Гормональная система человека имеет определённую иерархию, к примеру, гипоталамус вырабатывает тиреолиберин (ТРГ), стимулирующий продукцию тиреотропина в аденогипофизе, который в свой черед оказывает воздействие на щитовидную железу, подталкивая её увеличивать выработку тироксина (Т4) и трийодтиронина (Т3). Оба этих гормона в крови находятся в несвободной (связанной) форме в комбинации с особыми тироксинсвязывающими белками, и воздействуют почти на каждую клетку в организме за счёт образования связей с рецепторами Т3 и Т4, что приводит к изменениям обмена веществ внутри клеток-мишеней.
Каждый из этих механизмов контролируется за счёт отрицательных или положительных обратных связей, а это в свою очередь способствует поддержанию системы в состоянии гомеостаза. Наряду с этим такая сложная иерархия не функционирует в отдельности от остальных регуляционных механизмов. Имеется большое количество вариантов взаимодействия механизмов гормонального контроля с ЦНС и системой иммунного отклика, к примеру, отклик организма на стрессовое воздействие, происходит за счёт многоэтапного взаимодействия ЦНС и прочих механизмов работы. Данные механизмы могут интегрировать различные нейрочувствительные импульсы, например, импульсы от глазных рецепторов, органов кровоснабжения, от гипофиза, гипоталамуса и других областей головного мозга. Одновременная стимуляция этого механизма способствует появлению разнообразных последствий, в том числе, изменений в физическом плане. В случае если эти процессы являются адаптивными для организма, то он будет поддерживать гомеостаз. Иерархичность такого отклика на стрессовое воздействие определяет степень взаимодействия ЦНС, иммунной и гормональной систем.
Основные составляющие системы состоят из мелкоклеточных нейронов гипофиза и гипоталамуса, которые продуцируют кортиколиберин и вазопрессин. Периферическая структура состоит из оси «гипоталамус-гипофиз-надпочечники», выводящей симпатической и надпочечниковой систем, а также из нескольких компонентов парасимпатической НС. Вазопрессин и кортиколиберин стимулируют выработку прогормона (проопиомеланокортина). В дальнейшем он распадается и образует адренокортикотропный гормон, активные пептиды (например, меланоцит-стимулирующий (а-МСГ) гормон человека) и прочие гормоны. Адренокортикотропный гормон стимулирует выработку стрессового гормона – кортизола корой надпочечников, в них происходит выработка стероидных гормонов, влияющих на системный гомеостаз и иммунитет. Имеется взаимодействие с регуляционной системой гонад, с системой инсулиноподобного фактора роста-1 и системой гормонов щитовидной железы (сокращение выработки тироксинсвязывающего глобулин и замедление трансформации тироксина в активный трийодтиронин), обуславливающее сокращение уровня тироксинсвязывающего глобулина (ТСГ) и снижения активности гормонов щитовидной железы. Помимо этого, разнообразные процессы обмена веществ в организме подвергаются обратному влиянию соматотропного гормона и воздействию андрогенов на катаболические процессы в жировых тканях, и напротив, положительно воздействуют на течение анаболических процессов в мышцах и костях.
Регуляция выработки гормонов
Сила действия гормонального веществ на клетки-мишени зависит от его количества в организме. Количество любого биоактивного гормона в системном кровотоке находится в зависимости от некоторых факторов:
- Скорость выработки гормона в общий кровоток.
- Скорость активации (у некоторых гормонов, а именно, у гормонов щитовидной железы – преобразование тироксина в трийодтиронин).
- Для жирорастворимых гормонов (стероидов, андрогенов, Т3 и Т4) степень их связи с белками.
- Скорость деактивации и выведения из организма.
Из всех описанных факторов, скорость выработки в общий кровоток – считается наиболее важным и определяет количество гормона в крови, особенно при отсутствии физической активности.
Имеется два варианта выработки гормона в общий кровоток
Конститутивная секреция – постоянная выработка гормонов в кровоток с оптимальной скоростью. Во время такой секреции гормоны высвобождаются из клеток по мере их выработки, так как железа не может их накапливать, следовательно, при приёме стимулирующего импульса повышается активность выработки гормонов и недавно синтезированный гормон высвобождается напрямую в кровь за счёт пассивной диффузии, минуя клеточную оболочку. Подобный вариант секреции свойственен стероидам и гормонам щитовидной железы, которые обладают полной растворимостью в липидах (липофильны). Конститутивная секреция контролируется изменением степени фосфорилирования белка, являющегося ферментом гормонального синтеза.
Регулируемая секреция является вторым вариантом выделения гормонов из желёз внутренней секреции в системный кровоток. При данном типе секреции скорость биосинтеза белков не зависит от скорости их выделения в кровь. Гормональные железы, обладающие способностью регулировать выработку, также могут накапливать продуцированный ими гормон. Необходимо упомянуть, что при такой секреции накопление гормонов в клетках железы имеет некоторые ограничения. В действительности количество любого из известных гормонов внутри клеток желёз редко превосходит суточную потребность.
Также при данном типе секреции стимулирующий эффект вызывает выделение гормональных везикул. В ряде обстоятельств для поддержания активности клеток к выбросу гормонов импульс, который вызывает выделение гормонов в кровь, стимулирует действие ферментов, также необходимых для выработки гормональных веществ. Как правило, перед выделением накопленных гормонов и стимуляцией процессов выработки происходит поступление ионов кальция внутрь клетки. Второй тип секреции свойственен для белковых гормонов, адреналина и норадреналина.
При обоих вариантах секреции, стимулятором скорости является: изменение количества ионов и питательных веществ; высвобождение нейромедиаторов из нервных клеток, влияющих на гормональные железы; связь с рецепторами. Все эти перечисленные пункты связаны специфическим образом. Изменения секреторного свойства желёз зачастую являются результатами влияния некоторых факторов.
Отклик гормональных желёз на стимуляцию формулируется механизмом обратной связи, передающим импульсы от клеток-мишеней к железе, продуцирующей этот гормон. Более значимым видом регуляции скорости в гормональной системе считается негативная обратная связь. Эта связь обычно наблюдается тогда, когда действие одной гормональной железы преобразуется за счёт негативного влияния, то есть работа желёз угнетается действием клеток-мишеней, что способствует поддержанию гомеостаза. К примеру, увеличение уровня глюкозы в крови в ответ активизирует выработку инсулина в поджелудочной железе. Увеличенный уровень инсулина в крови содействует потреблению глюкозы мышцами (мышцы являются тканью-мишенью для инсулина), помимо этого, за счёт инсулина глюкоза преобразуется в жировую ткань, итогом этого является стабилизация уровня сахара в крови.
Отмечается несколько типов контроля секреции гормонов при помощи негативной обратной связи. Контроль выработки важнейших для организма гормонов осуществляется работой гипофиза и гипоталамуса. Последний синтезирует несколько типов либеринов, транспортирующихся с помощью портальной системы в аденогипофиз. В данном случае нейроэндокринная система гипоталамуса высвобождает либерины, меняющие скорость выработки многих гормонов в кровь после попадания в аденогипофиз. Гормоны, выделяемые гипофизом, оказывают прямое воздействие на органы-мишени, или стимулируют гормональные железы 3-его уровня регуляционной системы за счёт активации особенных гормонов в крови.
Негативная обратная связь в лимбической системе мозга представлена в виде длинной и короткой цепей. Для примера воздействия короткой цепи приводим ситуацию, при которой повышенная концентрация пролактина в крови определяется с помощью гипоталамуса, при этом отмечается высвобождение дофамина, транспортируемого в гипофиз и ингибирующего выработку пролактина в кровь. При рассмотрении осей (например, гипофиз-гипоталамус-надпочечники), обнаружено наличие длинной цепи. Примером этого может быть регуляция выработки кортизола. Предложенной системой как раз может быть ось «гипофиз-гипоталамус-надпочечники», в которой гипоталамус синтезирует кортикорелин, а при помощи портальной системы кровообращения он проникает в аденогипофиз. После образования связи кортикорелина и клеточных рецепторов гипофиз выбрасывает в общий кровоток адренокортикотропный гормон (кортикотропин), который впоследствии попадает в надпочечники. В них кортикотропин ускоряет выработку кортизола в системный кровоток, а затем начинает действовать на печень, мышечные и жировые ткани. В данном случае негативная регуляция отмечалась, когда увеличение уровня кортизола в крови угнетало выработку кортикотропина тканями гипофиза, а кортиколиберина тканями гипоталамуса. Этот случай демонстрирует, насколько идеально в гормональной системе происходит интеграция внешних и внутренних импульсов, позволяющих контролировать выработку гормонов в гормональных железах при помощи длинной и короткой цепи.
Вопреки тому, что негативная обратная связь в основном регулирует активность гормонов, для изменения их синтеза организм прибегает к использованию положительной обратной связи. При таких условиях с положительной связью железа внутренней секреции, которая вырабатывает гормоны, осуществляет контроль за индукцией изменений в отношении активности клеток-мишеней. В случае если клетки-мишени откликаются слабо, то гормональная железа синтезирует столько гормона, сколько понадобится для полной активации биохимического процесса, регулируемого тем или иным гормоном.
Один из примеров положительной обратной связи – это контроль гормональной системы перед родами. Окситоцин, продуцируемый нейрогипофизом, оказывает стимулирующее воздействие на матку. В процессе самих родов увеличивается необходимость в сильных схватках. При этом матка отдаёт сигнал нейрогипофизу с целью повышения выработки окситоцина, тем самым усиливая и учащая маточные сокращения.
Несмотря на то, что главной целью гормональной системы является сохранение постоянства внутренней среды, её изменения, а также лабильность экзогенных воздействий – не единичный регулятор выработки гормонов. Уровень многих гормонов в организме подвержен колебаниям, отмечающимся в течение некоторого времени. Больше всего сведений собрано учёными о суточных и циркадных ритмах гормональной системы. Циркадные ритмы обуславливают систематические изменения, наблюдаемые на протяжении суток. Суточные ритмы зависят от изменений количества синтезированных гормонов, сопряжённых с цикличностью дня и ночи. Так что циркадные и суточные ритмы различаются только по определению. Данные ритмы запрограммированы гипоталамусом с целью поддержания ритмической работы желёз внутренней секреции. Определённая область гипоталамуса контролирует выработку гормонов, основываясь на своих внутренних часах и задаёт конкретный уровень выработки для каждого отдельно взятого гормона, к примеру, уровень кортизола в организме наиболее высок в утренние часы, при том, что максимальная отметка соматотропного гормона определяется ночью.
Вместе с суточными ритмами выработки гормонов, нередко отмечаются систематические кратковременные колебания – ультрадианные ритмы. Эти систематические увеличения синтеза гормонов, возможно, имеют отношение к повышению активности гипоталамуса и играют важную роль в эндокринной системе. Например, было выявлено, что один и тот же общий уровень секретируемого инсулина влиял на связывание глюкозы более эффективно при условии, когда кривая на графике выработки гормона была в виде волны, однако при постоянном, неволнообразном процессе выработки инсулина, эффективность потребления глюкозы организмом снижалась.
Выявлено, что выработка гормонов может меняться даже в течение длительного периода (например, года), однако большая часть информации при этом была установлена по результатам исследований с животными. Годовые и месячные ритмы совпадают по течению с суточными ритмами, регистрируемыми эпифизом. Эпифиз является гормональной железой, отвечающей за светочувствительность, корректирует уровень мелатонина в зависимости от длительности дня (в тёмное время суток – мелатонина больше, в светлое – наоборот). Прочие сезонные ритмы, к примеру зимняя спячка и смена окраса у животных контролируются предсказуемыми изменениями мелатонина в организме животных. В человеческом же организме увеличение выработки мелатонина, отмечающееся при уменьшении длительности дня, может привести к эмоциональной лабильности или спровоцировать развитие депрессии. До этого было установлено, что у большинства млекопитающих, в том числе и человека, гормон мелатонин оказывает важное воздействие на циркадные ритмы.