Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты. Кубарко А.И.. Фундаментальные аспекты щитовиднаяжелезафундаментальные аспекты
 Скачать 21.52 Mb.
|
++165 Обращает на себя внимание огромная разница в концентрациях Са ++ в различных компартментах, например, в цитоплазме клеток и плазме крови или в саркоплазме и саркоплазматическом ретикулуме миоцитов. Для выполнения своей пусковой роли в сокращении мышц или, например, для выполнения роли второго посредника концентрация Са ++ в цитоплазме клетки должна возрасти почти на два порядка с М до 10 -5 М. Это свидетельствует о необходимости существования мощных механизмов управления трасмембранными потоками Са ++ и мощных насосных энергозатратных механизмов. По разным оценкам, на обеспечение работы Са ++ -насосов в клетках целого организма в условиях основного обмена необходимы затраты общего количества синтезируемой клетками АТФ, а на работу Са + + - насоса для поддержания концентрации Са ++ в покоящейся мышечной клетке затрачивается около 10% энергии клетки. При мышечной работе эти затраты могут возрасти до 20-25%, а по некоторым подсчетам, даже до 50% от энергии, затрачиваемой активированной клеткой. Прирост потребления энергии, связанный с ускорением оборота Са ++ в сокращающейся мышце, при переходе от гипотиреоидизма к эутиреоидному состоянию может составлять Тиреоидные гормоны в физиологических концентрациях могут непосредственно стимулировать активность Са ++ -зависимой АТФазы плазматических мембран, без вовлечения геномных механизмов. Изменение за короткое время (доли мсек) концентрации Са ++ в саркоплазме мышцы на два порядка, предполагает, что проницаемость мембраны цистерн или трубочек саркоплазматического ретикулума возрастает очень быстро и маловероятно, что ее можно еще больше повысить действием каких-либо регуляторов. По крайней мере, не установлено, что тиреоидные гормоны могут ее существенно изменять. Одним из наиболее быстро наблюдаемых эффектов действия тиреоидных гормонов на различные клетки является увеличение поступления в клетку ионов Са ++ . Это является результатом стимуляции гормонами Са ++ -АТФазы и переноса кальция. Так, уже менее чем через мин последействия Т на тимоциты, увеличивается концентрация Са ++ внутри клеток, ее максимум достигается на 5 минуте и снова понижается, начиная с ой минуты. Т увеличивает также поглощение клетками глюкозы и аминокислот. Эти эффекты зарегистрированы в клетках печени, миоцитах сердца и диафрагмы, при этом поступление Са ++ в клетку не было связанным с деполяризацией мембраны клеток. Под влиянием тиреоидных гормонов возрастает скорость оборота Са ++ , одной из причин которого является увеличение общего объема саркоплазматического ретикулума. Очевидно, что за счет увеличения площади поверхности диффузии увеличивается скорость выхода Са ++ в саркоплазму, не требующая затраты метаболической энергии. Увеличение скорости возврата Са ++ из саркоплазмы достигается, вероятно, не столько за счет увеличения производительности Са ++ - насоса (ее невозможно повысить выше уровня насыщения, а по- видимому, за счет увеличения числа молекулярных насосов. Это Влияние на процессы обмена веществ и энергии подтверждается тем наблюдением, что под влиянием тиреоидных гормонов возрастает плотность распределения Са ++ -АТФазы в мембранах саркоплазматического ретикулума, что является результатом стимуляции под действием Т экспрессии соответствующего гена, кодирующего синтез белковой молекулы, выполняющей функцию Са ++ -насоса. В последнее время стала известной способность тиреоидных гормонов оказывать быстрое стимулирующее влияние на деятельность сердечной мышцы. По этой причине можно ожидать лишь небольшого относительно быстрого повышения потребления организмом кислорода после повышения концентрации тиреоидных гормонов. Увеличение оборота Са ++ , обеспечиваемое энергозатратными механизмами, является объяснением главных причин повышения скорости потребления кислорода мышечной тканью под влиянием тиреоидных гормонов. Работающие мышцы эутиреоидных животных потребляют на 40-50% энергии больше, чем мышцы гипотиреоидных крыс. Увеличение скорости оборота Са ++ и повышение содержания Са ++ -АТФазы объясняют причины ускорения релаксации мышц при гипертиреоидизме. Тиреоидные гормоны в физиологических концентрациях могут стимулировать также активность Са ++ -зависимой АТФазы плазматической мембраны in vitro без вовлечения механизма экспрессии гена. Имеет ли этот эффект место in vivo неизвестно, также как неясно, может ли этот эффект поддерживать термогенное действие тиреоидных гормонов. Стимуляция тиреоидными гормонами Са ++ -АТФазы и (или) других мембранных кальций-переносящих белков, вероятно, является результатом прямого взаимодействия тиреоидных гормонов с мембранными липидами и белками. Так, гормоны могут как активировать, таки угнетать Са ++ -АТФазу эритроцитов в зависимости от липидного состава мембран. Стимулирующее действие на поступление Са ++ в клетку проявляется в определенном интервале относительно низких концентрацией Та при высоких концентрациях, гормон становится неэффективным или угнетает поступление Са ++ , что является типичным для случая прямого взаимодействия гормона с липидами мембраны. Кинетика поступления в клетку глюкозы, аминокислот, Са ++ также свидетельствует в пользу прямой обусловленности этих процессов взаимодействием гормона с мембранными белками, а не гормонрецепторным взаимодействием. Индуцируемое действием Т увеличение внутриклеточной концентрации Са ++ совпадает повремени с усилением поглощения гепатоцитами кислорода, активацией глюконеогенеза из лактата и пирувата, активацией фосфорилирования под действием пируваткиназы и фосфорилазы. Т распределен в гепатоцитах следующим образом 15% связано с ядерными структурами, 10-15% - в митохондриях, более 50% - в других клеточных структурах, где гормон Влияние на процессы обмена веществ и энергии 167 главным образом связан с цитозольными белками. Поскольку в пределах короткого интервала времени последействия тиреоидных гормонов не зарегистрировано существенного повышения уровня цАМФ, то очевидно, что именно входящий в клетку Са ++ является внутриклеточным посредником кратковременных эффектов действия тиреоидных гормонов. Одним из важных аргументов наличия прямого влияния тиреоидных гормонов на клеточные процессы является их влияние на эритроциты, как безъядерные клетки. Инкубация эритроцитов крови человека с тиреоидными гормонами повышает активность мембраносвязанной Са ++ -АТФазы. Ее максимум имеет место через час после добавления гормона в среду инкубации и потеря активности через 3 часа. Т при этом оказывает более выраженное, чем Т, действие и их эффективные полумаксимальные концентрации составляют 10 -12 М для Т и 10 -10 М для Т. Полностью механизм повышения активности кальциевой АТФазы под действием тиреоидных гормонов пока неясен. Т 3 в дозе 10 -9 Мили нмоль/100 г массы тела быстро стимулирует поглощение глюкозы тимоцитами крыс. Этот эффект, вероятно, также связан с действием Т на плазматическую мембрану или белок- переносчик глюкозы, поскольку он не блокируется ингибиторами синтеза белка или мРНК. Для клеток сердца этот эффект наблюдается уже в таких низких дозах как 0,015-0,15 нмоль/100 г массы тела, хотя большие дозы подавляют поглощение глюкозы. Пока нет убедительных данных, что эти эффекты не связаны с синтезом белков или мРНК. В последние годы идентифицировано несколько транспортных белков для глюкозы, идентифицированы кодирующие их гены. Один из таких классов белков осуществляет факультативный (необязательный) транспорт глюкозы по градиенту концентрации в цитоплазму клетки. Активация этого транспорта наблюдается через несколько часов после введения тиреоидного гормона Влияние на энергетические процессы в митохондриях Существует две точки зрения на термогенное действие тиреоидных гормонов. Одна из них исходит из того, что метаболическое действие гормонов обслуживает и соподчинено действию гормонов нарост и развитие организма. При этом активирующее влияние гормонов на промежуточный обмен белков, жиров и углеводов может рассматриваться как способ поставки строительных блоков и энергии для последующего скоординированного синтеза различных белков. С этой точки зрения, вызываемое тиреоидными гормонами увеличение теплопродукции представляет собой обязательный термогенез. Так как скорости большинства ключевых биохимических процессов повышаются тиреоидными гормонами, несомненно, что значительная Влияние на процессы обмена веществ и энергии доля калоригенного действия тиреоидных гормонов может быть приписана увеличению числа энергетических "сделок". С другой стороны, тиреоидные гормоны могут стимулировать термогенез как первичную цель, а не косвенный результат активации биохимических процессов. Эта точка зрения подкрепляется оценками энергетической стоимости активации тиреоидными гормонами таких специфических функций как глюконеогенез, сокращение мышц, работы Na + /K + -АТФазы. Например, у морской миноги, одного из филогенетически наиболее ранних видов с функционирующей щитовидной железой, развитие ее функции входе онтогенеза параллельно развитию особи. Однако, введение этому и другим видам холоднокровных организмов гормона Т 3 не вызывает повышения потребления кислорода клетками печени, не активирует ферментов малатдегидрогеназы или митохондриальной альфа-глицеролфосфатдегидрогеназы, что имеет место под действием тиреоидных гормонов у теплокровных организмов. Эти наблюдения позволяют предположить, что "термогенная" роль тиреоидных гормонов, осуществляемая ими через активацию метаболизма, появилась довольно поздно в филогенезе, вероятно, когда появились теплокровные. С этой точки зрения наличие в стимулирующих эффектах тиреоидных гормонов двух составляющих действия: "анаболического" и "катаболического" действия на обмен белков, жиров и углеводов может быть интерпретировано как приобретение этими гормонами специфической функции стимуляции субстратных циклов с целью увеличения теплопродукции, а не только как способа поставки субстратов и энергии для роста и развития организма. Недавно проведенные исследования, показывают, что тиреоидные гормоны играют существенную роль в изменении (модуляции) факультативного термогенеза в бурой жировой ткани, которая может расцениваться доказательством тому, что они обладают специфическим термогенным действием независимо оттого, как они действуют на обязательный термогенез и откуда берется обязательный термогенез. Если признается термогенная роль тиреоидных гормонов, то неминуемо возникает вопрос, имеются ли в клетке специальные термогенные биохимические процессы, которые могут быть модулированы тиреоидными гормонами стем, чтобы образовывать большее или меньшее количество тепла. Действительно, в клетке протекают процессы, влияя на которые, тиреоидные гормоны увеличивают энергетическую стоимость жизненных процессов для того, чтобы образовывать большие количества тепла. Но пока, если исключить некоторые факты влияния тиреоидных гормонов на митохондрии, нет других убедительных доказательств, что тиреоидные гормоны уменьшают термодинамическую эффективность (КПД) каких- либо других термогенных процессов. Так как эти процессы хорошо интегрированы в метаболизм клеток и обслуживают жизненные функции, тепло, которое они генерируют, должно быть составной частью обязательного термогенеза. В тоже время, некоторая доля этих Влияние иа процессы обмена веществ и энергии 169 стимулируемых тиреоидных гормонами процессов может быть просто следствием других эффектов йодсодержащих гормонов. Что касается понижения термодинамической эффективности митохондриального окисления, то эта возможность может иметь место не только in vitro при действии на митохондрии сверхфизиологических доз тироксина, но и, возможно, при тиреотоксикозе тяжелой степени. Особое внимание привлекают, как потенциальные дополнительные термогенные механизмы клетки, Na + /K + - и Са ++ -АТФазы, активность которых, как уже отмечалось, возрастает под влиянием тиреоидных гормонов. В действии тиреоидных гормонов на митохондрии различают кратковременные и долговременные эффекты. Кратковременное действие тиреоидных гормонов на митохондрии изучалось in vitro. При этом получение эффектов тиреоидных гормонов может рассматриваться как следствие их не геномного воздействия, а прямого влияния на сами процессы, происходящие в митохондриях. Обнаружено, что Т в концентрациях 10 -9 Ми выше, вызывает повышение потребления митохондриями кислорода и повышение в них теплообразования, повышение потребления аминокислот. Эти эффекты долгое время объясняли способностью тиреоидных гормонов разобщать в митохондриях процессы окисления и фосфорилирования. Критически оценивая эти факты, необходимо учитывать, что концентрация свободных Т и Т в клетке составляет менее 10 -11 М, то есть более чем на два порядка ниже той, которая необходима для получения прямого влияния на митохондрии гормонов щитовидной железы. Установлено также, что наибольшей активностью в действии на митохондрии обладает Т, физиологическая активность которого in vivo пока подвергается сомнению. Поэтому полагают, что оказание кратковременных негеномных эффектов тиреоидных гормонов на митохондрии in vivo в организме маловероятно. Однако, в литературе имеются указания на то, что при тяжелом тиреотоксикозе уровень гормонов может повышаться до значений, близких к достаточным для проявления описанных митохондриальных эффектов. Введение тиреоидэктомированным животным гормонов Т или Т 4 увеличивает потребление кислорода через сутки с момента применения. Это предполагает наличие долговременного геномного механизма влияния гормонов на метаболизм. В качестве модели изучения долговременных эффектов обычно используются митохондрии гепатоцитов животных с измененным уровнем сывороточного содержания тиреоидных гормонов. Митохондрии клеток печени гипертиреоидных животных обнаруживают более высокую скорость потребления кислорода, а гипотиреоидных - меньшую, чем митохондрии клеток печени эутиреоидных животных. Подобные изменения потребления кислорода имеют место ив нативных гепатоцитах. Уже менее чем через 4 часа после добавления Т к изолированным гепатоцитам, в них активируется липогенез. Влияние тиреоидных Влияние на процессы обмена веществ и энергии гормонов на обмен и состав липидов субклеточных фракций многообразно. При гипертиреоидизме увеличивается микросомальный синтез и десатурация (снижение числа насыщенных связей) жирных кислот, увеличивается ненасыщенность липидов, увеличивается содержание холестерола и уменьшается содержание фосфолипидов в митохондриях. Это ведет к повышению микровязкости, упорядоченности пространственной структуры мембраны, изменению фазовых свойств ее липидной матрицы и изменению характера белково-липидных взаимодействий. Следствием модификации структуры липидов является изменение проницаемости мембран митохондрий и сопряженной активности многих мембраносвязанных ферментов. Увеличивается активность глицерол-3-фосфатдегидрогеназы, активность адениннуклеотид- транслоказы, обусловливающей увеличение поглощения АДФ митохондриями под влиянием тиреоидных гормонов. Увеличивается активность переносчиков цитрата, пирувата и фосфата. Таким образом, усиление гормонами дыхания в митохондриях, увеличение образования АТФ обусловлено в значительной степени их влиянием на липидный состав митохондриальных мембран и последующим повышением их проницаемости, способствующей доставке субстратов окисления и активации дыхательных ферментов. Под влиянием вводимого экзогенно Т и при гипертиреоидизме в митохондриях гепатоцитов обнаруживается увеличение "утечки" протонов через их внутреннюю мембрану и противоположные изменения - уменьшение "утечки" характерны для митохондрий клеток печени гипотиреоидных животных. Увеличение "утечки" протонов может быть обусловлено повышением проницаемости внутренней мембраны для протонов, вызванным изменением ее фосфолипидного состава, соотношения жирных кислот в фосфолипидах и общим увеличением площади поверхности этих мембран. При гипертиреоидизме повышается активность ацетил-КоА- карбоксилазы, карнитинпальмитоилтрансферазы в микросомальной фракции гепатоцитов печени, а также активность митохондриальной кардиолипинсинтазы. Это приводит к значительному повышению синтеза и десатурации жирных кислот. Повышение отношения холестерол/фосфолипиды и содержания ненасыщенных жирных кислот приводит к понижению температуры фазового перехода и микровязкости липидов митохондриальных мембран. Затраты энергии на работу протонного насоса, перекачивающего протоны в митохондриях могут составлять примерно 26% от общего потребления кислорода гепатоцитами или около 33% от его потребления в процессах митохондриального дыхания. Объем потерь кислорода, поглощаемого митохондриями в целом организме в условиях основного обмена, в связи с постоянной утечкой протонов составляет около 20%. Влияние на процессы обмена веществ и энергии |