Этапы биосинтеза: фотобиогенез и метаболизм

Схема стадий биосинтеза витамина D3 (холекальциферол) при­ведена на рис. 3—21. Субстратом синтеза 7-дегидрохолестерина — «провитамина» служит ацетил-СоА. Ультрафиолетовый фотолиз провитамина приводит к образованию 6,7-цис изомера, называе­мого «провитамин D3» (преD3). Этот изомер под действием тем­пературы превращается в коже в витамин D3. Аналогичная груп­па реакций наблюдается и при образовании витамина D2 (эргокальциферол) из провитамина эргостерола. Витамины В3 и Da затем транспортируются на специфических, связывающих вита­мин D, белках плазмы в печень, где карбоксилируются по 25-му углеродному атому (С-25) с образованием одного из главных циркулирующих в крови метаболитов — 25-оксивитамина D (25-OHD). Хотя именно печень является главным местом 25- гид­роксилирования витамина D, однако в некоторой степени оно про­исходит и в других органах. Витамин D3 25-гидроксилаза лока­лизуется в микросомах печени (и других органов), причем фер­ментативная реакция в качестве кофакторов требует восстановленного НАДФ и молекулярного кислорода. В физиоло­гических концентрациях ни витамин D, ни 25-OHD не способны стимулировать транспорт кальция в кишечнике или мобилизацию кальция из костей.

Конечной активной формой витамина является 1,25(ОН)₂D. Этот дважды гидроксилированный метаболит образуется в почках путем гидроксилирования 25-OHD, синтезируемого в печени и транспортируемого белковыми переносчиками плазмы в почки. Считается, что почки являются главным, если не единственным местом локализации la-гидроксилазы 25-OHD. В отличие от 25-гидроксилазы витамина D, которая присутствует в печеночных микросомах, 1a-гидроксилаза 25-OHD локализуется в митохонд­риях почечных клеток, и реакция гидроксилирования требует присутствия НАДФ-Н, молекулярного кислорода и ионов магния. Кроме того, этот фермент представляет собой оксидазу со сме­шанными функциями, зависимую от цитохрома Р-450. 1,25(OH)2D транспортируется белками-переносчиками плазмы в специфиче­ские клетки-мишени кишечника и скелета, где и оказывает свое биологическое действие. О точной природе белков плазмы, уча­ствующих в транспорте витамина D и его метаболитов, известно мало. По-видимому, они являются a-глобулинами, но не ясно, один или несколько белков выполняют эту транспортную функ­цию.

Рис. 3 — 21. Начальные этапы биосинтеза витамина D. 7-Дегидрохолестерин (провитамин D), образующийся из ацетил-СоА, накапливается в коже, где в ответ на солнечное или ультрафиолетовое излучение вследствие фото­метаболизма превращается в витамин В3 (холекальциферол) через проме­жуточные стадии, включающие образование превитамина D.

Механизм действия 1,25(OH)₂D, очевидно, сходен с механиз­мом действия надпочечниковых и половых стероидов тем, что в нем участвует связывание дигидроксилированного витамина с ци­тозольными рецепторными белками. Витаминорецепторный комп­лекс затем транслоцируется в ядро, в котором он стимулирует синтез РНК и в результате синтез связывающих и/или транспор­тирующих кальций белков. Современные данные убедительно свидетельствуют о том, что 1,25(OH)₂D является конечной ак­тивной формой витамина и что она представляет собой конечный продукт последовательных реакций гидроксилирования. Через несколько часов после введения животным меченого 1,25 (ОН)₂D, когда уже отчетливо виден транспорт кальция в кишечнике и скелете, большую часть меченого вещества удается обнаружить в неизмененном виде; это свидетельствует о том, что для проявления биологической активности дальнейший метабо­лизм не требуется. Некоторые исследователи, однако, в экстрактах кишечника идентифицировали небольшие количества трижды гидроксилированного метаболита — 1,24,25-триоксивитамина D, — причем кишечник содержит, по-видимому, и фермент, способный гидроксилировать 1,25 (ОН)₂D в 24-м положении. Таким образом, возможно, хотя и не доказано, что определенная часть биологической активности 1,25(OH)₂D в кишечнике обусловлена его гидроксилированием в 1,24,25 (ОН)₂D. Помимо уже описанных реакций гидроксилирования, в почках и, вероятно, в других тка­нях присутствуют активности, гидроксилирующие 25-OHD в 24-м положении, что приводит к образованию 24,25 (ОН)₂D. Биологи­ческие эффекты этого особого дважды гидроксилированного ме­таболита выяснены неполностью. По крайней мере, одна из его функций могла бы заключаться в ингибировании секреции па­ратиреоидного гормона (см. далее).

Биосинтетический путь образования биологически активного витамина D через последовательные реакции гидроксилирования отличается от пути образования стероидных гормонов надпочеч­ников по крайней мере одним интересным аспектом. Все фермен­тативные стадии, необходимые для гидроксилирования и синтеза стероидных гормонов надпочечников, происходят в одном и том же органе — коре надпочечников, и в одной и той же клетке ко­ры, хотя и в разных субклеточных органеллах. В отличие от это­го, различные этапы гидроксилирования на пути синтеза ди- и тригидроксилированных метаболитов витамина D происходят по крайней мере в трех разных органах (кожа, печень и почки), что делает необходимым существование высоко избирательных про­цессов захвата, ферментативной модификации и выделения мета­болитов, равно как и транспорта промежуточных метаболитов из органа в орган через кровоток. Факт столь разительного отличия путей биосинтеза, происходящего в ходе последовательного гид­роксилирования этих двух видов стероидных гормонов безусловно интересен. Хотя причины таких различий не известны, можно было бы предположить, что они связаны с эволюцией механизма, обеспечивающего существование множества пунктов, в которых происходит регуляция образования активной формы витамина D.

РЕГУЛЯЦИЯ

Главная регулируемая стадия биосинтеза витамина D локализу­ется на уровне превращения 25-OHD в 1,25 (ОН)₂D под влиянием 1a-гидроксилазы 25-OHD в почках. Биосинтез витамина может в какой-то степени регулироваться и на уровне 25-гидроксилирования в печени, а также на уровне превращения провитамина D в витамин D в коже, но общее значение этих регуляторных эта­пов не выяснено.

Рис. 3—22. Схематическое изображение предполагаемых пунктов регуляции в процессе метаболизма витамина D.

1 — 25-гидроксилирование в печени; 2 — 1-гидроксилирование в почках: паратиреоидный гормон стимулирует, а гиперфосфатемия подавляет превращение 25-оксивигамина D3 в 1,25-диоксивитамина D3: 3 — действие 1,25-диоксивитамина D3 на цито­зольные рецепторы в кишечнике и кости — главных органах-мишенях (НаЬег J.F., Mahaffey J.E., Ann. Rev. Med., 1978, 29, 327).

С физиологической точки зрения важно, что активность по­чечной 1a-гидроксилазы 25-OHD находится в обратной зависимо­сти от уровня ионизированного кальция во внеклеточной жидко­сти. Так, снижение уровня ионизированного кальция в плазме приводит к усилению образования 1,25 (ОН)₂D из его предшест­венника 25-OHD и, наоборот, повышение уровня кальция подав­ляет образование дигидроксилированного метаболита. В первом случае всасывание кальция в кишечнике и резорбция его из ске­лета стимулируются, тогда как во втором случае эти процессы тормозятся и, таким образом, происходит обратный сдвиг уровня кальция во внеклеточной жидкости в направлении его нормали­зации. Однако кальций, вероятно, изменяет активность 1a-гидрок­силазы не непосредственно. Он осуществляет свое влияние опо­средованно путем регуляции высвобождения паратиреоидного гор­мона в кровь, а паратиреоидный гормон уже действует на почки, регулируя степень гидроксилирования в 1-м положении (рис. 3—22). По-видимому, это действие паратиреоидного гормона на процесс 1-гидроксилирования также не прямое, а опосредуется влиянием гормона на трансмембранные потоки фосфатного иона в клетках почечных канальцев. Активность la-гидроксилазы, очевидно, непосредственно зависит от окружающей концентрации фосфатного иона; гипофосфатемия стимулирует, а гиперфосфате­мия угнетает образование 1, 25(OH)₂D.

Помимо фосфатных ионов, оказывающих сильное влияние на. скорость образования 1,25 (ОН)₂D, другие факторы могут регули­ровать или модулировать активность 1a-гидроксилазы и в резуль­тате—количество 1,25 (ОН)₂D, продуцируемое почками. К таким факторам относятся пролактин, половые стероиды, глюкокорти­коиды и инсулин. Относительное значение этих гормонов в регу­ляции биосинтеза витамина D в настоящее время не известно, по возможность участия некоторых гормонов гипофиза половых желез и поджелудочной железы в регуляции биосинтеза и мета­болизма витамина D открывает новые интересные области иссле­дования сложных взаимоотношений гормональных эффектов в ре­гуляции метаболизма кальция в костях скелета.