Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты. Кубарко А.И

Последовательность процессов синтеза тиреоидных гормонов можно упрощенно представить следующим образом:

1.Захват и накопление йода в тироцитах щитовидной железы.

2.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 Т4, либо Т3.

4.Протеолиз тиреоглобулина с высвобождением свободных йодтиронинов и йодтирозинов.

6. Дейодирование йодтирозинов в тироцитах с сохранением и повторным использованием высвобожденного йодида.

6. Дейодирование (при некоторых обстоятельствах) Т4 с образованием Т3 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 в 30-40 раз более высокой чем в плазме крови. Анионы тиоцианат (CNS-), перхлорат (НСlO4-), 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.

32 Продукцияитранспорттиреоидныхгормонов

Рис. 2.1. Предполагаемая модель транспорта йодид-ионов через базальную мембрану тироцита. Компоненты транспортной системы показаны жирным шрифтом, а ингибиторы отдельных этапов - курсивом. Tr - белок-транспортер (Nа+/I- симпортер), R - рецептор ТТГ, Gs - субъединица ГТФ-связанного G-белка, АС - аденилатциклаза. (Адаптировано из W.J.Iodure «Le systeme de transport actif», 1992).

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 с его мембраной фермента тиреопероксидазы. Йод, диффундирующий во внутреннее пространство фолликула, превращается в активные формы I- или HOI и далее без участия 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.

Рис. 2.2. Схематическое представление процессов образования и накоплениягормоноввтироцитахифолликулахщитовиднойжелезы.

Тиреопероксидаза представляет собой гликозилированный мембраносвязанный гемопротеиновый фермент, с молекулярной массой около 102.000 Да, содержит в своей структуре приблизительно 10% (от общей массы) углеводных остатков. Изоэлектрическая точка рI 5,75. В качестве гема в структуру молекулы включен протопорфирин IX, содержащий атом железа. Изменение его валентности играет, повидимому, 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 не идентична, 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

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 О2, вызывая высвобождение супероксид-аниона О2- в цитозоль. Затем в реакции, катализируемой супероксиддисмутазой (СОД), супероксид-анион присоединяет два протона с образованием Н2О2 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. (Deme D., Biochemical Journal 1994; 301: 75).

Продукцияитранспорттиреоидныхгормонов 35

Тиреоглобулин и образование Т4 и Т3.

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 10% 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 Т4 является высокоэнергозатратным: для синтеза 2 - 4 молекул Т4 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 Т4 и Т3. 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 8-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 Т3.

Рис. 2.4. Схема организации промотора гена, кодирующего синтез тиреоглобулина.Показаныместасвязываниятранскрипционныхфакторов.

При участии пероксидазы в фолликулах осуществляется следующий этап - синтез Т4 и Т3 из йодированных тирозинов. Две молекулы дийодтирозинов вступают в окислительную реакцию конденсации. В ходе этой реакции отщепляется боковая цепочка дегидроаланина от молекулы дийодтирозина, образующей наружное кольцо. При этом образуется тетрайодтиронин - Т4. Если конденсируются МИТ и ДИТ, образуется трийодтиронин -Т3, если же конденсируются ДИТ и МИТ образуется, по-видимому, рТ3. Существуют две точки зрения по динамике реакции конденсации. Одна из них постулирует, что йодтирозины конденсируются в йодтиронины будучи присоединенными к тиреоглобулину (внутримолекулярное соединение). Другая постулирует, что молекула дийодтирозина, которая образует наружное кольцо, сначала отщепляется от тиреоглобулина и затем вступает в реакцию конденсации (межмолекулярное соединение).

При нормальной функции щитовидной железы у взрослого человека процентное распределение йодированных соединений составляет: МИТ - 23%; ДИТ - 33%; Т4 - 35%; Т3 - 7% и рТ3 - следовые количества.

Некоторые наследственные формы зоба характеризуются тем, что в щитовидной железе образуется нормальное количество дийод- и монойодитирозинов, но образование Т4 и Т3 при этом снижено. Причинами такого дефицита тиреоидных гормонов является нарушение реакции конденсации тирозинов в тиронины. Это могло бы быть связано с генетическими дефектами структуры фермента тиреопероксидазы, но тогда, поскольку этот же фермент обеспечивает йодирование тирозильных остатков тиреоглобулина, должны были бы быть нарушены процессы образования йодтирозинов. Поэтому нарушение образования Т4 и Т3 при нормальном уровне образования дийод- и монойодтирозинов скорее может быть связано с генетическими дефектами структуры самого тиреоглобулина.

Действительно, при некоторых врожденных формах зобного гипотиреоидизма были обнаружены генетические дефекты синтеза тиреоглобулина, которые в свою очередь нарушали синтез Т4. Нарушение структуры тиреоглобулина может также вести к ухудшению его йодирования и увеличению числа йодированных тирозильных остатков на молекулу белка. При этом уменьшается пропорция предшественников Т4 и Т3 - ДИТ и МИТ и как результат - снижение синтеза тиреоидных гормонов.

Рис. 2.5. Схема механизма внутримолекулярной реакции конденсации, приводящей к образованию тироксина. Показан 5-й тирозильный остаток тиреоглобулина, служащий одним из главных «гормоногенных» участков. (Werner and Ingbar's The Thyroid, 1996).

Поскольку реакции конденсации йодированных тирозильных остатков катализируются тиреопероксидазой, то ингибиторы активности этого фермента - пропилтиоурацил, метимазол и карбимазол при их введении в организм, например при гипертиреоидизме, блокируют синтез тиреоидных гормонов.

Продукция и транспорттиреоидныхгормонов 39

Высвободившиеся гормоны диффундируют через базальную мембрану тироцита и поступают в кровеносные капилляры (рис. 2.6). Механизм выхода тиреоидных гормонов из щитовидной железы в кровь точно не известен, но известно, что он стимулируется ТТГ через активацию мембраносвязанного фермента аденилатциклазы.

Протеолиз тиреоглобулина ингибируется избытком йодида и литием, при использовании соединений последнего для лечения некоторых заболеваний. Нет данных о том, что фрагменты тиреоглобулина могут реутилизироваться для его синтеза. Полагают, что высокий молекулярный вес, высокая значимость нормальной структуры этого белка для его функции налагает особые требования к синтезу, хранению и освобождению тиреоглобулина. Эти процессы легче контролировать при его синтезе из аминокислот, несмотря на высокие энергозатраты.

Остатки МИТ и ДИТ, не вступившие ранее в реакцию конденсации, под действием фермента дейодиназы дейодируются с выделением свободного йода в цитоплазму тироцита. Дейодиназа не действует на йодтиронины. Этот фермент обнаружен в митохондриях и микросомах тироцитов и является НАДФН зависимым флавопротеином. В отличие от дейодиназ периферических тканей, этот фермент не дейодирует Т4 и Т3. Количество высвобождаемого из йодтирозинов йода, идущего на реутилизацию, почти в 2 раза превышает количество йода поставляемого для синтеза гормонов щитовидной железы "йодным насосом".

Тиреоглобулины, содержащие меньшее количество йода, более легко гидролизуются в сравнении с высокойодированными тиреоглобулинами. Эта особенность гидролиза может лежать в основе приспособительной реакции более быстрого повторного использования йода в случаях, когда его поступление в организм ограничено и степень йодирования тиреоглобулина понижена.

При врожденном отсутствии фермента дейодиназы в щитовидной железе, йодтирозины обнаруживаются в моче, а в организме могут иметь место симптомы йодного дефицита. В норме очень небольшое количество интактного тиреоглобулина теряется фолликулом во внеклеточную среду. Его появление в крови может иметь место не только при опухолях щитовидной железы, но и при подострых тиреоидитах, гипертиреоидизме, увеличении железы под действием

ТТГ.

В щитовидной железе содержится также фермент 5'-дейодиназа, которая превращает Т4 в Т3 в периферических тканях. Активность этого фермента возрастает при йодном дефиците, что способствует увеличению образования в таких условиях большего количества гормона с более высокой метаболической активностью.

Щитовидная железа секретирует в кровь около 80 мкг (103 нмоль) Т4, 4 мкг (7 нмоль) Т3 и 2 мкг (3,5 нмоль) рТ3 в день.