tělíska velikosti hrášku při štítné žláze vylučuje parathormon, který zvyšuje hladinu Ca++ v krvi.

Regulace hladiny vápníku v krvi kalcitonin snižuje, parathormon zvyšuje

Regulace hladiny vápníku v krvi kalcitonin snižuje, parathormon zvyšuje Hladina vápníku v krvi je nastavena na 10mg/100ml vzestup koncentrace vápníku způsobí vylučování kalcitoninu ze štítné žlázy, což způsobí ukládání vápníku v kostech, sníží reabsorpci ledvinami a sníží jeho získávání ve střevech. Snížení koncentrace vápníku naopak způsobí vylučování parathormonu z příštitných tělísek, který podporuje jeho uvolňování z kostí a zpětné vstřebávání v ledvinách parathormon rovněž aktivuje vitamín D v ledvinách. Aktivní forma vitamínu D podporuje získávání vápníků ve střevech z potravy

Regulace hladiny vápníku v krvi kalcitonin snižuje, parathormon zvyšuje V kostech parathormon (PTH) způsobuje, že osteoklasty uvolňují mineralizovaný vápník do krve v ledvinách aktivizuje PTH absorpci vápníku v renálních tubulech a aktivuje přeměnu vitamínu D z neaktivní do aktivní formy neaktivní forma vitamínu D je získávána z potravy a zároveň se tvoří v kůži. V játrech a v ledvinách vzniká aktivní forma.

Neaktivní a aktivní forma vitamínu D Prekurzory jsou cholekalciferol a kalciferol Aktivní forma vitamínu D se nazývá kalcitriol

Vitamín D Vitamín D je možno považovat za hormon. Chemicky je odvozen od steroidů vitamín D se naváže k receptorům v jádře buňky a ovlivní genovou expresi Aktivní forma vitamínu D působí na střeva tím, že je stimuluje k vyšší absorpci vápníku z potravy

Příštitná tělíska (glandula parathyreoidea) Hypoparathyroidismus, nedostatek parathormonu se projeví sníženou koncentrací Ca++, což má za následek zvýšenou tvorbu spontánních nervových impulsů, vedoucích k tvorbě křečí Parathormon

Pancreas (Štítná žláza) tvoří inzulin a glukagon, kontrolující hladinu glukosy v krvi Pancreas je jedna z mnoha žláz, která má zároveň endokrinní a zároveň exokrinní funkci endokrinní buňky tvoří jen 1 - 2% váhy pankreatu zbytek buněk tvoří hydrogenuhličitanové ionty a trávicí enzymy, které pankreatický kanál vede do tenkého střeva

Pancreas je zároveň endokrinní i exokrinní žláza

Pancreas mezi exokrinními buňkami jsou rozptýleny Langerhansovy ostrůvky, což jsou shluky endokrinních buněk, které vylučují přímo do krve oba hormony. Beta buněk je 75%. alfa buňky vylučují glukagon beta buňky vylučují insulin

Alfa a beta buňky Hladina glukosy v krvi je nastavena na 90 mg/100ml. Insulin snižuje hladinu glukosy v krvi, glukagon zvyšuje.

Insulin a glukagon

Insulin Insulin aktivuje v podstatě všechny buňky těla s výjimkou mozkových buněk k odebrání glukosy z krve insulin rovněž zpomaluje štěpení glykogenu na glukosu v játrech insulin také zabraňuje konverzi aminokyselin a glycerolu (z tuků) na cukry

Insulin

Insulin

Glukagon Na glukagon jsou citlivé pouze jaterní buňky jaterní buňky začnou hydrolyzovat glykogen a přeměňovat aminokyseliny a cholesterol na glukosu

Glukagon

Diabetes mellitus Je způsobena buď nedostatkem insulinu nebo necitlivostí cílových buněk k insulinu hladina glukosy v krvi je zvýšena a glukóza se objeví v moči, čímž je vylučováno i velké množství vody výsledkem je stálá žízeň a časté močení protože buňky nejsou schopny využívat krevní glukosu, hlavním palivem pro buněčnou respiraci se stávají tuky kyselé metabolity z odbourávání tuků se objevují v krvi, snižují pH krve a mohou způsobit smrt

Diabetes mellitus diabainein = časté močení meli = med (odvozeno od faktu, že v moči se nachází cukr)

Diabetes mellitus Typ I. Je autoimunitní choroba, při které buňky imunitního systému atakují pankreatické buňky tato choroba propuká spíše náhle a v dětství léčí se injekcemi insulinu i několikrát denně dříve se užíval insulin z pankreatu zvířat, dnes díky genovému inženýrství produkují bakterie uvažuje se o léčbě kmenovými buňkami

Diabetes mellitus Typ II. DM2T tvoří 85 % - 90 % všech onemocnění s diabetem Insulinu je zpravidla dostatek, ale buňky na něj přestávají být citlivé objevuje se nejčastěji kolem 40. roku věku a s přibývajícím věkem stoupá i pravděpodobnost onemocnění více než 90% diabetu II. typu se dá léčit pouhou dietou k chorobě přispívá obezita, sedavý způsob života, jakož i dědičné faktory

Kůra a dřeň nadledvin

Kůra a dřeň nadledvin pomáhají se vyrovnat se stresem Jedná se o dvě žlázy, které jsou tvořeny dvěma typy buněk odlišného embryonálního původu a funkce

Dřeň nadledvin Dřeň nadledvin má velmi těsné spojení s nervovou soustavou. Její buňky jsou odvozeny z buněk neurálního hřebene

Dřeň nadledvin Některé buňky neurálního hřebene se v průběhu embryonálního vývoje mohou diferencovat buď v buňky dřeně nadledvina nebo do neuronů, v závislosti na přijatých chemických signálech

Dřeň nadledvin vylučuje dva hormony: adrenalin a noradrenalin Adrenalin (epinephrine) a noradrenalin (norepinephrine) patří chemicky do skupiny katecholaminů, které vznikají z aminokyseliny tyrozinu

Adrenalin a noradrenalin způsobují „fight or flight“ reakci Adrenalin i noradrenalin jsou vylučovány v odpovědi na stres: zvýší hydrolýzu glykogenu v játrech a uvolňování mastných kyselin z tukových buněk zvýší počet tepů a srdeční objem rozšíří bronchioly v plicích a tím zvýší příjem kyslíku (noradrenalin se proto předepisuje při astmatu) omezí průtok krve kůží, trávicími orgány a ledvinami, zvýší průtok krve v srdci, mozku a svalech

Adrenalin a noradrenalin způsobují „fight or flight“ reakci

Adrenalin a noradrenalin způsobují „fight or flight“ reakci Dřeň nadledvin je spojena s autonomním nervovým systémem - se sympatikem sympatikus vyloučí acetylcholin jako odpověď na stres (…což je další příklad spolupráce nervové a hormonální soustavy) acetylcholin způsobí vyloučení adrenalinu noradrenalin udržuje stálý krevní tlak, zatímco adrenalin ovlivňuje přímo srdce a úroveň metabolismu

Kůra nadledvin Rovněž odpovídá na stres, ale je stimulována spíše endokrinními signály než nervy stresové podněty stimulují hypotalamus k uvolňování RH, který způsobí, že adenohypofýza začne vylučovat ACTH. ACTH způsobí vylučování kortikosteroidů z kůry nadledvin dvě hlavní skupiny kortikosteroidů jsou glukokortikoidy (např. kortisol) a mineralokortikoidy (např. aldosteron)

Glukokortikoidy a mineralokortikoidy Pohlavní hormony: většina testosteronu je vyráběna v testes (varlata), a většinu estrogenů a progestinů v ovariích (vaječníky). Malá množství těchto pohlavních hormonů je rovněž vyráběno v kůře nadledvin

Glukokortikoidy Způsobují tvorbu glukosy z necukerných zdrojů, jako jsou proteiny způsobují odbourávání proteinů ze svalů; proteiny jsou transportovány do jater a ledvin, kde se z nich vyrábí glukosa tím se pomáhá tělu přestát dlouhé období environmentální zátěže (hladu) velké dávky glukokortikoidů působí jako imunosupresiva - potlačují vznik zánětu dlouhodobé užívání však má negativní dopad na práci imunitního systému

Mineralokortikoidy Udržují rovnováhu vody a solí aldosteron podporuje absorbci Na+ a vody z ledvin, čímž zvyšuje krevní tlak a objem krve aldosteron (reninangiotensin - aldosteron systém, RAAS), ADH z neurohypofýzy a atrial natriuretic factor (ANF) ze srdce udržují schopnost ledvin vyvážit koncenraci solí a vody v krvi

Glukokortikoidy a mineralokortikoidy srovnání krátkodobé a dlouhodobé odpovědi na stres Obě skupiny hormonů zřejmě pomáhají vyrovnat se s dlouhodobým stresem

Anabolické steroidy produkované kůrou nadledvin a testes Jsou uvolňovány ve stresu, atletických závodech atd. Jejich užívání jako dopingu má řadu negativních účinků: otoky, snížená mentální schopnost, poruchy plodnosti

Pohlavní hormony regulují růst, vývoj, reprodukční cykly a sexuální chování Gonády produkují tři hlavní skupiny pohlavních steroidních hormonů androgeny estrogeny progestiny muži i ženy mají všechny tyto hormony, ale v rozdílných koncentracích syntéza estrogenů i androgenů je kontrolována gonadotropiny, FSH a LH z adenohypofýzy. Vylučování FSH a LH kontroluje GnRH z hypotalamu

Androgeny Produkovány v testes zejména testosteron androgeny stimulují vývoj a udržení pohlavního systému muže androgeny produkované v raném embryonálním vývoji zajišťují, že vývoj embrya půjde mužským směrem v období dospívání zajišťují androgeny vývoj sekundárních pohlavních znaků, jako jsou vousy a hluboký hlas

Androgeny testosteron, který je nejvýznamnějším androgenem spolus dalšími tzv. anabolickými steroidy zneužíván atlety, ačkoliv nepřispívá k pohyblivosti a svalové koordinaci zakázán ve většině sportů

Estrogeny a progestiny Nejdůležitějším estrogenem je estradiol zajišťuje vývoj ženských sekundarismů nejvýznamějším progestinem je progesteron, který připravuje dělohu a růst a vývoj embrya