Hormonok világa Készítette: Ur Judit 1
Tartalomjegyzék ELŐSZÓ... 5 HASZNÁLT RÖVIDÍTÉSEK... 6 A HORMONOK FELFEDEZÉSÉBEN ÉS TANULMÁNYOZÁSÁBAN SZEREPET JÁTSZOTT TUDÓSOK ÁTTEKINTÉSE... 7 FITOHORMONOK... 12 A FITOHORMONOK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE... 12 FITOHORMONOK CSOPORTOSÍTÁSA... 14 A NÖVÉNYI HORMONOK TANULMÁNYOZÁSÁNAK KEZDETEI... 15 NEGATÍV VISSZACSATOLÁS ELVE... 16 AUXIN... 17 Az auxin általános jellmzése... 17 Különböző szervek auxin érzékenysége... 20 Az auxin hatása a növény fejlődésére... 20 TROPIZMUS... 26 Fototropizmus... 27 Gravitropizmus... 28 GIBBERELLINEK... 29 CITOKININEK... 31 ETILÉN... 33 ABSZCIZINSAV... 35 HORMONHATÁSÚ NÖVÉNYI NÖVEKEDÉSSZABÁLYOZÓ ANYAGOK... 36 Fotoszterinek növényi szteroidok... 36 Jázmonsav... 38 Szalicilsav... 38 Nitrogén-monoxid stresszválaszok növényekben... 39 BELSŐ ELVÁLASZTÁSÚ (ENDOCRIN) MIRIGYEK AZ ÁLLATOK ORSZÁGÁBAN... 41 AZ ÁLLATOK BELSŐ ELVÁLASZTÁSÚ MIRIGYEINEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE... 41 MI JELLEMZŐ AZ ÁLLATOK HORMONÁLIS SZABÁLYOZÁSÁRA?... 42 AZ ÁLLATOK KÜLÖNBÖZŐ CSOPORTJAINAK HORMONÁLIS RENDSZERE... 42 Az ízeltlábúak hormonális rendszere... 45 A halak hormonális rendszere... 46 Kétéltűek hormonális rendszere... 47 Hüllők hormonális szabályozása... 50 Madarak hormonális szabályozása... 50 2
EMLŐSÖK HORMONÁLIS RENDSZERE... 52 Agyfüggelék... 52 Tobozmirigy... 53 Pajzsmirigy... 54 Mellékpajzsmirigyek... 57 Mellékvese... 58 Magzatmirigy, thymus... 61 Hormonális betegségek az emlősöknél... 62 BELSŐ ELVÁLASZTÁSÚ MIRIGYEK AZ EMBERNÉL... 65 AZ ENDOKRIN RENDSZER ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE AZ EMBERNÉL... 65 NEUROENDOKRIN RENDSZER... 66 HORMONOK OSZTÁLYOZÁSA... 68 HIPOFÍZIS... 70 Hipofízis eredetű betegségek... 71 HIPOTALAMUSZ... 74 A hipotalamusz és a hipofízis kapcsolata... 75 EPIFÍZIS (TOBOZMIRIGY)... 77 A REM fázis és a melatonin... 78 PAJZSMIRIGY... 79 A pajzsmirigy betegségei... 81 MELLÉKPAJZSMIRIGY... 83 Mellékpajzsmiriggyel kapcsolatos betegségek... 84 HASNYÁLMIRIGY... 85 Az inzulin, a glukagon és a szomatosztatin szekréciójának szabályozása... 88 Hasnyálmirigy hormonainak betegségek... 89 IVARMIRIGYEK... 92 Here... 92 A férfi nemi működést befolyásoló hormonok... 93 Petefészek... 95 A női nemi működés zavarai és betegségei... 97 MELLÉKVESE... 100 A másodlagos hírvivők szerepe a hormonális szabályozásban... 102 Mellékvese betegségek... 103 TÍMUSZ (MAGZATMIRIGY, CSECSEMŐMIRIGY VAGY KEDEZMIRIGY)... 104 A cscsemőmirigyet gyengítő és erősítő tényezők... 106 PLACENTA... 108 3
A terhesség endokrinológiája... 108 SZTEROID HORMONOK (ÖSZTROGÉNEK, GESTAGÉNEK, ANDROGÉNEK, ADRENOKORTIKOIDOK)... 109 AGLANDULÁRIS VAGY SZÖVETI HORMONOK... 110 A gyomor és a bélcső hormonjai... 110 Ejkozánoidok (eikozanoidok)... 111 Prosztaglandinok... 112 A CSONTOSODÁS/CSONTKÉPZŐDÉS HORMONÁLIS HÁTTERE... 113 A SZERVEK VÉRELLÁTÁSÁNAK SZABÁLYOZÁSA HORMONOK ÁLTAL... 114 UKRÁN-MAGYAR SZAKKIFEJEZÉSEK A HORMONOKKAL KAPCSOLATBAN... 116 FELHASZNÁLT IRODALOM... 119 4
Előszó A hormonokkal kapcsolatban végeztem gyűjtést és kutatást. A hormonok élőlény csoporttól vagy országtól (növények vagy állatok országa) függetlenül tükrözik azt, hogy milyen nagy befolyással vannak az élettevékenységekre és már minimális mennyiségi változásaik pozitív vagy negatív irányba akár végzetes betegségek és állapotok kialakulásához vezethet. Munkámban a következőkkel foglalkoztam. Elsőként a biológia történelme során mely tudósok játszottak szerepet a hormonok felfedezése és tanulmányozása során. Ezután három szempont szerint részletezem a hormonokat. Az első, a növények világában előforduló hormonokat más néven a fitohormonokkal foglalkoztam. A második fő rész az állatok hormonális rendszere, ahol a gerincesek és azokon belül az emlősök sok közös tulajdonságot mutatnak az emberek hormonális jellemzőivel. A harmadik fő részben pedig az emberek hormonális rendszerével foglakoztam és itt részletesebben kitértem a hormonokkal kapcsolatos betegségekre. Végül egy rövid ukrán-magyar szakkifejezések szótárral zárom, ahol röviden a hormonokkal kapcsolatos leggyakoribb kifejezések foglalom össze. 2014. október 26. Hóbortos hormonok Ezek a hormonok Micsoda mormonok Izegnek-mozognak Mozgatnak-izgatnak Vége a májusnak Vágyak nem ájulnak Férfiban erednek Nőben növekednek Délszaki mormonok Bennem a hormonok Tüzesek-lázasak Nyugodni nem hagynak Inci /2005/ 5
Használt rövidítések [9R]iP 9-izopentenil-adenin-ribozid [9R]Z 9-zeatin-ribozid ACH mellkvesekéreg-hormon, adrenocortical hormone ACTH mellékvesekéreg serkentő hormon, adenokortikotrop hormon, corticotrop (kortikotropin) ADH adiuretin (vazopresszin) antidiuretikus hormon, diuretin AVP arginin vazopresszin CRF kortikoliberin CRH kortikotropint felszabadító (releasing) hormon CT kalcitonin FH tüszőhormon, folliculus hormon, ösztrogén FSH tüszőérést serkentő hormon, follikulotropin vagy follikulus stimuláló hormon GHRH növekedési hormont felszabadító (releasing) hormon GIH szomatosztatin, szomatotropin, növekedési hormon, szomatotróp hormon GnRH gonadoliberin, gonadotropint felszabadító (releasing) hormon GRF szomatoliberin HCG (hcg) - human chorionic gonadotropin IAA indolaceticacid IES indolecetsav INS inzulin ip izopentenil-adenin LH sárgatestserkentő hormo, lutropin v. luteinizáló hormon LPH lipotróp hormon, lactotrop LTH luteotrop hormon, prolaktin, prolactin MIF melanosztatin MRF- melanoliberin MSH melanocita stimuláló hormon v. melanotropin NOS nitrogén-monoxid szintáz NR nitrát-reduktáz PIF prolaktosztatin PRF prolaktoliberin PRL tejelválasztást serkentő hormon PTH parathormon STH szomatotrop hormon (növekedési hormon), somatotop T3 trijódtrionin T4 tiroxin TIBA - 2,3,5-trijódbenzoesav TR tiroid hormon receptorok TRH tiroliberin, tireotropint felszabadító (releasing) hormon TSH thyreotrop, tirotropin tireotrop hormon, pajzsmirigyet serkentő hormon Z zeatin 6
A hormonok felfedezésében és tanulmányozásában szerepet játszott tudósok áttekintése Banting, Frederick Grant Banting (1891 1941): kanadai kutatóorvos. Foglalkoztatta az, hogyan lehetne izolálni a hasnyálmirigy Langerhans-szigetei által kiválasztott hormont, amely a cukorbetegség kezelését lehetővé tenné. A Torontói Egyetemen 1921-ben John Macleodhoz, a cukorbetegség elismert szakértőjéhez fordult, aki kutatási lehetőséget adott neki laboratóriumában. Itt Charles Best segítségével sikerült izolálnia az inzulint, hamarosan megindulhatott az ipari előállítás is. A felfedezésért Banting és Macleod 1923-ban megosztva megkapták az orvosi Nobel-díjat. Banting felháborítónak tartotta, hogy Best nem részesült a Nobel-díjban, mivel ez időben még nem fejezte be egyetemi tanulmányait, ezért a díj összegének rá eső részét megosztotta Best-tel. A továbbiakban a rák kutatásán is dolgozott. Az 1930-as években Banting katonai kutatási projektekben vett részt, így foglalkozott a repülés fiziológiai problémáival, részt vett a pilóták számára készített ún. anti-g-ruha első generációjának kifejlesztésében, valamint biológiai fegyverek kutatásában is. A háború alatt katonai szolgálatba lépett, repülőbalesetben halt meg. Nobel-díj, 1923. Bayliss, William Maddock Bayliss (1860 1924): angol fiziológus. Starlinggal folytatott hosszú és gyümölcsöző együttműködése nem sokkal azután kezdődött, hogy tanári állást kapott a londoni University College-ban 1888-ban, ahol később az általános élettan professzora lett. Bayliss és Starling elsősorban a hasnyálmirigy emésztőnedvének kiválasztását szabályozó kémiai anyag - az elsőként felfedezett hormon (szekretint, 1902-ben) - meghatározásáról ismert. Bayliss és Starling alkották meg a hormon kifejezést. Bayliss kimutatta, hogy a tripszin nevű enzim a vékonybélben keletkezik az inaktív tripszinogénből. Vizsgálatai alapján, az 1. világháborús sebesülésekre speciális sóinjekciókat ajánlott, számos ember életét mentve meg. Az élettan, a biokémia és a fizikai kémia területén végzett úttörő kutatásokat. Best, Charles Herbert Best (1899 1978): amerikai születésű kanadai kutató. Diák-asszisztensként csatlakozott 1921-ben Frederick Bantinghoz, aki John Macleod laboratóriumában folytatott kísérleteket a hasnyálmirigy által termelt inzulin előállítására. Mivel eredményeik eléggé ígéretesek voltak, Macleod támogatta és segítette a kísérletek folytatását. 1922-ben sikerült inzulint előállítaniuk, ezt követően az inzulin gyártása és alkalmazása is hamar elkezdődött. 1923-ban Banting és Macleod kapta meg az orvosi Nobel-díjat az inzulin felfedezéséért, Banting azonban a rá eső részt megosztotta Best-tel. Best az orvosi diploma és a doktori fokozat megszerzése után Macleod utóda lett a Toronto-i egyetemen, 1931-ben pedig, Banting halála után az egyetemen működő, Banting and Best elnevezésű orvostudományi kutatórészleg vezetője. Továbbra is jelentős sikereket ért el a diabetes gyógyításában, más területeken elért eredményei közül kiemelendő a heparin izolálása és előállítása. Boysen-Jensen, Peter Boysen-Jensen (1883-1959): dán származású. 1913-banDe ekkor még nem tudták, hogy a szignál milyen természetű. B-J kísérletével bizonyította, hogy a jel át tud jutni a levágott és visszahelyezett csúcs alatti agar darabon. Ha vajat tett a csúcs alá, a görbülés elmaradt, tehát vízoldékonyanyagról lehet szó. 7
Butenandt, Adolf Friedrich Johann Butenandt (1903 1995): német biokémikus. A marburgi és a göttingeni egyetemen tanult, utóbbi helyen szerezte meg a doktori címet, 1927-ben. Ezután Göttingenben, majd a danzigi (ma: Gdansk, Lengyelország) Műszaki Főiskolán tanított, és 1936-ban a Kaiser Wilhelm Intézet (a későbbi Max Planck Intézet) igazgatója lett. Max Planck Társaság elnöki tisztét 1960-tól 1972-ig töltötte be. 1929-ben, csaknem egyidőben az amerikai E.A. Doisyval, elkülönítette a női ösztrogén hormont, majd az androszteron nevű férfihormont, végül pedig a progeszteront, a terhesség hormonját. Felfedezésével utat nyitott a fogamzásgátló tabletta megalkotása előtt. Sok kutatást végzett a nemi hormonok kölcsönhatásával és potenciális rákkeltő hatásával kapcsolatban. A kortizon ipari előállítása nagyrészt Butenandt hormonkutatásaira vezethető vissza. Leopold Ruzickával együtt elnyerték a kémiai Nobel-díjat a nemi hormonokkal kapcsolatos munkásságukért. Bár Butenandtot a német kormány arra kényszerítette, hogy visszautasítsa a díjat, azt 1949-ben végül mégis átvehette. Nobel-díj, 1939. Darwin, Charles Darwin (1809 1882) és Francis Darwin. 1880-ban Charles Darwin és fia, Francis Darwin. Tanulmányozták, hogyan növekedik fény felé a hajtás (zab csíranövénykék). A hajtáscsúcsot levágva elmaradt a görbülés. Észlelték, hogy a hajtás csúcsát eltakarva elmarad a görbülés (növekedés egyébként ekkor is van), noha a növekvő görbülő részt éri a fény. A növekvő részt eltakarva és a hajtáscsúcsot szabadon hagyva görbülést tapasztaltak. A koleoptil fototropizmusáta hajtáscsúcs szabályozza. Du Vigneaud, Vincent Du Vigneaud (1901 1978): amerikai biokémikus. Urbanában, az Illinois-i Egyetemen tanult, a Rochesteri Egyetemen szerzett Ph.D. fokozatot 1927-ben, majd a baltimore-i Johns Hopkins Egyetemen, a berlini Vilmos Császár Intézetben és az Edingburgh-i Egyetemen folytatott tanulmányokat. 1932-1938-ig a George Washington Egyetem orvosi karának biokémiai tanszékét vezette, 1938-1967-ig a New York-i Cornell Egyetem orvosi karának professzora és biokémiai tanszékének vezetője volt, majd 1967-1975-ig kémia professzoraként működött az ithacai Cornell Egyetemen. Vezetésével a Cornell Egyetem laboratóriumai fontos eredményeket értek el például a penicillin szintézisében, a biotinnak az elkülönítésében és szerkezetének meghatározásában, valamint sok egyéb kéntartalmú szerves vegyület vizsgálatában. Nobel-díjat kapott két agyalapi hormon: a vazopresszin - a véredények izomzatát a vérnyomás növelésére késztető hormon - és az oxitocin - a méh összehúzódásában és a tejelválasztásban fő szerepet játszó hormon - elkülönítéséért és szintéziséért. Nobel-díj, 1955. Duve, Christian de Duve (1917 2013): belga biokémikus, sejtbiológus volt. Kutatásai elsősorban a sejtek biokémiai folyamataira és a sejtek, illetve a sejtszervecskék működésére irányultak, ő fedezte fel a peroxiszómákat és lizoszómákat. Többek között tanulmányozta az enzimek megoszlását patkányok májsejtjeiben, előbbieket centrifugák segítségével vonta ki. De Duve sejtfrakcionálási kísérletei igen hasznonak bizonyultak a sejtszervecskék funkciójának megértéséhez. A peroxiszómákat egy svéd doktorandusz kutató, Johannes Rhodin fedezte fel, viszont de Duve tisztázta szerepüket a sejtek működésében. A lizoszómákat egy szerencsés véletlennek köszönhetően fedezte fel, amikor az inzulin hatásmechanizmusára vontkozó kutatásokat folytatott. Egy kísérlet során észrevette, hogy a centrifugáláshoz előkészített, 8
homogenizált sejtállományban a foszfatáz sav sokkal aktívabb volt, ha elektromos mixerrel végezte a homogenizálást. Ez felkeltette a figyelmét és mint önéletrajzában írta: "Erőt vett rajtam a kíváncsiság és emiatt sose jutottam el az inzulin hatásmechanizmusának tisztázásához." További kísérletekkel kiderítette, hogy a foszfatázt a sejtekben egy membrán veszi körbe és a elektromos mixerrel való munka során ez a membrán jobban felszakad. Mivel a foszfatáz savas kémhatású, arra következtetett, hogy valamilyen emésztési szerepe van a sejten belül, míg az enzimet tartalmazó membránt lizoszómának nevezte. Később elektronmikroszkópos felvételeken sikeresen azonosította a lizoszómát. Felfedezése után más kutatók több mint 50 különféle enzimet azonosítottak a lizoszómán belül, illetve felfedezték, hogy milyen betegségeket okozhat a lizoszómák hibás működése (többek között a gyógyíthatatlan Tay Sachs-szindróma is erre vezethető vissza). Munkássága hozzájárult ahhoz, hogy az endoszimbiotikus elmélet egyre szélesebb körben elfogadottá vált. Az elmélet szerint egyes sejtszervecskék, mint a mitokondrium, a kloroplasztisz és feltehetően más sejtszervecskék is olyan prokarióta élőlényekből származnak, amelyek az eukarióta sejtek belsejében endoszimbiotikus kapcsolatot építettek ki a gazdasejttel. De Duve felvetette, hogy a peroxiszómák lehettek az első ilyen endoszimbiotikus sejtszervecskék, amelyek lehetővé tették az eukarióta sejteknek, hogy alkalmazkodjanak a földi légkör egyre növekvő oxigéntartalmához. Mivel azonban a peroxiszómáknak nincsen saját örökítőanyaga, ez a javaslat kevésbé valószínű, mint a mitokondrium és a kloroplasztisz esetében. Élete vége felé egyre inkább az élet kialakulásának kérdésével foglalkozott, illetve számos ismeretterjesztő művet írt a sejtek felépítéséről és működéséről. Nobel-díj, 1974. Haberlandt, Gottlieb Johann Friedrich (1854 1945): osztrák botanikus Első botanikai cikke 1874-ben jelent meg, egy évvel azután, hogy felvették a Bécsi Egyetemre, ahol aztán 1876-ban doktori fokozatot szerzett. Ezután a Tübingeni Egyetemre ment, ahol Simon Schwendener irányítása alatt tanult. 1880-ban visszatért Ausztriába, és a grazi Műegyetemen botanikát kezdett tanítani. 1910-ben Haberlandt követte Schwendenert a Berlini Egyetem növényélettani tanszékének élén, s megalapította a Növénytani Kutatóintézetet. Az élettani növényanatómia egyik úttörője, ő vizsgált először növényi sejtkultúrákat. Egy ismeretlen növényi hatóanyag sejtosztódást indukált (citokinin). Houssay, Bernardo Alberto Houssay (1887 1971): argentin fiziológus, biokémikus. 1910-ben a Buenos Aires-i Egyetem élettanprofesszorává, 1919-ben pedig az élettani intézet igazgatójává nevezték ki. Egyike volt annak a 150 argentin tanárnak, akiket Juan Perón tábornok 1943-as katonai puccsa nyomán elbocsátottak állásukból. Noha 1945-ben visszahelyezték pozíciójába, megkérték, hogy egy év múlva adja be a lemondását. 1944-ben megalapította a Buenos Aires-i Biológiai és Kísérleti Orvostudományi Intézetet. 1946-tól az intézet igazgatójaként működött. Kimutatta (1924-ben), hogy az agyalapi mirigy kivonatának állatokba injekciózása cukorbetegséget eredményez azáltal, hogy megnöveli a cukor mennyiségét a vérben. Később kiderült, hogy egyéb fontos feladatai is vannak. Ez azt mutatja, hogy az agyalapi mirigy által termelt hormonok az inzulinnal ellentétes hatást fejtenek ki. Gerti és Carl Corival megosztva megkapta az orvosi-élettani Nobel-díjat az agyalapi mirigy hormonjainak az állatok vércukorszint-szabályozásában betöltött szerepének felfedezéséért. Nobel-díj, 1947. 9
Kendall, Edward Calvin Kendall (1886 1972): amerikai biokémikus. 1914-től vezette a rochesteri Mayo Klinika biokémiai osztályát, majd 1921-től harminc éven keresztül a Minnesotai Egyetem élettanprofesszora volt. 1951 után a Princeton Egyetem és a vendégprofesszoraként tevékenykedett. Ő izolálta 1914-ben a tiroxint (pajzsmirigy-hormont), amely a Banting és Best által előállított inzulin mellett a kialakuló hormonterápia legfontosabb anyaga lett. 1930-tól a mellékvesekéreg hormonjait kutatta. 1944-ben szintézissel előállította a dehidrokortikoszteront és 1946-ban a gyógyászati szempontból fontos kortizont. Philip S. Hench és Tadeus Reichstein társaságában megkapta az orvosi-élettani Nobel-díjat a mellékvesekéreg-hormonok szerkezetének és biológiai hatásának tanulmányozásáért. Nobel-díj, 1950 Mering, Joseph von Mering (1849 1908): német fiziológus. Oscar Minkowski val együtt kísérleti állatoknak kivágták a hasnyálmirigyét, s azt tapasztalták, hogy rohamosan súlyos cukorbetegség fejlődik ki náluk. Azt feltételezték, hogy a hasnyálmirigy egy olyan hormont termel, amely szanályozza a testben a cukor lebontását. Azok a próbálkozások azoban, hogy a hasnyálmirigyből izolálják a hormont nem jártak eredménnyel. Paál Árpád (1889 1943): növényfiziológus, egyetemi tanár, a növényélettan egyik magyarországi úttörője. Kezdetben ingerfiziológiai vizsgálatokat végzett, majd az elsők között kezdett foglalkozni a növényi hormonkutatásokkal. A hazai növényélettan fejlődésében fontos periódusnak számít Mágocsy-Dietz legjelentősebb tanítványnak, Paál Árpádnak (1889-1943), a növesztő hormon felfedezőjének aktív kutatói és tanszékvezetői időszaka. Egyetemi évei alatt jegyezte el magát a növényélettannal Mágocsy-Dietz általános növénytani tanszékén, ahol már ezidőtájt demonstrátorként működött. Amikor Mágocsy-Dietz 1928-ban nyugállományba vonult, 1929. január 5-én Paál Árpád került az intézet élére. Ettől kezdve vált az intézet profilja egyértelműen növényélettanivá. Paál Árpád tanszékvezetői működése alatt viszonylag keveset publikált. Nagy kitartással harcolt azért, hogy a természettudományok és ezen belül az élettan, jelentőségüknek megfelelő teret kapjanak már a középiskolai oktatásban is. Számos új intézeti létesítmény fűződik nevéhez, így a sötétlaboratórium, ami a fotofiziológiai kutatások célját szolgálta, vagy a tetőüvegház és a Trefort kertben egy kísérleti kert zárt- és szabadtéri vizsgálatok céljára. Ő nevezte el az intézetet Növényélettani Intézetnek már 1929-ben, bár az elnevezést a felsőbbségek csak 1943-ban bekövetkezett halála után hagyták jóvá. Paál Árpádnak a növekedési hormon kutatásával kapcsolatos eredményeit méltán említik ma is korának legfontosabb, nemzetközileg is elismert magyar tudományos sikerei között. Ez jelöli ki az ő helyét a legnagyobb magyar növényfiziológusok élvonalában. Sanger, Frederick Sanger (1918 2013): angol biokémikus, a fehérjeszerkezet-kutatás egyik úttörője. Az inzulinmolekulát részlegesen úgy bontotta le, hogy a keletkező rövid aminosavlaácok érintetlenek maradjanak. Ezeket a rövidláncú aminosavakat kromatográfia útján szétválasztotta, majd az egyes láncokat felépítő aminosavakat azonosította, valamint mindegyik láncban meghatározta az aminosavsorrendet. Ez nem volt könnyű feladat, mivel már egy neéy egységből állo töredék is huszonnégy különböző sorrendben kapcsolódhat egymáshoz, de ugyanakkor a feladat mégis megoldhatónak látszott. Lassanként Sanger le tudta 10
vezetni, milyen hosszabb láncokból jöhetnek létre éppen azok a rövid láncok, amelyeket felfedezett, és nem másfélék. Lépésről lépésre hosszabb és hosszabb láncok szerkezetét epítette fel, míg 1953-ban már az egész inzulinmolekulát felépítő aminosavak pontos sorrendjét kidolgozta, azaz meghatározta az 51 aminosavat tartalmazó inzulin szekvenciáját (aminosavsorrendjét). Nobel-díj, 1958. Starling, Ernest Henry Starling (1866 1927): angol élettantudós. 1902-ben azt tapasztalta Bayliss szel, hogy még ha el is vágnak minden ideget, amely a hasnyálmirigyhez (az emésztésben részt vevő nagy mirigyek egyike) vezet, az továbbra is eredeti rendeltetésének megfelelően működik, és emésztőnedvet választ ki, mihelyt a gyomor savas tartalma bejut a bélbe. Kiderült, hogy a vékonybél nyálkahártyája a gyomorsav hatására egy anyagot választ ki, amelyet együtt a két fiziológus szekretinnek neveztek el, ez volt az első hormon, amelyet felfedeztek. Két évvel később Starling egy nevet javasolt mindazokra az anyagokra, amelyeket valamilyen belső elválasztású mirigy abból a célból bocsát a vérbe, hogy egy másik szerv vagy szervek működését kiváltsa. Ez a név a hormon volt, amely a görög hormao (buzdít) szóból származik. Takamine, Jokichi Takamine (1854 1922): japán származású amerikai vegyész. 1901 ben a mellékvesékből izolált egy anyagot, amelyet ma adrenalinnak beveznek, és erről végöl is kiderült, hogy hormone. Ez volt az első hormone, amelyet izoláltak, s amelynek szerkezetét meghatározták. Frits Went (1904 1997): holland származású- A levágott csúcsokat agarkockákra tette. A tiszta agar nem okozott sem növekedést, sem görbülést, de amelyik érintkezett a hajtáscsúcsokkal, igen. Középre visszahelyezve egyenes, míg aszimmetrikus pozícióban görbülőnövekedést tapasztalt, mégpedig az elhajlás szöge függött az agaron állni hagyott hajtáscsúcsok számától és idejétől. Went adta az auxin nevet is. Windaus, Adolf Otto Reinhold (1876 1959): német szerveskémikus, Nobel-díjas Orvosi tanulmányokat folytatott Freiburgban, majd Berlinben, azonban érdeklődése egyre inkább a kémia felé fordult. 1900-ben szerzett doktori fokozatot. Freiburgban jelentős eredményeket ért el a koleszterin és más szterinek szerkezetének tisztázásában. 1913-tól az innsbrucki egyetemen, majd 1915-től 1944-ben történt nyugdíjazásáig Göttingenben volt a kémia professzora. Munkásságában a természetben előforduló szerves anyagok kémiájával foglalkozott, így számos fontos alkaloida szerkezetét állapította meg. A szteroidok és vitaminok kapcsolatára vonatkozó fontos eredményeiért 1928-ban megkapta a kémiai Nobel díjat. Szabadalmait a Merck és Bayer gyógyszergyárak vették át és ezek alapján fontos gyógyszerek gyártását kezdték meg. Nobel-díj, 1928. 11
Fitohormonok Növényi hormonok A fitohormonok általános jellemzése A hormon szó görög eredetű és serkentést jelent. A hormonok olyan szabályzó molekulák, amelyek hatnak a növekedésre és a fejlődésre. Kis mennyiségben is nagy hatásuk van. A növekedés mennyiségi (szélesség, hossz, tömeg) a fejlődés minőségi (differenciálódás) változást jelent. Ezek egymás felváltásával valósítják meg a növény növekedését, fejlődését A növény növekedését és fejlődését belső(elsősorban a DNS) és külső(környezeti) tényezők szabják meg. Ezek között az összeköttetést legalábbis részben a növényi növekedésszabályozó anyagok, vagyis hormonok közvetítik. (görög hormaein: gerjeszteni). Sejtek közötti kommunikáció: kémiai hírvivők. A hormon definíciója: speciális intercelluláris kémiai hírvivő és szervezőmolekulák, melyek alacsony koncentrációban hatnak és többnyire specializált szervekben/sejtekben termelődnek. De! A növényi hormonok nem specializált szövetben termelődnek, nincs szigorúan meghatározott hatóhelyük és többnyire nincs csak rájuk jellemző, kizárólagos specifikus hatásuk. A növényi hormonokokat fitohormonoknak nevezzük. A növényi hormonkutatás korai szakaszában úgy látszott, hogy ez a megfogalmazás megközelítőleg megfelel a tényeknek, csupán a specifitás nem hasonlítható össze az állatvilágban előforduló hormon hatásokéval, mivel az eddig ismert növényi hormonok hatásának fő területe a növekedés és fejlődés, amelyen belül különböző hormonok hatása fedésben van egymással. Ugyanazt a jelenséget több hormon szabályozza, egyik serkenti, másik gátolja. Legtöbb esetben a szabályozásban nem csak az abszolút koncentráció, hanem a hormonális arány is döntő. A növényi hormonok fő hatásterülete a növekedés és fejlődés folyamatai. További eltérés az állati hormon definíciótól a keletkezés és hatás helyének különbözőségét érinti, az etilénnel kapcsolatos, amely minden sejtben keletkezhet és hatását többnyire a keletkezés helyén fejti ki. Azt is megállapították, hogy a növényi hormonok hatása az állati eredetű hormonokénál szélesebb koncentráció tartományra terjed ki (10-3-10-15 M). A sejtekben a hormonok specifikus fehérjékhez receptorokhoz kapcsolódhatnak. A hormon-receptor komplex az aktív formája a hormonnak. A hormonok a növekedés és fejlődés minden fázisát befolyásolják, de a hormonhatás mikéntje, a reakció jellege eltér egymástól. Vannak reakciók, amelyek a minden vagy semmi elvnek felelnek meg, pl. a nyugalmi állapot létrejötte vagy megszakítása, levélleválás, stb., míg mások fokozatosan mennek végbe. Ilyen a megnyúlásos növekedés is. Ezek közül egyeseket inkább az érzékenységben, míg másokat inkább a koncentrációban beálló változással lehet összefüggésbe hozni, Ezek a típusok azonban más vonatkozásban is változatosak: lehetnek kvalitatív vagy kvantitatív reakciók, reverzibilis vagy irreverzibilis változások stb. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a koncentráció és érzékenység egyaránt meghatározó tényező lehet a hormonhatás jellegében. A hormonok fontos jellemzője, hogy hatásuk a legtöbb esetben a génaktivitás szabályozásában jut kifejeződésre (expresszió, represszió). 12
Egy adott hormonra való reagáló képességet az érzékenység mértékével jellemezzük. Ez fajtól, szervtől, szövettípustól, fejlődési állapottól függ. Mivel a hormonnak receptorhoz kell kötődnie a hatás kifejtéséhez, a hormonra való érzékenységet az adott állapotban számos tényező befolyásolhatja, így a receptor molekulák száma, a receptor molekulák hozzáférhetősége (szabad legyen a kötődésre), a receptor molekulák elérhetősége (kompartmentáció), a hormonális arányok, az adott hormon koncentrációja, a receptor affinitásának változása (specifikus inhibitorok). Azon túl, hogy a növényi hormonok hatása nem szigorúan specifikus, a legtöbb esetben a szabályozás jellegzetessége az is, hogy együttesen és kölcsönhatásban is kifejthetik hatásukat, azaz az egyik hormon befolyásolhatja a másik szintjét. Az aktív hormon koncentrációjának kialakításában a következő tényezők játszanak szerepet: a szintézis mértékének szabályozása, szerkezetváltozás nélküli inaktiválódás (konjugátum képzés) mértékének szabályozása, a lebomlás mértékének szabályozása, a transzport és kompartmetizáció mértékének és irányának szabályozása, a másik hormonra való érzékenység szabályozása. A hormon fogalomnál szélesebb fogalomként használjuk a növekedés szabályozó elnevezést, beleértve a természetes és szintetikus anyagokat is, amelyek közvetlen vagy közvetett módon befolyásolják a növekedési/fejlődési folyamatokat. Jelentős növekedés szabályzó funkciót töltenek be a szénhidrátok, a jelátviteli folyamatokban részt vevő vagy azokat módosító kis molekulák (pl. H2O2, NO), valamint egyéb tápanyagok (pl. nitrát). Nagy gyakorlati fontosságuk van a hormonhatású szintetikus növekedésszabályzóknak a laboratóriumi munkában, a mezőgazdaságban és a kertészetben. 13
Fitohormonok csoportosítása A felsoroltak alapján két nagy csoportra lehetne osztani a fitohormonokat hatásmechanizmusuktól függően: I. Juvenilhormonok vagyis serkentő hormonok. Ide tartoznak :auxin, gibberelin és citokinin. Hatásukra általában az jellemző, hogy a növény anyagcsere-folyamatait, sejtosztódását és a tápanyagok felhalmozódását serkentik, a generatív fázisba történő átmenetet viszont késleltetik, tehát juvenilis (fiatal) állapotban őrzik meg a növényt. A legáltalánosabb az auxin hatású növekedésszabályozó. II. Szeneszcenciahormonok vagy gátló hormonok: etiléngáz és abszcizinsav. Jellemző élettani hatásuk a növény szintézisfolyamatának gátlása, a légzés fokozódása és a generatív fázisba (virág- és termésképzésbe) történő átmenet serkentése, amelyek a növények szeneszcenciája (öregedése) irányában hatnak. A növényt ért stresszek következtében aktivitásuk megnő. Az etilén a növekedést serkentő hormonok antagonistája, a megnyúlásos növekedés fékezője. További élettani hatásai: a légzés fokozódása, a virágképzés indukciója, a termésérés serkentése és a levelek leválása. A növényre ható biotikus és abiotikus stresszek szintén megnövekedett etiléntermelést okoznak. A növényi hormonok ritkán hatnak önmagukban,leggyakrabban a növekedés és fejlődésfolyamatai hormonok kölcsönhatásaként jönnek létre. 14
Továbbá az utóbbi időkben a következő anyagokat sorolták a fitohormonokhoz: növényi szteroidok, jázmonsav, szisztemin, szalicilsav, nitrogén-monoxid (NO), stb. A növényi hormonok tanulmányozásának kezdetei - 1880 Charles Darwin és fia, Francis Darwin. Tanulmányozták, hogyan növekedik fény felé a hajtás (zab csíranövénykék). A hajtáscsúcsot levágva elmaradt a görbülés. Észlelték, hogy a hajtás csúcsát eltakarva elmarad a görbülés (növekedés egyébként ekkor is van), noha a növekvő görbülő részt éri a fény. A növekvő részt eltakarva és a hajtáscsúcsot szabadon hagyva görbülést tapasztaltak. A koleoptil fototropizmusáta hajtáscsúcs szabályozza. - 1913 Peter Boysen-Jensen(dán). De ekkor még nem tudták, hogy a szignál milyen természetű. B-J kísérletével bizonyította, hogy a jel át tud jutni a levágott és visszahelyezett csúcs alatti agar darabon. Ha vajat tett a csúcs alá, a görbülés elmaradt, tehát vízoldékonyanyagról lehet szó. - 1919 Paál Árpád sötétben végezte a kísérleteit a koleoptillal. A levágott csúcsot aszimmetrikusan tette vissza a koleoptilraés az ellenkezőoldalra görbülést tapasztalt. Következtetése: a csúcsban termelődik a növekedésszabályozóanyag, lefelévándorol és a fény hatására az árnyékos oldalon nőmeg a mennyisége. - FritsWent(holland). A levágott csúcsokat agarkockákra tette. A tiszta agar nem okozott sem növekedést, sem görbülést, de amelyik érintkezett a hajtáscsúcsokkal, igen. Középre visszahelyezve egyenes, míg aszimmetrikus pozícióban görbülőnövekedést tapasztalt, mégpedig az elhajlás szöge függött az agaron állni hagyott hajtáscsúcsok számától és idejétől. Went adta az auxin nevet is. A kísérletekből levont főbb következtetések: A fényinger kémiai (hormonális) úton vezetődik a növényben A hormon a növekedéshez szükséges azaz növekedési hormon A csúcsban található és bazális irányban szállítódik A növekedési hormon (auxin) a koleoptil csúcsban képződik, vagy ott raktározódik A fény egyenlőtlen hormoneloszlást idéz elő, ez váltja ki az egyenlőtlen növekedést és ezáltal a görbülést. Az egyenlőtlen hormoneloszlás mesterségesen is előidézhető és ekkor sötétben is görbülés következik be. A növekedési hormon vagy annak egy része változatlan formában vándorol bazipetálisan A hormon az árnyékos oldalon vándorol Az 1930-as évek közepén megállapították, hogy az auxin az indol-3-ecetsav, vagyis az IES. Később néhány más auxint is felfedeztek, de a leggyakrabban előforduló és élettanilag a legmeghatározóbb az IES volt. Az auxinokat olyan anyagoknak definiálták, amelyek biológiai hatása hasonló az IES hatásához, azaz: serkentik a koleoptilban és a szárban a sejt megnyúlásos növekedését, citokininek jelenlétében serkentik a sejtosztódást a kallusz tenyészetekben, 15
levágott levélben és szárban serkentik a járulékos gyökerek képződését, más az IES-hoz hasonló fejlődési folyamatokat serkentenek. Negatív visszacsatolás elve A növényi hormonok (fitohormonok) a növények életfolyamatait szabályzó hormonok. Ez a negatív visszacsatolás elvén alapszik (feedback). A szabályzó központ egy jelzést küld a szabályzottnak, hogy mire van szüksége a növénynek. Viszont a szabályzottra hat a külső környezet, ami lehet belső (szállítócsövek elszáradása) vagy külső (időjárás) tényező egyaránt. Ez visszajelez a központba, hogy mije van, megpróbálja valósítani a követelést. A szabályozás az egysejtű növényeknél génszintű ( 2n ), a többsejtűeknél a telepesekig szintén génszintű, a szövetesektől már differenciálódnak a sejtek, hormonokat termelnek és a szállítószöveten keresztül jutnak el szervekbe. A szervek összehangolt működéséhez szabályzásra van szükség. A szabályozás a sejtek közötti információcserén alapul: a szabályozott visszajelzéseket küld a szabályzónak. A sejtek közötti információátadás hírvivő molekulákkal, a hormonokkal történik. Ezek termelődési helyükről elszállítódnak egy másik szervbe, és ott fejtik ki hatásukat. A növényi hormonok több életműködés szabályzását végzik: növekedés; a gyökér, szár, levél, virág, termés kialakulása. Egy hormon többféleképpen is hat a növényre. 16
Auxin Az auxin általános jellemzése Indolecetsav: IES Indolaceticacid:IAA Az indol-3-ecetsav szerkezeti képlete Auxinnak tekinthetünk minden olyan növekedésszabályozó anyagot, amelyek biológiai hatása az indol-3- ecetsavéval megegyezik (pl. fenil-ecetsav, naftil-ecetsav, indol-vajsav). Léteznek szintetikus auxinok és antiauxinok is; a hatásmechanizmusban fontos szerepet játszik a töltéseloszlás hasonlósága. Antiauxinok néven azokat a vegyületeket foglaljuk össze, amelyek az auxinok hatását reverzibilisen megakadályozzák Az antiauxin hatása, pl. a koleoptil növekedésgátlása exogén auxinnal általában feloldható. Mivel a fogalom csak megszorításokkal alkalmazható, az antiauxinok elhatárolása más gátló hatású vegyületektől nem könnyű. Általában olyan vegyületekről van szó, amelyek szerkezetüket tekintve emlékeztetnek az auxinokra és feltételezik, hogy antiauxin hatásukat azáltal fejtik ki, hogy a sejtben olyan pontokhoz kötődnek, amelyekhez egyébként az auxinok is, ilyen módon kompetíció alakul ki közöttük. Legjobban ismerjük a 2,3,5- trijódbenzoesav (TIBA) hatásmódját, amely az IES bazipetális transzportját gátolja. E vegyületek elméleti jelentősége abban van, hogy felhasználhatók az auxinhatás és -szerkezet közötti összefüggés tanulmányozásához, gyakorlati hasznuk viszont az, hogy toxikus koncentrációban herbicidként alkalmazhatók a mezőgazdaságban. Az auxinok megnyúlásos növekedést serkentő hatása koleoptilban. (A kísérlet kezdete, B 24 órával később) Forrás: Taiz-Zeiger, 2010 17
A gyökér megnyúlásos növekedésének a magyarázata az auxinnal nehezebb, mert az auxin indukálja az etilén termelését, ami a gyökér növekedésének a gátlását okozza. Az auxin 10-10-10-9 M koncentrációban serkenti, 10-6-10-5 M koncentrációban pedig gátolja az intakt (ép) gyökér növekedését. A hajtás és a koleoptil megnyúlásos növekedését serkentő auxin-koncentrációk erősen gátolják a gyökér növekedését. Az auxinhatás a kétszikűek külső szöveteiben megy végbe. Az auxin indukálta növekedés legkisebb késési ideje (lag time) 10 perc. Az eltávolított hajtás vagy koleoptil növekedési válasza a kezelésekre jól mérhető arra alkalmas készülékekben. Az auxin adagolása 10-12 perc elteltével jelentősen, öt-, tízszeresére emeli a növekedés mértéket. A zab koleoptil ozmotikusan aktív folyadékban (cukor vagy KCl) 18 órán át megtartja a maximális növekedési mértéket. Az auxin növekedés-serkentése energiát igényel. A késési időre (lag time) a sejt biokémiai gépezetének van szüksége, hogy a növekedés mértékét emelje. Az auxin eloszlása a csíranövényben (az auxintartalom mg/g mértékegységben) Az auxin gyorsan növeli a sejtfal rugalmasságát. A sejt térfogati növekedése három lépésben megy végbe: ozmotikus vízfelvétel a vízpotenciálnak megfelelően, a turgornyomás növekedése a sejtfal merevsége miatt, biokémiai fallazulás, sejtnövekedés válaszul a turgornyomásra. Az auxin-indukálta proton-efflux savanyítja a sejtfalat és növeli a sejt térfogatát. Az általánosan elfogadott savas-növekedési hipotézis ( acid growth hypothesis ) szerint a hidrogén-ionok hatásával számolhatunk. A hidrogén-ionok a plazmamembrán proton-transzport ATP-áz révén kerülnek a sejtfalba és azon kívülre, amelyek működését az auxin növeli. Az auxin a proton-effluxot a sejtfalba 10-15 perces késési idő után serkenti. Expanzin nevű sejtfal-lazító fehérjéket számos növényfajban találtak. Savas ph-értéken az expanzin úgy lazítja meg a sejtfalat, hogy gyengíti a sejtfal poliszacharid komponensei közötti hidrogén-kötéseket. A savas-növekedési hipotézist a következő kísérleti tényekkel igazolták: 18
1. Savas pufferek vagy CO2 hatására perceken belül gyors megnyúlás következik be Avena koleoptilban és néhány más objektumban. A megnyúlás legalább olyan mértékű, vagy nagyobb, mint amit az IES indukál. 2. Az auxin hatására a kukorica koleoptil megnyúlik és az inkubációs közeg egyidejűleg savanyodik, vagyis ph-ja a kezdetinél alacsonyabb lesz. 3. Minden olyan anyag, amely proton kiválasztást indukál, gyors sejtmegnyúlást is képes indukálni (pl. fuzikokcin). 4. Neutrális puffereknek a sejtfalba történő infiltrációja megakadályozza az IES hatás kialakulását, mert meggátolja a sejtfalban a ph csökkenését. 5. A közeg savanyadása és a megnyúlás között arányosság mutatható ki. Az auxin a sejtek megnyúlását serkenti, a hajtásokat a fölfelé, a gyökereket a lefelé való növekedésre serkenti. Az auxinok fő termelődési helyei a fiatal, fejlődésben lévő levelek, a fiatal, fejlődő magvak és termések. Fiatal növényekben elősegíti a növekedést, fokozza a növekedést gátló hormon, az etilén termelését. A két hormon együtt biztosítja a normális növekedést. A növényi hormonokkal Charles Darwin és Paál Árpád kísérletezett. Az auxin a növekvő hajtáscsúcsokban képződik. Innen a háncsrészben szállítódik gyökércsúcs irányába. Az eloszlása a növényben egyenlőtlen. A hajtásban, a csúcstól a gyökérnyak felé haladva csökken az auxintartalom, majd a gyökérnyaktól a gyökércsúcs felé újra emelkedik. 19
Különböző szervek auxin érzékenysége Az auxin élettani hatásai Az auxin hatása mindig a hormon gradiensével, eloszlásának megváltozásával függ össze: serkenti a sejtek és szervek megnyúlásos növekedését fiatal lágyszárúak; sejtfal átrendeződése és szintézise, ph apikális dominancia abszcisszió(leválás) gátlása szállítószövetek differenciációja(+ gibberellin!) serkenti a termések fejlődését (eper példája) járulékos gyökerek képződését indukálja Auxinokat a kertészet már több mint 50 éve használ. A kezdeti felhasználási területek az alábbiak voltak: termés- és levélhullás megakadályozása, az ananász virágzásának az elősegítése, partenokarp (magnélküli) termések indukálása nem megporzott virágok auxin kezelésével, termésritkítás, dugványok gyökeresítése a növényszaporításban. Az auxin hatása a növény fejlődésére Az auxint először a növekedéssel kapcsolatosan fedezték fel, mégis a növény életciklusának egészét befolyásolja a csírázástól az öregedésig. A legtöbb magasabbrendű növényben a csúcsrügy a belőle bazipetálisan szállítódó auxinok révén gátolja az oldalrügyek növekedését, amit apikális dominanciának nevezünk. A jelenség lényege, hogy a magasabbrendű növények túlnyomó többségében a csúcs- (apikális) rügy növekedése megakadályozza az alatta fejlődő laterális rügyek növekedését. Fiatal levelek jelenlétében ez a jelenség fokozott mértékű. Ha tehát a csúcsrügy jelen van és sértetlen, az oldalrügyek nem növekszenek, csak ha a csúcsrügyet eltávolítják. A csúcsrügy nemcsak az oldalrügy oldalhajtássá való alakulását gátolja, hanem a rövidhajtásoknak hosszúhajtássá való alakulását is (ennek az ismeretnek a fák koronaalakító metszésénél van jelentősége), valamint az oldalhajtásnak a főtengellyel bezárt szögét (pl. fenyőfélék). Apikális dominanciával nemcsak a hajtás, hanem a gyökér is rendelkezik (ezt korlátozzuk átültetéskor visszametszéssel, hogy elősegítsük a gyökéroldalágak keletkezését). Az apikális dominancia erőssége fajonként változik és a korral általában csökken. A jelenség okának első kísérleti vizsgálata az volt, hogy a 20