Существует две точки зрения на термогенное действие тиреоидных гормонов. Одна из них исходит из того, что метаболическое действие гормонов обслуживает и соподчинено действию гормонов на рост 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 капоригенного 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 в ходе онтогенеза параллельно развитию особи. Однако, введение этому и другим видам холоднокровных организмов гормона Т3 не вызывает повышения потребления кислорода клетками печени, не активирует ферментов мапатдегидрогеназы или митохондриальной апьфа-глицеропфосфатдегидрогеназы, 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 от того, 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 с тем, 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 (КГЩ) 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 то же 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 митохондриапьного 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/KT- 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 Т3 в концентрациях 109 М и 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 Т3 и Т4 в клетке составляет менее 10" 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 Т2, 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 Т3 или Т4 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 и в нативных гепатоцитах.
Уже менее чем через 4 часа после добавления Т3 к изолированным гепатоцитам, в них активируется липогенез. Влияние тиреоидных
170 Влияние на процессы обмена веществ и энергии
гормонов на обмен и состав липидов субклеточных фракций многообразно. При гипертиреоидизме увеличивается микросомапьный синтез и десатурация (снижение числа насыщенных связей) жирных кислот, увеличивается ненасыщенность липидов, увеличивается содержание холестерола и уменьшается содержание фосфопипидов 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-транспоказы, 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 митохондриапьных мембран и последующим повышением их проницаемости, способствующей доставке субстратов окисления и активации дыхательных ферментов.
Под влиянием вводимого экзогенно Т3 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, карнитинпапьмитоилтрансферазы в микросомальной фракции гепатоцитов печени, а также активность митохондриальной кардиопипинсинтазы. 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 митохондриапьных 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 митохондриапьного 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
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 Р/О с 2,3 (для окисления папьмитата) и с 2,6 (для окисления
глюкозы) до 1,1 и 0,8, соответственно. Этими фактами можно
объяснить более чем 50% разницу в теплопродукции и потреблении
кислорода между гепатоцитами эутиреоидных и
тиреоидэктомированныхживотных.
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 Т3 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 novo 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
172 Влияние на процессы обмена веществ и энергии
повышение потребления кислорода является непродолжительным и, вероятно, более специфично для действия Т2, чем Т3.
Оказалось, что Т4 и Т3 повышают эффективность протонного насоса, увеличивая трансмембранный протонный градиент в митохондриях гепатоцитов и отношение Н/О, но не 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 - Т3 и Т2, способен повышать проницаемость плазматических мембран для ионов Са++. Причем степень повышения проницаемости связана с липофильностью соединений в ряду Т2 > Т3 > Т4. Предполагается, что многие последующие ответные реакции клеток на действие тиреоидных гормонов индуцируются либо повышением самой концентрации Са++, либо активацией кальцием аденилатциклазы. В цитоплазме клетки Т4 под действием клеточных дейодиназ превращается в Т3, а Т3 под действием деиодиназы превращается в Т2. Т2 является не просто 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 Т4 и Т3; кратковременные митохондриальные эффекты обусловлены в большей степени Т2, а долговременные ядерные эффекты - Т3.
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 Т3 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 Т3, когда еще не регистрировалось существенного увеличения содержания цитохромов.
Не исключается, что повышение под действием Т3 и Т2 активности переноса АДФ в митохондрии может достигаться как за счет увеличения синтеза адениннуклеотидтранслоказы путем увеличения под действием Т3 или Т2 экспрессии различных генов, так и 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 митохондриапьной 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 кДа и (или) фермент адениннуклеотидтранслоказа. При этом установлено, что наибольшей аффинностью предполагаемые места связывания обладают к 3,3'-Т2. Это согласуется с тем, что более сильным прямым стимулятором дыхания в изолированных митохондриях гипотиреоидных крыс является не Т3, а именно Т2.
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
174 Влияние на процессы обмена веществ и энергии
процессом является стимуляция глюконеогенеза в печени и 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, так и 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 40% 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/Ю-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 Na/Ю-насоса в 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 митохондриапьного 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 в дыхательную цепь для увеличения образования метаболической энергии.
Тиреоидные гормоны активируют обе стороны промежуточного обмена белков, жиров и углеводов - катаболизм и анаболизм. Ускорение оборота субстратов в ходе 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 Т3 липогенных и липопитических 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 HA0J4-H в цитоплазме тормозит протекание ключевых реакций гликолиза. Цитозопьный НАДН-Н окисляется в митохондриях через два «челнока»: мапат-аспартат и глицерол-3-фосфат, активность которых отличается в различных тканях. НАДН-Н, образованный в цитозоле, окисляется цитозольной апьфа-глицерофосфатдегидрогеназой с превращением дигидроксиацетон-фосфата в глицерол-3-фосфат. Последний затем восстанавливается на внутренней мембране митохондрий митохондриапьной апьфа-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 Т3-зависимой экспрессией соответствующего гена. Увеличение активности митохондриапьной 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 мапат-аспартата на глицероп-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 апьфа-глицерофосфатдегидрогеназного «челнока», может уменьшаться КПД метаболизма глюкозы до 25%, при этом если глюкоза не полностью окисляется, то только 6, а не 8 молекул АТФ образуется на моль глюкозы, превращенной в лактат, если HA0J4-H окисляется через митохондриапьную 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