Hormone und Hormonsystem: Lehrbuch der Endokrinologie

360 Pages·2010·15.577 MB·German

by  Bernhard Kleine, Winfried G. Rossmanith (auth.)

Springer-Lehrbuch
Bernhard Kleine
Winfried G. Rossmanith
Hormone und Hormonsystem
Lehrbuch der Endokrinologie
2.,erweiterteAuflage
123
Dr.BernhardKleine
Spitzhalde9
79853Lenzkirch
Germany
[email protected]
Prof.Dr.WinfriedRossmanith
Diakonissenkrankenhaus
KarlsruheRüppurr
Diakonissenstraße26
76199Karlsruhe
Germany
[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-00901-3 e-ISBN978-3-642-00902-0
DOI10.1007/978-3-642-00902-0
SpringerDordrechtHeidelbergLondonNewYork
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Vorwort
MitdiesemBuchdokumentierenwir,wieindenletzten20JahreninderEndokrinologieGen-
und Antikörpertechnologie aufbreiterFrontEinzuggehaltenhaben.Wo Schallyund Guille-
min noch Tonnen von Schweinehypothalami zur Gewinnung von TRH oder GnRH benötig-
ten, wird heute Endokrinologie mit Mikromethoden, mit PCR und mit monoklonalen Anti-
körpernbetrieben.FaktorenwurdenzuHormonen,seitsiekloniertundsequenziertwurden,
wasfürfastalleHormonegilt.
Langsam werden aber auch die Grenzen der Gentechnologie deutlich: Es gibt den Reiz
nichtmehr,einneuesGenzuklonieren,daallemenschlichenGeneidentifiziertsind.Eswird
daherwichtig,diezeitlicheundräumlicheOrdnungvonGenaktivitätenzustudieren,beider
Embryonal-Entwicklung, bei der Organreifung und nicht zuletzt bei der endokrinen Steue-
rung.
Unser Buch spiegelt auch im Aufbau diese Entwicklung wider: Wir befassen uns zuerst
mit der Biochemie und in Ansätzen mit der Molekularbiologie der Hormone, der Funktion
der hormonbildenden Enzyme und mit den Hormonrezeptoren und ihren Charakteristika.
Nach der Behandlung der endokrinen Organe und Zellen wenden wir uns den speziellen
endokrinenRegulationsmustern zu,beidenenesgeradeaufdiesezeitlicheund räumlichre-
gulierte Genexpression und Hormonfreisetzung ankommt. Mit Abschnitten über Rhythmen
derHormonfreisetzungundüberdieEvolutionvonTeilendesendokrinenSystemsleitenwir
dannüberindenAbschnitt„MedizinundHormone“,wowirvorallemdiemolekularenund
genetischenUrsachenendokrinerKrankheitenvorstellen.EinSchlusskapitelüberDopingbe-
schließtdasWerk.
EinweitererAspektdesmodernenLebensprägtdiesesBuch:dasInternet.Ohnedenfreien
Zugriff auf die Pubmed-Datenbank, auf viele Zeitschriften, die ihre Artikel im Internet frei
zugänglich machen, ohne Kontakte zu anderen Forschern per Email wäre dieses Buch nicht
entstanden.AuchSuchdienstewieGoogleoderdiewikipediahabenimmerwiederherhalten
müssen, wenn z.B. englische anatomische Bezeichnungen in lateinische Vokabeln übersetzt
werdenmussten.
Für dieses Buch wurde freie Software zum Schreiben und zur Anfertigung von Bildern
eingesetzt: Emacs, Gimp und Inkscape, Rasmol, Openoffice und Latex. Für die Beratung bei
kompliziertenSatzproblemenmöchtenwirallenherzlichdanken,dieunsunterstützthaben.
Unser Dank geht an die Kollegen und Verlage, die uns ihr Bildmaterial zur Verfügung
gestellt haben. BesondererDankgeht anProfessor Radivoj Krstic, ausdessen Buch„Human
Microanatomy“wirfreizitierendurften.AuchHerrnHugoHeikenwälderunddemSpringer-
VerlagganzherzlichenDank!
VI Vorwort
DiesesBuchist nacheinem Skriptentstanden, dasunsereKurse und Vorlesungenander
Universität Karlsruhe begleitet hat. Allen Studenten, Mitarbeitern und Lesern danken wir
ganzherzlichfürdieproduktiveKritik,dieunsdannauchdiesesBuchgestaltenließ.
FürunzähligeHilfen,RatschlägeundErmunterungengehteinbesonderesDankeschönan
ProfessorHubertusJarry.
AufSeitendesSpringer-VerlageshatsichFrauStefanieWolf umdiesesBuchverdientge-
macht. Herr Holzwarth hat sich mit dem Satz auseinander gesetzt. Ihnen beiden gebürt ein
großesLob.
Ohne das Verständnis der Familien, ohne die kritische und aufmunternde Begutachtung
dererstenEntwürfe,ohnedieGeduldvonFrauenundKindern,dieallesdashabendurchfüh-
renmüssen,wozudiePapaskeineZeithatten,hättediesesWerknieausreifenkönnen.Dafür
bedankenwirunsauchandieserStelle.
Freiburg,Karlsruhe BernhardKleine,WinfriedRossmanith
imDezember2006
Vorwortzur zweitenAuflage
LiebeLeser,
wir habenunsüberdie freundlicheAufnahmeunseresBuchessehr gefreut.Geradezwei
JahrennachderPublikationwardieersteAuflageschonverkauft.HerzlichenDankfürdasin
unsgesetzteVertrauen!
DieKritik,dieunserrreichthat,warfastausschließlichfreundlich.Eswurdemehrfachfest-
gestellt,dassunserBuchsichfastausschließlichmitderEndokrinologievonWirbeltierenbe-
fasst.DieEndokrinologiederWirbellosenTiereseinichtrepräsentiert.WennSiejetztinunser
Werkhineinschauen,könnenSiefeststellen,dasswirversuchthaben,diesemMangelabzuhel-
fen. Fast alle bekannten Hormone von Schnecken, Muscheln, Insekten und Krebsenwurden
aufgenommen und vorgestellt. Darüberhinaus haben wir einige charakteristische hormon-
gesteuerte Prozesse bei Invertebraten dargestellt. Die endokrinen Organe wurden ebenfalls
aufgenommen. Dabei danken wir HerrnProfessor Heinz Penzlin, aus dessen Werk Tierphy-
siologiewirBilderübernehmenkonnten.
EinenweiterenKritikpunkt,dasFehleneinerTake-home-Lessonhabenwirdadurchausge-
räumt,indemwireinenHormonsteckbriefeingeführthaben,derfürjedesHormondiewich-
tigsten Informationen zusammenfasst. Die fehlende Farbe haben wir jetzt da eingeführt, wo
siezurÜbersichthilft.
Als wir anfingen, uns mit der Endokrinologie der Invertebraten detailliert zu befassen,
konnten wir feststellen, dass es erstaunliche Parallelen zu den Hormonen der Vertebraten
gibt, auch zu denen der Säuger. Das hat uns dazu veranlasst, jedem Invertebratenhormon
einen phylogenetischen Stammbaum zur Seite zu stellen, der die Nachweise von Genen in
denverschiedenenÄstendesLebensbaumsherausstellt.EswerdendieGeneaufgeführt,die
zumZeitpunkt derSuche,alsovon Juni2008bisFebruar2009,inderGenbankder National
InstitutesofHealthaufgeführtwaren.
ZusätzlichzumHormonsteckbriefhabenwirmiteinerGliederunginjedemeinzelnenHor-
monabschnitt versucht, die Übersicht zu erhöhen. Dazu haben wir einige Abschnitte völlig
neu gefasst. Hormone, deren Wichtigkeit vor fünf Jahren noch nicht erkennbar waren, sind
neuaufgenommen,wiez.B.Kisspeptin,dasfürdieFreisetzungvonGnRHeinewichtigeRol-
lespielt.
Vorwort VII
Für die großartige Mithilfe aller Kollegen im In- und Ausland, die uns bereitwillig ihre
Artikel zur Verfügung gestellt haben, möchten wir ganz herzlich danken. Den Kollegen im
ehemaligenInstitutfürImmunbiologie derUniversitätFreiburg,dieunsbeiderLiteraturbe-
schaffungunterstützthaben,gilteinherzlichesDankeschön!FürdiekritischeDurchsichtvon
TeilendesManuskriptessindwirFrauBeateFink-Kleine,HerrPrivatdozentDr.ReinhardGe-
recke in Tübingen, Herrn Dr. Christof Kloos in Jena und natürlich der Lektorin Dr. Claudia
SchönzugroßemDankverpflichtet.
Auf Seiten des Verlages danken wir besonders Frau Stefanie Wolf, die immer ein offe-
nesOhrfürdieanstehendenProblemehatte.FürdieLösungvielersatztechnischerProbleme
geht der Dank an Heiko Oberdiekvon der UniversitätFreiburg,Frank Mittelbachin Mainz,
FrankHolzwarthvomSpringer-Verlag,dieDamenundHerrenvonle-texpublishingservices
inLeipzig,sowie andievielenMitgliederderverschiedenenLATEX-Newsgroups,dieunsmit
ihrenVorschlägenundTippsaufdieSprüngegeholfenhaben.SeienSie,Seidherzlichbedankt!
Karlsruhe,Lenzkirch WinfriedRossmanith,BernhardKleine
imMärz2009
Inhaltsverzeichnis
TeilI Vorbemerkungen
1 Einführung .................................................................... 3
2 ZurGeschichtederEndokrinologie ............................................. 5
2.1 Altertum.................................................................. 5
2.2 Neuzeit ................................................................... 6
2.3 Moderne .................................................................. 6
2.4 AktuelleProbleme ......................................................... 6
2.5 TabellarischerÜberblick.................................................... 7
TeilII BiochemievonHormonen–EinAusflugindieGrundlagen
3 Hormone–eineDefinition ..................................................... 13
3.1 DasWesendesHormonsystems............................................. 13
3.2 WasisteinHormon? ....................................................... 13
3.2.1 Hormonwirkung=endokrin ......................................... 14
3.2.2 Neurotransmitter.................................................... 15
3.2.3 ZytokineundLymphokine........................................... 15
3.2.4 ProstaglandineundTromboxane ..................................... 15
3.2.5 Pheromone ......................................................... 15
3.3 WascharakterisiertdasHormonsystem?..................................... 16
3.4 HierarchieimHormonsystem............................................... 16
4 DreiTypenvonHormonen ..................................................... 19
4.1 Protein-/Peptid-HormonedesMenschenundderVertebraten................. 21
4.1.1 Translation.......................................................... 22
4.1.2 Post-translationaleModifizierung–Hormonreifung.................... 23
4.1.3 PeptidhormonedesHypothalamusunddesGehirns ................... 29
4.1.4 HormonederAdenohypophyse ...................................... 47
4.1.5 HormonedesHypophysenzwischenlappens .......................... 66
4.1.6 HormonederNeurohypophyse:OxytozinundVasopressin............. 67
4.1.7 RegulatorendesZucker-undEnergiestoffwechsels .................... 72
X Inhaltsverzeichnis
4.1.8 RegulatorenderNahrungsaufnahme ................................. 77
4.1.9 HormonedesVerdauungstraktes ..................................... 80
4.1.10 WeitereNeuropeptide
imEnterischenNervensystem........................................ 90
4.1.11 NichtsteroidaleRegulatorenderReproduktion ........................ 92
4.1.12 WeitereNeuropeptide ............................................... 98
4.1.13 AngiotensineundRenin .............................................100
4.1.14 AtrialeNatriuretischePeptide .......................................102
4.2 PeptidhormonebeiInvertebraten ...........................................105
4.2.1 Stoffwechsel-aktivePeptidhormone...................................105
4.2.2 RegulationderHerzfrequenzunddesDruckesdurchNeuropeptide ....110
4.2.3 Kinine..............................................................116
4.2.4 NeuropeptidederReproduktion......................................123
4.2.5 PeptidhormonederMetamorphoseundderHäutung ..................129
4.2.6 RegulatorenderNahrungsaufnahme .................................134
4.2.7 Neuropeptid-RegulatorendesJuvenilhormon-Stoffwechsels............137
4.2.8 PeptidhormonederHaut ............................................140
4.2.9 WeitereNP .........................................................141
4.2.10 ZusammenfassungundÜberblick ....................................145
4.3 HormoneausdemMevalonat-Stoffwechsels:Juvenil-Hormone
undSteroid-Hormone......................................................145
4.3.1 ÜberblicküberdieWegezuJuvenilhormonenundSteroiden ...........147
4.3.2 Juvenil-Hormone....................................................148
4.3.3 Steroide ............................................................154
4.3.4 SteroidogeneEnzyme................................................156
4.3.5 Geschlechtshormone ................................................160
4.3.6 Kortikoide ..........................................................163
4.3.7 SteroideimGehirn ..................................................165
4.3.8 AndereSteroidhormone .............................................165
4.3.9 1,25-Dihydroxy-VitaminD (Kalzitriol) ...............................167
3
4.4 AbkömmlingevonAminosäuren............................................170
4.4.1 Katecholamine ......................................................170
4.4.2 Thyroxin–dasSchilddrüsenhormon..................................173
4.4.3 Melatonin ..........................................................175
5 Hormonrezeptoren.............................................................179
5.1 Kernrezeptoren............................................................180
5.2 RezeptorenmitsiebenMembranbereichen...................................181
5.2.1 Guanosin-Triphosphat(GTP)-bindendeProteine.......................181
5.2.2 Rezeptor-G-Protein-Wechselwirkung .................................184
5.2.3 ZielevonG-Proteinen ...............................................184
5.2.4 Variabilität durch differentiell exprimierte Rezeptortypen:
Somatostatin-Rezeptoren ............................................184
5.3 RezeptorenmitTyrosin-Kinase-Aktivität ....................................186
5.4 Membran-RezeptorenmitSerin/Threonin-Kinase-Aktivität...................187
5.5 Membran-RezeptorenohneKinase-Aktivität.................................187
5.6 MembranständigeSteroid-Rezeptoren–nochunbekannt?......................188
Inhaltsverzeichnis XI
TeilIII Hormonphysiologie
6 Bildung,FreisetzungundWirkung .............................................193
6.1 WirksameHormonmengenderHPG-Achse..................................194
7 OrganedesHormonsystems ....................................................197
7.1 Überblick .................................................................197
7.2 DasHormonsystemimGehirn..............................................198
7.2.1 DerHypothalamus ..................................................198
7.2.2 DerHypophysenstiel ................................................200
7.2.3 DieHypophyse .....................................................201
7.2.4 DieZirbeldrüse .....................................................204
7.2.5 DieSchilddrüse .....................................................206
7.3 DieNebennieren...........................................................206
7.3.1 DieNebennierenrinde ...............................................207
7.3.2 DasNebennierenmark...............................................210
7.4 EndokrineZellendesMagen-Darm-Traktes..................................210
7.4.1 DerMagen..........................................................211
7.4.2 DerZwölffinger-undDünndarm.....................................211
7.5 Langerhans’scheInseln
desPankreas ..............................................................213
7.6 EndokrineZelleninderNiere ..............................................214
7.7 DieGonaden ..............................................................215
7.7.1 EntwicklungderKeimdrüsen ........................................215
7.7.2 DiemännlichenKeimdrüsen–Hoden.................................216
7.7.3 DieweiblichenKeimdrüsen–Ovarien ................................217
7.8 AusgewählteOrgansystemebeiInvertebraten................................219
7.8.1 NeurosekretionbeiSchnecken........................................219
7.8.2 EndokrineDrüsenbeiCrustaceae.....................................220
7.8.3 NeurosekretionundendokrineOrganebeiInsekten....................220
8 Regulationsmuster.............................................................225
8.1 Rückkopplungen ..........................................................226
8.2 Regelkreise................................................................226
8.2.1 BelastungundStress.................................................226
8.2.2 Kalziumstoffwechsel ................................................229
8.3 RegulationderFortpflanzung...............................................230
8.4 Zuckerstoffwechsel ........................................................236
8.4.1 WokommtderBlutzuckerher?.......................................236
8.4.2 RegulatorenundStellgrößen .........................................236
8.4.3 Glukose-abhängigeGenexpressioninderLeber........................237
8.4.4 Glukose-abhängigeInsulinsekretionimPankreas ......................238
8.4.5 Insulin-abhängigeVorgänge..........................................238
8.4.6 GlukagonundErhöhungdesBlutzuckers .............................238
8.5 AppetitundHunger .......................................................238
8.5.1 HungerundNahrungsaufnahmebeiDrosophilamelanogaster .........243
8.6 Wachstum.................................................................244
XII Inhaltsverzeichnis
8.6.1 Wachstumsfugen....................................................244
8.6.2 VerschiedeneZonenindenWachstumsfugen..........................245
8.6.3 HormonelleRegulation .............................................245
8.7 WachstumundHäutungbeiEcdysozoa .....................................248
8.7.1 RegulationdesWachstumsbeiInsekten...............................249
8.7.2 HormoneundpostembryonaleEntwicklung ..........................250
8.7.3 KopplungvonGrößenwachstumundMetamorphose ..................251
8.7.4 RegulationderEcdysis(Schlüpfen) ...................................253
8.7.5 PostembryonaleEntwicklungbeiHolometabolen ......................255
8.8 RegulationvonBlutdruck,OsmolaritätundBlutvolumen.....................256
8.8.1 VerschachtelungmehrererSteuerkreise ...............................256
8.8.2 OsmorezeptorenanderBlut-Hirn-Schranke ...........................257
8.8.3 AngiotensinII-Rezeptoren
anderBlut-Hirn-Schranke ...........................................258
8.8.4 Arginin-Vasopressin-FreisetzunginderNeurohypophyse ..............258
8.8.5 DieRollevonOxytozin ..............................................260
8.8.6 DurstunddasHormonsystemdesGehirns............................260
8.8.7 BiochemiederWasser-undNatrium-Rückresorption...................260
9 EndokrineMusik:Sekretionsrhythmen .........................................263
9.1 EinuniversellerRhythmusgeber ............................................264
±
9.2 ZirkadianeRhythmen(Pulsfrequenz24Std. 2).............................267
9.3 UltradianeRhythmen(Pulsfrequenzwenigerals22Std.)......................267
9.4 JährlicheRhythmen........................................................269
10 EvolutionderHormonbildung..................................................273
10.1 Arbeitsteilung .............................................................275
10.2 EvolutionderNeuropeptidhormone ........................................275
10.3 EvolutionderGlykoprotein-Hormone.......................................276
10.4 InsulinundInsulin-ähnlicheProteine .......................................276
10.5 EvolutionderCYP-EnzymeundderSteroid-Hormone........................276
10.6 Katecholamin-Evolution....................................................278
TeilIV MedizinundHormone
11 KrankheitendesendokrinenSystems...........................................283
11.1 DefektedesZNS/Hypothalamus ...........................................285
11.1.1 Kallmann-Syndrom .................................................285
11.1.2 Craniopharyngiome .................................................285
11.2 Hypophysen-Schäden......................................................285
11.2.1 GenetischeAusfälle .................................................285
11.2.2 Hypophysen-Tumoren...............................................286
11.2.3 StörungendesWasserhaushaltes .....................................287
11.3 Schilddrüsenkrankheiten...................................................288
11.4 StörungenderendokrinenPankreasfunktion.................................289
11.4.1 Tumoren............................................................289
11.4.2 Diabetesmellitus....................................................289
11.5 Nebennierenstörungen .....................................................290