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Hormon

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Epinephrin (Adrenalin), ein Hormon aus der Gruppe der Katecholamine

Hormone (von altgriechisch ὁρμᾶν hormān ‚antreiben, erregen‘)[1] sind (bei unterschiedlicher Definition) biochemische Botenstoffe, die von spezialisierten Zellen produziert und abgegeben werden, um spezifische Wirkungen oder Regulationsfunktionen an den Zellen der Erfolgsorgane zu verrichten. Bei dem so stattfindenden biologischen Prozess handelt es sich um einen Spezialfall der Signaltransduktion. Chemisch gehören Hormone sowohl zu den kleinen Molekülen als auch zu den Peptiden (so genannte Peptidhormone).

Definition

Der Begriff Hormon wurde 1905 von Ernest Starling geprägt. Aus dieser Zeit stammt der klassische Hormonbegriff, nach dem Hormone im engeren Sinn körpereigene Stoffe sind, die aus einer endokrinen Drüse (Schilddrüse, Nebennieren, Bauchspeicheldrüse usw.) in den Blutkreislauf abgegeben werden, um in anderen Organen eine spezifische Wirkung zu erzielen (glanduläre Hormone). In Analogie dazu werden bei Gliederfüßern und Weichtieren Botenstoffe als Hormone angesehen, die über die Hämolymphe an ihren Wirkort gelangen. Diese klassische Definition findet bis heute Anwendung, wurde aber vielfach modifiziert und erweitert.

So wurde der Hormonbegriff um Substanzen im Allgemeinen erweitert, die wie Calcitriol, Erythropoietin und das atriale natriuretische Peptid nicht aus einer Hormondrüse freigesetzt werden. In der Regel werden auch Substanzen, die von Nervenzellen produziert und ins Blut abgegeben werden (Neurohormone), der Gruppe der Hormone zugeordnet.[2] Auch körpereigene Stoffe aus spezialisierten Zellen, die nach Abgabe unter Umgehung des Blutwegs direkt im unmittelbar benachbarten Gewebe (parakrin) ihre Wirkung erzielen (Gewebshormone) werden gelegentlich als Hormone bezeichnet.

Dem gegenüber werden hormonähnliche Stoffe, wie beispielsweise Zytokine, die innerhalb eines bestimmten Gewebes (autokrin) bestimmte Wachstums- und Differenzierungsprozesse von Zellen steuern, und Mediatoren, die nur innerhalb eines Gewebes diffundieren, meist von den eigentlichen Hormonen abgegrenzt. Auch Neurotransmitter, die von Nervenzellen über den synaptischen Spalt abgegeben werden um ebenfalls an Nervenzellen ihre Wirkung zu entfalten, werden in der Regel nicht als Hormone bezeichnet.[3]

Allgemeine Einführung

Hormone wurden seit den frühen Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts entdeckt; der Begriff Hormon wurde 1905 von Ernest Starling geprägt. Er entdeckte, dass bei der Stimulation durch Salzsäure aus der Darmwand ein Stoff freigesetzt wurde, der die Pankreas-Sekretion anregte (ein Augenzeugenbericht[4]). Diesen Stoff nannte er Sekretin. Hormone wirken nur auf bestimmte Zielorgane. Nur dort finden sich spezielle Hormonrezeptoren, an welche die Hormonmoleküle binden. Häufig sind diese Rezeptoren Membranproteine, die auf der Zelloberfläche das Hormon binden und auf der Innenseite der Membran nach Hormonbindung Signale auslösen. Einige Hormone (Schilddrüsenhormon, Vitamin D3 und die Steroidhormone, s. u.) erreichen ihre Rezeptoren erst, wenn sie die Zellmembran durch Diffusion durchdrungen haben. Ihre Rezeptoren liegen im Zytoplasma vor oder im Zellkern. Nach der Bindung von Hormon und Rezeptor aggregieren die Rezeptor/Hormon-Komplexe zu Rezeptordimeren, dringen in den Zellkern und steuern dort Genaktivierung.

Hormonbildende Zellen

Hormone werden von speziellen hormonproduzierenden Zellen gebildet: Diese befinden sich in Drüsen in der Hirnanhangdrüse (Hypophyse), der Zirbeldrüse, der Schilddrüse, der Nebenniere und in den Langerhans’schen Inselzellen der Bauchspeicheldrüse. Einige Hormone werden auch von Nervenzellen gebildet, diese nennt man Neurohormone oder Neuropeptide. Hormone des Magen/Darm-Traktes finden sich verteilt in den Lieberkühn-Krypten. Zudem werden in der Leber Vorstufen des Angiotensins gebildet. Geschlechtshormone werden von spezialisierten Zellen der weiblichen oder männlichen Geschlechtsorgane gebildet: Theca- und Granulosazellen bei der Frau und Leydig-Zellen beim Mann.

Charakteristisch für die hormonproduzierenden Zellen sind Enzyme, die nur in diesen Zellen vorkommen. Die Freisetzung der Hormone ist individuell für jedes Hormon geregelt. Häufig werden Hormone in der Zelle gespeichert und nach Stimulation durch einen Freisetzungsstimulus freigesetzt. Die Freisetzungsstimuli können z. B. Releasing-Hormone sein (Freisetzungshormone, auch Liberine genannt, siehe unten).

Endokrine Kaskaden: Hypothalamisch-Hypophysäre Achsen

Häufig finden wir hormonelle Achsen:

  • die hypothalamisch-hypophysär-gonadotrope Achse: Das Gonadotropin-Releasing Hormon (GnRH) aus Nervenzellen des Hypothalamus setzt in der Hypophyse die Gonadotropine frei, die wiederum in den Geschlechtsorganen die Bildung von Sexualsteroiden anregen.
  • die hypothalamisch-hypophysär-adrenotrophe Achse: Das Corticotropin-Releasing Hormon (CRH) aus Nervenzellen des Hypothalamus setzt in der Hypophyse das ACTH frei, das in der Nebenniere die Cortisol-Bildung anregt.
  • die hypothalamisch-hypophysär-thyreotrophe Achse: Thyreotropin-Releasing Hormon (TRH) aus Nervenzellen des Hypothalamus setzt in der Hypophyse das Thyrotropin frei, das in der Schilddrüse die Freisetzung des Thyroxin und des Trijodthyronin anregt.

Hormonfreisetzung

Die Hormonfreisetzung (mit Ausnahme der parakrinen Stimulatoren) erfolgt in der Nähe von Blutgefäßen, die viele kleine Fenster haben, durch die Hormone direkt ins Blut übergehen können. Bei auf die Sekretion von Neuropeptiden spezialisierten Stellen spricht man von Neurohämalorganen. Durch die Bindung eines Stimulus für die Hormonfreisetzung kommt es häufig in der Zelle zu einem Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration. Dieser Calcium-Anstieg erlaubt die Fusion der Zellorganellen, in denen sich die vorgefertigten Hormone befinden, mit der Zellmembran. Sobald die Organellenmembran mit der Zellmembran fusioniert ist, haben die Hormone freien Zugang zum Raum außerhalb der Zelle und können in die dort benachbarten Blutgefäße durch die gefensterte Blutgefäßwand wandern.

Hormonähnliche Stoffe

  • Die bei Pflanzen vorkommenden Hormone werden als Phytohormone bezeichnet. Sie teilen mit den tierischen Hormonen die Eigenschaft, Signalwirkung über eine größere Distanz zu entfalten und in geringen Konzentrationen wirksam zu sein.
  • Die bei Tieren vorkommenden Pheromone sind Botenstoffe zwischen Individuen. Sie sind nicht an den Organismus gebunden, in dem sie gebildet wurden und können über große Distanzen signalisieren.

Endokrinologie

Die Wissenschaft, die sich mit der Erforschung der Hormone befasst, ist die Endokrinologie. Ein Wissenschaftler oder Arzt, der sich mit der Erforschung der Hormone, ihrer Wirkungsweisen und mit Erkrankungen des hormonalen Geschehens beschäftigt, wird als Endokrinologe bezeichnet.

Beispiele für hormonelle Regulation

Beispiel für einen Rückkopplungsmechanismus

Hormone werden selber:

  1. durch Regelkreise (Rückkopplung, feedback system; in der hypothalamisch-hypophysären-thyreotrophen Achse zum Beispiel unterdrückt das Endprodukt Schilddrüsenhormon (Trijodthyronin) die Bildung des TRH im Hypothalamus und des Thyreotropins aus der Hypophyse.),
    Die Freisetzung der meisten Hormone wird durch negative Rückkopplungen gesteuert, wie beispielsweise die der Glukokortikoide der Nebennierenrinde. Der Hypothalamus setzt das Corticotropin-releasing-Hormon (CRH) frei, das in der Hypophyse die Freisetzung des Adrenocorticotropen Hormons (ACTH) stimuliert (blauer Pfeil +). Dieses stimuliert in der Nebennierenrinde die Bildung und Freisetzung von Kortisol und anderen Glukokortikoiden (blauer Pfeil +). Über das Blut in das Gehirn und die Hypophyse gebracht unterdrückt Kortisol andererseits die Bildung und Freisetzung von CRH und ACTH (rote Pfeile −), wodurch die Kortisolbildung wieder aussetzt.[5]
  2. durch das autonome Nervensystem sowie
  3. durch nichthormonelle chemische Botenstoffe wie zum Beispiel die Kalziumkonzentration oder die Glukosekonzentration im Blut reguliert.

Einteilung nach chemischer Klassifikation

Einteilung nach Herkunft

Es gibt spezielle Hormondrüsen, in denen hormonbildende Zellen im engen Verbund zusammenhängen. Viele Hormone werden aber von Zellen gebildet, die nicht ausschließlich mit hormonbildenden Zellen im Verbund stehen. So liegen die G-Zellen, die Gastrin bilden, vereinzelt im pylorischen Antrum des Magens vor. Ähnlich ist es mit den Zellen für die Hormone Cholezystokinin, Sekretin oder Somatostatin in der Darmwand.

Entscheidend für die Hormonproduktion ist nicht die äußere Umgebung einer Zelle, sondern die Ausrüstung innerhalb mit den charakteristischen Enzymen.

  • Spezialisierte Hormondrüsen
    • Hypophyse
      • Hypophysen-Vorderlappen, die Adenohypophyse: Hier werden LH/FSH, ACTH, Prolaktin, GH und TSH gebildet.
      • Hypophysen-Hinterlappen, Neurohypophyse: Diese ist keine Hormondrüse im eigentlichen Sinne, da hier die Hormone Oxytozin und Vasopressin (Adiuretin) an Nervenenden ausgeschüttet werden, wobei die Nervenzellkerne sich im Hypothalamus befinden und deren Nervenbahnen durch den Hypophysenstiel laufen.
    • Zirbeldrüse: Bildung des Hormons Melatonin
    • Schilddrüse: Bildung des Schilddrüsenhormons (T3, T4, Calzitonin)
      • Nebenschilddrüse (Parathyroidea): Bildung von Parathormon (Gegenspieler von Calzitonin)
    • Nebenniere: Bildung von Aldosteron (Mineralokortikoid), Androgenen (Androstendion) und Adrenalin (Epinephrin).
    • Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse: Bildung von Insulin, Glukagon, Somatostatin und Pankreatischem Polypeptid
  • Neurohormone, die von Neuronen im ZNS produziert werden.
    • Hypothalamische Neuropeptide: Bildung von GnRH, CRH, TRH oder GHRH: Speicherung an den Nervenenden in der Eminentia mediana; Bildung von Oxytozin und Vasopressin (Adiuretin), Speicherung an den Nervenenden in der Neurohypophyse; Bildung von NPY, GHrelin, Agouti-ähnlichem Peptid
  • Gewebe mit Hormonbildenden Zellen:
    • Haut: Bildung von Vitamin D3 durch Bestrahlung von 7-Dehydrocholesterin mit UV-Licht
    • Herz: Bildung des Atrial-Natriuretischen Peptides durch Muskelzellen (Myozyten) des rechten Herzvorhofes
    • Leber: Bildung des Angiotensinogen, des Vorläufers des Angiotensin, Bildung von Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktoren (IGF)
    • Magen- und Darmtrakt: Bildung von Cholezystokinin, Gastrin, Sekretin, Ghrelin aus einzeln in die Magen- oder Darmwand verteilten endokrinen Zellen.
    • Gonaden
      • Hoden: Bildung von Testosteron (und Estradiol) durch die Leydig-Zellen, von Inhibin und Aktivin
      • Ovarien: Bildung von Testosteron durch Theka-Zellen und von Estradiol durch Granulosa-Zellen, Bildung von Inhibin und Aktivin
  • Weitere Organe mit Steuerungsfunktion bestimmter endokriner Regelkreise

Biochemische Eigenschaften

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Hormonen:

  • Wasserlösliche Hormone:
    Diese Substanzen können wegen ihrer Lipidunlöslichkeit die Zellmembran nicht passieren. Stattdessen binden sie sich an spezifische membrangebundene Rezeptoren der Zielzellen. Zusammen mit dem Rezeptor wird ein Hormon-Rezeptor-Komplex gebildet. Dieser aktivierte Rezeptor fungiert im Zellinneren dann wie ein Enzym, das indirekt verschiedenste biochemische Mechanismen in Gang setzen kann (Signaltransduktion).
Ein sehr verbreitetes Prinzip der Signaltransduktion ist G-Protein-gekoppelte 7-Transmembranhelixrezeptor. Hier wird dadurch, dass ein Ligand außen an der Zelle an den Rezeptor bindet (welcher die Zellmembran überspannt), im Rezeptor eine Konformationsänderung ausgelöst, wodurch dann in der Zelle ein heterotrimeres G-Protein an den Rezeptor binden kann. Dadurch wird das Protein (z. B. Gs) aktiviert und bildet wie ein Enzym den second messenger cAMP. Dieser wiederum kann dann via PKA glatte Muskulatur relaxieren oder beispielsweise auch die Expression bestimmter Gene via CREB fördern.
  • Lipidlösliche Hormone:
    Diese Substanzen können aufgrund ihrer Lipidlöslichkeit durch die Zellmembran in die Zelle eindringen. Der Stoff bindet im Cytoplasma an intrazelluläre Rezeptoren und bildet einen Hormon-Protein-Komplex. Dieser Komplex hat die Fähigkeit, durch die Kernmembran zur DNA zu gelangen, oder ist wie im Falle der Schilddrüsenhormone bereits an die DNA gebunden, um die Expression bestimmter Gene zu fördern.
Eine wichtige Klasse innerhalb der fettlöslichen Hormone sind, neben den Schilddrüsen-Hormonen, die Steroidhormone. Steroidhormone stammen alle vom Cholesterin ab. Die beiden wichtigsten Orte der Steroidhormonproduktion sind die Nebennierenrinden und die Gonaden (Hoden und Eierstöcke) für die Sexualhormone.
Es gibt im Wesentlichen drei Kategorien für Steroidhormone im menschlichen Körper:
  • Glucocorticoide: deren wichtigster physiologischer Vertreter das Cortisol (nicht Cortison!) ist. Es hat stoffwechsellregulatorische Aufgaben im Sinne der Energiebereitstellung (heben z. B. den Kohlenhydratspiegel im Blut; Name!) und organphysiologische Aufgaben: verhindern zum Beispiel ein Überschießen der Immunreaktionen und Entzündungsreaktionen des Körpers (werden deshalb in der medizinischen Therapie zur Immunsuppression eingesetzt und haben regulatorische Funktionen im Wachstum (fördern Knochenabbau → Osteoporose), Herz-Kreislaufsystem (Blutdrucksteigerung), Tag-Nacht-Rhythmus und induzieren Stressreaktionen. Deshalb wird Cortisol umgangssprachlich oft fälschlicherweise als Stresshormon bezeichnet.
  • Mineralcorticoide: wichtigster physiologischer Vertreter ist das Aldosteron. Aufgaben Wasser- und Elektrolythaushalt. Spielt in der komplexen Regulation des Wasser- und Elektrolythaushaltes eine Rolle der Salz- und Wasserzurückhaltung im Körper (siehe auch: Renin-Angiotensin-Aldosteron-System)
  • Geschlechtshormone: hierbei muss man zwischen weiblichen und männlichen Geschlechtshormonen unterscheiden, wobei physiologischerweise sowohl weibliche als auch männliche Individuen beide besitzen. Die Geschlechtshormone werden hauptsächlich, aber nicht ausschließlich von den Gonaden synthetisiert.
Die männlichen Geschlechtshormone werden auch als Androgene bezeichnet. In der Laiensprache und Boulevardpresse werden mit "Steroiden" häufig fälschlicherweise nur Androgene gemeint. Der wichtigste physiologische Vertreter der Androgene ist das Testosteron, bzw. das aktivere Dihydrotestosteron, das aber erst in der Zielzelle aus anderen Androgenen gebildet wird. Nebenbei gibt es auch weniger aktive Formen, hauptsächlich aus der Nebennierenrinde. Es bewirkt die Ausbildung des männlichen Phänotyps (Erscheinungsbild) und männlicher Verhaltensweisen. Es wird deshalb auch vermehrt in der Embryogenese (Entstehung des Menschen in der Gebärmutter) und in der Pubertät ausgeschüttet. Dazu ist noch anzumerken, dass jegliche phänotypische Differenzierung in der Embryogenese zwischen männlich und weiblich ausschließlich vom Vorhandensein oder der Abwesenheit der Wirkung männlicher Sexualhormone abhängt. So zum Beispiel die Entwicklung des äußeren Genitals: unter Anwesenheit der Wirkung der Androgene werden Penis und Hodensack, in welchen die Hoden einwandern, unter deren Abwesenheit werden aus derselben Anlage Klitoris und Schamlippen ohne Hoden-(bzw Eierstock-)Deszensus zusammen mit einer äußeren Scheidenanlage. Die Annahme, dass für das äußere Erscheinungsbild und das Wesen eines Individuums das Y-Chromosom ausschlaggebend ist, ist somit grundlegend falsch. Dies hat nur Bedeutung in der Entwicklung des Hodens, welcher unter normalen Umständen der Hauptproduzent von Androgenen ist. Siehe auch sexuelle Differenzierungsstörungen.
Weibliche Geschlechtshormone: hiebei gibt es 2 Kategorien: Die Östrogene und die Gestagene.
Östrogene: wichtigste physiologische Vertreter: Östradiol und Östratriol. Sie sind zusammen mit dem Gestagen Progesteron für die Regulation des weiblichen Zyklus und der Schwangerschaft verantwortlich. Außerdem regulieren sie Reifung und Wachstum hpts. der inneren weiblichen Geschlechtsorgane und die Reifung der sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale in der Pubertät. Des Weiteren sind sie für die Beendigung des Knochenwachstums (Schluss der Epiphysenfuge) bei beiden Geschlechtern zuständig.
Das wichtigste physiologische Gestagen ist das Progesteron. Es ist neben der Zyklusregulation das wichtigste schwangerschaftserhaltende Hormon. Beide Arten von weiblichen Geschlechtshormonen werden zumeist von den Eierstöcken gebildet aber auch in geringerem Maße von der Nebennierenrinde und wahrscheinlich auch ein bisschen vom Fettgewebe (siehe männliche Gynäkomastie). Die Tatsache, dass diese Hormone neben den Hypophysenhormonen (FSH und LH) den weiblichen Zyklus kontrollieren, macht man sich bei der oralen Kontrazeption (Antibabypille) zunutze, wobei die Frau künstlich erzeugte meist chemisch leicht veränderte Östrogen-Gestagen-Präparate nimmt.
  • Genaugenommen zählt das Vitamin D (Cholecalciferol) zu den Steroidhormonen. Dieses ist für die Regulation des Calciumphosphathaushaltes zuständig. Beispielsweise bewirkt es, dass mehr Calcium aufgenommen und in den Knochen eingebaut wird. Es wird physiologischerweise in der Haut, in der Leber und in den Nieren synthetisiert.

Liste von pflanzlichen Hormonen

Chemische Struktur von Indol-3-essigsäure, dem wichtigsten Auxin

Hormone in der Umwelt

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Tatsache, dass Hormone zunehmend in die Umwelt eingetragen werden und später über die pflanzliche und tierische Nahrungskette in ungünstiger und unkontrollierter Dosierung vom Menschen wieder aufgenommen werden. Ein Beispiel sind die Hormone der Anti-Baby-Pille, die von Kläranlagen nicht abgebaut werden. Sie werden mit dem gereinigten Wasser in die Flüsse eingeleitet.

Da die Kläranlagen auf den Medikamenteneintrag nicht ausgelegt sind, gelangen Medikamente und ihre Rückstände fast ungehindert über die Oberflächengewässer auch wieder ins Trinkwasser. Mehr als 180 der 3000 in Deutschland zugelassenen Wirkstoffe lassen sich in deutschen Gewässern nachweisen: Von Hormonen und Lipidsenkern über Schmerzmittel und Antibiotika bis hin zum Röntgenkontrastmittel.[6]

Auch bestimmte Schadstoffe wie beispielsweise DDT, PCB, PBDE oder Phthalate wirken wie Hormone und beeinflussen etwa die immer früher einsetzende erste Monatsperiode bei Mädchen.

Siehe auch

Literatur

  • Buchner, Elisabeth: Wenn Körper und Gefühle Achterbahn spielen, ISBN 3-934246-00-1
  • Kleine, Bernhard: Hormone und Hormonsystem. Springer Verlag 2007, ISBN 3-540-37702-6
  • Larsen, P. Reed: Williams Textbook of Endocrinology. Saunders, Philadelphia, PA; 10. Auflage 2003
  • Meyer, Ulrich: Die Geschichte der Östrogene. Pharmazie in unserer Zeit 33(5), S. 352–356 (2004), ISSN 0048-3664
  • Munk, Katharina: Grundstudium Biologie – Zoologie. Spektrum Akademischer Verlag (2002), ISBN 3-8274-0908-X
  • Penzlin, Heinz: Lehrbuch der Tierphysiologie. Spektrum Akademischer Verlag (2009), 7. Auflage, ISBN 3-8274-2114-4

Einzelnachweise

  1. ↑ Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. G. Freytag Verlag/Hölder-Pichler-Tempsky, München/Wien 1965.
  2. ↑ Kacsoh, Balint: Endocrine physiology. McGraw-Hill, Health Professions Division, New York 2000, ISBN 0-07-034432-9.
  3. ↑ Peter Karlson, Detlef Doenecke, Jan Koolman, Georg Fuchs, Wolfgang Gerok: Karlsons Biochemie und Pathobiochemie. Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 3133578154, Hormone und hormonähnliche Signalstoffe, S. 517-582.
  4. ↑ C.J. Martin Br. Med. J. I 900–906; 1927
  5. ↑ P. H. Raven, G. B. Johnson: Biology. 5. Auflage. McGraw-Hill Companies, Boston 1999, S. 1058.
  6. ↑ Marc Meißner: Arzneimittel in der Umwelt: Natur als Medikamentendeponie. In: Deutsches Ärzteblatt. 105, Nr. 24, 2008, S. A-1324 (Online).

Weblinks

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