Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты. Кубарко А.И.. Фундаментальные аспекты щитовиднаяжелезафундаментальные аспекты
 Скачать 21.52 Mb.
|
|
171 Таким образом, затраты энергии, связанные с усилением работы протонного насоса, инициируемые действием тиреоидных гормонов, могут составлять около 38% от затрат энергии основного обмена. Протонная "утечка" является одним из вариантов разобщения дыхания и фосфорилирования, так как протекающие протоны снижают трансмембранную разность потенциалов и нарушают действие АТФ- синтазы. При этом может иметь место понижение значения величины отношения РО с 2,3 (для окисления пальмитата) и с 2,6 (для окисления глюкозы) дои, соответственно. Этими фактами можно объяснить более чем 50% разницу в теплопродукции и потреблении кислорода между гепатоцитами эутиреоидных и тиреоидэктомированных животных. Однако, утечка протонов через мембрану митохондрий может компенсироваться увеличением синтеза АТФ в такой степени, что итоговая сопрягающая эффективность (КПД) остаётся примерно на эутиреоидном уровне. Механизмы, усиливающие синтез АТФ, включают стимуляцию под действием Т синтазы АТФ и обмена АДФ/АТФ в митохондриях. Считается допустимым, что при тяжелом гипертиреоидизме или в других условиях, ограничивающих синтез АТФ, увеличение протонной утечки может преобладать над другими компенсаторными механизмами, увеличивающими синтез АТФ, и вести к реальному понижению термодинамической эффективности (КПД) окислительного фосфорилирования. Согласованные процессы изменения свойств митохондриальных мембран, модулирующие активность мембраносвязанных белков- переносчиков субстратов и белков электронотранспортной цепи, вместе с активацией катаболических путей и индукцией синтеза белков de ведут к повышению доставки субстратов окисления в митохондрии, увеличению синтеза АТФ для осуществления внутриклеточных процессов и биосинтеза клеткой веществ, поставляемых другим потребителям. Таким образом, усиление термогенеза при повышении уровня тиреоидных гормонов или при гипертиреоидизме, вероятнее всего, может быть обусловлено увеличением скорости синтеза и оборота АТФ, утечкой протонов и вызванным ею повышением эффективности работы протонных насосов. Хорошо известно, что окислительное фосфорилирование разобщается производными нитрофенолов (например, динитрофенолом) и галогензамещенными фенолами. Тироксин по своей природе также является галогенофенолом и следовало ожидать, что он тоже должен разобщать процессы окисления и фосфорилирования в митохондриях. Это и было подтверждено в экспериментах на изолированных митохондриях in vitro и митохондриях гепатоцитов гипертиреоидных животных. Позднее было обнаружено увеличивающее потребление кислорода действие тиреоидных гормонов на интактные клетки других тканей и усиление дыхания митохондриями печени тиреоидэктомированных крыс. Выяснилось, что Влияние на процессы обмена веществ и энергии повышение потребления кислорода является непродолжительным и, вероятно, более специфично для действия Т, чем Т 3 Оказалось, что Т и Т повышают эффективность протонного насоса, увеличивая трансмембранный протонный градиент в митохондриях гепатоцитов и отношение НО, ноне изменяют величину мембранного потенциала. Эти быстро возникающие эффекты действия тиреоидных гормонов на митохондрии могут быть объяснены прежде всего с учетом того, что каждый из производных тироксина - Т и Т, способен повышать проницаемость плазматических мембран для ионов Са ++ . Причем степень повышения проницаемости связана с липофильностью соединений в ряду Т > Т > Т. Предполагается, что многие последующие ответные реакции клеток на действие тиреоидных гормонов индуцируются либо повышением самой концентрации Са ++ , либо активацией кальцием аденилатциклазы. В цитоплазме клетки Т 4 под действием клеточных дейодиназ превращается в Та Т под действием дейодиназы превращается в Т. Т является непросто одним из промежуточных продуктов метаболизма трийодтиронина, но и обладает собственными эффектами. В частности, под его влиянием возрастает проницаемость для Са ++ внутренней митохондриальной мембраны. Увеличение концентрации свободного Са ++ внутри митохондрий активирует фермент малатдегидрогеназу и процессы дыхания, увеличивает активность протонного насоса, поступление субстратов окисления и, как следствие, метаболическую эффективность и теплообразование. Весьма вероятно, что кратковременные эффекты действия тиреоидных гормонов в клетке могут инициироваться Т и Т 3 ; кратковременные митохондриальные эффекты обусловлены в большей степени Та долговременные ядерные эффекты - Т 3 Тиреоидные гормоны могут ускорять митохондриальное дыхание не только напрямую, но и путем увеличения потребления АТФ клеткой для осуществления ею различных функций, в частности, поддержания трансмембранной разности ионных концентраций. Митохондрии являются теми структурами клетки, где генерируется наибольшее количество тепла в ответ на действие тиреоидных гормонов, так как в этой органелле продуцируется больше всего АТФ. Особое дополнительное значение для проявления долговременных эффектов образования АТФ и увеличения теплопродукции имеет способность тиреоидных гормонов непосредственно регулировать биогенез митохондрий путем увеличения синтеза структурных белков, белков дыхательной цепи, цитохромов и других компонентов внутренних мембран. Под влиянием гормонов увеличивается площадь поверхности внутренних мембран митохондрий. Увеличение уровня мРНК цитохромов в печени крыс имеет место через 12 час после введения животным Т и достигает максимума между 24 и 48 часами. Отмечается увеличение уровня мРНК цитохромоксидаз, митохондриальной АТФазы. В некоторых опытах Влияние на процессы обмена веществ и энергии 173 повышение активности цитохромов печени гипотиреоидных крыс наблюдалось спустя 3 часа после введения Т, когда еще не регистрировалось существенного увеличения содержания цитохромов. Не исключается, что повышение под действием Т и Т активности переноса АДФ в митохондрии может достигаться как за счет увеличения синтеза адениннуклеотидтранслоказы путем увеличения под действием Т или Т экспрессии различных генов, таки за счет повышения активности транслоказы при изменении липидного состава мембран митохондрий. Очевидно, что усиление дыхания, увеличение образования АТФ и повышение теплопродукции митохондриями является результатом одновременного увеличения размеров митохондрий, синтеза структурных компонентов дыхательной цепи, числа ферментов и непрямых эффектов действия тиреоидных гормонов, например повышения уровня свободного Са ++ в митохондриях, изменения структуры и свойств мембран митохондрий. Это подтверждается наблюдениями, что синтез некоторых белков имеет место только на более ранних этапах действия тиреоидных гормонов, возвращаясь затем к норме (на примере бета-субъединицы митохондриальной АТФазы), хотя уровень гормона остается высоким. При этом, несмотря на понижение содержания некоторых ферментов (адениннуклеотидтранслоказа, цитохромоксидазы, мембраносвязанные переносчики, их активность остается высокой на протяжении всего периода действия тиреоидных гормонов. Поступившие в клетку тиреоидные гормоны, возможно, непосредственно взаимодействуют с внутренней мембраной митохондрий и влияют на энергетические процессы в них. Однако, пока остается спорным предположение о существовании специальных мест связывания тиреоидных гормонов на мембранах митохондрий. Предполагается, что такую функцию связывания и рецепции тиреоидных гормонов могут выполнять белки с молекулярной массой 28 кДa и (или) фермент адениннуклеотидтранслоказа. При этом установлено, что наибольшей аффинностью предполагаемые места связывания обладают к Т. Это согласуется стем, что более сильным прямым стимулятором дыхания в изолированных митохондриях гипотиреоидных крыс является не Та именно Т 2 Усиливающий дыхание эффект трийодтиронинов и дийодтиронинов также может быть обусловлен их неспецифическим взаимодействием с белками и липидами мембран митохондрий. Результатом этого взаимодействия может быть поступление свободного Са ++ в митохондрии. При этом активируется кальций-чувствительная дегидрогеназа митохондрий, стимулируя уровень обмена путем увеличения доставки субстратов окисления. Многие эффекты действия тиреоидных гормонов являются энергозатратными процессами рост, созревание, усиление метаболизма углеводов и липидов, транспорт ионов, включая почечную регуляцию обмена минеральных ионов. Высоко энергозатратным Влияние на процессы обмена веществ и энергии процессом является стимуляция глюконеогенеза в печении почках. Подсчитано, что в условиях основного обмена доля затрат АТФ на процессы глюконеогенеза составляет 7-10% от общих затрат АТФ в процессах жизнедеятельности клетки. Глюконеогенез увеличивается усилением доставки субстратов (транспорт глюкогенных аминокислот) и синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза. Оба этих процесса требуют затраты АТФ. Под действием тиреоидных гормонов ускоряется обмен веществ в обоих направлениях - как катаболизм, таки анаболизм, сопровождаясь затратой энергии, повышением теплообразования, особенно в так называемых "пустых циклах" обмена углеводов (гликогенолиз- глюконеогенез), липидов (эстерификация-гидролиз) и белков. Затрата энергии на эти циклы может обеспечиваться потреблением более дополнительного количества кислорода у гипертиреоидных животных. Кроме того, усиление у этих животных транспорта Na + в почках за счет обмена Na + на протон водорода или активации Na + /K + -АТФазы, активация этой АТФазы в печени, сердце, скелетных мышцах также являются энергопотребляющими процессами, ведущими к дополнительному теплообразованию. Энергозатраты на эти процессы увеличиваются на 50% при переходе от гипотиреоидного к эутиреоидному состоянию и на 80% при переходе от эутиреоидного к гипертиреоидному состоянию. Только на работу насосав почках затрачивается 10% от общего потребления кислорода организмом человека. Общие затраты энергии на усиление тиреоидными гормонами различных энергопотребляющих процессов могут быть ориентировочно оценены по величине прироста интенсивности митохондриального дыхания, которое усилено в два раза в митохондриях гипертиреоидных животных, по сравнению с интенсивностью дыхания митохондрий эутиреоидных животных. Ускорение окислительных процессов под действием тиреоидных гормонов достигается одновременным усилением катаболизма, в частности, гликолиза и бета-окисления жирных кислот, которые способствуют увеличению поставки субстратов окисления вдыхательную цепь для увеличения образования метаболической энергии. Тиреоидные гормоны активируют обе стороны промежуточного обмена белков, жиров и углеводов - катаболизм и анаболизм. Ускорение оборота субстратов входе метаболических превращений, при условии поддержания их постоянного уровня, предполагает, что должны существовать пустые субстратные циклы или просто субстратные циклы. Оценка вклада таких циклов в термогенез под влиянием тиреоидных гормонов показывает их сравнительно небольшое значение. Так, например, при стимуляции Т липогенных и липолитических ферментов метаболический оборот эндогенных жирных кислот в цикле липогенез-липолиз дает только 3-10% от общего термогенного эффекта тиреоидных гормонов Влияние на процессы обмена веществ и энергии 175 Привлекает внимание еще один из механизмов, подконтрольный регулирующему действию тиреоидных гормонов, получивший название глицерол-3-фосфат-НАДН•Н челнок. Мембрана митохондрий в обычных условиях непроницаема для восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН•Н), который образуется в цитоплазме при гликолизе и пероксисомальном окислении жирных кислот. Накопление НАДН•Н в цитоплазме тормозит протекание ключевых реакций гликолиза. Цитозольный НАДН•Н окисляется в митохондриях через два челнока малат-аспартат и глицерол-3- фосфат, активность которых отличается в различных тканях. НАДН•Н, образованный в цитозоле, окисляется цитозольной альфа- глицерофосфатдегидрогеназой с превращением дигидроксиацетон- фосфата в глицерол-3-фосфат. Последний затем восстанавливается на внутренней мембране митохондрий митохондриальной альфа- глицерофосфатдегидрогеназой и высвободившиеся протоны передаются на дыхательную цепь на уровень ФАД, связанного с последним ферментом. Тиреоидные гормоны стимулируют активность альфа-ГФД во всех тканях, в которых гормоны вызывают повышение потребления кислорода, при этом между повышением активности фермента и потреблением кислорода имеется положительная корреляция. Активация фермента альфа-ГФД обусловлена Т 3 -зависимой экспрессией соответствующего гена. Увеличение активности митохондриальной альфа-ГФД ускоряет процесс глюконеогенеза и может увеличивать теплопродукцию посредством уменьшения синтеза АТФ, при этом на одну окисленную молекулу глюкозы будет синтезироваться только две молекулы АТФ. Переключение малат-аспартата на глицерол-3-фосфатный «челнок» может уменьшить синтез АТФ с 38 до 36 молекул на моль полностью окисленной глюкозы, что соответствует снижению термодинамической эффективности на 5-6%. В скелетных мышцах, особенно при нагрузке альфа-глицерофосфатдегидрогеназного «челнока», может уменьшаться КПД метаболизма глюкозы допри этом если глюкоза не полностью окисляется, то только 6, а не молекул АТФ образуется на моль глюкозы, превращенной в лактат, если НАДН•Н окисляется через митохондриальную альфа- глицерофосфодегидрегеназу. Включение альфа-ГФД челнока может также поддерживать теплопродукцию посредством захвата генерированной НАДН•Н при пероксисомальном окислении жирных кислот Влияние на процессы обмена веществ и энергии Влияние на факультативный термогенез Факультативный термогенез имеет место в условиях действия на организм пониженной температуры внешней среды, когда снижение теплоотдачи не может обеспечить поддержание постоянной температуры тела. Он контролируется гипоталамическими механизмами, а его запуск осуществляется симпатической нервной системой. Гипоталамус интегрирует информацию о температуре кожи, глубоких частей тела, крови ив соответствии с изменениями уровня текущей температуры тела относительно ее заданного для организма значения модулирует теплоотдачу или теплопродукцию. У мелких млекопитающих, новорожденного ребенка и детей раннего возраста специализированной тканью, где осуществляется факультативный термогенез, является бурая жировая ткань (БЖТ). Своим названием БЖТ обязана характерному цветовому оттенку, который ей придают многочисленные митохондрии, содержащиеся в адипоцитах БЖТ, а также многочисленные окончания, иннервирующих ее симпатических нервных волокон. БЖТ располагается главным образом в межлопаточной области, вдоль крупных сосудов грудной и брюшной полостей ив затылочной области. Масса этой ткани у взрослого может достигать около 0,1% массы тела. Бурая жировая ткань представляет собой удобную модель для изучения роли тиреоидных гормонов в теплопродукции. БЖТ отвечает сильным ответом на симпатическое воздействие, ее ответ вариабелен и относительно нетруден для оценки. БЖТ обладает способностью контролируемым способом разобщать окисление и фосфорилирование и это позволяет ей выполнять функцию органа, продуцирующего тепло в соответствии с потребностями организма. В митохондриях жировых клеток БЖТ содержится белок-разобщитель окислительного фосфорилирования - термогенин, способный разобщать идущие здесь процессы окисления жиров и образования АТФ. Синтез термогенина контролируется специфическим геном и является точкой приложения регулирующих воздействий в реализации БЖТ ее термогенной функции. Термогенин представляет собой белок с молекулярной массой 32 кДа, локализованный на внутренней мембране митохондрий адипоцитов БЖТ и выполняет функцию переносчика ионов. В процессе передачи электронов по дыхательной цепи и переноса протонов из внутреннего пространства митохондрий в межмембранный митохондриальный матрикс на внутренней мембране митохондрий формируется электрохимический градиент. Этот градиент является главным источником энергии, которая используется синтазой АТФ, также локализованной на внутренней мембране митохондрий, для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Градиент ограничивает возможность продолжения процессов окисления, которые могут продолжаться до тех пор, пока энергия градиента используется на синтез АТФ. Термогенин способен устранять градиент контролируемым образом. Пока точно неизвестно, действует ли он как переносчик протонов в Влияние на процессы обмена веществ и энергии 177 митохондриальный матрикс или как переносчик анионов (СОН) из внутреннего пространства митохондрий, которые нейтрализуют протоны в межмембранном пространстве. Понижая величину протонного градиента, термогенин ускоряет дыхание, но снижает энергетическое обеспечение фермента синтазы АТФ, уменьшая таким образом продукцию АТФ. Энергия, временно аккумулированная в протонном градиенте, рассеивается в этом случаев виде тепла, вместо того чтобы быть аккумулированной в макроэргических связях АТФ. Способность термогенина уменьшать электрохимический градиент, усиливается избытком жирных кислот и ослабляется действием нуклеотидов. Освобождаемые при липолизе, стимулируемом норадреналином через цАМФ в бурых адипоцитах, жирные кислоты выступают, таким образом, в качестве третьего посредника в стимуляции термогенеза бурой жировой тканью. Термогенный потенциал БЖТ определяется количеством термогенина, синтез которого является интегральной частью термогенного ответа. Транскрипция гена, контролирующего синтез белка-разобщителя, стимулируется уже через несколько минут от начала действия холода или введения норадреналина. Норадреналин или действие холода активируют Д дейодиназу и превращение Т в Т 3 . Эта стимуляция осуществляется через a 1 -адренорецепторы и приводит к накоплению в БЖТ гормона Т и увеличению его связывания с рецепторами. Если, например, при Св адипоцитах крыс связано около 50% рецепторов, то при охлаждении животных при Св течение х часов почти все рецепторы оказываются полностью связанными длительное время с вновь образованным Т. Все это свидетельствует о ключевой роли Д дейодиназы в термогенной функции БЖТ. Введение гипотиреоидным животным в течение нескольких дней Т 4 восстанавливает активную термогенную реакцию БЖТ, стимулируемую норадреналином в условиях действия холода. Блокада 5'-ДII дейодиназы йопаноевой кислотой или блокада α 1 - адренорецепторов прозазином понижают или устраняют термогенный ответ БЖТ на действие холода и введение норадреналина. Для усиления синтеза термогенина в БЖТ требуется выдерживание экспериментальных животных при Св течение 48 часов, что дает основание считать, что у эутиреоидных животных при нормальном уровне Т активированная дейодиназа обеспечивает образование достаточного количества Т для полного связывания ядерных рецепторов. Таким образом, можно констатировать, что БЖТ играет существенную роль в сохранении температуры тела на холоде, а в механизмах образования тепла входе адаптации к холоду 5'-ДII дейодиназа и белок-разобщитель термогенин являются ключевыми элементами. В механизмах теплообразования тиреоидные гормоны, очевидно, ифают пермиссивную роль. При этом, Т необходим в дозах, достаточных для образования такого количества Т, который Влияние на процессы обмена веществ и энергии обеспечивает полное связывание всех ядерных рецепторов. Поскольку Т 4 в высоких дозах тормозит активность Д дейодиназы, то при тиреотоксикозе в силу блокады превращения Т в Т ответная термогенная реакция таких животных на действие холода оказывается сниженной, хотя общая, - обязательная - теплопродукция у них повышена. Учитывая данные литературы о том, что бурая жировая ткань играет роль не только в теплопродукции, но ив поддержании на относительно постоянном уровне массы тела, то можно предполагать, что тиреоидные гормоны могут также влиять на массу тела через воздействие на обмен жиров в этой ткани. Кроме непосредственного влияния тиреоидных гормонов на теплопродукцию, они могут, вероятно, иметь отношение к центральным механизмам терморегуляции. По крайней мере, известно, что сих уровнем коррелирует величина установленной (set point) в гипоталамусе температуры, регулируемой теплокровными организмами. ТРГ вызывает дозозависимое изменение температуры тела и скорости метаболизма после его микроинъекции в дорсальный гиппокамп или в преоптическую область переднего гипоталамуса. Имеются данные о способности ТРГ изменять величину установочной температуры и вследствие этого повышать температуру тела. В организации ответной реакции организма на холод ТРГ у теплокровных организмов, вероятно, выступает как нейротрансмиттер в центральных термочувствительных нейронах и как гормон, стимулирующий через симпатическую и тиреоидную системы метаболический ответ. Преоптический отдел гипоталамуса, являющийся интегрирующим центром терморегуляции, обладает высокой чувствительностью к действию низких доз ТРГ, вызывающих повышение температуры тела. Введение животным антител к ТРГ приводит к гипотермии. На этом основании полагают, что ТРГ не только выполняет важную интегрирующую функцию в факультативном термогенезе при действии холода, но и играет физиологическую роль в механизмах терморегуляции. Известно, что плохая переносимость тепла является одним из важных субъективных ощущений больных болезнью Грейвса и одним из ее диагностическим признаков. На большом статистическом материале наблюдений установлено, что частота выявляемости этих больных врачами возрастает и является максимальной в летние, наиболее жаркие месяцы ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ТИРЕОИДНЫХ ГОРМОНОВ НА ФУНКЦИИ |