Паратиреоидный гормон

Физиология. Функция паратиреоидного гормона заключается в поддержании концен­трации кальция во внеклеточной жидкости. Он действует непосредственно на кости и поч­ки и опосредованно — на кишечник, влияя на синтез 1,25(OH)₂D₃, что повышает уровень кальция в сыворотке. Продукция паратиреоидного гормона строго регулируется концен­трацией ионизированного кальция в сыворотке. Эта система обратной связи — один из важнейших гемостатических механизмов, жестко регулирующих уровень кальция во внек­леточной жидкости. Любой тенденции к гипокальциемии, которая могла бы возникнуть при недостаточном содержании кальция в диете, противодействует повышение скорости секреции паратиреоидного гормона. В результате: 1) возрастает скорость растворения ми­нерального вещества кости, что приводит к увеличению поступления кальция из костей в кровь; 2) снижается почечный клиренс кальция, что способствует возвращению во внекле­точную жидкость большего количества фильтруемого в клубочках кальция; 3) увеличива­ется всасывание кальция в кишечнике. Физиологическое значение трех этих эффектов па­ратиреоидного гормона — стимуляции транспорта кальция в костях, почках и кишечни­ке — неясно. Большинство данных свидетельствует о том, что быстрые изменения уровня кальция в крови определяются действием гормона на кости и в меньшей степени — на по­чечный клиренс кальция. С другой стороны, длительное поддержание кальциевого балан­са определяется, по-видимому, влиянием гормона на уровень 1,25(OH)₂D₃ и, следователь­но, на эффективность всасывания кальция в кишечнике. Изучение кинетики кальция пока­зывает, что ежесуточно между внеклеточной жидкостью и костью перемещается до 500 мг кальция (огромное количество, если учесть общее содержание кальция во внеклеточной жидкости), причем главным регулятором этого перемещения служит паратиреоидный гор­мон. Действие последнего направлено на быстрое восстановление концентрации кальция

Рис. 335-5. При обработке витамина D йодом (I₂) или восстановлением Н₂ кольцо А моле­кулы витамина поворачивается на 180°, что приводит к пространственной переориента­ции 3-ОН-группы в псевдо-1-ОН-положение. Такие соединения, 5,6-трансвитамин D₃ и дигидротахистерол (ДГТ,), называют псевдо-1-гидроксианалогами витамина D. 1(OH)D₃ представляет собой синтетический аналог 1,25(OH)₂D₃, лишенный С₂₅ОН. Все эти соедине­ния — 1(OH)D₃, 5,6-трансвитамин D₃ и ДГТ₃ — в печени подвергаются С₂₅-гидроксилированию и лишь после этого приобретают биологическую активность.

в крови ценой деструкции кости и высвобождения минералов. Однако большое значение в быстрой регуляции уровня кальция в крови может иметь и влияние паратиреоидного гор­мона на почки, направленное на сохранение кальция путем усиления реабсорбции филь­труемого иона.

Паратиреоидный гормон оказывает на кости двоякое действие; под его влиянием про­исходят замещение кальция и реконструкция кости. Скорость выхода кальция из кости в кровь возрастает уже через несколько минут после введения паратирео­идного гормона, но высвобождению кальция предшествует быстрый отток его из крови, по-видимому, в костные клетки. С другой стороны, более длительное влияние паратирео­идного гормона, сводящееся главным образом к увеличению числа и активности остеок­ластов и общему ускорению реконструкции кости, проявляется лишь через несколько ча­сов после его введения. Помимо действия на костную ткань, паратиреоидный гормон вы­зывает повышение синтеза белка, сохраняющееся в течение нескольких часов после введе­ния гормона. Пока неясно, отражают ли две группы эффектов паратиреоидного гормона непрерывную последовательность его действия с общим начальным биохимическим меха­низмом или они не зависят друг от друга. Принято считать, что рецепторами паратирео­идного гормона обладают только остеобласты, но не остеокласты.

Химия. Расшифрованы полные аминокислотные последовательности основных форм

Рис. 335-6. Схема, иллюстрирующая аминокислотную последовательность паратиреоид­ного гормона человека, быка, крысы и свиньи.

паратиреоидного гормона крупного рогатого скота, свиньи, крысы и человека. Все эти пептиды представляют собой одноцепочечную структуру, состоящую из 84 аминокислот­ных остатков. Молекула гормона лишена цистеина или цистина. Как показано на рис. 335-6, три вида гормона имеют сходные последовательности.

Определены те структурные особенности, которые необходимы для связывания гор­мона с рецепторами и, следовательно, его биологической активности. Синтетические фраг­менты, содержащие аминоконцевую последовательность, воcпроизводят известные влия­ния гормона на транспорт ионов кальция в почках и костях, а также (путем стимуляции почечной 25-гидроксивитамин D-1-гидроксилазы) на всасывании кальция в кишечнике. Поскольку рецепторами паратиреоидного гормона обладают остеобласты и фиброблас­ты, но не остеокласты, стимуляция этим гормоном резорбции кости остеокластами — эф­фект непрямой.

Укорочение фрагментов с аминоконца вначале приводит к потере способности вызы­вать биологическую реакцию, а затем уже сродства к рецепторам. Пептид 7—34 является конкурентным ингибитором как связывания активного гормона с рецепторами in vitro, так и реакции почек на гормон, в том числе повышения экскреции циклического АМФ и клиренса фосфата. В некоторых тест-системах in vivo блокируется и быстрая мобилизация кальция из костей.

Любой фрагмент паратиреоидного гормона, чтобы оказать биологическое действие на кости и почки, должен содержать непрерывную пептидную последовательность, начи­ная со 2-го остатка — валина и до 26-го остатка — лизина.

Эти данные представляют особый интерес в связи со сложностью биосинтеза и пери­ферического метаболизма паратиреоидного гормона.

Рис. 335-7. Схематическое изображение биосинтеза, секреции и периферического метабо­лизма паратиреоидного гормона, а также значения этих процессов для гетерогенности им­мунореактивного паратиреоидного гормона в крови (см. текст).

Биосинтез включает начальную трансляцию специфической информационной РНК (иРНК) паратирео­идного гормона в полипептид, состоящий из 115 аминокислот — препропаратиреоидный гормон (пре-проПТГ), вслед за чем происходят специфические посттрансляционные расщепления. Первое расщеп­ление (1) осуществляется уже в первые секунды синтеза в эндоплазматическом ретикулуме или вблизи него; при этом удаляется 25-членный специфический для препроПТГ пептид, или лидерная последова­тельность (показана тонкой прямой линией). На продукт, проПТГ, состоящий из 90 аминокислот, дей­ствует вторая специфическая пептидаза (пептидазы), которая удаляет еще один специфический пептид (показанный ломаной линией) с образованием ПТГ. (Возможен и другой путь — проПТГ превращает­ся в ПТГ после упаковки в секреторные гранулы.) ПТГ, состоящий из 84 аминокислотных остатков [показанный жирной линией с М-(амино) и С-(карбокси) концами] — главный продукт клеточной сек­реции, происходящей путем экзоцитоза содержащих гормон секреторных гранул (показано жирной стрелкой). Имеются некоторые сообщения, согласно которым существует и альтернативный путь сек­реции: аминоконцевые (N-) и карбоксиконцевые (С-) фрагменты молекулы образуются в ходе дальней­шего протеолитического процессинга в клетке с последующим выходом их в кровь (пунктирные стрел­ки). Предположения (пока не доказанные), касающиеся выхода из клетки в кровь предшественников или фрагментов, показаны пунктирными стрелками с вопросительным знаком. Периферический мета­болизм включает поглощение интактного гормона некоторыми органами (наиболее вероятно, печенью и почками), где происходит третье расщепление (3). Считают, что это последнее расщепление приводит к образованию аминоконцевого (N-) и карбоксиконцевого (С-) фрагментов. Карбоксиконцевои фраг­мент возвращается в кровь, откуда он элиминируется медленнее, чем интактный гормон. Поэтому кон­центрация карбоксиконцевого фрагмента выше, чем интактного ПТГ. Судьба аминоконцевого фраг­мента, предположительно образующегося в процессе периферического метаболизма, остается неизвес­тной. Требует выяснения также вопрос об относительном значении периферического метаболизма и непосредственного высвобождения фрагментов из железы для гетерогенности паратиреоидного гор­мона в крови.

Биосинтез, секреция, метаболизм и механизм действия. На пути от транскрипции генов и трансляции до окончательной упаковки 84-членного пептида в предназначенные к сек­реции гранулы идентифицирован ряд более крупных молекулярных форм гормона (рис. 335-7). Самая ранняя из прекурсорных форм, называемая препропаратиреоидным гормоном, состоит из 115 аминокислотных остатков; эта молекулярная форма превращается в промежуточную форму из 90 аминокислотных остатков, называемую пропаратиреоидным гормоном. Подробности внутриклеточной регуляции биосин­теза неизвестны. Такой сложный путь от первоначального синтеза в виде более крупной молекулы, которая затем еще до секреции уменьшается в размерах в результате нескольких расщеплений, свойствен не только паратиреоидному гормону, но и другим полипептидам и белкам, предназначенным к секреции из клеток. Гидрофобные участки препропаратиреоидного гормона сходны с преучастками других секретируемых клетками белков и могут играть роль посредников, направляющих их транспорт от мест синтеза на полирибосомах через ци­тоскелет в секреторные гранулы. Гены бычьего, крысиного и человеческого паратиреоидного гормона клонированы, и их структуры расшифрованы. В структурах генов разных видов, рав­но как и в кодируемых ими белках, имеется высокая степень гомологии.

Секреция паратиреоидного гормона контролируется концентрацией ионов кальция в крови, а именно фракцией ионизированного кальция. При снижении концентрации каль­ция с нормальной до 75—80 мг/л (по данным определения общего кальция) скорость секре­ции гормона постепенно возрастает до максимальной, которая в 5 раз превышает исход­ную. Секреция гормона возрастает под влиянием -адренергических агонистов и агонис­тов рецепторов-2 гистамина, но физиологическое значение этих стимуляторов не установ­лено. Больше того, такие средства, как пропранолол или циметидин, не всегда снижают уровень паратиреоидного гормона в сыворотке.

Магний может изменять секрецию в том же направлении, что и кальций. Хотя физио­логические колебания концентрации магния вряд ли отражаются на секреции околощито­видных желез, резкий дефицит внутриклеточного магния нарушает секрецию гормона.

Гормон, секретируемый in vivo нормальными околощитовидными железами быка и человека и паратиреоидными аденомами, не отличается по иммунологическим критериям и размерам молекулы от 84-членного пептида (мол. масса 9500), экстрагируемого из желез. Однако большая часть иммунореактивного материала, обнаруживаемого в периферичес­кой крови человека и животных (бык, свинья), имеет меньшие размеры, чем экстрагируе­мый или секретируемый гормон. Основные циркулирующие фрагменты иммунореактив­ного гормона (мол. масса приблизительно 7000) лишены важнейшей аминоконцевой пос­ледовательности, определяющей биологическую активность, и, следовательно, представ­ляют собой биологически неактивные фрагменты гормона.

Расщепление нативного пептида эндопептидазой должно было бы приводить к появ­лению и второго фрагмента с мол. массой 2000—3000, который соответствует аминокон­цевой биологически активной части гормона. Однако присутствие в крови такого амино­концевого фрагмента не доказано. Неясно также, что определяет появление в крови фраг­мента (фрагментов) гормона — периферический его метаболизм или непосредственная сек­реция (как и интактного гормона) железой, и является ли периферический метаболизм только катаболическим процессом, ведущим к разрушению гормона, или он приводит к образо­ванию активного аминоконцевого фрагмента паратиреоидного гормона. Последние дан­ные указывают на то, что основными местами периферического метаболизма гормона слу­жат печень и почки. Расщепление его в этих органах могло бы регулировать концентра­цию гормонально-активных полипептидов в крови (см. рис. 335-7). В свою очередь на пе­риферический метаболизм могли бы влиять такие патологические процессы, как почечная недостаточность или тяжелая дисфункция печени.

Скорость клиренса секретируемого 84-членного пептида в крови превышает таковую меньшего биологически неактивного фрагмента (фрагментов), образующихся в результа­те периферического метаболизма. Следовательно, результаты определения уровня парати­реоидного гормона в крови с помощью большинства иммунологических методов дают лишь приблизительное представление об активности околощитовидных желез, а не пря­мую оценку количества биологически активного гормона, поскольку основную циркули­рующую форму иммунореактивного гормона составляют именно биологически инертные фрагменты, а не интактный гормон. Изменение скорости продукции пли клиренса фраг­ментов может сказываться на концентрации иммунореактивного гормона даже в отсутст­вие сдвигов в скорости гормональной секреции. Такое расхождение между концентрация­ми иммунореактивного и биологически активного гормона встречается, например, при почечной недостаточности, так как почки, по-видимому, играют основную роль в экскре­ции гормональных фрагментов из организма.

Биохимическое действие паратиреоидного гормона включает его влияние на адени­латциклазу клеток-мишеней. Стимуляция активности этого фермента при специфическом взаимодействии гормона с мембраной клетки-мишени приводит к повышению внутрикле­точного уровня циклического АМФ (см. также гл. 67). Паратиреоидный гормон взаимо­действует с комплексом специфический рецептор — аденилатциклаза на плазматической мембране клетки. Этот комплекс состоит из гормонального рецептора, каталитической ферментной единицы (аденилатциклазы) и регуляторного белка (G- или N-белок), связы­вающего гуаниловые нуклеотиды (ГТФ или ГДФ) (см. гл. 67). Этот последний белок состо­ит из -субъединиц, связывающих ГТФ или ГДФ, и -субъединиц, которые диссоциируют отбелка, когда -субъединицы связывают ГТФ и вновь присоединяются к белку, когда -субъединицы связывают ГДФ. Будучи связанной с ГТФ, -субъединицакомплексируется с аденилатциклазой, что приводит к активации последней и увеличению скорости образо­вания циклического АМФ из АТФ. Гидролиз ГТФ до ГДФ на -субъединице обусловли­вает реассоциацию субъединиц G-белка и снижение активности аденилатциклазы. Корот­ко говоря, связывание гормона с рецептором запускает цикл связывания ГТФ -субъединицей и активирует фермент.

После введения паратиреоидного гормона повышение уровня циклического АМФ в моче предшествует сколько-нибудь заметному увеличению экскреции фосфата. Подобно этому, действие на активность аденилатциклазы кости можно обнаружить уже в течение первой минуты после добавления паратиреоидного гормона к суспензии костных клеток. Кроме того, введение дибутирил-циклического АМФ имитирует действие паратиреоидно­го гормона у паратиреоидэктомированных животных. Дибутирил-циклический АМФ вызывает повышение уровня кальция в сыворотке, снижение содержания в ней фосфата и увеличение экскреции кальция, фосфата и гидроксипролина с мочой.

Механизм, посредством которого повышенная внутриклеточная концентрация цик­лического АМФ обусловливает сдвиги в транслокации ионов кальция и фосфата, неизвес­тен. В отдельных чувствительных к гормону тканях, где гормон действует через механизм циклического АМФ, обнаружена стимуляция протеинкиназ, которые в свою очередь обес­печивают фосфорилирование белков, инициирующих гормональный эффект.

Каков бы ни был этот механизм, но первый физиологический эффект (возникающий в течение нескольких минут) паратиреоидного гормона — это гипокальциемия, связанная с оттоком кальция из крови в клетки (по всей вероятности, костные). Таким образом, «вто­рым посредником» действия паратиреоидного гормона в клетках-мишенях может быть как циклический АМФ, так и кальций.

Патофизиология. При гиперпаратиреозе наблюдается чрезмерная продукция парати­реоидного гормона опухолями околощитовидной железы или гиперплазированными же­лезами, причем гиперплазия затрагивает все железы. Избыток гормона приводит к гипер­кальциемии вследствие ускорения всасывания кальция в кишечнике [повышение синтеза 1,25(OH),DJ и снижения почечного клиренса кальция. У большинства больных возраста­ет также резорбция костной ткани; кругооборот компонентов кости увеличивается у всех больных, но у многих из них процессы резорбции преобладают над процессами образова­ния кости. Реакции отдельных тканей-мишеней (кишечник, почки и кости) на избыток гор­мона у больных обнаруживают индивидуальные колебания; факторы, обусловливающие различие этих реакций у разных больных, остаются неизвестными (см. гл. 336).

В результате влияния избыточных количеств паратиреоидного гормона па реабсорб­цию фосфата в почечных канальцах возникает гипофосфатемия, которая в свою очередь усиливает гиперкальциемию отчасти за счет повышения как синтеза 1,25(ОН)₂D₃, так и чувствительности кости к резорбции. Гипофосфатемия может также препятствовать нор­мальной минерализации кости, что создает смешанную картину повышенной резорбции и недостаточной минерализации на соседних участках костей скелета.

Гипопаратиреоз сопровождается гипокальциемией и гиперфосфатемией, т. е. сдвига­ми, обратными тем, которые наблюдаются при избытке гормона (см. гл. 336).

Кальцитонин (см. гл. 334)

Кальцитонин —это пептидный гормон, обладающий мощным гипокалиемическим и гипофосфатемическим действием, который во многих отношениях выступает в роли физи­ологического антагониста паратиреоидного гормона. Кальцитонин уменьшает резорбцию костей и влияет на почки противоположным по сравнению к паратиреоидным гормоном образом, т. е. увеличивает клиренс кальция. Эффекты кальцитонина опосредуются стиму­ляцией связанной с мембранами аденилатциклазы в разных клетках почек и костей, обла­дающих рецепторами к этому гормону. Чувствительность разных клеток почечных канальцев к кальцитонину, паратиреоидному гормону и вазопрессину неодинакова. В некото­рых сегментах нефрона клетки реагируют на все три гормона, но в других — только на один или два из них. Среди костных клеток рецепторами кальцитонина обладают остео­класты.

У млекопитающих основным источником гормона служит щитовидная железа, а клет­ки, синтезирующие кальцитонин, происходят из ткани нервного гребешка. Во время эмбри­огенеза эти клетки мигрируют в ультимобрахиальное тельце, которое образуется из послед­него брахиального мешка, почему и называется ультимобрахиальным. У низших позвоноч­ных ультимобрахиальное тельце остается отдельным органом, анатомически несвязанным со щитовидной железой. У млекопитающих же это тельце или железа, сливается со щитовид­ной железой и включается в нее. Кальцитонин обнаружен у позвоночных всех классов.

Природные кальцитонины состоят из пептидной цепи, насчитывающей 32 аминокис­лотных остатка. Аминокислотные последовательности в гормонах разных видов сущес­твенно различаются. В организме для проявления биологической активности необходима, по-видимому, вся 32-членная цепь, хотя в системах in vitro функционируют и фрагменты гормона. Факторы, регулирующие синтез кальцитонина, неизвестны. В равных по весу количествах кальцитонин лосося в 25—100 раз сильнее снижает уровень кальция в сыво­ротке млекопитающих, чем другие формы этого гормона. Например, у человека лососе­вый гормон по крайней мере в 10 раз активнее человеческого кальцитонина. Большая би­ологическая активность кальцитонина лосося отчасти может объясняться его медленным клиренсом, но он и более прочно связывается с рецепторами. Кальцитонин синтезируется в виде молекулы-предшественника, которая в 4 раза больше самого гормона. При анализе последовательности кодирующих участков гена кальцитонина крысы обнаружили по край­ней мере два соседних с кальцитонином пептида, которые отделяются от гормона основ­ными остатками. По аналогии с общим предшественником для АКТГ и эндорфина можно думать, что эти пептиды секретируются вместе с кальцитонином и оказывают эффекты, которые могли бы объяснить, например, некоторые патофизиологические особенности синдромов, обусловленных избыточной продукцией кальцитонина. Имеются два гена каль­цитонина —  и , расположенные на 11-й хромосоме в общей области генов бета-глобина и паратиреоидного гормона. Транскрипция гена кальцитонина — сложный процесс. С -гена транскрибируются две разные информационные РНК; одна транслируется в предшествен­ник кальцитонина, а другая — в особый продукт: пептид, связанный с геном кальцитони­на (ПСГК). Синтез ПСГК сопровождает любую экспрессию мРНК кальцитонина, напри­мер, при медуллярном раке щитовидной железы. Ген  транскрибируется в информацион­ную РНК ПСГК в центральной нервной системе млекопитающих, где ПСГК может вы­полнять роль нейротрансмиттера. У человека в отличие от животных экспрессия -гена не обнаружена, но предположительно существует.

Секреция кальцитонина находится под непосредственным контролем уровня кальция в крови: при увеличении содержания кальция концентрация кальцитонина повышается, а при падении снижается. Попав в кровь, кальцитонин быстро исчезает из нее, период его полужизни 2—15 мин.

Концентрация кальцитонина в периферической крови здоровых людей ниже, чем у животных многих видов. Базальный и стимулированный уровни иммунореактивного каль­цитонина у женщин ниже, чем у мужчин, а тенденция к снижению этих уровней с возрас­том у женщин выражена в большей степени.

Физиологическая роль кальцитонина не совсем понятна. У животных кальцитонин снижает содержание в крови как кальция, так и фосфата; в основе этого действия лежит торможение резорбции костной ткани. Увеличение клиренса кальция и фосфора с мочой под действием кальцитонина лишь усиливает проявления его влияния на резорбцию кос­тей. В свою очередь регуляция продукции кальцитонина кальцием сыворотки крови моду­лирует действие гормона на почки и кость. Таким образом, представление о роли кальци­тонина в защите от гиперкальциемии основано на гипокальциемических его эффектах, реализующихся в ответ на гиперкальциемию.

Однако у здоровых взрослых людей роль кальцитонина остается неясной. У человека даже крайние колебания продукции гормона не сопровождаются заметными сдвигами в метаболизме кальция и фосфата. Нет также определенных симптомов, которые можно было бы отнести за счет недостаточности (у тиреоидэктомированных больных, получающих заместительную терапию только тироксином) или избытка (у больных с секретирующей кальцитонин опухолью — медуллярным раком щитовидной железы) кальцитонина. При последнем заболевании больные страдают от множества тяжелейших последствий злока­чественного роста (см. гл. 334), но кальциевый или костный метаболизм у них не наруша­ется, вероятно, потому, что они приобретают резистентность к влиянию кальцитонина на кости скелета.

Поэтому в настоящее время интерес врачей сосредоточен на применении кальцитони­на в качестве терапевтического средства или использовании результатов его радиоимму­нологического определения для выявления медуллярного рака (см. гл. 334). Кальцитонин с успехом применяют для лечения больных с костной болезнью Педжета.