Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты. Кубарко А.И.. Фундаментальные аспекты щитовиднаяжелезафундаментальные аспекты
 Скачать 21.52 Mb.
|
|
Окислительное фосфорилирование Клетки щитовидной железы, как и все другие (за известным исключением, содержат митохондрии, в матриксе которых локализуется электронотранспортная система (дыхательная цепь») переноса окислительно-восстановительных эквивалентов от высокоэнергетических субстратов для создания градиента электрохимических потенциалов, энергия которого используется для синтеза АТФ. Окислительное фосфорилирование в митохондриях тироцитов в обычных условиях является высоко сопряженными тонко регулируемым процессом, зависящим от внутриклеточной концентрации АТФ и АДФ. Ряд исследователей полагают, что свободные жирные кислоты являются предпочтительным субстратом метаболических процессов в клетках невозбужденной щитовидной железы. ТТГ увеличивает поглощение кислорода срезами щитовидной железы в течение нескольких минут с момента стимуляции, однако, при этом не оказывает прямого стимулирующего влияния на интенсивность утилизации кислорода клетками щитовидной железы, ТТГ в условиях in vitro (в культивируемых срезах щитовидной железы) стимулирует окисление пирувата и ацетата. Перхлорат, метимазол, пропилтиоурацил, йодид, тиоционат и тиреоидные гормоны не оказывают существенного влияния на интенсивность протекания процессов окислительного фосфорилирования. Обмен нуклеиновых кислот Содержание РНК в щитовидных железах лабораторных животных составляет порядка 2 мкг/мг сырой ткани и ДНК - около 2-4 мкг/мг Содержание нуклеиновых кислот отличается значительными межвидовыми различиями, а также изменяется в зависимости от соотношения коллоида, паренхиматозных и стромальных элементов в органе. На долю стромы может приходиться 20-30% от общего объема ткани, коллоид может составлять от 50-60% до очень низкого уровняв гипопластически измененной железе. Таким образом, в зависимости от доли фолликулярных элементов, содержание РНК может возрастать до мкг/мг ткани и ДНК - до 16 мкг/мг ткани. Длительная стимуляция щитовидной железы ТТГ приводит к развитию гипертрофии тироцитов, при этом увеличение общего содержания нуклеиновых кислот вызвано, главным образом, образованием новых клеток. При введении in vivo ТТГ вызывает быстрое (в течение 1 часа) и продолжительное (более 12 часов) усиление процессов синтеза нуклеиновых кислот. ТТГ стимулирует также поглощение предшественников синтеза РНК срезами щитовидной железы и активирует РНК полимеразу; возрастает также поглощение пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов и рибозы из инкубационной среды. Под действием ТТГ возрастает синтез и матричной, и рибосомальной РНК в тироцитах, относительно изменений скорости Продукция и транспорт тиреоидных гормонов 27 деградации РНК (то есть периода полуоборота) данных не имеется. ТТГ в условиях in vitro оказывает прямое стимулирующее влияние на активность РНК полимеразы. Большинство описанных эффектов воспроизводятся стимуляцией щитовидной железы in vitro дибутирил-цАМФ и цАМФ, что свидетельствует об использование циклических мононуклеотидов в качестве вторых посредников в опосредовании этих эффектов ТТГ в тироцитах. Обмен белков Действие ТТГ вызывает увеличение скорости поглощения аминокислот изолированными клетками щитовидной железы и стимулирует синтез белка в течение 30 минут - 4 часов с момента стимуляции. В связи с доминирующим эффектом ТТГ на процессы резорбции коллоида, протеолиз тиреоглобулина и перераспределение внутриклеточного пула аминокислот, продемонстрировать результат действия гормона на целую ткань достаточно сложно. Однако, культивирование срезов ткани щитовидной железы в среде инкубации с высоким содержанием лейцина (для исключения эффектов ТТГ на транспорт аминокислот в клетку) показало очевидную стимуляцию синтеза белка как in vitro, таки в изолированных тироцитах. В течение часовой стимуляции ТТГ in vivo было показано уменьшение содержания коллоидного белка в связи с выраженной интенсификацией активного гидролиза тиреоглобулина, однако по прекращении хронического опыта содержание белка возрастало в сравнении с интактными животными. Эта реакция имела практически линейную зависимость на протяжении 4-5 недель воздействия ив итоге выразилась в пятикратном увеличении объема железы (у животных), при этом соотношение белок/ДНК не изменилось. Эти данные свидетельствуют о стимуляции пролиферативной активности клеток щитовидной железы под действием ТТГ. Электронно-микроскопические исследования показали наличие в тироците гигантских ( ± 4 0 рибосомальных единиц) полисом, соединенных мРНК. Именно на них, как полагают, и происходит синтез полипептидных предшественников тиреоглобулина с последующим процессингом в просвете фолликула. Действие ТТГ ускоряет объединение моносом в полисомы, что указывает на прямое влияние ТТГ на процессы трансляции в тироците. Динамика этих процессов может регулироваться фосфорилированием белков рибосомальных субъединиц цАМФ-зависимой фосфокиназой. Стимуляция тироцитов цАМФ приводит к агрегации рибосом и формированию полисомальных комплексов, что является дополнительным свидетельством в пользу цАМФ-опосредованных эффектов ТТГ на белок-синтетические процессы в тиреоидных клетках. Отсутствие зависимости этого явления от ингибирующего действия актиномицина А указывает на интактность процессов формирования матричной РНК. При некоторых условиях, цАМФ может оказывать Продукция и транспорт тиреоидных гормонов прямое стимулирующее действие на полисомальную трансляцию мРНК, однако применяемые при этом дозы циклического нуклеотида значительно превосходят физиологические. Длительная стимуляция паренхиматозных клеток щитовидной железы вызывает развитие гиперпластических изменений. Синтез тиреоглобулина подробно описывается далее в связи с продукцией йодсодержащих гормонов. Обмен липидов Наиболее характерными липидами клеток щитовидной железы являются фосфолипиды, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфоинозитиды, а также водорастворимые моноэфиры фосфорилхолин и фосфорилэтаноламин и диэфиры глицеролфосфорилхолин и глицеролфосфорилэтаноламин. При этом фракция фосфоинозитидов является превалирующей. ТТГ вызывает увеличение включения меченного Р в состав липидов, что особенно отражается на фракциях фосфатидилинозитола и фосфатидных кислот. Изменения обмена липидов в тироцитах развиваются в течение минут с момента стимуляции ТТГ и развиваются параллельно увеличению потребления кислорода митохондриями. ТТГ стимулирует также липогенез и включение инозитола в фосфоинозитиды, в том числе в лишенной глюкозы среде инкубации. Добавление стабильной эмульсии свободных жирных кислот в низкой концентрации к срезам щитовидной железы вызывает усиление процессов липогенеза и потребления кислорода, а также потенцирует действие ТТГ на эти процессы. Так как ранняя фаза действия ТТГ сопровождается также формированием капель в коллоиде, что имеет в своей основе усиление процессов экзоцитоза и, следовательно, требует возобновления структуры липидного матрикса, тоне исключается вторичная активация процессов синтеза липидов в возбужденной щитовидной железе. Простагландины - производные эйкозаполиеновых кислот, возможно, также вовлечены в регуляцию функциональной активности щитовидной железы. Так, в условиях in vitro РЕ вызывает активацию процессов органификации йодида, метаболизм углеводов, резорбцию коллоида и секрецию тиреоидных гормонов, что сопровождается повышением внутриклеточного уровня цАМФ. ТТГ, в свою очередь, повышает образование PGE 1 в тироцитах. Известен также факт ослабления или даже полного угнетения ответа тироцитов на действие ТТГ на фоне применения полифлоретина - ингибитора синтеза простагландинов. Транспорт электролитов и обмен веществ Обмен электролитов в клетках щитовидной железы сравнительно мало изучен. Установлено, что в ткани интактной железы содержится приблизительно 223 г воды, 111 ммоль неорганического натрия и ммоль калия. Ионы натрия формируют медленно обменивающийся пул Продукция и транспорт тиреоидных гормонов 29 (с периодом полуоборота около 24 часов. Предполагается, что значительная часть ионов Na содержится в интрафолликулярном коллоиде в связанном (ионными связями или так называемыми «солевыми» мостиками) с тиреоглобулином виде. Введение животному ТТГ в дозе 0,5 мЕд активировало натриевые токи через потенциалзависимые каналы в течение 15 минут, что может быть объяснено как стимулирующим действием ТТГ на процессы транспорта йодид-ионов, сопряженные с активностью Na + /K + -АТФазы, таки изменением промежуточного обмена веществ в тироците и сопровождающим его увеличением натриевого тока. Трансмембранная разность потенциалов в невозбужденном тироците (потенциал покоя) составляет порядка -50 мВ. Действие ТТГ вызывает быструю деполяризацию клеточной мембраны и снижение электрического сопротивления клеток щитовидной железы, что, возможно, сопровождается повышением трансмембранных ионных токов. Длительная (хроническая) стимуляция ТТГ также вызывает снижение поляризации клеточной мембраны и проводимости. Активность связанной с митохондриальной мембраной оуабаин- чувствительной АТФазы находится в зависимости от хронической стимуляции тироцитов ТГГ, что возможно является следствием гипертрофии и гиперплазии железистой ткани. Однако указаний на прямое действие ТТГ на этот фермент в настоящее время не имеется. Тиреоидные гормоны обладают значительным отличием в сравнении с другими низкомолекулярными регуляторами, используемыми эндокринной системой. Их уникальность состоит в том, что будучи по своей природе органическими соединениями - производными аминокислоты тирозина, они содержат в своей структуре неорганический йод (59-65% по массе, что делает их единственными природными биологически активными йодсодержащими веществами. Тиреоидные гормоны или йодтиронины, главными из которых являются 3,5,3',5'-тетрайодтиронин (Т) или тироксин и 3 , 5 , 3 ' - трийодтиронин (Т) или трийодтиронин. Хотя тироциты образуют и секретируют в кровь, главным образом, тироксин, но он, как полагают, обладает меньшей гормональной активностью по сравнению с трийодтиронином. Т в небольших количествах также секретируется в кровь тироцитами щитовидной железы, но основное его количество образуется непосредственно в клетках периферических тканей из Т 4 , который по этой причине часто называют прогормоном. Из Т 4 образуется также 3,3',5'-трийодтиронин или реверсивный Т (рТ 3 ), не обладающий существенной гормональной активностью. Таким образом, говоря об образовании и секреции тиреоидных гормонов, необходимо рассмотреть эти процессы не только в самой щитовидной железе, но и отдельно образование в тканях Т и рТ 3 . Структуры и биологическая активность этих веществ показаны в табл. 2.1. Продукция и транспорт тиреоидных гормонов Табл. 2.1. Химическое строение и сравнительная биологическая активность тиреоидных гормонов и их производных. Структурная формула Название соединения и его обозначение З,5,З',5'-L тетрайод-тиронин (L-тироксин, Т- трийодтиронин (Т 3 ) 3,3',5'- L- трийодтиронин (реверсивный Т 3 , рТ 3 ) D,L-3,3'- дийодтиронин (3,3'-Т 2 ) D,L-3,5- дийодтиронин (3,5-Т 2 ) D,L-3',5'- дийодтиронин (3'5'-Т 2 ) L-3,5,3',5'- тетрайодтиро- уксусная кислота (тетрак) L-3,5,3'- трийодтиро- уксусная кислота (триак) Био- активность 300-800 <1 <1-3 7-11 Биологическая активность тироксина (по влиянию на потребление кислорода митохондриями) принята за 100%, активность других соединений показана относительно тироксина Продукция и транспорт тиреоидных гормонов Синтез и секреция тиреоидных гормонов Последовательность процессов синтеза тиреоидных гормонов можно упрощенно представить следующим образом. Захвати накопление йода в тироцитах щитовидной железы. Окисление йодида и включение йода в фенольное кольцо тирозильного остатка аминокислоты тирозина, в составе глобулина (тиреоглобулина). З. Соединение (конъюгация) двух йодированных молекул тирозина с образованием либо Т, либо Т 4. Протеолиз тиреоглобулина с высвобождением свободных йодтирони- нови йодтирозинов. 6. Дейодирование йодтирозинов в тироцитах с сохранением и повторным использованием высвобожденного йодида. Дейодирование (при некоторых обстоятельствах) Т с образованием Т 3 в самой щитовидной железе под действием 5'-дейодиназы. Захват и накопление йода щитовидной железой. Йод активно транспортируется в тироциты щитовидной железы против его электрохимического и концентрационного градиентов (см. рис. 2.1). Этот транспорт осуществляется "йодным насосом" и получил название "ловушки йода. Разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями тироцитов, составляет в покое около -50 мВ. Йод перекачивается в тироцит против названных градиентов насосом из интерстициального пространства, куда он поступает путем диффузии из крови. Специфический переносчик йода пока точно не идентифицирован, но, по-видимому, активный перенос его связан с функционированием Na + /K + -АТФазы (Na+/I - симпорт) и осуществляется с затратой метаболической энергии. Благодаря активному перекачиванию йодида из крови в щитовидную железу, коцентрация в ней свободного йода поддерживается враз более высокой чем в плазме крови. Анионы тиоцианат (CNS - ), перхлорат (НС, и пертехнетат конкурентно ингибируют транспорт йода в щитовидную железу. Из тироцита йод по градиенту концентрации диффундирует в коллоид, где под действием фермента тиреопероксидазы он окисляется и включается в бензольное кольцо тирозина в третьем положении. Тиреопероксидаза вместе с перекисью водорода являются акцепторами электронов в реакции окисления йода Продукция и транспорт тиреоидных гормонов Рис. 2.1. Предполагаемая модель транспорта йодид-ионов через базальную мембрану тироцита. Компоненты транспортной системы показаны жирным шрифтом, а ингибиторы отдельных этапов - курсивом - белок-транспортер (а- симпортер), R - рецептор ТТГ, Gs - субъединица ГТФ-связанного белка, АС - аденилатциклаза. (Адаптировано из W.J.Iodure «Le systeme de transport actif», Окисление и включение йода в тирозильное кольцо тиреоглобулина Йодирование тиреоглобулина происходит на поверхности раздела клетка-коллоид, примыкающего к апикальной мембране. Внутри тироцита йодид быстро окисляется под действием перекиси водорода при участии ассоциированного на апикальной поверхности тироцита сего мембраной фермента тиреопероксидазы. Йод, диффундирующий во внутреннее пространство фолликула, превращается в активные формы I - или HOI и далее безучастия ферментов включается в третье, а затем в пятое положение бензольного кольца тирозина. Перекись водорода, необходимая для окисления йодида, вероятно образуется оксидазой дегидроникотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ + ) в присутствии ионов кальция. Эта реакция стимулируется под действием тиреотропного гормона гипофиза (ТТГ). Тирозин превращается в 3-монойодтирозин (МИТ), а затем в 3 , 5 - дийодтирозин (ДИТ), которые как и их предшественник тирозин, продолжают оставаться связанными с тиреоглобулином. Описанная последовательность процессов в тироците схематически представлена на рис. 2.2. Продукция и транспорт тиреоидных гормонов 33 Рис. 2.2. Схематическое представление процессов образования и накопления гормонов в тироцитах и фолликулах щитовидной железы. Тиреопероксидаза представляет собой гликозилированный мембраносвязанный гемопротеиновый фермент, с молекулярной массой около 102.000 Да, содержит в своей структуре приблизительно (от общей массы) углеводных остатков. Изоэлектрическая точка р. В качестве гема в структуру молекулы включен протопорфирин содержащий атом железа. Изменение его валентности играет, по- видимому, важную роль в передаче электрона при образовании реакционно активных форм йода - I + и HOI. Пероксидаза щитовидной железы, играющая ключевую роль в синтезе тиреоидных гормонов, тесно связана, если неидентична, с тиреоидным антигеном, против которого в организме при нарушении иммунного контроля вырабатываются аутоантитела. В частности, они обнаруживаются у многих больных аутоиммунными тиреоидитами. Нарушение структуры тиреопероксидазы, имеющее место при некоторых формах врожденного гипотиреоидизма, может сопровождаться снижением скорости органификации йодида и сопряженным снижением скорости образования гормонов щитовидной железы. Тиреопероксидаза синтезируется в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и затем, в упакованном в экзоцитозные пузырьки виде, накапливается в Продукция и транспорт тиреоидных гормонов апикальной части тироцитов. Ее синтез стимулируется действием тиреотропного гормона. Рис. 2.3. Модель образования перекиси водорода в реакции, катализируемой тиреопероксидазой. Показаны два различных возможных механизма. (А. На апикальной мембране тироцита НАДФН-зависимая оксидаза взаимодействует с НАДФН, ионами кальция и О, вызывая высвобождение супероксид-аниона О в цитозоль. Затем в реакции, катализируемой супероксиддисмутазой (СОД), супероксид-анион присоединяет два протона с образованием НО Перекись водорода затем пересекает апикальную мембрану тироцита и становится доступной тиреопероксидазе в просвете фолликула. (Nakamura Y. et al., Biochemistry 1991; 30: 4880). Согласно модели (В) НАДФН-зависимая оксидаза, связанная с апикальной мембраной, представляет собой комплексный флавопротеин, который активируется в присутствии ионов кальция (при присоединении последнего к неактивному белку или аутоингибирующему домену. Активация сопровождается окислением НАДФН на цитозольной стороне мембраны, сопряженным переносом электронов на люминальную сторону мембраны к конечному акцептору - кислороду. В результате происходит генерация перекиси водорода сразу в просвете фолликула D., Biochemical Journal 1994; 301: 75). Продукция и транспорт тиреоидных гормонов 35 Тиреоглобулин и образование Т и Т 3 . Тиреоглобулин является ключевым белком щитовидной железы и служит как матрица для синтеза тиреоидных гормонов, а также для их внутрижелезистого депонирования и дозированного высвобождения. По своей химической структуре тиреоглобулин представляет гликопротеин с молекулярной массой около 660.000 Да и коэффициентом седиментации 19S, состоящий из двух субъединиц. Содержит углеводов в форме остатков маннозы и 0,1-1% йода от общей массы. Белок содержит 5.496 аминокислотных остатка, включая 134 тирозильных остатка. Только 18 из них в норме йодированы, а в состав тироксина обычно включается только 2 - 4 остатка из них. Таким образом, синтез Т является высокоэнергозатратным: для синтеза 2 - молекул Т требуется синтезировать молекулу тиреоглобулина с молекулярным весом 660.000 Да. Около 75% молекулы тиреоглобулина представлены повторяющимися по структуре доменами, которые не являются его гормоногенными участками. Тиреоглобулин синтезируется в эндоллазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи тироцитов и экскретируется ими посредством экзоцитоза в виде гранул, содержащих также фермент пероксидазу. К различным участкам полипептидной структуры тиреоглобулина могут образовываться антитела. Вероятно, при аутоиммунных заболеваниях щитовидной железы, образующиеся антитела взаимодействуют с участками молекулы тиреоглобулина, используемыми для йодирования и образования Т и Т. Эти участки по своей структуре сходны со структурой фермента ацетилхолинэстеразы. Антитела к тиреоглобулину одновременно взаимодействуют с компонентами соединительной ткани орбиты глаза, глазных мышц, ферментом ацетилхолинэстеразой. Возможно, что такая аутоиммунная реакция является причиной изменений со стороны тканей орбиты глаза при тиреотоксической офтапьмопатии. Тиреоглобулин. выделенный из опухолевых участков (фолликулов) щитовидной железы, имеет измененный состав и нарушенную структуру. Он содержит меньше остатков сиаловых кислот. В норме лишь следовые количества тиреоглобулина поступают в кровоток из щитовидной железы, и увеличение содержания тиреоглобулина в сыворотке крови является одним из критериев дифференциальной диагностики рака щитовидной железы. Ген, кодирующий у человека синтез тиреоглобулина располагается в длинном плече ой хромосомы (8q24) дистальнее c-myc онкогена и связан с генами карбоангидразы II и MOS-протоонкогеном. Транскрипция гена тиреоглобулина стимулируется под действием ТТГ и тормозится после гипофизэктомии или после введения Т Продукция и транспорт тиреоидных гормонов |