Prof. Dr. Michael Pfaffl Lehrstuhl für Physiologie Weihenstephaner Berg Freising-Weihenstephan michael.pfaffl@wzw.tum.de.

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1 Prof. Dr. Michael Pfaffl Lehrstuhl für Physiologie Weihenstephaner Berg Freising-Weihenstephan michael.pfaffl@wzw.tum.de Endokrinologie Biotechnologie + Biochemie + Bioprozesstechnik SS 2011 Ovarektomien (operative Entfernung der Eierstöcke) bei weiblichen Kampfkamelen im alten Ägyptern 1100 v Chr. wurden in China Hodenextrakte bei männlichen Fortpflanzungsstörungen eingesetzt 350 v Chr. berichtete Aristoteles über die Folgeerscheinungen der Kastration (operative Entfernung der Hoden) bei Vögeln 1

2 Berthold zeigt 1849, dass die kastrationsbedingten Veränderungen beim Hahn durch eine Re-Implantation der Hoden verhindert bzw. rückgängig gemacht werden können und beweist dadurch eine humorale Wirkung der Keimdrüsen Chondrodystropher Zwerg: Hypokalorischer Zwerg: Hypophysärer Zwerg: Familiärer Zwerg: X-Chromosom bedingte Störung der Knochenbildung Mangelernährung GH Mangel oder Laron Zwerg (GH Rezeptordefekt) erbliche Wachstumsstörungen 2

3 Erkrankungen der Schilddrüsen zu viel Schilddrüsenhormone (Basedowsche Krankheit; unten links) zu wenig Schilddrüsenhormone (unten mitte) Vergrößerung der Schilddrüse (Kropf, Struma, unten rechts) (häufigste Ursache ist verstärkte Anregung durch TSH oder Jodmangel) Knotenbildung innerhalb der Schilddrüse (Krebs) Einteilung der Hormone nach Herkunft: nach Funktion nach Zielgewebe: nach Struktur: Hypothalamus, Hyphophyse, Ovar, Hoden, Schilddrüse, Leber, NNM, NNR, Placenta, etc. Stoffwechselhormone, Sexualhormone Leber, Uterus, Skelett, Milchdrüse, etc. Proteine, Peptide, Steroide, Fettsäure- oder Aminosäurederivate nach Rezeptorinteraktion: verschiedene Membranrezeptoren oder intrazelluläre Rezeptoren sonstige Charakteristika: Wirkungsgeschwindigkeit, Halbwertszeit, Löslichkeit, etc. 3

4 Endokrine Drüsen sind: Hyphothalamus-Hypophysen-System, Schilddrüse & Nebenschilddrüse, Nebenniere (NNM & NNR), Epiphyse Organe, in denen endokrines Gewebe enthalten ist: Bauchspeicheldrüse, Leber, die Geschlechtsorgane Ovar, Hoden und Placenta, etc. 4

5 Hormone sind eine stofflich uneinheitliche Gruppe Steroidhormone ca. 15% (Derivate des Cholesterins) gebildet in Nebennierenrinde (NNR), Hoden, Ovar und Plazenta Nichtsteroide ca. 85% gebildet in Hypophyse, Pankreas, Schilddrüse, etc. Peptid- / Proteinhormone Aminosäurederivathormone (Katecholamine aus Nebennierenmark -NNM), Fettsäurenderivate (Prostaglandine aus Arachidonsäure) Prostaglandine und Leukotriene Sind hormonähnliche Substanzen, die vom Körper kontinuierlich in allen Organen aus der essentiellen Fettsäure Arachidonsäure (die ihrerseites aus Zellmembran- Phospholipiden gebildet wird) synthetisiert werden. Sie steuern das Schmerz- und Entzündungsgeschehen die Magensaftabsonderungen das Thrombosegeschehen 5

6 NNM Katecholaminsynthese im NNM (Nebennierenmark) Chromafines Granulum im NNM Schlüsselenzyme: TH = Tyrosinhydrolase DBH = Dopamin-ß-hydrolase PMNT = Phenylethanol-N- Methyltransferase Hormonale Regulation der Zielzelle Enzymaktivität (KH-Stoffwechsel, Lipidstoffwechsel, Proteasen) Zellkern DNA mrnaº Protein MP MW

7 Grundprinzipien der hormonellen Informationsübertragung Hormone wirken am Zielort an ganz bestimmten Zellen, den sogenannten Zielzellen, die spezifische Rezeptorstrukturen (an der Zelloberfläche oder intrazelluläre Rezeptoren) besitzen. Diese Rezeptoren "erkennen" die Hormone, wobei das Hormon der Schlüssel und die Zielzelle das Schloss ist. => "Schlüssel-Schloss-Prinzip => eindeutige Erkennung Hormonale Regulation der Zielzelle Enzymaktivität (KH-Stoffwechsel, Lipidstoffwechsel, Proteasen) Zellkern DNA mrnaº Protein MP MW

8 Intron/Exonstruktur des Wachstumshormon Rezeptors (GHR) transmembrane domain extracellular domain intracellular domain Exon aa 24 aa 350 aa Aktivierung intrazellulärer Proteinkinasen 8

9 Hormonsekretion ist abhängig von Entwicklungsstadium Umfang der Futteraufnahme und der Leistung Belastungen (Transport, Hitze, Haltung, Stress, Futtermangel, Verletzungen) Exogenen Faktoren: Licht, Temperatur, Wasser- und Nahrungsangebot Tages- bzw. Jahresrhythmik [Sexualzyklus] Beanspruchung der Skelettmuskulatur: körperlicher Arbeit ACTH Glucocorticosteroide TSH T 3 /T 4, Noradrenalin Adrenalin Glykogenabbau Glucose Fettsäuremobilisation FFS 9

10 Ebenen der funktioneller Regulation und die stofflichen Übertragungswege Zwischen Individuen / zwischen Arten: -> exokrine Faktoren = Pheromone -> Wahrnehmung über Nase und VNO. Im Individuum / zwischen Organen: -> endokrine Faktoren = Hormone Im Organ / zwischen Zellen: -> parakrine Faktoren = Cytokine, Chemokine, Hormone -> autokrine Faktoren = Cytokine, Chemokine, Hormone Zwischen benachbarten Zellen: -> juxtakrine Faktoren = Zellmembranrezeptoren Innerhalb der Zelle: -> intrakrine Faktoren =??? (Cytokine, Chemokine, Hormone) endokrin parakrin autokrin intrakrin 10

11 Rückkopplung 11

12 Das POMC Prohormon (241 AS) wird gewebespezifisch in verschiedene Peptidhormone gespalten: Adrenocorticotropin (ACTH) Corticotropin-like intermediate peptide (CLIP) Melanozyten-stimulierende Hormone (MSH): α-msh, β-msh und γ-msh γ-lipotropin (γ-lph) β-endorphin In der Adenohypophyse wird Adrenocorticotropin (ACTH) und β-lipotropin abgespalten. Im Hypophysenzwischenlappen in CLIP, α-msh, γ-lph und β-endorphin. Diese Hormone spielen eine Rolle für Schmerzen, Energiehomöostase, Körpergewicht, Stimulation der Melanozyten, Regulation von Hunger und Sexualität. Mutationen dieses Gens wurden in Verbindung gebracht mit einer bestimmten Form frühzeitiger Adipositas, Nebennierenrindeninsuffizienz und roter Haarfarbe. Synthese und Sekretion von Proteo- und Peptidhormonen 12

13 Exozytose eines Proteins bzw. Proteohormons aus dem endokrinen Gewebe Hormon 13

14 Hormonale Regulation Koordination der Funktionen der verschiedenen Gewebe eines Tieres zu einem funktionierenden Gesamtsystem: Nervensystem und Hormonsystem Besonders enge Verbindung beider Systeme im ZNS: Hypothalamus-Hypophyse-Pfortadersystem Entwicklung des Nervensystems ist auch durch Hormone kontrolliert (T 3, T 4, Jod-Mangel) Hypothalamus-Hypophysen-System Hypothalamus (Nuclei): - Regulation des Stoffwechsels - Regulation der Futteraufnahme - Regulation der Körpertemperatur - Regulation der Fortpflanzung Freisetzung von Liberinen (Releasing Hormonen) und von Statinen (Inhibiting Hormonen) Dichte Gefäßverbindungen zwischen Hypothalamus und Hypophyse Transport der hypothalamischen Hormone im Portalvenenblut direkt an die Hypophyse. Direkte Neuronenverbindung zwischen Hypothalamus und Hypophysenhinterlappen (HHL) Transport der in hypothalamischen Neuronen gebildeten Hormone entlang der Nervenzellaxone durch den Hypophysenstil in den HHL. 14

15 Hypothalamus-Hypophysen-System GnRH: Gonadotropin Releasing Hormon; CRH: Corticotropin RH; TRH: Thyrotropin RH; PRH: Prolactin RH; PIH: Prolactin Inhibiting Hormon; GHRH: Growth Hormon RH; FSH: Follikel Stimulierendes Hormon; LH: Luteinisierendes Hormon; TSH: Threotropes Hormon; ACTH: AdrenoCorticoTropes Hormon; POMC: ProOpioMelanoCortin; AVP: ArgininVasoPressin; 15

16 höhere Hirnzentren Limbisches System Umwelt: Rhythmik 16

17 Exogene Faktoren: Pheromone Zyklen Rhythmik Stress Nahrung + Wasserangebot etc. Endogene Faktoren: Hormone Neurotransmitter Zytokine Chemokine Zellrezeptorinteraktionen Substrate: FFS Glukose Ionen (Ca++) etc. Somatrope Achse GHRH Somastatin Grösse der Proteine: GH-RH: 44 AS GH-IH (Somatostatin): 14 AS Alter Ernährung Geschlecht Steroide Insulin, etc GH Leber Knochen Fett GH Rezeptor IGF-1 IGFBP (1-6) IGF-2 GH : GH-BP:: GHR: IGF-1: IGF-2: 191 AS 242 AS 616 AS 70 AS 67 AS IGF-1 Rezeptor IGF-1-Rezeptor: IGF-2-Rezeptor: 1367 AS 2491 AS endokrine Regulation des Wachstums parakrine/autokrine Regulation des Wachstums 17

18 Negatives Feedback Negatives Feedback Effekte von Wachstumshormon (GH) auf die verschiedenen Gewebe und physiologischen Systeme Fettgewebe Proteingewebe Bindegewebe Zellstoffwechsel Mineralien Gesteigerte Lipolyse Vermehrte beta-oxidation Zunahme der freien Fettsäuren im Plasma Stimulation der Proteinsynthese Verringerte Stickstoff Ausscheidung Verringerter Stickstoff in Blut und Harnstoff gesteigerte Kollagen Synthese Stimulation der Nukleinsäuresynthese Hemmung der Glukoseaufnahme gesteigerte Calciumabsorption vermehrt anorganische Phosphate im Serum 18

19 Stimulation der Proteinsynthese Verringerte Stickstoff Ausscheidung Verringerter Stickstoff in Blut und Harnstoff <- GH Behandlung <- Kontrolle 19

20 Differences in the somatotropic axis, in cortisol, insulin and thyroxine blood concentrations between two pig genotypes with markedly divergent growth rates and the effects of growth hormone treatment. F.Elsaesser 1), M.W.Pfaffl 2), H.H.D.Meyer 2), B.Serpek 1) & H.Sauerwein 3) (2001) Animal Science 1) Institut für Tierzucht und Tierverhalten der FAL, Höltystr. 10, Neustadt 2) Institut für Physiologie, TU München, Weihenstephaner Berg 5, Freising 3) Institut für Anatomie, Physiologie und Hygiene der Haustiere, Katzenburgweg 7-9, Bonn Effekt einer pst (porcines Somatotropin) Behandlung auf die IGF-1 mrna Expression in Schweinegeweben relative IGF-1 mrna Expressionsänderung 900 % 850 % 800 % 750 % 700 % 650 % 600 % 550 % 500 % 450 % 400 % 350 % 300 % 250 % 200 % 150 % 100 % 50 % +718 % +413 % +83 % +157 % +90 % DL DL + pst GMP GMP + pst +123 % 0 % Leber m. semimembranosus m. longissimus dorsi FML MP DGE98-11 Weihenstephan 20

21 Effekt einer pst (70 µg/kg und Tag über 8 d) Behandlung auf die Gesamt-RNA Expression in Schweinegeweben 2500 p = 0,72 µg Gesamt-RNA/g Gewebe p = 0,11 p = 0,47 p = 0,96 DL DL + pst GMP GMP + pst p = 0,92 p = 0, Leber m. semimembranosus m. longissimus dorsi FM L MP DGE98-10 Weihen stephan Effekt einer pst (porcines Somatotropin) Behandlung auf Hormon- und Hormonrezeptorkonzentrationen pgh (ng/ml) IGF-1 (ng/ml) GHBP (%SB/0,1 ml) GHR (%SB/mg Prot.) Deutsche Landrasse Kontrollen 1,5 ± 0,1 291 ± 34 14,77 ± 0,57 b 15,60 ± 2,91 pst 11,2 ± 1,2 a 603 ± 41 a 14,71 ± 0,52 33,59 ± 3,48 a Göttinger Miniaturschwein Kontrollen 1,5 ± 0,1 302 ± 26 17,66 ± 0,52 20,75 ± 1,61 pst 7,4 ± 0,5 a 595 ± 27 a 18,97 ± 0,52 39,43 ± 7,30 a a: p< 0,05 im Vergleich zu den Kontrollen b: p< 0,05 im Vergleich zu Göttinger Miniaturschwein 21