1. Обзор литературы
1.1. Трийодтиронин в организме человека. Регуляция синтеза
Трийодтиронин (Т3) –это гормон щитовидной железы, биологическая активность которого в 3-5 раз превышает активность тироксина (Т4). Он синтезируется в щитовидной железе, однако основное его количество образуется при дейодировании Т4 (тироксина) за пределами щитовидной железы (в печени, почках). Свободный трийодтиронин способствует росту костей, синтезу витамина А и всасыванию в кишечнике витамина В12, стимулирует моторную функцию кишечника, синтез половых гормонов, также детям он необходим для роста и развития центральной нервной системы. Большая часть трийодтиронина соединяется с белками плазмы крови, оставшаяся (около 0,3 %) циркулирует в свободном виде и является биологически активной, регулирует скорость потребления тканями кислорода, стимулирует синтез белка, липолиз, способствует увеличению скорости катаболизма и выведение с желчью холестерина, стимулирует глюконеогенез и гликогенолиз, что повышает концентрацию глюкозы в крови, усиливает действие инсулина и гормона роста [11].
Йодтиронины (ЙТ) синтезируются в фолликулах щитовидной железы в составе белка - тиреоглобулина. Для синтеза необходим йод, суточная потребность в йоде 150 мкг.
Синтез состоит из нескольких этапов
1)транспорт иодида в клетки, в котором участвует специальный транспортный белок, сопряженный с Na+,K+-ATФазой
2) окисление I- в I+ с участием тиреопероксидазы и Н2О2 в качестве окислителя
3) йодирование остатков тирозина в молекуле тиреоглобулина
4) поступление йодтиреоглобулина в фолликулярную клетку, где ферменты лизосом освобождают Т3 (трийодтиронин) и Т4 (тетрйодтиронин, тироксин). Т3 вырабатывается в 10 раз меньше, но его активность в 3-4 раза выше, чем Т4 [53].
Часть Т3 образуется из Т4 в печени путем дейодирования. Большая часть йодтиронинов в крови находится в комплексе с тироксинсвязывающим белком. Это депо гормонов, потому что биологически активна несвязанная форма йодтиронинов. Регуляция синтеза и секреции йодтиронинов осуществляется системой гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа. Секреция тиролиберина из гипоталамуса и тиротропина (ТТГ) из гипофиза контролируется через отрицательную обратную связь йодтиронинами. Уровень данного гормона повышается при первичном гипотиреозе и снижается при гипертиреозе. В клинике определение уровня ТТГ более значительный показатель функции щитовидной железы, чем определение йодтиронинов [32].
Йодтиронины - это поглощающие жиры гормоны, они действуют через внутриядерные рецепторы. В результате регулируется экспрессия генов. Физиологические концентрации ускоряют синтез белков, а высокие концентрации ускоряют катаболизм белков. Йодтиронины увеличивают потребление кислорода, катаболизм углеводов, теплопродукцию, влияют на гетерополисахариды (увеличивают синтез хондроитинсульфатов и снижают синтез гиалуроновой кислоты, усиливают липолиз и эффекты катехоламинов в сердце) [25].
Нарушение работы щитовидной железы это гипер- или гипотиреоз. Гипертиреоз первичный – это нарушение в щитовидной железе, вторичный - в гипофизе, третичный в гипоталамусе. Характеризуется гипертиреоз следующими симптомами: повышенный аппетит при одновременном снижении массы тела, потливость, непереносимость жары, мышечная слабость, повышение температуры, тахикардия, экзофтальм (изменения со стороны глаз) [2]. Гиперфункция щитовидной железы (гипертиреоз) проявляется в двух основных формах: диффузный токсический зоб и аутоиммунный тиреоидит. Лечение: хирургическое лечение показано при больших размерах зоба. Радиоактивный йод назначают при отсутствии противопоказаний (молодой возраст, беременность, болезни крови). Для терапевтического лечения назначают антитиреоидные препараты (мерказолил) в сочетании с симптоматическим лечением [74].
Гипотиреоз может быть результатом эндемического зоба. Зоб появляется из-за недостаточного поступления йода в организм. Гипотиреоз может возникать в результате врожденных дефектов ферментов, участвующих в синтезе ЙТ (первичный гипотиреоз). Реже может возникать в результате заболеваний гипофиза или гипоталамуса (вторичный гипотиреоз). Симптомы гипотиреоза: толерантности к холоду, увеличение массы тела, снижение температуры, запоры, повышенная утомляемость, сонливость, брадикардия. У детей школьного возраста недостаток приводит к задержке роста, ухудшает успеваемость, полового созревания. При тяжелых формах гипотиреоза - микседема (слизистый отёк), его связывают с избыточным накоплением гиалуроновой кислоты и воды [56].
Одно из проявлений гипотиреоза при эндемическом зобе, если патология начинается во внутриутробном периоде, характеризуется с самого раннего детства выраженной психической и физической отсталостью. Больные имеют маленький рост с непропорциональным развитием отдельных частей тела, нарушение координации движений, умственную недостаточность (кретинизм). Лечение гипотиреоза - заместительная терапия йодтиронинами. Для лечения эндемического зоба назначают препараты йода, йодированные продукты питания [8].
Регуляция синтеза и секреции йодтиронинов.
Скорость секреции и синтеза йодтиронинов регулируются гипоталамо-гипофизарной системой по механизму обратной связи. Стимулом для повышения секреции тиреолиберина и тиреотропина служит снижение концентрации йодтиронинов в крови [51].
Клетки-мишени йодтиронинов имеют 2 типа рецепторов к этим гормонам. Основные эффекты йодтиронинов - это результат их связь с высокоспецифичными рецепторами, которые в комплексе с гормонами постоянно находятся в ядре и взаимодействуют с определёнными последовательностями ДНК, участвуя в регуляции экспрессии генов. Другие рецепторы расположены в плазматической мембране клеток, это не те же самые белки, что и в ядре [9]. Они обладают более низким сродством к йодтиронинами, возможно, предоставляют связывание гормонов для удержания их в непосредственной близости к клетке. При физиологической концентрации йодтиронинов их работа проявляется в ускорении белкового синтеза, клеточной дифференцировки и стимуляции процессов роста. В этом отношении йодтиронины являются лекарствами гормона роста. Кроме того, Т3 ускоряет транскрипцию гена гормона роста. У животных при дефиците Т3 клетки гипофиза теряют способность к синтезу гормона роста [16].
Йодтиронины также участвуют в формировании ответной реакции на охлаждение, увеличением теплопродукции или повышая чувствительность симпатической нервной системы к норадреналину, стимулируя секрецию норадреналина [72].
Высокие концентрации Т3 тормозят синтез белков и активизируют катаболические процессы, показателем чего служит отрицательный азотистый баланс. Метаболические эффекты йодтиронинов относят к энергетическому метаболизму, что проявляется в повышении поглощения клетками кислорода. Данный эффект проявляется во всех органах, кроме мозга. В разных клетках Т3 стимулирует работу Nа+,К+-АТФ-азы, на что затрачивается большая часть энергии, утилизируемой клеткой. В печени йодтиронины ускоряют гликолиз, синтез жёлчных кислот и синтез холестерола. В печени и жировой ткани Т3 поднимает чувствительность клеток к действию адреналина и косвенно стимулирует липолиз в жировой ткани и мобилизацию гликогена в печени. В физиологических концентрациях Т3 увеличивает в мышцах потребление глюкозы, активирует синтез белков и увеличивает мышечную массу, повышает чувствительность мышечных клеток к действию адреналина [10].
Если трийодтиронин повышен:
Повышенный уровень трийодтиронина обычно указывает на такие патологии, как заболевания печени, гипертиреоз, тиреоидит, гипертиреоз, тиреотоксикоз – иногда, рак щитовидной железы - редко, повышение уровня связывающего белка, тиреотоксический периодический паралич, токсический узловой зоб. Повышение уровня трийодтиронина общего при беременности - это нормальное явление, хотя его уровень необходимо держать под контролем. Также к похожему результату может привести прием некоторых лекарственных препаратов, например эстрогены и пероральные контрацептивы, противосудорожные и антитиреоидные препараты, метадон, рефампицин [12].
Если трийодтиронин понижен:
Аномально низкий уровень трийодтиронина общего может указывать на гипотиреоз или недоедание. Также это может говорить о наличии у пациента хронических заболеваний, так как в этом случае уровень Т3 также снижается [15]. Причиной поинженного уровня трийодтиронина общего могут стать и следующие патологии: тиреоидитХашимото - это уничтожение иммунной системой определенной части клеток щитовидной железы, в ходе чего снижается выработка гормонов, понижение уровня тироксинсвязывающего глобулина, почечная недостаточность, нервная анорексия, тиреоидоэктомия, цирроз печени, осложнения беременности, дефицит йода в организме. В редких случаях пациенту может потребоваться госпитализация. Норма трийодтиронина общего в крови может снизиться после оперативных вмешательств и вследствие лечения изотопами йода [47] . К подобному же эффекту может привести и прием некоторых лекарственных препаратов, в частности: йодсодержащие и антитиреоидные препараты, аспирин, фуросемид анаболические стероиды.
Таблица 1. Норма трийодтиронина в организме человека
Возраст Пол Нормальное содержание, пмоль/л
В первый год Оба 3,5 – 7, 35
1 – 12 лет 4,1 – 6, 5
12 – 16 лет Мужчина 4,3 – 6, 8
Женщина 3,7 – 6,3
16 – 18 лет Мужчина 3,4 – 6,2
Женщина 3,7 – 5,7
Старше 18 лет Оба 2,5 – 5,7
Действие трийодтиронина
В организме трийодтиронин выполняет перечень важных функций. Оказывает положительное действие на такой важный орган, как сердце. Происходит ускорение процесса обмена белков, который осуществляется в организме. Происходит активация процесса, связанного с производством витамина А. Достигается активизирование метаболизма. Кроме этого, оказываемое воздействие трийодтиронина заключается в уменьшении уровня холестерина. Также важная функция, которая выполняется данным гормоном, заключается в нормализации обмена веществ, что осуществляется в костных тканях [30].
Большая часть трийодтиронина, который циркулирует в крови, связана с белками плазмы. Остальная доля выступает в качестве фракции, которая является биологически активной. Действие трийодтиронина важно для всего организма. Потому, что он выполняет процесс регулирования скорости, с которой кислород потребляется тканями. Происходит стимулирование синтеза белка. Также сюда следует отнести липолиз, глюконеогенез и гликогенолиз [58].
Дополнительно трийодтиронин оказывает воздействие на моторную функцию кишечника. Происходит усиление процесса катаболизма, а также выведения холестерина с желчью. Он оказывает воздействие на синтез витамина А и всасывание В12, что выполняется в кишечнике. Кроме этого, трийодтиронин ответственен за рост костей и производство половых гормонов. Также оказывает влияние на то, как развивается центральная нервная система. Для детей данный трийодтиронин очень важен. Это связано с тем, что он способствует их росту [71].
Чтобы определить, на каком уровне находится в организме трийодтиронин, необходим сделать анализ. В данном случае потребуется анализ крови, она берется из вены. Анализ основан на сыворотке крови. Важно получить точные результаты при сдаче анализа. Поэтому необходимо придерживаться некоторых рекомендаций при сдаче. В частности за 30 минут, до того как будет выполнен анализ, важно, чтобы человек был в состоянии спокойствия. Также при сдаче анализа отмечается еще одно условие. За день до назначенной даты сдачи анализа необходимо отказаться от чрезмерных физических нагрузок. Важно исключить рентгеновское излучение. Также не стоит курить, употреблять препараты, которые содержат йод [49].
Чаще всего анализ трийодтиронина выполняется сразу вместе с анализом тироксина. Это связано с тем, что при наличии подавленной деятельности щитовидной железы отмечается снижение уровня двух этих важных гормонов. Их выработка осуществляется именно щитовидной железой. Специалистами практикуется назначение сдачи анализа, чтобы определить имеющиеся патологии щитовидной железы [22].
1.2. Молекулярные механизмы регуляции транскрипции генов трийодтиронином
Трийодтиронин и тетрайодтиронин (тироксин) – гормоны щитовидной железы, в физиологических концентрациях способствуют синтезу белка, стимулируют процессы роста организма. Кроме того, трийодтиронин ускоряет транскрипцию гена соматотропина, поэтому при дефиците Т3 клетки гипофиза теряют способность к синтезу гормона роста организма [42].
Механизм действия тиреоидных гормов можно разделить на ядерный и неядерный [24].
Йодтиронины довольно легко проникают через плазматические мембраны своих клеток-мишеней (прежде всего посредством активного транспорта) и взаимодействуют со специальными интрацеллюлярными рецепторными комплексами. Ученые обнаружили в человеческом организме два гена, отвечающих за образование тиреоидных рецепторов (ТР) [73]. В разных органах находятся ТР, кодируемые разными генами, но отношения между ними могут различаться. Наследование генерализованной тиреоидрезистентности (что сопровождается проявлениями гипотиреоза) связано с одним из генов рецепторов, а именно с ТР-?, и на сегодняшний день обнаружены многие его мутации, нарушающие рецепторное связывание йодтиронинов [25]. Комплекс T3 с рецептором, по всей вероятности, взаимодействует с определенными последовательностями димерной формы ядерной ДНК; в результате изменяется скорость транскрипции этих генов в мРНК, а затем - и время биосинтеза новых белков. Ядерный механизм действия, судя по всему, объясняет существование длительного латентного периода, предшествующего проявлению эффектов йодтиронинов [56].
Сейчас исследуется еще два возможных механизма действия тиреоидных гормонов.
Прямое влияние на синтез протеинов в митохондриях;
непосредственное воздействие на механизмы транспорта через цитоплазматические мембраны (в частности, на перенос аминокислот), возможно, в результате стимуляции образования цАМФ, хотя не исключена и стимуляция мембранной АТФазы. С внутриклеточной системой цАМФ могут быть связаны и некоторые потенцирующие эффекты йодтиронинов [29].
Необходимо выделить, что рецепторы тиреотропина имеют прямое отношение к заболеваниям щитовидной железы, поскольку с ними взаимодействуют различные антитела. Поэтому при подозрении на патологию этого эндокринного органа нужно сдавать не только анализ крови на гормоны щитовидной железы, но и на тиреотропные гормоны [57].
Главным эффектом гормонов щитовидной железы является активация транскрипции большого количества генов в ядре. Под влиянием тиреоидных гормонов практически во всех клетках организма начинает синтезироваться большое количество ферментов, транспортных и структурных белков и прочих веществ. В итоге повышается функциональная активность всего организма. Большая часть синтезируемого щитовидной железой тироксина преобразуется в трийодтиронин [2]. До такого как тироксин окажет влияние на геном, повышающее транскрипцию генов, он испытывает структурные изменения, заключающиеся в отдаче одного иона йода практически всеми молекулами тироксина, что превращает его в трийодтиронин. Внутриклеточные рецепторы имеют большое сродство к трийодтиронину. В результате более 90% гормонов щитовидной железы, связывающихся с рецепторами, являются трийодтиронином [1]. Гормоны щитовидной железы активируют рецепторы в ядре. Рецепторы гормонов щитовидной железы прикреплены к нитям ДНК либо расположены поблизости от них. Рецептор тиреоидного гормона обычно образует гетеродимер с ретиноидХ-рецептором на специфическом фрагменте реагирования тиреоидного гормона на ДНК [18]. Связываясь с тиреоидным гормоном, рецепторы становятся активными и начинают процесс транскрипции. В результате образуются большое количество различных типов информационных РНК; в последующие несколько минут или часов они расходуются на процессы трансляции с помощью РНК на рибосомах, приводящие к образованию сотен новых внутриклеточных белков [32].
Влияние тиреоидных гормонов на метаболизм. Тиреоидные гормоны увеличивают метаболическую активность практически всех тканей организма. На фоне повышенной секреции гормонов уровень основного обмена может возрастать на 60-100%. Отмечено существенное увеличение скорости роста у молодых людей. Повышается мозговая активность, а также активность большинства существующих эндокринных желез. Резко возрастает использование различных веществ в энергетических процессах. В то же время, несмотря на стимуляцию тиреоидными гормонами синтеза белка, скорость его распада также увеличивается. Тиреоидные гормоны увеличивают количество и активность митохондрий. На фоне введения тиреоидных гормонов у животных в большинстве клеток увеличиваются как размеры, так и количество митохондрий [31]. Более того, почти прямо пропорционально увеличению скорости метаболизма животного возрастает площадь поверхности мембран митохондрий, поэтому одной из основных функций тироксина является увеличение количества и активности митохондрий, приводящее к образованию аденозинтрифосфата (источника энергии клетки). Однако увеличение количества и активности митохондрий, отмечаемое на фоне повышенной концентрации тироксина в плазме, может быть как следствие возросшей активности клетки, так и причиной этой активности. Тиреоидные гормоны увеличивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны [45]. Одним из ферментов, увеличивающих свою активность под влиянием тиреоидных гормонов, является Na+/K+-АТФ-аза [33]. Это в итоге увеличивает транспорт ионов натрия и калия через мембраны клеток в некоторых тканях. Поскольку этот процесс использует энергию и увеличивает рассеивание тепла организмом, предположили, что обеспечение функционирования этого механизма может быть одной из причин увеличения скорости обменных процессов. Действительно, метаболические гормоны щитовидной железы повышают проницаемость мембран большинства клеток для натрия, активирующую Na+/K+-нaсос, что приводит к увеличению продукции тепла [35].
Структура кДНК, кодирующих рецепторы тиреоидных гормонов и их синтез были осуществлены в 1986 году. В результате этих исследований оказалось, что протоонкоген c-erbА, который является клеточным гомологом онкогена v-erbA (выделен из вируса эритробластоза птиц), кодирует синтез белка, способного связывать тиреоидные гормоны. Затем соответствующие кДНК были выделены из плаценты человека и куриного эмбриона. Анализ аминокислотных последовательностей белков установил их принадлежность к супер семейству ядерных рецепторов стероидных гормонов [11].
Сравнение рецепторов, выделенных из тканей цыпленка и человека, показало их гомологию, но не идентичность, что привело к предположению о существовании множественных форм рецепторов тиреоидных гормонов и, соответственно, кодирующих их синтез генов. У человека c-erbA локализуется в двух хромосомах - 3-ей и 17-ой. Формы, выделенные из тканей человека, стали обозначать как ?, а из тканей цыпленка - ? соответственно [36].
N-конец белковой молекулы содержит участок размером приблизительно 70 аминокислотных остатков, в котором содержится формирующая структуру «цинковых пальцев» последовательность для связи с соответствующим участком ДНК. Карбокси-терминальный конец содержит участок связывания с лигандом. Ресинтезированные на основе полученных ДНК invitro белковые молекулы связывали тиреоидные гормоны со сходными кинетическими и термодинамическими характеристиками. Кодируемый протоонкогеном c-erbА белок структурно гомологичен рецепторам тиреоидных гормонов, хотя трансактивация им чувствительных элементов генома не доказана [17].
Вскоре гомологичный ?-форме рецептор был выделен из ядер клеток мозга и получил название c-erbА?1 или ?-форма. мРНК ?-формы оказалась широко распространенной как в ткани мозга, так и в других органах [70].
В 1987-88 годах из тканей человека (почки и яички) выделена мРНК другой изоформы, c-erbА-Т-1 или c-erbА?2, которая обнаруживала различия в 3'-кодирующем конце. Первоначальные исследования показали возможность ?2-формы рецептора также связывать тиреоидные гормоны, но со значительно меньшей аффинностью в сравнении с ?- и ?1-формами [18].
Способность рецепторов тиреоидных гормонов регулировать экспрессию генов, по крайней мере, частично зависит от присутствия в промоторе гена-мишени специфического элемента, чувствительного к действию гормона. Этот элемент представляет собой последовательность ДНК, взаимодействие рецептора с которой оказывает положительное или отрицательное влияние на транскрипционную активность гена [44]. Действие регуляторных участков основано на распознавании и предоставлении мест для связывания специфических трансактивирующих факторов, которые в результате стимулируют или угнетают транскрипцию определенного гена. В настоящее время описаны чувствительные к действию тиреоидных гормонов элементы промоторов следующих генов: гормона роста, тяжелой цепи миозина, ?- и ?-субъединиц тиротропного гормона, Са++-зависимой АТФазы саркоплазматического ретикулума, малатдегидрогеназы, основного белка миелина [23]. Регуляторные участки чаще всего располагаются недалеко от места начала транскрипции в промоторном участке гена, но иногда обнаруживаются также в 3'-нетранслируемом, или интронном участке [39]. В результате сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей различных элементов была установлена характерная смысловая последовательность. Наиболее изученным является чувствительный элемент промотора гена гормона роста, который располагается в 5'-области и представлен тремя полуповторами, локализованными между (-190) и (-164) нуклеотидами. Присутствие всех трех участков необходимо для регулируемого ответа промотора на действие тиреоидных гормонов [41].
1.3. Молекулярные формы йодтиронинов. Разнообразие и биологическая роль дейодиназ
Йодтиронины-компоненты специфического белка щитовидной железы тиреоглобулина, участвующие в синтезе ее гормонов; йодированные производные аминокислоты тиронина [4].
Рис 1. Молекулярные формы йодтиронинов
Образуются внутри молекулы тиреоглобулина при конденсации молекул йодтирозинов. Они не могут образоваться при простом йодировании тиреоглобулина, как йодтирозины, их биосинтез - сложный процесс, механизм которого еще полностью не выяснен. В состав тиреоглобулина из йодтирозинов входят в основном тироксин, содержащий около 20-30% всего связанного йода, и небольшое количество 3,5,3'-трийодтиронина (рис 1.), содержащего 3-4% йода, как правило, не обнаруживаются ни в гидролизате щитовидной железы, ни в крови. Все естественные йодтирозины, находящиеся в составе тиреоглобулина и в свободном состоянии в крови, относятся к 1-ряду. Освобождаются из тиреоглобулина в щитовидной железе при гидролизе протеолитическими ферментами и поступают в ток крови. В крови они связываются со специфическими белковыми носителями и в таком виде доставляются к периферическим тканям [47].
Тироксин и трийодтиронин - основные гормоны щитовидной железы, оказывающие разностороннее действие на обмен веществ; Т3 влияет на метаболизм в 5-10 раз активнее, чем Т4. В условиях йодной недостаточности происходит компенсаторное усиление продукции Т3, направленное на поддержание эутиреоидного состояния [60].
