От одиночных ячеек к скоординированной коммуникации Жизнь началась с того, что отдельные клетки самостоятельно обрабатывали пищу, отходы, уровень рН и температуру. С появлением многоклеточных организмов для выживания потребовалась координация между удаленными клетками. Системы коммуникации эволюционировали таким образом, что отдаленные части могли действовать сообща. Эта потребность создает основу для передачи нервных и эндокринных сигналов.
Четыре способа отправки сообщений Клетками Прямой контакт связывает соседние клетки. Паракринные сигналы распространяются на короткие расстояния к ближайшим мишеням. Нейронная сигнализация запускает быстрые и точные потенциалы действия, которые высвобождают нейромедиаторы в синапсах. Эндокринная сигнализация передает химические сигналы через кровоток к удаленным тканям.
Скорость, точность и досягаемость Нейронные сигналы поступают быстро и нацелены на определенные клетки с высокой точностью. Эндокринные сигналы передаются медленнее, но координируют работу многих тканей одновременно. Компромисс между оперативностью и широтой охвата позволяет организмам адаптировать коммуникацию к задаче. Расстояние и размер аудитории определяют, какой канал работает лучше всего.
Координация преобразований и состояний Эндокринный контроль обеспечивает масштабные, синхронизированные изменения во всем организме, такие как метаморфозы и важные изменения в развитии. Функционирование в определенной среде также требует согласованных изменений, таких как реакции организма на стресс или сексуальное возбуждение. Клетки изменяются одновременно, поэтому организм действует согласованно. Выбор времени и координация - вот ценность гормональной трансляции.
Два основных семейства гормонов Пептидные гормоны образуются из аминокислот. Стероидные гормоны образуются из холестерина. Третья группа состоит из производных отдельных аминокислот, но основное внимание уделяется пептидам и стероидам. Структура определяет, как каждая из них перемещается и сигнализирует.
Гидрофильная логика против гидрофобной Пептидные гормоны являются гидрофильными, влаголюбивыми молекулами. Стероиды гидрофобны и липофильны, что благоприятно сказывается на липидной среде. Поскольку мембраны представляют собой фосфолипидные бислои, стероиды легко проникают в клетки, а пептиды - нет. Эти физические свойства определяют транспорт и расположение рецепторов.
Знакомые примеры К пептидным гормонам относятся инсулин, вазопрессин, окситоцин и АКТГ (в качестве рилизинг-фактора используется CRH). К стероидным гормонам относятся глюкокортикоиды, андрогены и эстрогены. Эти примеры повторяются при стрессе, репродукции и социальном поведении. Знание своего класса позволяет предсказать, как они будут двигаться и действовать.
Крошечные химические изменения, большие эффекты Многие гормоны имеют общих предшественников, но небольшие структурные изменения создают разные сигналы. Поэтому эволюция потребовала рецепторов, способных обнаруживать мельчайшие молекулярные различия. Различающие рецепторы предотвращают перекрестные реакции между похожими посредниками. Дофамин и адреналин являются примерами близкородственных молекул, которые необходимо различать.
Сигналы, охватывающие различные категории Некоторые химические вещества действуют как нейромедиаторы в синапсах и как циркулирующие гормоны. Контекст определяет их роль: дофамин и адреналин могут быть и теми, и другими. Таким образом, одна и та же молекула обеспечивает локальную точность или распространение по всему организму. Классификация зависит от того, где и как она высвобождается.
Скача по кровеносной системе Пептидные гормоны растворяются в крови и свободно циркулируют. Стероиды избегают попадания воды и перемещаются, связанные с белками-носителями, которые являются шаперонами системы. Способ транспортировки влияет на доставку, доступность и сроки. Носители делают гидрофобные сообщения мобильными в водной среде.
Пептиды: Поверхностные рецепторы и вторичные посредники Не способные проникать через мембраны, пептиды связываются с рецепторами на поверхности клеток. Это запускает внутриклеточные каскады вторичных сигналов, которые могут открывать или закрывать ионные каналы и модулировать существующие белки. Действие наступает относительно быстро, а эффект - непродолжителен. Этот каскад может влиять на ядерные процессы, но его отличительной чертой является быстрая модуляция уровня белка.
Стероиды: внутриклеточные рецепторы и транскрипция Стероиды проникают в клетки и связывают рецепторы в цитоплазме или ядре. Комплекс часто перемещается в ДНК, изменяя транскрипцию генов. Инициация происходит медленнее, а эффект сохраняется дольше, поскольку изменяется синтез белка. Стероиды изменяют клеточный механизм, а не просто настраивают уже имеющиеся белки.
Управление мозгом: гипоталамус и гипофиз Многие органы выделяют гормоны, но ключевые центры управления находятся в головном мозге. Гипоталамус и гипофиз регулируют работу периферических желез различными путями. Гормоны, выделяемые гипоталамусом, поступают в портальную кровь, контролируя переднюю долю гипофиза (аденогипофиз). Задняя доля гипофиза (нейрогипофиз) выделяет вазопрессин и окситоцин, вырабатываемые нейронами гипоталамуса.
Выработка, транспортировка и высвобождение задних гормонов Вазопрессин и окситоцин синтезируются в клетках гипоталамуса и упаковываются в везикулы. Моторные белки переносят эти везикулы по цитоскелету вниз по аксонам к терминалям задней доли гипофиза. Там они, подобно синаптическим пузырькам, ожидают, когда поступит нужный сигнал. Восходящие нервные импульсы определяют момент возникновения импульса.
Каскад HPA Стимулирует выработку гормонов стресса Гипоталамический гормон роста поступает в портальную систему и достигает передней доли гипофиза. Передняя доля гипофиза выделяет АКТГ в кровоток. АКТГ стимулирует выработку кортикостероидов корой надпочечников, в частности кортизола. Циркулирующий кортизол достигает целевых показателей по всему организму.
Отрицательная обратная связь держит систему в узде По мере повышения уровня кортизола они подавляют дальнейший выброс CRH и АКТГ. Эта отрицательная обратная связь стабилизирует каскад и предотвращает безудержную секрецию. Гипоталамус и гипофиз улавливают гормон и регулируют его выработку. Другие области мозга, такие как гиппокамп, также способствуют замедлению реакции.
Преодоление гематоэнцефалического барьера Гематоэнцефалический барьер состоит из плотно соединенных клеток, выстилающих сосуды, которые регулируют обмен между кровью и мозгом. Липофильные стероиды легко проникают через мембраны, в то время как для проникновения пептидов обычно требуются транспортеры. Многие пептиды, тем не менее, достигают своих целей с помощью специальных переносчиков. Такие вещества, как алкоголь, также пересекаются, что приводит к поведенческим последствиям.
Где концентрируются рецепторы мозга Глюкокортикоидные рецепторы широко распространены в головном мозге, с заметными скоплениями в гипоталамусе и гиппокампе. Эти распределения указывают на области, высокочувствительные к глюкокортикоидам и отвечающие за контроль с обратной связью. Минералокортикоидные рецепторы также присутствуют, хотя здесь на них не акцентируется внимание. Карты рецепторов помогают предсказать воздействие гормонов на нервные системы.
Типы рецепторов, их плотность и пластичность Один и тот же гормон может воздействовать через несколько типов рецепторов, что приводит к различным результатам. Различия в количестве рецепторов вазопрессина у разных популяций согласуются с тенденцией к моногамии. Чувствительность зависит от количества рецепторов: большое количество рецепторов усиливает реакцию, а малое их количество ослабляет. Уровни гормонов могут повышать или понижать экспрессию рецепторов, а эпигенетические механизмы изменяют экспрессию в определенных областях мозга.
От нейронов к поведению Гормоны изменяют нейроны, изменяя мембранные потенциалы, активируя вторичные посредники, изменяя активность белков и регулируя транскрипцию генов. Эти клеточные изменения распространяются по сетям и формируют поведение. Стресс, сексуальное поведение, агрессия и настроение отражают взаимодействие глюкокортикоидов, тестостерона, эстрогенов, вазопрессина, окситоцина, адреналина, гормонов щитовидной железы, прогестерона и мелатонина. Основные принципы: гидрофобность определяет транспорт и расположение рецепторов, мозг управляет выделением эндокринных гормонов, а гормоны влияют на поведение, воздействуя на нервные цепи.