Хормони — урок по биология

1. Химични вестоносци

Клетките на многоклетъчния организъм трябва да си „говорят“. Има два главни начина: по жиците на нервната система (виж Нервна система и сетива) и с химични сигнали, разнесени от кръвта. Вторият начин е ендокринната система.

О

Хормон и жлеза с вътрешна секреция

Хормонът е сигнално вещество, което се отделя в много малко количество от специализирани клетки, пренася се с кръвта и променя работата на други, често далечни клетки. Жлезите с вътрешна секреция (ендокринни жлези) нямат канал – отделят хормоните направо в кръвта. Жлезите с външна секреция (слюнчени, потни, черният дроб) изливат продукта си по канал навън или в кухина.

Хормонът стига до всяка клетка на тялото, но действа само на прицелните клетки – тези, които имат подходящ рецептор, , към който хормонът се свързва като ключ в ключалка. Една и съща молекула може да прави различни неща в различни клетки: адреналинът ускорява сърцето, но разширява и кара да пуска глюкоза. Освен класическите хормони има и сигнали на къси разстояния – паракринни (към съседните клетки), а животните използват и феромони, които излизат навън и действат на други индивиди от вида.

	Нервна система	Ендокринна система
сигнал	електрически импулс и медиатор в синапса	хормон в кръвта
път	по точно определен неврон	до цялото тяло; действа, където има рецептор
скорост	милисекунди	секунди до дни
продължителност	кратко	често дълго (минути до седмици)
пример	отдръпване на ръката от котлона	растеж, обмяна на веществата, реакция при стрес

Двете системи не са отделни: в мозъка е едновременно нервен център и жлеза, а мозъчното вещество на надбъбречните жлези е видоизменен нервен възел. И растенията имат хормони, макар и без кръв (виж Растеж, размножаване и хормони при растенията).

2. Как хормонът „говори“ с клетката

По химичен строеж хормоните са три основни групи – и строежът решава къде е рецепторът им.

Група	Примери	Рецептор
пептиди и белтъци	инсулин, глюкагон, АДХ, растежен хормон, TSH	в мембраната
производни на аминокиселини	адреналин (от тирозин), мелатонин; тироксин	в мембраната; за тироксина – в ядрото
стероиди (от холестерол)	кортизол, алдостерон, половите хормони, екдизон	в цитоплазмата или ядрото

Т

Два начина на действие

Водоразтворимите хормони (пептиди, адреналин) не минават през липидния двослой: свързват се с рецептор в мембраната, който включва G-белтък и ензим вътре в клетката – той образува вторичен посредник (например цАМФ). Посредникът включва верига от ензими – отговорът е бърз (секунди до минути). Мастноразтворимите хормони (стероиди, тироксин) минават през мембраната, свързват се с рецептор вътре в клетката и комплексът включва или изключва гени – отговорът е бавен (часове), но дълъг.

Вторичния посредник цАМФ (цикличен АМФ, образуван от ) открива американецът Ърл Съдърланд през 50-те години на XX в., докато изучава как адреналинът кара черния дроб да разгражда гликоген – за това получава Нобелова награда през 1971 г. Най-важното в каскадата е усилването: една молекула хормон включва много G-белтъци, всяка аденилатциклаза прави много цАМФ, всяка протеинкиназа фосфорилира много – и накрая се освобождават милиони молекули глюкоза. Затова хормоните действат в концентрации от на наномоли и пикомоли на литър. Как стероидите включват , виж при регулацията на в ДНК, гени и синтез на белтък.

доза3време2

връх на цАМФ1,42цАМФ в края0,51глюкоза× 1,00 спрямо нормата

Когато адреналинът изчезне, сигналът угасва за минути: G-белтъкът сам се изключва, а ФДЕ разгражда цАМФ. Каскадата е силна, но и лесно спира.

💡 „Доза“ е концентрацията на адреналина спрямо тази, при която са заети половината рецептори, а „време“ – колко минути дълго жлезата го отделя (жълтата ивица); после той изчезва с полуживот около 2,5 min. Моделът е опростен и стойностите на цАМФ са условни. Числата в стълбата са порядъците от учебниците – колко молекули се включват на всяко стъпало за една молекула адреналин; в реалната клетка зависят от много неща. Холерният токсин всъщност действа в клетките на червата, а не на черния дроб – тук само показва какво става, когато G-белтъкът не може да се изключи.

Пример

Една молекула адреналин включва около 100 аденилатциклази, всяка от тях прави около 100 молекули цАМФ, а накрая на каскадата за всяка молекула цАМФ се освобождават около 10 000 молекули глюкоза-1-фосфат. Колко молекули глюкоза-1-фосфат дава една молекула адреналин?

$1 \cdot 10^2 = 10^2$ активни аденилатциклази
$10^2 \cdot 10^2 = 10^4$ молекули цАМФ
$10^4 \cdot 10^4 = 10^8$ молекули глюкоза-1-фосфат – сто милиона от една молекула хормон.

3. Хипоталамусът и хипофизата

Хипофизата е колкото грахово зърно и виси на тънка дръжка под хипоталамуса. Наричат я „диригент на ендокринния оркестър“, но истинският диригент е хипоталамусът над нея. Хипофизата има два дяла с много различен произход.

Задният дял е продължение на мозъка. В него завършват на от хипоталамуса, които сами правят хормони – това е невросекреция. Така се отделят (задържа вода – виж Отделяне и хомеостаза) и окситоцинът (контракции на при раждане и изтичане на мляко при кърмене).

Предният дял е истинска жлеза. Хипоталамусът го управлява с рилизинг хормони („освобождаващи“), които по малка собствена кръвоносна система (портална система на хипофизата) стигат направо до него. Предният дял отделя тропни хормони, които управляват други жлези, и хормони, които действат направо на :

Хормон на предния дял	Действие
тиреотропен хормон (TSH)	щитовидната жлеза – отделяне на тироксин и растеж на жлезата
адренокортикотропен хормон (АКТХ)	кората на надбъбречните жлези – отделяне на кортизол
фоликулостимулиращ (ФСХ) и лутеинизиращ (ЛХ) хормон	половите жлези (виж урока за размножаването)
растежен хормон	растеж на костите и мускулите, обмяна на веществата
пролактин	образуване на мляко в млечните жлези

Т

Ос хипоталамус – хипофиза – жлеза

Хипоталамусът отделя рилизинг хормон → предният дял на хипофизата отделя тропен хормон → периферната жлеза отделя своя хормон, който действа на тъканите. Крайният хормон потиска и хипоталамуса, и хипофизата – отрицателна обратна връзка. Така нивото му се държи около зададена стойност, а всяка стъпка усилва сигнала.

Прекалено много растежен хормон в детството (най-често от доброкачествен тумор на хипофизата) води до гигантизъм: американецът Робърт Уодлоу, най-високият измерен човек, достига 2,72 m. При възрастни, когато костите вече не растат на дължина, се уголемяват ръцете, ходилата и чертите на лицето – акромегалия. Недостигът в детството води до нисък ръст; днес се лекува с растежен хормон, произвеждан от генно модифицирани .

4. Щитовидната жлеза

Щитовидната жлеза е на шията под ларинкса, с два дяла като пеперуда, и тежи около 15–25 g. Тя е изградена от малки мехурчета (фолликули), в които се пази белтъкът тиреоглобулин. Жлезата поема йод от кръвта и го вгражда в остатъци от аминокиселината тирозин – получават се тироксин (T4, с 4 атома йод) и трийодтиронин (T3, с 3). Жлезата отделя главно T4, а в тъканите той се превръща в по-активния T3.

Хормоните на щитовидната жлеза влизат почти във всички клетки и включват гени: увеличават , производството на топлина и броя на , ускоряват сърцето. В детството са нужни за растежа и особено за развитието на мозъка. Затова:

Хипотиреоидизъм (недостиг) – умора, зиморничавост, наддаване на тегло, бавен пулс. При новородени без лечение – кретинизъм: нисък ръст и тежко изоставане в умственото развитие. Затова в много страни на всички бебета в първите дни им се изследва TSH.
Хипертиреоидизъм (излишък) – сърцебиене, отслабване въпреки апетита, потене, нервност. Най-честата причина е Базедовата болест (на английски – болест на Грейвс), при която се свързват с рецептора за TSH и стимулират жлезата като TSH, но без обратна връзка; често очите изпъкват.
Гуша – уголемена жлеза. По света най-честата причина е недостигът на йод. В планински райони далеч от морето (Алпите, Хималаите, а в миналото и части от България) гушата е била масова. През 1922 г. Швейцария първа започва да добавя йод в готварската сол – днес това се прави в повечето страни.

Отделянето на T4 се управлява от оста хипоталамус (рилизинг хормон TRH) → хипофиза (TSH) → щитовидна жлеза. TSH е много чувствителен към T4: при двойно повече T4 той спада около сто пъти, затова лекарите изследват първо TSH. В лабораторията опитай какво става при йоден недостиг, при на Хашимото ( бавно разрушава жлезата – най-честата причина за хипотиреоидизъм там, където йодът стига), при Базедова болест и при болна хипофиза.

йод, %20T4, μg0ден180

ден180TSH6,0 mU/L (висок)свободен T412,8 pmol/L (нормален)жлезата× 2,00

TSH е повишен, а T4 още е в нормата – жлезата едва компенсира (субклинична хипотиреоза). Тя расте под действието на TSH.

💡 Избери състояние – в ден 0 то започва при здрав човек. „Йод“ е приемът спрямо нужния (около 150 μg на ден), „T4“ – таблетки левотироксин (100 μg на ден ≈ колкото жлезата прави сама). Опитай да лекуваш Хашимото с таблетки, докато TSH влезе в зелената ивица, или дай таблетки на здрав човек. Моделът е опростен: TSH се разгражда за около час, тироксинът – за около седмица, затова T4 се променя бавно, а размерът на жлезата се нагажда за месеци. Зелените ивици са приблизителните нормални граници (те се различават по лаборатории).

В щитовидната жлеза има и други клетки, които отделят калцитонин – той леко снижава калция в кръвта. Зад нея са четирите малки околощитовидни (паращитовидни) жлези. Техният паратхормон вдига калция: освобождава го от костите, задържа го в и включва D, който увеличава поемането на калций в червата. Калцият в кръвта се държи около 2,2–2,6 mmol/L – от него зависят нервите, мускулите и .

Пример

Резултатите на трима пациенти: А – TSH 25 mU/L, свободен T4 7 pmol/L; Б – TSH < 0,01 mU/L, свободен T4 45 pmol/L; В – TSH 0,3 mU/L, свободен T4 6 pmol/L. Къде е проблемът при всеки? (Норми: TSH 0,4–4, свободен T4 12–22.)

А: малко T4 и много TSH – хипофизата работи и „крещи“, но жлезата не отговаря. Първична хипотиреоза (напр. Хашимото или йоден недостиг).
Б: много T4, а TSH е потиснат – обратната връзка работи, но жлезата отделя хормон без TSH. Хипертиреоза (напр. Базедова болест).
В: малко T4, а TSH не е висок – хипофизата не реагира на недостига. Вторична хипотиреоза (болна хипофиза или хипоталамус).

5. Надбъбречните жлези и стресът

Над всеки бъбрек има по една надбъбречна жлеза – всъщност две жлези в една. Вътрешната част, мозъчното вещество, отделя адреналин (и по-малко норадреналин) по сигнал от симпатиковите нерви. Това е реакцията „бий се или бягай“: за секунди сърцето се ускорява и бие по-силно, се вдига, бронхите се разширяват, черният дроб пуска глюкоза, кръвта отива към мускулите, а спира. Затова при уплаха устата пресъхва и сърцето „изскача“.

Външната част, кората, отделя стероидни хормони: (задържа Na⁺ и вода), кортизол и малко полови хормони. Кортизолът се управлява от оста хипоталамус (рилизинг хормон CRH) → хипофиза (АКТХ) → кора на надбъбречните жлези. Нивото му е най-високо сутрин около събуждането и най-ниско около полунощ. Кортизолът вдига глюкозата в кръвта – кара черния дроб да прави нова глюкоза от , разгражда белтъци в мускулите и мазнини, и потиска и имунния отговор. Затова синтетичните кортикостероиди се използват като лекарства срещу , астма и автоимунни болести – но при дълга употреба отслабват защитата срещу инфекции.

О

Стрес

Отговорът на организма на всяко силно натоварване – опасност, болка, студ, гладуване, болест, изпит. Има бърза фаза (симпатикова нервна система и адреналин – секунди) и бавна (оста хипоталамус – хипофиза – кора на надбъбречните жлези и кортизол – минути до дни). Краткият стрес помага да се справим; продължителният вреди – вдига кръвното налягане и кръвната захар и потиска имунитета.

Идеята за стреса въвежда унгарско-канадският учен Ханс Селие през 1936 г. Той забелязва, че плъхове, подложени на най-различни вредни въздействия, развиват едни и същи промени: уголемени надбъбречни жлези, свит и язви на . Болестите на надбъбречната кора са рядки, но важни: при излишък на кортизол (синдром на Кушинг) мазнините се трупат по лицето и корема, а кожата и костите изтъняват; при недостиг (Адисонова болест) има слабост, ниско кръвно налягане и потъмняване на кожата. От Адисонова болест е страдал американският президент Джон Кенеди.

Пример

Защо при Адисонова болест (разрушена кора на надбъбречните жлези) кожата потъмнява?

Кортизолът е нисък, затова няма отрицателна обратна връзка към хипоталамуса и хипофизата.
Хипофизата отделя много АКТХ. Той се образува от по-голям белтък-предшественик, от който се отделя и меланоцит-стимулиращ хормон; а и самият АКТХ слабо стимулира меланоцитите.
Меланоцитите правят повече меланин – кожата потъмнява. Висок тропен хормон при нисък краен хормон е белег, че болна е периферната жлеза.

6. Колко дълго действа един хормон

За да служи като сигнал, хормонът трябва не само да се отдели, но и да изчезне – иначе „съобщението“ би останало завинаги. Черният дроб и бъбреците непрекъснато го разграждат и изхвърлят. Скоростта на разграждане обикновено е пропорционална на количеството, както при (виж Ядро и радиоактивност).

Т

Полуживот на хормон

Полуживотът t½ е времето, за което концентрацията на хормона в кръвта спада наполовина, ако отделянето спре: C = C₀ · 2^(−t/t½). При постоянно отделяне със скорост R нивото расте към стационарно, при което отделянето е равно на изчистването: C = R / Cl, където Cl (клирънс) е обемът плазма, изчистен за единица време. Времето до стационарното ниво зависи само от полуживота: 50 % за един полуживот, 90 % за около 3,3.

Пептидите и адреналинът се разграждат за минути – затова се използват за бързи промени. Стероидите и особено тироксинът са свързани с белтъци на плазмата и издържат часове до дни. Много хормони не се отделят равномерно, а на импулси: например рилизинг хормоните на хипоталамуса и растежният хормон (най-много през нощта, в дълбокия сън). Краткият полуживот позволява импулсите да не се сливат.

τ / t½1

интервал70 minнатрупване× 2връх2дъно1

R = 1 / (1 − 2^(−τ / t½)) = 1 / (1 − 0,5) = 2

Нивото се натрупва, докато за един интервал се разгради точно колкото носи една доза.

💡 Полуживотите са приблизителни (за адреналина – 2–3 min, за кортизола – около час до час и половина, за T4 – около седмица) и се различават между хората. Графиката по оста x е в полуживоти – затова за всички хормони изглежда еднакво; различна е само мярката под нея. Пептидите се разграждат за минути, а T4 е свързан с белтъци в кръвта и се пази дълго – затова таблетката тироксин се пие веднъж на ден, а инсулинът при диабет трябва да се дава по-често или като бавно освобождаваща се форма.

Пример

Полуживотът на кортизола е около 70 min. При стрес концентрацията му е скочила 4 пъти над нормата и стресът свършва. Ако приемем, че отделянето се връща веднага към нормалното, приблизително за колко време излишъкът спада 16 пъти?

$16 = 2^4$ – трябва 4 полуживота
$4 \cdot 70 = 280\ \mathrm{min} \approx 4{,}7\ \mathrm{h}$ – затова кортизолът след стрес се „успокоява“ за часове, а адреналинът – за минути.

7. Още жлези и хормони

Освен класическите жлези хормони отделят много органи, които не смятаме за жлези. Ето някои:

Орган	Хормон	Действие
задстомашна жлеза	инсулин, глюкагон	кръвната захар (виж Отделяне и хомеостаза)
шишарковидна жлеза (епифиза)	мелатонин	отделя се на тъмно; дневният ритъм и сънят
стомах и тънко черво	гастрин, секретин и др.	стомашен сок, сок на задстомашната жлеза, жлъчка
бъбрек	еритропоетин, ренин	образуване на еритроцити; кръвно налягане
сърце (предсърдия)	натриуретичен пептид	изхвърляне на Na⁺ и вода, по-ниско налягане
мастна тъкан	лептин	сигнал до хипоталамуса колко мазнини има – апетит
полови жлези	естрогени, прогестерон, тестостерон	виж Размножаване и развитие

Хормоните на и са разгледани в Отделяне и хомеостаза, а половите хормони и – в Размножаване и развитие. Секретинът на Бейлис и Старлинг от началото на урока е хормон на тънкото черво. Еритропоетинът се отделя, когато кислородът в бъбрека спадне – например на височина – и е сред най-известните забранени средства в спорта.

8. Хормони при насекомите

Насекомите растат в твърда външна обвивка, която не се разтяга. За да пораснат, трябва да я сменят – да линеят. на пеперудата (гъсеницата) линее няколко пъти, после се превръща в , а от нея излиза възрастната пеперуда (пълна ). Всичко това се управлява от два хормона:

Екдизон – стероиден хормон от проторакалните жлези в гърдите. Отделя се, когато мозъкът ги стимулира със свой хормон (проторакотропен), и предизвиква всяко линеене.
Ювенилен хормон („младежки“) от малки жлези зад мозъка. Той решава какво ще излезе от линеенето: при много ювенилен хормон – по-голяма ларва; при малко – какавида; без него – възрастно насекомо.

Това е доказано с класически опити. Английският ентомолог Винсънт Уигълсуърт работи през 30-те години с кървосмучещата дървеница Rhodnius: ако на ларвата се отреже главата скоро след хранене, тя не линее – мозъкът дава сигнала. А ако се присадят жлезите, които правят ювенилен хормон, от млада ларва в ларва от последната възраст, тя линее в гигантска ларва вместо във възрастно насекомо. Днес вещества, подобни на ювенилния хормон, се използват срещу комари и бълхи – ларвите не могат да станат възрастни.

Пример

На гъсеница от последната възраст присаждат допълнителни жлези, които отделят ювенилен хормон. На друга гъсеница от средна възраст отстраняват тези жлези. Какво ще излезе при следващото линеене?

Първата гъсеница: екдизонът предизвиква линеене, но ювенилният хормон остава висок – излиза още една, по-голяма гъсеница (свръхброй ларва).
Втората: без ювенилен хормон линеенето води към какавида преждевременно – получава се малка какавида и после джудже-пеперуда.
Изводът: екдизонът казва „кога“, а ювенилният хормон – „в какво“.

9. Тренажор

Полуживот, натрупване при повтарящи се дози, йод в тироксина, усилване в каскадата и стационарна концентрация.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

5 \cdot 50 \cdot 1000

5 молекули адреналин включват по 50 аденилатциклази всяка, а всяка аденилатциклаза прави по 1000 молекули цАМФ. Колко молекули цАМФ се образуват?

10. Хормоните в числа

0 / 6

🧂 Йодирана сол

Възрастният човек има нужда от около 150 μg йод на ден. Солта се йодира с около 30 mg йод на килограм сол. Колко грама йодирана сол на ден покриват нуждата? (Препоръчва се под 5 g сол на ден – йодът идва и от други храни.)

💉 Белязан хормон

В кръвта на опитно животно се вкарва малко количество белязан (радиоактивен) инсулин. След 20 min в кръвта е останала 1/16 от него. Какъв е полуживотът на инсулина?

💊 Таблетка тироксин

Полуживотът на тироксина (T4) е около 7 дни, а таблетката се пие веднъж на ден. Колко пъти нивото при стационарно състояние е по-високо от нивото след първата таблетка? След колко дни се стига 90 % от стационарното ниво?

🦋 Половин тон какавиди

През 1954 г. Адолф Бутенант и Петер Карлсон извличат екдизон – хормона на линеенето при насекомите – от около 500 kg какавиди на копринената пеперуда и получават около 25 mg чисто вещество. Колко милиграма екдизон има в един тон какавиди?

🧠 Запасът в черния дроб

Черният дроб пази около 100 g гликоген. Ако при гладуване той се разгражда до глюкоза само за мозъка, който изразходва около 5 g глюкоза на час, за колко часа ще стигне запасът? (Затова при дълго гладуване кортизолът и глюкагонът включват образуването на нова глюкоза.)

🧪 Свободен тироксин

Общият тироксин в плазмата е около 100 nmol/L, но почти целият е свързан с белтъци. Свободни (и активни) са само около 0,02 % от него. Каква е концентрацията на свободния T4 в pmol/L?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Къде действа хормонът

✗ Хормонът отива само до органа, на който действа.

✓ Кръвта го разнася навсякъде; действа само там, където има рецептор за него.

Всички жлези

✗ Всяка жлеза отделя хормони.

✓ Жлезите с външна секреция (слюнчени, потни) изливат продукта си по канал – това не са хормони.

Стероидите

✗ Всички хормони се свързват с рецептори в мембраната.

✓ Стероидите и тироксинът минават през мембраната и действат на рецептори вътре в клетката – върху гените.

Висок TSH

✗ Висок TSH значи, че щитовидната жлеза работи прекалено много.

✓ Обратното: TSH е висок, защото T4 е малко и хипофизата се опитва да стимулира жлезата.

Гушата

✗ Гуша значи, че жлезата отделя много хормон.

✓ Гушата е само уголемяване. Може да е с малко (йоден недостиг), много (Базедова болест) или нормално количество хормон.

Стресът

✗ Стресът е само психично състояние.

✓ Стресът е и телесен отговор – адреналин и кортизол, промени в сърцето, захарта и имунитета.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Коя жлеза НЕ е жлеза с вътрешна секреция?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Хормоните са химични вестоносци, пренасяни с кръвта; действат само на прицелни клетки с рецептор
✓ Пептидите и адреналинът – рецептор в мембраната, G-белтък и вторичен посредник (цАМФ), бърз и усилен отговор
✓ Стероидите и тироксинът – рецептор вътре в клетката, включват гени, бавен и дълъг отговор
✓ Хипоталамусът управлява хипофизата: задният дял отделя АДХ и окситоцин, предният – тропни хормони, растежен хормон и пролактин
✓ Оста хипоталамус → хипофиза → жлеза с ; висок тропен хормон при нисък краен значи болна периферна жлеза
✓ Щитовидната жлеза: T4 и T3 с йод, основна обмяна и развитие на мозъка; гуша, хипо- и хипертиреоидизъм
✓ Надбъбречните жлези: адреналин („бий се или бягай“) и кортизол (дълъг стрес, глюкоза, потиска )
✓ $C = C_0 \cdot 2^{-t/t_{1/2}}$ ; стационарно ниво $C = R / Cl$ за около 3,3 полуживота (90 %)
✓ Насекомите: екдизонът предизвиква линеенето, ювенилният хормон решава ларва, какавида или възрастно

💡 Интересен факт

Окситоцинът, който предизвиква контракциите при раждане и изтичането на мляко, е първият пептиден хормон, синтезиран в лаборатория: американецът Винсънт дю Виньо го получава през 1953 г. – девет аминокиселини, свързани в точния ред – и през 1955 г. получава Нобелова награда по химия. Синтетичният окситоцин и днес се използва в родилните отделения. А у мишките и полевките опитите показват, че той участва и в привързаността между родители и малки – затова популярните статии го наричат „хормон на любовта“, макар че при хората връзката е много по-сложна.