Physiologische Vorgänge wie Atmung, Kreislauf, Verdauung
usw. sind im Körper mit ihren Reaktionsgeschwindigkeiten und Umsatzraten
i.S. einer konzertierten
Aktion so aufeinander abgestimmt, daß sie die jeweils wechselnden
Anforderungen des Gesamtorganismus optimal erfüllen. Im Zellmetabolismus
gelingt das dadurch, daß die Endprodukte einer Rektion Geschwindigkeit
und Umsatzraten anderer Reaktionen beeinflussen (kontrollierende Wirkung).
Wird diese Kontrollwirkung innerhalb
der Evolution "institutionalisiert" und erfolgt sie schließlich
nicht nur intra- sondern auch interzellulär, werden die entsprechenden
Substanzen zu molekularen Informationsträgern, die über das Kreislaufsystem
an entfernte Erfolgsorte gelangen (humorale Kontrolle). Es wirken
verschiedene Zellmetabolite (z.B. CO2, O2,
H+, Ca2+)
als interzelluläre Regulatoren mit relativ breitem Wirkungsspektrum. Außerdem
besitzen Metazoen ein eigenes chemisches Kommunikationssystem aus gezielt wirkenden
Hormonen.
Hormone werden in endokrinen Drüsen oder Einzelzellen gebildet, direkt
an das Kreislaufsystem abgegeben und im Körper verteilt. Diese klassische
Definition wird heute ergänzt: Manche Hormone werden als ihre Vorstufen
(Prohormone) transportiert, erst im Zielorgan oder in der Blutbahn
entsteht das endgültige Hormon. Andere wirken nur lokal über die
interstitielle Flüssigkeit auf die eigene oder benachbarte Zellen (auto-
bzw. parakriner
Mechanismus, Abb. 5.1A1,2), treten also
im Gegensatz zum klassischen endokrinen Mechanismus (Abb. 5.1A3)
gar nicht in die Blutbahn.
Man spricht hier oft von Gewebshormonen (z.B. Prostaglandine mit vielfältigem Wirkungsspektrum; vgl. auch Tab. 5.1). Eine Erweiterung des Hormonbegriffs wird durch die enge Beziehung des Hormonsystems zum Nervensystem nötig.
Hormonale und neuronale Kontrollsysteme bilden
im Grunde nur die beiden Enden eines weiten Spektrums von Übertragungsmechanismen
(Abb. 5.1). Stets wird dabei Information einer Senderzelle auf eine Empfängerzelle
übertragen: entweder schnell mit Hilfe elektrischer Impulse über
die Axone von Nervenzellen oder langsam auf chemischem Weg über
die Blutbahn. An den Synapsen wird aber immer die Information chemisch (nur über
eine kurze Distanz, max. 40 nm) übertragen. Es gibt jedoch auch Neurohormone,
die direkt an die Blutbahn abgegeben werden (Neurosekretion,
Abb. 5.1B). Die Neurosekretion dürfte die evolutiv älteste Form hormonaler
Kontrolle sein, die erst später durch Endokrine
Organe ergänzt wurde. Nervensysteme als hierarchisch gegliederte Instanzen
halten das Hormonsystem unter Kontrolle und passen die Tätigkeit der endokrinen
Organe den Gegebenheiten an.
Ein Unterschied zwischen Nerven- und Hormonsystem besteht jedoch in der Art
der Informationsübertragung. Da Hormone über den Blutkreislauf übertragen
werden, muß die Spezifität ihrer Information in der spezifischen chemischen
Natur des Hormons verschlüsselt liegen. Demgegenüber können die Neurotransmitterstoffe
relativ unspezifisch sein, denn im Nervensystem ist die Spezifität schon aus
anatomischen Gründen gegeben.
Bei den Hormonen kann man drei Hauptstoffklassen unterscheiden:
Den genannten Stoffklassen entpsrechen zwar gewissen primäre Wirkungsmechanismen, zwischen der Funktion eines Hormons und seiner Zugehörigkeit zu einer der drei Klassen besteht aber kein direkter Zusammenhang. Neurohormone sind meist Peptide.
Viele Peptidhormone entstehen durch Fragmentierung größerer Prohormone, wobei aus demselben Prohormon in verschiedenen Zellen verschiedene Hormone hervorgehen können.
Von der Funktion her könnte man Hormone danach einteilen,
ob sie eher kinetisch (z.B. auf Drüsensekretion oder Pigmentwanderung), metabolisch,
morphogenetisch oder auf das Verhalten wirken; sie haben
aber nur selten ausschließlich eine
Funktion.
Hormone wirken nicht streng artspezifisch: die Sexualhormone aus
Säugergonaden z.B. auch bei Amphibien (Schwangerschaftstest!).
Bildung, Sekretion und Transport von
Hormonen werden mit denjenigen exokriner Drüsen verglichen. Diese geben ihr
Exkret in Drüsengänge ab (die z.B. in den
Gastrointestinaltrakt münden), endokrine Drüsen geben ihre Inkrete in die Blutbahn
ab. Synthese, Verpackung in sekretorische Vesikel und exocytotische Ausschleusung des
Sekrets entsprechen zumindest bei den Peptidhormonenn weitgehend den Verhältnissen
bei exokrinen Drüsen (vgl. Abb. 4.7C).
Nur lipohphile Steroidhormone diffundieren frei durch die Zellmembran. Die
Speicherung erfolgt i.d.R. intrazellulär (vgl. Neurohämalorgane), nur bei der
Schilddrüse auch extrazellulär. Hier wird das Inkret in speziellen Drüsenfollikeln
oft monatelang akkumuliert. Am Transport der Hormone im Blut sind vielfach
Trägerproteine beteiligt.
Wirkungsvolle Regulationsprozesse halten den Hormontiter im Blut auf niedrigem
Niveau (ca. 10-12 mol l-1).
Die niedrigen Konzentrationen haben den Vorteil der leichten Regulierbarkeit
(kleine Absolutänderungen erzeugen große Relativänderungen).
Die Hormonwirkung auf die Zielzelle erfolgt entweder indirekt, indem die Moleküle nach Bindung an Rezeptoren der Zellmembran die Synthese eines intrazellulären "second messenger" induzieren, der dann seinerseits erst den physiologischen Hormoneffekt bewirkt (Peptidhormone, Aminosurederivate). Oder sie erfolgt direkt durch Eindringen in die Zelle, Bindung an einen spezifischen Rezeptor und Aktivierung von Genen im Zellkern. Die ersteren Prozesse sind relativ schnellwirkende und kurzfristige, die letzteren langsamer und länger andauernd.
Beispiel: durch Adrenalin und Glucagon induzierter Abbau von Glycogen zu Glucose (z.B. in Leber- und Muskelzellen):
Die Bindung des Hormons an ein spezifisches Rezeptorprotein
bewirkt, daß ein nachgeschaltetes Transducer-Molekül (G-Protein) seine Konformation
ändert, GTP bindet und aufgrund einer dadurch hervorgerufenen erneuten Konformationsänderung
eine Adenylat-Zyklase an der Innenseite der Membran aktiviert. Diese synthetisiert
aus ATP cyclisches 3'5'-Adenosin-monophosphat (cAMP). Dabei wird eine 100fache
Verstärkung erreicht. Generell induziert also ein externes Signal (first
messenger,
Hormon) über die Zellmembran hinweg ein internes Signal (second messenger,
cAMP).
Je nach Art der Zielzelle setzt der second messenger ganz unterschiedliche
Enzymreaktionen in Gang.
Die fettlöslichen Steroidhormone passieren die Zellmembran, binden sich an cytoplasmatische Rezeptorproteine und dringen dann als Hormon-Rezeptor-Komplex in den Zellkern ein, wo sie an spezifische DNA-Sequenzen binden und dort spezifische Gene zur mRNA-Synthese veranlassen (Abb. 5.2B).
Die Hypophyse nimmt als Schnittstelle zwischen Nerven- und Hormonsystem eine Schlüsselstellung bei der hormonalen Regulation der Wirbeltiere ein (Abb. 5.3).
Ihre beiden Teile – Adenohypophyse (Vorderlappen) und Neurohypophyse
(Hinterlapen) – verkörpern dabei zwei verschiedene Prinzipien neurohoromonaler
Interaktion.
Bei der ontogenetisch dem Zwischenhirnboden entstammenden neuroektodermalen
Neurohypophyse handelt es sich um ein Neurohämalorgan.
Die Adenohypophyse (ontogenetisch wie der anliegende Zwischenlappen (Pars intermedia)
eine Ausstülpung der Mundhöhle (Rathke-Tasche) und daher entodermaler
Herkunft – ist dagegen eine echte endokrine Drüse. Ein wichtiger Vorgang,
der durch die Hypophyse gesteuert wird, ist der weibliche Sexualzyklus (Abb.
5.5).
Das in Abb. 5.4 skizzierte hierarchische System der Hormonkontrolle bietet den Vorteil, auf verschiedenen Ebenen Feedback-Mechanismen einzuführen.
Die homoiostatische Funktion des Hormonsystems läßt
sich an der Regulation des Blutzuckerspiegels erkennen. Obwohl
Glucose schubweise mit der Nahrung aufgenommen und bei motorischer Aktivität
auch schubweise verbraucht wird, liegt die Konzentration im Blut konstant bei
0,8-1,2 g l-1. Im dafür verantwortlichen
hormonellen Regelkreis nimmt Insulin als
einziges blutzuckersenkendes Hormon eine zentrale Stellung ein.
Zu einer Aktivierung des des andrenärgen Systems kommt es auch bei Tierarten,
die in sozialen Gruppen mit fester Rangordnung leben – und zwar bei jenen Individuen,
die bei Rangordnungsauseinandersetzungen unterliegen.
Ähnlich wie Adrenalin führt auch Thyroxin zu einer allgemeinen Steigerung des oxidativen Stoffwechsels, doch seine Wirkung erfolgt langsam und langanhaltend (im Zeitraum von Tagen). Thyroxin ist für Wachstum und Entwicklung unentbehrlich.
Das Hormonsystem bei Wirbellosen wird noch stärker als das
der Wirbeltiere vom Nervensystem dominiert. Nahezu alle Hormone der Wirbellosen
sind Neurohormone, wichtige Ausnahmen sind nur Gonadotropin (bei Cephalopoden)
und Ecdyson (bei Insekten).
Während Ecdysonsekretion am Anfang jeder Häutung auftritt, bestimmen die von
den Corpora allata gebildeten Juvenilhormone (JH,
Terpenoid), ob es sich um eine Larvalhäutung (hohe JH-Konzentration) oder um
eine Imaginalhäutung handelt (niedrige JH-Konzentration). Im letzteren Fall
metamorphosiert die Larve – bei holometabolen Insekten über ein Puppenstadium
– zum geschlechtsreifen Tier (Imago).
Dieses allgemeine Bild der Entwicklungshormone bei Insekten bedarf indessen
einiger Ergänzungen.
Obwohl Ecdysteron als "Häutungshormon" ekannt geworden ist, wird der eigentliche Häutungsvorgang, das Ausschlüpfen (Ecdysis) aus der alten Exocuticula (Exuvie), von einem Neurohormon (Eclosionshormon) induziert. Während das Eclosionshormon das motorische Verhaltensprogramm des Häutungsakts "auslöst", stimuliert das Ecdysteron den Abbau der alten Endocuticula (Apolysis) und die Synthese neuer Cuticula durch die Epidermiszellen. Nach der Häutung wird ein wieteres Neurohormon (Bursicon) sezerniert, das die Sklerotisierung und allenfalls Ausfärbung der Exocuticula kontrolliert.
So wie Hormone der chemischen Kommunikation innerhalb des Organismus dienen, üben Pheromone ("Ektohormone") diese Funktion zwischen Organismen – i.a. artgleiche Individuen – aus. Dabei werden die Pheromone von exokrinen Drüsen ausgeschieden. Zudem wirken Pheromone stärker artspezfisch als Hormone. Das beruht auf ihrer innerartlichen Signalwirkung als Alarm-, Spur-, Territorial- und Sexuallockstoffe (Abb. 5.8).
Die Artspezifität ist aber nicht absolut ausgeprägt, Pheromone wirken auch abgeschwächt auf Angehörige verwandter Arten. Mittels chemischer
Taxonomie können somit auch Verwandtschaftsgrade zwischen unterschiedlichen
Arten bestimmt werden.
Oft genügen kleinste Veränderungen in Molekülstruktur und
relativen Substanzkonzentrationen, um unterschiedliche
Pheromonwirkungen auszulösen.
Die Signalwirkung der Pheromone hat zu einem Kompromiß in der Molekülgröße
geführt. Einerseits sllten Pheromonmoleküle groß genug sein,
um über genügend
signalspezifische Variationsmöglichkeiten zu verfügen, andererseits
aber auch klein und flüchtig genug, um im Medium schnell und über
größere Distanzen verfrachtet
zu werden. Tatsächlich haben die meisten Pheromon-Kohlenwasserstoffe eine
Kettenlänge
von 10-20 C-Atomen (z.B. Bombykol des Seidenspinners: C10-Molekül).
Pheromone können beim Empfänger neben kurzfristigen Signaleffekten auch länger
anhaltende Primer-Wirkungen entfalten, d.h. zu morphologischen und physiologischen
Umstellungen führen (z.B. Königinnensubstanz der Bienen).