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    第11章_内分泌

    Endocrine

    第一节 概述

    Introduction to Endocrinology

    一、内分泌系统的概念(Concepts of the Endocrine System)

    机体依赖神经系统、内分泌系统和免疫系统的共同控制与协调,以适应不断变化的外界环境、保持机体内环境的相对稳定,使机体满足各器官、系统活动的需要,完成生长、发育、生殖、代谢、思维、运动等功能,抵御内、外的不良因素与病理变化的侵袭,维持机体的健康。

    内分泌系统(endocrine system)是体内内分泌腺和散在内分泌细胞的总称。内分泌系统与外分泌腺不同之处在于该系统没有导管,分泌物直接进入组织液或血液。人体主要的内分泌腺有下丘脑、松果体、垂体、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、胰岛和性腺等(图8-1)。散在内分泌细胞主要存在于胃肠道、下丘脑、肾脏和心房肌等。

    由内分泌腺或内分泌细胞分泌的高效能的生物活性物质,经血液回圈或组织液运送,对靶组织或靶细胞发挥调节作用,此种化学物质称为激素(hormone)。激素经血液回圈转运方式称为远距分泌(telecrine);经组织间液直接扩散而作用于邻近细胞的方式称为旁分泌(paracrine);而经神经纤维轴浆运输方式至其连接组织称神经分泌(neurocrine)。由神经元分泌的物质(神经激素)进入血液回圈并影响机体其他部位细胞的功能状态称为神经内分泌(neurohormones)。如果内分泌细胞所分泌的激素在局部扩散又返回作用于该细胞的方式称为自分泌(autocrine)。

    二、激素(Hormone)

    (一)激素的分类 (Chemical Classification of Hormones)

    1.含氮类激素 (peptide, protein and amine hormones)

    (1)肽类和蛋白质类激素(Peptide and protein hormones) 包括下丘脑分泌的激素、腺垂体和神经激素、甲状旁腺素、胰岛素、降钙素、胃肠激素等。

    (2)胺类激素(amine hormones) 包括甲状腺激素、肾上腺素和去甲肾上腺素。含氮类激素大部分易被消化酶水解,所以若作为药物使用时,一般不宜口服。

    2.类固醇类激素(甾体类激素)(steroid hormones)

    此类激素包括肾上腺皮质激素和性激素,它们的分子中都有环戊烷多氢菲结构。甾体激素都由胆固醇合成,可以口服。1,25―二羟维生素D3由胆固醇衍生,作用机制也类似,故也被归入此类。

    3.脂质衍生物类激素 (lipid-derived hormones)

    近年来,有人将脂质衍生物--十二烷类列为第三类激素,包括白三烯、前列腺素、血栓素等。

    (二)激素的生理作用及其特征(Physiological Function and Characteristics of Hormone)

    1.激素的生理作用 (physiological functions of hormone)

    激素作为一种信使物质(称为第一信使),对机体的生理作用起加强或减弱作用。激素主要通过传递资讯来影响细胞膜的通透性,或启动产生第二信使,或通过影响染色体的基因表达来发挥调节作用。其生理作用主要有:

    (1)调节三大营养物质及水盐代谢,参与维持内环境的相对稳定;

    (2)促进细胞分裂、分化,调控机体生长、发育、成熟和衰老过程;

    (3)影响神经系统发育和活动,调节学习、记忆及行为活动;

    (4)促进生殖系统发育成熟,影响生殖过程;

    (5)调节机体造血过程;

    (6)与神经系统密切配合,增强机体对伤害性刺激和环境急变的耐受力和适应力。

    2.激素作用的特征 (characters of hormone action)

    ⑴特异性 某种激素释放入血液后,能选择地作用于某些器官(包括内分泌腺)、组织和细胞,称为激素的特异性。激素能选择性地作用于靶细胞是因为靶细胞膜上或胞浆记忆体在有能与激素发生特异性结合的受体。

    ⑵放大作用 激素在血液中的生理浓度很低(一般在pmol/L ~nmol/L数量级),但其效应显着。例如,0.1μg的促肾上腺皮质激素释放激素,可引起肾上腺皮质分泌40μg糖皮质激素,放大了400倍。这是因为激素作用于受体后,通过一系列酶促反应将激素资讯逐级放大所致。

    ⑶激素间的相互作用各种激素的作用可以相互影响,主要有:①协同作用。不同激素对同一生理活动都有增强效应,如生长素和肾上腺素都使血糖升高。②拮抗作用。不同激素对某一生理活动作用相反,如胰高血糖素使血糖升高而胰岛素使血糖降低。③允许作用。某种激素本身对某器官或细胞不发生直接作用,但它的存在却是另一种激素产生生物效应或作用加强的必要条件,称为激素的允许作用(permissive action)。例如,糖皮质激素本身不引起血管平滑肌收缩,但它的存在是去甲肾上腺素发挥缩血管作用的前提。

    (4)资讯传递作用 激素可将某种资讯以化学传递方式调节靶细胞的功能,使之增强或减弱。激素能影响靶细胞原有功能活动或代谢反应的强度与速度,但不产生新的功能,也不能给机体提供能量,仅仅起着信使的作用。在资讯传递后,即被分解而失活。

    (三)激素作用的机制(Mechanisms of Hormone Action)

    生命活动的维持、机体内环境的稳定取决于细胞对外界信号产生应答的一系列复杂的信号转导和调节系统。激素作为细胞外资讯分子,如何将资讯传到细胞产生一系列的变化并引起细胞各种应答反应,是内分泌学研究的焦点。随着分子生物学的发展,对激素作用机制的研究有了突破性的进展。按激素的性质不同,将激素作用的机制分为两类。

    1.含氮类激素作用原理--第二信使学说 (second messenger)

    (1)以环一磷酸腺苷为第二信使的资讯传递系统Sutherland在进行肝糖原分解实验中发现了一种耐热因数,后来证实为环一磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP),分子量为329.2,它对热稳定,在微酸或微碱溶液中煮沸30min仍很稳定。于是Sutherland(1965年)提出了第二信使学说的概念。CAMP作为第二信使的基本原则是:①激素作用于完整靶细胞时能引起cAMP浓度增加;②激素效应发生在cAMP浓度升高之后;③外源性cAMP可模拟激素的作用;④磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)抑制剂可加强激素作用;⑤能启动靶细胞中cAMP依赖的蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,APK)。由于cAMP的发现和第二信使的提出,使人们对生命奥秘的认识向前迈了一大步。为此,Sutherland获1975年诺贝尔医学和生理学奖。

    cAMP产生的关键环节是腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)系统,AC系统主要由四部分组成:①受体(receptor,R);②鸟苷酸结合蛋白(GTP binding protein,G蛋白);③AC催化亚单位;④活化AC的协同因数。

    以cAMP为第二信使学说的主要内容是:①作为第一信使的激素与靶细胞膜上特异受体结合;②激素受体复合物通过G蛋白启动膜内侧腺苷酸环化酶(AC),在Mg2+存在时AC使ATP变成cAMP;③cAMP作为胞内第二信使启动某种cAMP依赖的蛋白激酶,同时cAMP被磷酸二酯酶(PDE)水解;④活化的蛋白激酶(PK)促进胞内许多特异蛋白的磷酸化,导致靶细胞产生生理效应(图8-2)。

    (2)以三磷酸肌醇和甘油二酯为第二信使的资讯传递系统 80年代,许多研究结果表明肌醇磷脂的降解是跨膜信号转导(transmembrane signal transduction)的重要步骤,发现了细胞内一条非核苷酸类的第二信使通路,将肌醇脂质代谢中产生的三磷酸肌醇(inositol-1,4,5-triphosphate,IP3)和甘油二酯(diacylglycerol,DAG)确认为第二信使。IP3和DAG产生的基本过程是:激素启动细胞膜受体,经G蛋白(G-protein)的耦联作用,引发磷脂酶C(phospholipase C,PLC)活化,活化的PLC使二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol-4,5-bisphophate,PIP2)分解产生大量IP3和DAG两种信使物质,二者分别启动两条独立又相互协调的信号传递途径,即IP3-Ca2+和DAG-PKC(protein kinase C,蛋白激酶C)。IP3主要使细胞内Ca2+库释放Ca2+,使胞浆中游离Ca2+水准增高,然后通过钙-钙调素系统(calcium-calmodulin system,Ca2+·CaM)系统影响细胞功能。DAG则能特异性启动PKC,然后催化细胞内各种底物磷酸化,从而产生生物效应(图8-3)。

    2.类固醇类激素作用原理--基因组效应(effects of gene group)

    类固醇类激素是非极性分子,即呈脂溶性且分子较小,因此可以自由易透过细胞膜的脂质双分子层而进入细胞,在细胞内通过核受体介导的基因组效应诱导靶细胞内新酶或结构蛋白的合成而实现激素效应。突变和嵌合实验表明,类固醇类激素有一个大约70个氨基酸残基(其中富含Cys、Lys、Arg)组成的DNA结合部位,其保守性极为明显。改变这一区域的结构(取代或删除某些残基),可丧失生物活性,但保有100%的结合特性。提示受体的这个区域与DNA结合,发挥调节作用,但与受体识别激素的特异性关系不大。因此,不管激素受体氨基酸残基C末端或N末端的肽链长短、结构变异或功能改变,但是,它肯定会与染色体中其他调节蛋白相互作用,从而调控基因表达。类固醇类激素基因组效应的主要过程是:⑴激素直接透过细胞膜进入胞浆,与胞浆中特异受体结合成激素-受体复合物;⑵在Ca2+存在条件下,复合物发生变构,并进入核内;⑶复合物结合在染色质特异位点上,与核内DNA上的激素反应元件(hormone response element,HRE)结合,启动或抑制DNA的转录过程;⑷促进或抑制mRNA的形成,导致诱导或减少蛋白质(主要是酶)合成,实现生物效应(图8-4)。

    近年来的研究发现,类固醇类激素受体与激素结合之前就位于核内,并与一种分子量为90kD的热休克蛋白(heat shock protein,HSP90)结合在一起。HSP90一方面有助于受体与激素的结合,另一方面遮蔽受体与DNA的结合部位,使之与DNA只能疏松结合。受体与激素结合后,即释出HSP90,显露出DNA结合部位,与DNA紧密结合并调节其表达。

    上述两类激素作用原理并不是绝对的,如含氮类激素中甲状腺激素却是通过影响转录与翻译而影响蛋白质合成;反之,胰岛素属于含氮类激素,但它并不是通过cAMP发挥作用的。而类固醇激素中糖皮质激素既能通过基因表达,又能通过第二信使途径发挥作用。

    第二节 下丘脑与垂体

    Hypothalamus and pituitary gland

    下丘脑是人体神经-内分泌的高级调节中枢,也是神经调节和体液调节的汇合部位与转换站。人的下丘脑较小,只占全脑的1%(约4g),但是与体内的水、电解质代谢、摄食、生殖、免疫、行为、心理、衰老等生命活动的关系非常密切,在机体内环境稳定和神经-内分泌功能方面具有十分重要的意义。下丘脑记忆体在肽能神经元,它们主要存在于下丘脑促垂体区以及视上核和室旁核。下丘脑与垂体在结构和功能上有非常密切的联系,可看作是一个内分泌功能单位。

    一、下丘脑与垂体的解剖和功能联系(Hypothalamic-pituitary Relationships)

    (一)下丘脑和垂体解剖概要(Review of Hypothalamic and Pituitary Anatomy)

    下丘脑是间脑最下部的一个对称性结构。由前至后可分为三个区:①视上区:位于视交叉之上;②结节区:与垂体相距最近,其中央部分称为正中隆起,垂体柄由此伸出,外侧即下丘脑外侧区,内有大量神经纤维;③乳头区:包括乳头体及其所含的神经细胞。在下丘脑内侧区中有视上核和室旁核,发出纤维称为视上垂体束和视旁垂体束,到达垂体后叶。

    垂体(hypophysis or pituitary gland)分为腺垂体(adenohypophysis)和神经垂体(neurohypophysis)两部分。腺垂体包括远侧部、结节部和中间部。神经垂体由神经部、漏斗干和正中隆起三部分组成。结节部和远侧部合称为垂体前叶,中间部和神经部合称为垂体后叶,漏斗干和正中隆起合称为漏斗。垂体柄是由结节部包围漏斗干而成。

    (二)下丘脑-腺垂体系统(Hypothalamic-adenohypophysical System)

    下丘脑与腺垂体主要通过神经-血管联系。下丘脑的神经轴突在正中隆起、垂体柄处与垂体门脉系统的第一微血管丛相接,促垂体激素在此处释放入血,然后沿着门脉血管到达前叶,兴奋或抑制垂体前叶激素的分泌(图8-5)。下丘脑不同部位的功能和形态并不相同:①下丘脑前区有一部位与促性腺激素的分泌有关,在雌激素的兴奋作用下(正回馈)引起月经中期大量促性腺激素(以黄体生成素为主),促进排卵;②下丘脑中后区也影响促性腺激素的分泌,其作用是兴奋的,雌激素对其有抑制作用(负反馈),这与促性腺激素的经常性分泌有关;③下丘脑前区一个较广泛的区域与促甲状腺激素的分泌有关;④近正中隆起处与生长素分泌有关;⑤控制促肾上腺皮质激素分泌的区域较为广泛,因为下丘脑损害不容易使正中隆起的促肾上腺皮质激素释放激素的浓度下降。近年来的研究发现,垂体前叶中也有大量的神经纤维,中枢神经系统可能与垂体前叶有直接联系。

    (三)下丘脑-神经垂体系统(Hypothalamic-neurohypophysical System)

    下丘脑与神经垂体有着直接的神经联系。下丘脑视上区内视上核和室旁核的界限较清楚,其细胞甚大,神经核的轴突组成视上-室旁-垂体束,又称为下丘脑-神经垂体系统(图8-5)。神经分泌物(如血管升压素和催产素)沿轴突下行至垂体后叶的神经末梢和血管相接处。新近研究表明,下丘脑-神经垂体通路和正中隆起内带的肾上腺髓质素(adrenomedullin,AM)含量很高,并可促进催产素的分泌,同时AM具有较强的降压和调节水盐代谢的作用,提示下丘脑-神经垂体具有合成和分泌AM的作用。......(后略) ......