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WE14笔记 l 2021 l 11-4 编译：陈康 血浆输运 甲状腺激素在外周组织中的代谢转化决定了其生物学效价并调节其生物学效应。因此，要了解甲状腺生理病理学，就需要了解甲状腺激素代谢途径。血浆中存在多种碘甲状腺原氨酸及其代谢衍生物。其中，T4浓度最高，也是唯一一种完全由甲状腺直接分泌的物质。在正常人中，T3也从甲状腺中释放，但约80%来自外周组织，方法是酶法从T4中去除单个5’碘原子(外环或5’单脱碘)。剩余的碘甲腺原氨酸及其衍生物的外周组织中由T4和T3生成。其中主要有3，3′，5′-三碘甲腺原氨酸(反T3，或rT3)和3，3′-二碘-l-甲腺原氨酸(3，3′-T2)(图2)。还存在痕量浓度的其他二碘甲腺原氨酸、单碘甲腺原氨酸及其与葡糖醛酸或硫酸的缀合物。带有乙酸而非丙氨酸侧链(二十四酸和三酸)的T4和T3脱氨基衍生物也以低浓度存在。3-碘甲状腺原氨酸(T1AM/3-Iodothyronamine)是一种生物合成来源不明的内源性甲状腺激素衍生物【Thyroid. 2016;26(12):1656–1673】。结构相似性导致了T1AM是T4的甲状腺外代谢产物的假设。 图2 甲状腺激素代谢的 主要脱碘和非脱碘途径。
主要的碘甲腺原氨酸在水中溶解性差，而与血浆蛋白可逆结合。与T4主要相关的血浆蛋白是TBG和转甲状腺素蛋白（transthyretin/TTR;以前称为T4结合前白蛋白/TBPA)和白蛋白(表4)。约75%至80%的T3与TBG结合，其余由TTR和白蛋白结合。 表4 主要的人甲状腺激素结合蛋白的比较
甲状腺素结合球蛋白 TBG是一种糖蛋白，分子量约为54 kDa，其中约20%为碳水化合物。它由X染色体TBG (SERPINA7)基因产生的3.8 kb转录本编码。TBG的蛋白序列类似于丝氨酸抗蛋白酶serpin家族的蛋白序列。由于每个TBG分子有一个碘甲腺原氨酸结合位点，因此TBG在正常人血清中的T4或T3结合能力与其浓度相当，约为270 nmol/L (21 μg/dL)。该蛋白在血浆中的半衰期约为5天。 先天性TBG缺乏症较常见，每5000个新生儿中就有1个发生，并且与男性完全缺乏该蛋白有关。L-门冬酰胺酶阻断TBG合成，这是接受该药物的患者T4浓度低的原因。 TBG糖基化会影响其从血浆中的清除率及其在等电聚焦期间的行为。在接受雌激素治疗的患者中，TBG更酸性条带的患病率有所增加。与带正电荷的TBG蛋白相比，唾液酸化（sialylated）程度更高的TBG蛋白从血浆中清除的速度更慢，因为唾液酸化（sialylated）会抑制肝脏对糖蛋白的摄取。来自妊娠患者、接受口服避孕药的妇女和急性肝炎患者的血清中酸性TBG的分数增加。与男性和非妊娠女性一样，遗传性TBG过多症患者具有正常量的高唾液酸化（sialylated）TBG。因为TBG是主要的T4结合和T3结合蛋白，所以TBG或其结合的变化与总血浆T4和T3的变化平行，但T4和T3的产生几乎没有变化。 另一个影响TBG的翻译后修饰发生在脓毒症患者或心肺体外循环手术后【JCEM. 2000;85(11):3996–3999】。TBG受到多形核白细胞释放的丝氨酸蛋白酶的切割，导致5-kDa羧基末端环的释放，从而降低对T4的亲和力。已描述了皮质醇结合球蛋白的类似反应，该反应在炎症部位释放皮质醇【Nature. 1988;336(6196):257–258】。已假设释放的T4可能在对损伤的反应中起关键作用，可能是通过提供用于抗菌目的的碘供应。约49 kDa的裂解TBG循环物，由于其结合T4的亲和力较低，因此即使TBG饱和研究或免疫测定表明TBG浓度正常，也可以解释急性疾病中游离与结合T4比率增加的原因（见“空腹或疾病期间的甲状腺功能”）。 转甲状腺素蛋白（transthyretin，TTR） TTR是一种T4转运蛋白，以及与视黄醇(维生素A)结合的视黄醇结合蛋白，因此得名。它由四条相同的多肽链组成，总分子量约为55 kDa，未糖基化。血浆中的浓度约为4 mmol/L (250 μg/mL)。每摩尔TTR以高亲和力结合1摩尔T4，第二个T4分子在高T4浓度下以较低亲和力结合。其在血浆中的半衰期通常约为2天，但在患病期间会降低。TTR在脉络丛中表达，是脑脊液(CSF)中主要的甲状腺激素结合蛋白。已在胚胎血清中检测到高水平的TTR，可能是由胎盘细胞直接产生的【Placenta. 2011;32(11):817–822】。小鼠中靶向性TTR基因破坏表明，脑对T4的摄取未受到损害，因此TTR在CSF中的作用在甲状腺生理学方面尚未明确。 TTR的变体形式与家族性淀粉样变性多神经病有关【Curr Med Chem. 2012;19(15):2304–2311】。在受影响的家族中，TTR单体具有几种不同的点突变之一，TTR在淀粉样组织沉积物中积聚。未报告甲状腺功能障碍或维生素A代谢改变，尽管部分突变蛋白对T4的亲和力改变。已报告了同时具有高亲和力TTR和少数TTR水平升高的家族。 治疗药物对TBG和TTR结合的T4和T3的竞争 TBG结合位点对T3的亲和力约是对T4的1/20(见表4)。苯妥英、水杨酸盐、双水杨酸(salsalate)、速尿、芬氯酸（fenclofenac）和米托坦可抑制TBG对T4和T3的结合。这些化合物对TBG的亲和力比碘甲腺原氨酸弱得多，但它们在血浆中的浓度足够高，足以与T4和T3结合竞争，降低总激素水平，但游离T4仍保持正常。由于除超滤外，用于估算人血清中T4和T3游离分数的所有方法均会稀释血清，因此接受这些药物治疗的正常甲状腺患者可能表现出较低的总T4或T3和游离T4或T3，而在体内游离分数正常。 白蛋白 白蛋白与T4和T3结合的亲和力远低于TBG或TTR，但该蛋白的高浓度导致10%的血浆甲状腺激素结合(见表4)。白蛋白浓度的变化本身对总激素水平几乎没有影响，除非伴有TBG和TTR的改变，这三种都是在肝脏中合成的。肝功能衰竭或肾病综合征会导致所有三种的血浆浓度降低，患有这些疾病的患者的血清白蛋白浓度可作为估计TBG浓度的替代指标。 白蛋白在甲状腺生理中的作用在家族性白蛋白分泌障碍性高甲状腺素血症(FDHT4/ familial dysalbuminemic hyperthyroxinemia)和高碘甲状腺氨酸血症(FDHT3/ hypertriiodothyroninemia)的患者中变得具有临床意义【Front Endocrinol. 2017;8:297；JCEM. 1998;83(5):1448–1454】。这两种疾病都是以遗传为主，且以高浓度的总T4或T3 (FDH)为特征。然而，游离激素浓度保持正常，患者甲状腺功能正常。识别这些变异体很重要，因为受影响的个体有接受错误治疗的风险。这类患者的检测结果可能存在令人困惑的模式，特别是当使用模拟方法或标记的T3估计游离T4或T3时(见公众号内其他内容)。
其他血浆甲状腺激素结合蛋白 3%至6%的血浆T4和T3与脂蛋白结合。T4结合脂蛋白是一种27 kDa同型二聚体，对T4的亲和力低于TBG。这种结合具有不确定的生理意义，但可能在靶向T4递送至特定组织中发挥作用。 游离甲状腺激素 由于大部分循环T4和T3与TBG有关，其浓度和饱和度是决定T4游离分数的主要因素。甲状腺激素与血浆蛋白的结合改变了它们的代谢。由于肾小球处激素结合蛋白复合物的可过滤性有限，因此T3和T4的尿排泄可忽略不计。在体外，甲状腺激素与其结合蛋白之间的相互作用符合可逆结合平衡，可用常规平衡方程表示。对于以下公式，使用T4作为原型，但需知晓类似的相互作用适用于T3情况。T4和TBG之间的互动可以表述如下:
其中TBG代表未占据的结合蛋白，Ka代表相互作用的平衡缔合常数，T4代表游离T4的浓度；T4 ·TBG是与TBG结合的T4 (总T4的68%与TBG结合)。 重新排列后，可以将其表示为:
因此，T4(T4/T4 TBG)的游离分数与未被占据的TBG结合位点的浓度成反比。血清中游离T4浓度的估计值可通过直接或间接测定法生成。在正常血清中，游离T4约为总量的0.02%(约20 pmol/L，1.5 ng/dL)。TBG对T3的亲和力约低20倍，导致未结合T3的比例更高(0.30%)(表5；另见表4)。 表5 三碘甲状腺原氨酸(T3)和甲状腺素(T4) 在人体内的比较
正是组织可用于细胞摄取和反馈调节的游离激素诱导其代谢效应，并经历脱碘或降解。结合的激素只是作为一个库。因此，游离激素的浓度是代谢状态的决定因素，正是这种浓度受到稳态机制的保护。如果TBG发生变化，只有当结合激素向同一方向变化时，游离T4浓度和T3浓度才能维持在正常水平。例如，当雌激素给药导致TBG浓度增加时，游离T4减少会降低T4清除率，从而导致血浆总T4浓度增加。这是一个反复的过程，最终会使游离T4正常化到一个新的平衡，而T4分泌率没有变化。游离甲状腺激素的短暂减少也略微减少了下丘脑-垂体-甲状腺轴上的负反馈，这导致甲状腺激素的产生增加，作为额外的补偿。 前面的公式被称为游离甲状腺激素假说【ER. 1989;10(3):232–274】。如果它是可用于细胞进入的游离激素，那么激素结合蛋白的作用(如果有的话)是什么？蛋白质结合促进疏水性甲状腺激素在整个血管系统中的分布。例如，如果将含示踪剂T3的无蛋白溶液经门静脉经大鼠肝脏灌注，则存在陡峭的浓度梯度，且随着距肝门小叶中心距离的增加，溶液中T3的量减少。实际上所有的T3都被其所接触的第一个细胞摄取。相反，如果向灌注液中加入白蛋白，则示踪剂在整个叶中的分布是均匀的。甲状腺激素从组织中流入和流出都很快。因此，细胞内游离T3和T4与血浆中的游离激素池处于平衡状态，但转运体活性和代谢会影响该比值的大小。在稳态下，激素从血浆中排出的限速因素是T3和T4代谢的速率，而不是从血浆蛋白中的解离速率。 T4和T3跨细胞膜转运及细胞内T3结合 长期以来，人们一直认为碘甲腺原氨酸通过质膜的转运是通过被动扩散进行的，但现在越来越清楚的是，甲状腺激素的细胞摄取和外排是由转运蛋白介导的【Best Pract Res Clin Endocrinol Metab. 2017;31(2):241–253；Vitam Horm. 2018;106:19–44】。已经鉴定出几种特定的甲状腺激素转运蛋白，包括单羧酸转运蛋白8 (MCT8)、MCT10、有机阴离子转运多肽1C1 (OATP1C1)以及L型氨基酸转运蛋白LAT1和LAT2。MCT8和MCT10在多种组织中表达，可促进T3、T4、rT3和T2跨细胞膜转运；OATP1C1主要在脑内表达，优先转运T4，可能介导T4进入星形胶质细胞。研究显示，单个甲状腺激素转运体分子MCT8的缺陷会导致严重的发育性神经表型【Endocrinology. 2009;150(3):1078–1083】。Allan-Herndon-Dudley综合征(AHDS)是一种X连锁疾病，特征为严重智力低下、构音障碍、手足徐动、肌肉发育不全和痉挛性截瘫，伴有血清T3升高【Am J Hum Genet. 2005;77(1):41–53】。所有检测到的该综合征患者的MCT8基因均有突变。已鉴定出200多个体，属于所有人种和不同人种的约100个家族，携带70多种不同的突变。虽然大多数突变导致MCT8蛋白的完全功能性失活，但观察到大量MCT8突变的显著残留活性，其中一些与较温和的临床表型有关【Trends Endocrinol Metab. 2008;19(2):50–56】。尽管存在明显增加的T3水平，但MCT8缺失小鼠没有任何明显的神经系统异常， 鉴于严重的人类表型，这是一个相当出乎意料的发现【J Clin Invest. 2007;117(3):627–635】。与人类表型的差异现在可以用小鼠在血脑屏障表达OATP1C1这一事实来解释，这一事实补偿了MCT8转运的缺乏【J Clin Invest. 2014;124(5):1987–1999】。甲状腺激素过量和缺乏在不同组织中共存是这一综合征的一个明显特征。表达MCT8以外的转运体的组织，如肝和肾，对高循环T3水平作出反应，导致局部甲状腺功能亢进状态，而依赖MCT8使甲状腺激素进入细胞(如脑)的组织是甲状腺功能减退的。两种治疗方案，PTU联合左旋甲状腺素T4 (L-T4)73和不依赖MCT8进入细胞的拟甲状腺化合物二碘甲状腺丙酸(DITPA/ diiodothyropropionic acid)，已用于治疗数例MCT8基因突变的患者【Endocrinology. 2014;155(10):4088–4093】。 T4特有的另一种转运体OATP1C1(有机阴离子转运多肽家族成员)在整个脑的毛细血管中表达，提示其可能参与T4跨血脑屏障的转运【Endocrinology. 2009;150(3):1078–1083】。总之，这些结果表明T3向神经元的供应可能按照图3所示的模式发生【Endocrinology. 2005;146(4):1698–1700】。T4通过OATP1C1的作用被转移到脉络丛或伸长细胞(tanycytes)中，而OATP1C1在脑毛细血管中受甲状腺激素负调控。在伸长细胞或星形胶质细胞中，T4被2型碘甲腺原氨酸脱碘酶(D2)转化为T3并离开细胞，可能通过MCT8/MCT10转运体，在此可用于神经元摄取，也通过MCT8。神经元表达3型脱碘酶(D3)，阻止T4活化并催化T3的降解(参见“碘甲腺原氨酸脱碘”)。这将为MCT8突变与注意缺陷/多动障碍(ADHD)之间的关联提供一个合乎逻辑的解释，但令人费解的是，为什么这种情况的神经系统表现与未治疗的先天性甲状腺功能减退症或严重碘缺乏症患者的表现如此不同(见公众号内其他部分内容)。 图3 进入中枢神经系统的可能通路
随着属于许多不同转运蛋白家族的组织特异性和全身碘甲腺原氨酸转运蛋白证据的积累，此转运场变得更加复杂。每一个都有许多成员，其结构有微小的变化，从而改变目标物质的特异性。限于篇幅，这一主题不是本文的主要内容，感兴趣的读者可以参考近期优秀的文献获得进一步的信息【Best Pract Res Clin Endocrinol Metab. 2017;31(2):241–253；Vitam Horm. 2018;106:19–44】。 在大多数细胞中，约90%的细胞内T3位于胞质中。已知的例外是垂体，其中约50%的细胞内T3存在于细胞核中。确定这种分布的机制尚不清楚，但如果甲状腺激素在细胞核内外和其他细胞内区室之间有主动转运，也就不足为奇。已鉴定出一种细胞内T3结合蛋白(μ-晶体蛋白/ mu-crystallin)，在人脑、耳蜗和心脏中高水平表达，但分布广泛。编码μ-晶体蛋白的Crym基因断裂导致先天性耳聋【J Med Genet. 2006;43(6):e25】。该蛋白或类似蛋白也可能在活性激素的亚细胞定位中发挥作用。 碘甲腺原氨酸脱碘 T4代谢最重要的途径是其外环(5′)与活性甲状腺激素T3单脱碘。该反应由1型和2型脱碘酶(D1和D2)催化，是人体内80%以上循环T3的来源(见图2)。内环脱碘是一个失活步骤，主要由D3催化，D3使T3失活，并通过将其转化为rT3来防止T4活化(见图2)。三种人脱碘酶的结构相似，都是同源二聚体和整合膜蛋白，都需要巯基辅因子才能成功催化(图4)。在活性催化中心含有稀有氨基酸硒代半胱氨酸(selenocysteine，见表2)。硒代半胱氨酸具有亲核性质，因此非常适合催化氧化还原反应，如碘代甲状腺素脱碘和另一类硒酶（selenoenzymes）谷胱甘肽过氧化物酶对H2O2的还原。小鼠脱碘酶3 (Dio3)催化结构域的晶体结构显示出与非典型的2-半胱氨酸过氧化物酶的结构相似性。硒被认为是脱碘反应中的碘受体。将D1的硒代半胱氨酸突变为半胱氨酸，即以硫代替硒，可将酶的速度降低约200倍。考虑到合成硒蛋白的细胞过程复杂且效率低下，硒代半胱氨酸的存在具有催化活性以外的含义【ER. 2002;23(1):38–89】。这是通过编码这些蛋白的mrna 3’非翻译区中的特定结构特征(硒代半胱氨酸插入序列(SECIS)元件)与一组结合了基因产物的特定硒代半胱氨酸的组合来实现的。所有这些元件都是复杂细胞功能所必需的，通过这些元件，正常的终止密码子UGA被认为是蛋白质翻译过程中插入硒代半胱氨酸残基的特异性密码子【FASEB J. 2016;30(11):3669–3681】。 图4 三种碘甲腺原氨酸脱碘酶的 预测拓扑结构
SECIS结合蛋白2 (SBP2)的双等位基因突变导致甲状腺功能测试异常，TSH、T4、FT4和反T3升高，但总T3和游离T3浓度较低，可能与身材矮小和骨龄延迟有关【Nat Genet. 2005;37(11):1247–1252】。 硒代碘酶的酶学和调控 尽管D1和D2都激活了T4，但它们有几个重要的区别(见表2)。D1催化T4的5′和5脱碘，分别形成T3和rT3，但这些反应的米氏常数(Km)比该底物的D2和D3大约大3个数量级。D1的优选底物是rT3(5’脱碘)和T3SO4 (5’脱碘)。与D2或D3不同，D1受到PTU的抑制。D1与D2的不同之处还在于，过量甲状腺激素通过增加基因转录而显著增加，而D2 mRNA和蛋白则因甲状腺激素而减少。D2的半衰期仅为20至30分钟，而D1和D3的半衰期则超过12小时。这是由于D2的快速泛素化，这一过程通过与其底物T4或rT3的相互作用而加速。D1和D3被认为是非泛素化的。 D2靠近细胞核的细胞内位置使由其催化作用形成的T3比由D1形成的T3更容易进入细胞核。D2产生的T3特别有效地进入细胞核并与甲状腺激素受体(TRs)结合，这一特性可通过其在内质网(ER)中的位置来解释(见图4)。一方面，D1位于质膜中，由该酶产生的T3优先进入质池。对脱碘酶抑制剂和有差异地能够穿过细胞膜的辅因子的研究表明，D3活性中心在细胞外，D2和D1的活性中心在细胞内(见图4)【J Clin Invest. 2011;121(5):1834–1845】。这使得D2对于调节下丘脑-垂体-甲状腺轴特别重要，其活性随着血清T4浓度的降低而增加，如发生在碘缺乏症或早期自身免疫性甲状腺疾病中，远在血清T3下降之前。如果血浆T4减少太多，无法通过下丘脑和促甲状腺素中D2活性的增加来补偿，则会出现TRH和TSH的增加，以刺激甲状腺。因此，D2主要被认为是一种提供细胞内T3的酶，但越来越多的证据表明，D2也可能对血浆T3有贡献。最近在啮齿动物中进行的研究表明，下丘脑中的D2泛素化相对少于其他表达D2的组织。因此，下丘脑对T4的敏感性增加，并允许生理性TSH反应对血清T4的最小变化【J Clin Invest. 2015;125(2):769–781】。另一方面，在甲状腺毒症中，D1增加3至4倍，尤其是在甲状腺中，D2减少使D1成为T3的主要甲状腺外来源。这就解释了为什么在Graves病患者中，与甲巯咪唑相比，D1-抑制剂PTU会导致循环T3更快下降【Thyroid. 2009;19(7):673–674】。 DIO2基因中的单核苷酸多态性A/G预示着第92密码子(D2 Thr92Ala)的苏氨酸(Thr)至丙氨酸(Ala)取代。约20%的白人存在这种情况。在一些研究中发现，这种多态性与肥胖患者的胰岛素抵抗、双相情感障碍、心理健康、精神发育迟滞、高血压和骨关节炎风险相关，但其他研究未发现这种相关性。尚不清楚这种D2多态性是否会损害其体内的催化效率【EJE. 2014;171(3):R123–135；Nat Rev Endocrinol. 2015;11(11):642–652】。最近的一项研究表明，D2的Thr92Ala多态性会降低甲状腺缺陷患者的D2酶活性和血清T3水平【JCEM. 2017;102(5):1623–1630】。 在相反的方向，D2已被发现在少数滤泡癌过表达。在这些患者中，发现T4:T3比值降低，这可能是由于D2介导的T4向T3转化增加所致。 D3是催化T3和T4内环脱碘的最重要的甲状腺激素失活酶。仅在有限数量的产后组织中鉴定到D3活性，包括胎盘和子宫内膜、CNS(其中主要在神经元中)和皮肤。 D3在各种胎儿组织中的表达要高得多，如肝、脑、胎盘、子宫和脐动脉及静脉。然而，在成人组织中，D3表达可能在需要细胞增殖的条件下被重新诱导【Mol Cell Endocrinol. 2017;459:79–83】。在成人中，D3已在一些恶性细胞系和许多人类肿瘤中被鉴定出，包括星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、神经胶质瘤、成胶质细胞瘤、分泌TSH的垂体腺瘤、结肠癌、和基底细胞癌【Gastroenterology. 2012;143(4):1037–1047；Expert Opin Ther Targets. 2009;13(11):1363–1373】。肿瘤性D3活性可能是比较强的，迄今为止在任何人类组织中报告的最高D3活性出现在婴儿血管瘤中。在广泛肝血管瘤的婴儿中，D3可能会压倒婴儿甲状腺的分泌能力，从而导致甲状腺功能减退，这是一种称为消耗性甲状腺功能减退的综合征【NEJM. 2000;343(3):185–189】。虽然大多数消耗性甲状腺功能减退患者都有血管瘤，但现在已经很明显，也可能发生在其他类型的肿瘤中，包括胃肠道间质瘤【NEJM. 2014;370(14):1327–1334】。由于恶性组织中甲状腺激素代谢失调，消耗性甲状腺功能减退患者可能仅代表了甲状腺功能减退临床谱的极端情况。甲状腺激素在转录水平上增加DIO3基因表达【Thyroid. 2005;15(8):865–874】。 基因靶向研究已开始对脱碘酶在哺乳动物中的生理作用提供进一步的见解【Thyroid. 2005;15(8):905–916】。Dio2基因的失活导致表型正常的小鼠血清T4升高、血清T3正常和血清TSH升高。这些动物具有下丘脑-垂体对T4的抗性、听觉功能受损、对冷应激的反应生热受损、肌肉再生受损和相对轻微的神经功能缺陷【J Clin Invest. 2010;120(11):4021–4030】。这些发现均与基于早期研究的预期一致，表明D2在棕色脂肪细胞功能、耳蜗成熟和神经发育中的重要作用。D2和D3之间的细胞内平衡是动态调节的，并且在控制肌肉稳态和再生潜力方面起着核心作用【Nat Rev Endocrinol. 2014;10(4):206–214】。对Dio1进行靶向灭活的小鼠在表型上是正常的，但是也具有升高的血清T4和正常的血清T3，但是TSH是正常的【Endocrinology. 2006;147(1):580–589】。在D1缺陷小鼠中最显著的发现是T4清除途径从脱碘转变为胆汁/粪便清除。另外，同时缺乏活化脱碘酶D1和D2的小鼠仍然能够(通过增加TSH和甲状腺T3分泌)维持血清中正常的T3浓度，并且没有出现全身性甲状腺功能减退，这表明甲状腺T3的产生至少可以保证啮齿动物中T3的稳态。靶向失活Dio3基因的小鼠表现出严重的异常。他们的生育能力受损，成年后出现中枢性甲状腺功能减退，这可能是由于发育规划过程中出现下丘脑性甲状腺毒症所致【J Clin Invest. 2006;116(2):476–484】。 甲状腺激素代谢的定量和定性方面 甲状腺激素转换 在正常成人中，T4的分布体积约为10 L(见表5)。由于血浆中的总T4浓度约为100 nmol/L(8μg/dL)，因此甲状旁腺外T4池约为1 μmol (800 μg)。在成人中，T4在周围的周转率分数约为每天10%(半衰期，6.7天)。因此，每天清除约1.1 L外周T4分布空间中的激素，该容积包含约110 nmol (85 μg)的T4。 T3代谢动力学与T4不同，部分原因是其对TBG的亲和力低10至15倍。T3在正常成人体内的分布量约为40 L，约为T4的4倍，其每日分次周转率约为60%。在平均正常血清T3浓度为1.8 nmol/L (120 ng/dL)，比T4低50倍时，T3的日生成量约为50 nmol (33 μg)，约为T4的46%(见表5)。内环T4脱碘产物rT3的快速代谢清除率和血浆中的低浓度(0.25 nmol/L，15 ng/dL)相结合，产生约45 nmol的rT3日生产率。因此，人类中约80%的T3和所有rT3产生可归因于T4外周脱碘，这一发现与人类Tg中T4与T3 (15:1)和rT3 (100:1)的高比值一致。在正常甲状旁腺人类中通过T4的5’脱碘产生的T3中，只有约70%受到PTU抑制，这与D2依赖性T3产生的显著贡献一致。尽管在外周组织中从T4产生的许多T3和rT3离开这些组织并进入血液，但两者中不确定的部分在离开之前在细胞内降解。如后所述，在一些含D2的组织中，如垂体，细胞核中相当大一部分T3来自细胞内对T3的T4脱碘，而不是来自血浆。在促甲状腺激素方面尤其如此【Endocrinology. 2006;147(4):1735–1743】。 其他通路也参与T4和T3的代谢。在人类中，T4通过尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UDPGTs/ the uridine diphosphate glucuronyl transferases)进行酚羟基的葡萄苷酸化，但只有极少量的T3进行这一过程(见图2)。该途径具有临床意义，因为某些药物治疗剂可能通过诱导UDPGT来增强葡萄糖醛酸结合，从而导致T4-葡萄糖醛酸(T4-G)经胆汁排泄到肠道中。这些药物包括苯巴比妥、苯妥英、利福平，以及可能的某些突触体(synaptosomal)5-羟色胺再摄取抑制剂，如舍曲林。由于T4-葡萄糖醛酸苷可能不容易从肠内容物中重新吸收，因此该途径的临床意义在于，使用此类药物治疗通常会增加左旋甲状腺素的需求。在甲状腺完整的患者中，这一点并不明显，因为内部调整会增加T4生成率，以补偿胆汁排泄的加速。然而，在甲状腺功能减退患者中，通常需要增加左旋甲状腺素的剂量。 细胞内T3的来源 鉴于各种脱碘酶在组织中的分布不同，其Km值不同，调控方式也不同，因此组织通过不同途径衍生细胞内T3也就不足为奇了(图5)。在一些大鼠组织中，包括表达D1的组织如肾和肝，大部分核T3来自血浆T3。在含D2的组织(如大鼠大脑皮层、垂体、棕色脂肪和骨骼肌)中，D2起着额外的T3细胞内来源的作用，考虑到来自血浆的T3和从T4局部转化的T3的组合，可使得核T3浓度将更高。在这些组织中，半数或更多的细胞内T3是从组织内的T4局部产生的。在CNS中，神经元内D2生成的T3很可能来源于伸长细胞和星形胶质细胞内的旁分泌源(见图3)。在大鼠中，核T3依赖于D2的组织是其中甲状腺激素的恒定供应对于正常发育(大脑皮层)、甲状腺调节(垂体)或冷应激期间的存活(棕色脂肪组织)是关键的组织。与正常血清T3浓度下核T3受体位点仅占约50%的肝和肾等组织相比，这些组织的特征还在于核T3受体的高度饱和(见图5)。 图5 大鼠各组织中特异性结合的核T3来源示意图
细胞内D2催化的T3生成对甲状腺激素生理学具有重要意义。 首先，因为从T4产生的T3占据了这些组织中受体的显著部分，所以血清T4或血清T3的改变可以改变受体占据。然而，由于T4值的下降还会通过降低泛素化及其蛋白酶体降解的速率来增加D2蛋白的半衰期，因此D2活性的升高会减轻D2表达组织中血清T4减少的影响，从而有助于维持T3稳态。垂体和CNS的T3受体正常饱和对T3和T4的需求，允许下丘脑-垂体轴对血浆T4减少做出反应，这是碘缺乏症或原发性甲状腺功能减退症的最早表现(参见“甲状腺功能的调节”)。由于Dio2基因受cAMP正向调控，在交感神经系统刺激下，棕色脂肪组织中D2活性和T3生成迅速增加。这种反应对于人类新生儿和啮齿动物终身冷暴露期间的适应性产热至关重要。 同时，表达D3的组织的T3浓度低于血浆贡献的预期浓度(图6)；因此，D3表达组织具有类似于甲状腺细胞的基因表达谱。这可以用这些激素进入细胞后立即发生的T3和T4的失活来解释。D3介导的T3水平降低可能发生在D3上调的几个生理(发育、再生)或病理环境(癌细胞、炎症、心肌梗死)中。 图6 表达碘代甲状腺氨酸脱碘酶D2和D3的细胞中 甲状腺激素激活和失活示意图
抑制甲状腺激素脱碘的药物 许多常用的药物对甲状腺激素脱碘有显著影响。PTU对D1的抑制已经在前面提到过了。抗心律失常药物胺碘酮与T4具有足够的结构相似性，可抑制D1和D2对T4和rT3的脱碘(图7)。这会导致血浆T4升高，以将血清T3维持在正常范围内。此外，TSH水平在治疗的前几周内升高，但随着甲状腺轴的重新平衡而逐渐恢复正常【ER. 2001;22(2):240–254】。T4和rT3代谢清除率降低20%至25%，分数T4至T3转化率降低约50%。胺碘酮还会抑制T4和T3向肝细胞的主动转运，并且该药物或其降解产物之一可能会干扰T3与TRs的结合【J Endocrinol Invest. 2012;35(3):340–348】。 图7 甲状腺素(T4)的化学结构与 两种阻断碘甲腺原氨酸脱碘的药物 化学结构比较
胺碘酮的作用类似于以前用于胆囊显像的碘苯胺（iodoanilines）衍生物所观察到的作用(见图7)。碘番酸（Iopanoic）和iopodipic acid通过与碘甲腺原氨酸底物竞争来抑制脱碘酶。这些药物可用于严重甲状腺功能亢进患者的急性治疗，但在美国已不再用于临床。 高剂量糖皮质激素(替代剂量的10倍)会急剧降低血浆中T3与T4的比值，表明T4向T3的转化被阻断。rT3与T4的比值增加， D3作用增强可能性也增加。这些影响在长期治疗期间消退，因此慢性糖皮质激素治疗对甲状腺功能几乎没有影响，甲状腺激素需求也没有增加。 重组生长激素可提高循环T3:T4比值。生长激素缺乏与血清中T3与T4比值降低有关，可能与外环脱碘减少有关。正如预期，膳食硒缺乏也会抑制人体内D1的合成。 甲状腺激素作用机制 甲状腺激素通过与特定的核TRs结合而起作用，核TRs又与DNA结合，通常以异二聚体形式与类视黄醇X受体(RXR)在由RXR-TR(或TR-TR)复合体的优先DNA结合位点决定的特定序列(甲状腺激素应答元件[TREs])处结合。在人类中，在不同的染色体上发现了两个TR基因，α和β(TRα，17号染色体；TRβ，3号染色体)。来自这些基因中各自几个交替剪接的基因产物形成活性和非活性基因产物。活性蛋白为TRα1和TRs β1、β2、β3。TRs的蛋白结构包括3个主要功能域:1个结合DNA、1个结合配体和1个位于羧基末端的主要转录激活域。 在其他内容中讨论了核受体激活配体如T3产生效应的一般机制。T3对TRs的结合亲和力是T4的15倍，这解释了其作为活性甲状腺激素的功能。 各种TRs的表达存在组织特异性差异，表明它们在不同组织中发挥不同的功能。TRα1 mRNA在脑和棕色脂肪组织中表达，在骨骼肌、胃肠道、肺和心脏中也表达。一般而言，TRβ，特别是TRβ2，被认为在下丘脑和垂体中很重要，甲状腺功能在下丘脑和垂体中受到调节。TRβ1在所有组织中均表达，但其mRNA在肾和肝中的表达尤其高。TRβ2也在耳蜗和视网膜中表达。TRβ3 mRNA的表达水平很低，但与其他组织相比，在肝、肾和肺中更为丰富。除TRβ1和TRα1的氨基末端不同之外，这两种蛋白由不同的基因编码，因此受不同启动子的调控，这些启动子可以以组织特异性模式发挥作用。TRβ2受T3下调，而TRα1 mRNA表达不受影响。 TRα和TRβ失活的实验说明二者不同的生理作用。小鼠中Thrb基因(编码TRβ1和TRβ2)的破坏导致耳聋、下丘脑-垂体-甲状腺轴的反馈敏感性显著降低以及肝D1减少。因此，这些小鼠的TSH和甲状腺激素均显著升高，与甲状腺激素(RTH)抵抗家系相似，此类家族中TRβ突变显著降低其与T3的结合亲和力。RTH主要是显性遗传性，其特征是在主要表达TRβ的组织(如肝脏和垂体)中对甲状腺激素产生抵抗，但在主要表达TRα的组织(如心脏)中出现甲状腺毒症体征【ER. 1993;14(3):348–399】。外周甲状腺激素升高，TSH保持不适当正常或升高。临床体征包括甲状腺肿、心动过速和多动。TRβ1或TRβ2的错义突变破坏了T3的结合，突变等位基因对野生型等位基因编码的完整TRβ蛋白起显性负抑制作用(参见其他内容)。 在小鼠中TRα1破坏的作用有很大不同。主要的表型效应是中度心动过缓和体温过低。现已确定了几例THRA突变患者。所有患者均为杂合子，表明突变受体对野生型TRα有显性负面影响。表现为低血清T4和高血清T3水平、生长迟缓、智力和骨发育延迟、心动过缓和结肠动力下降伴严重便秘【NEJM. 2012;366(15):1451–1453；NEJM. 2012;366(3):243–249；Thyroid. 2017;27(7):973–982】。 TRα和TRβ配体结合结构域的微小差异可能允许设计对这些受体中的一种具有选择性的甲状腺激素类似物。例如，这可能产生能够抑制甲状腺癌患者TSH而不诱发心动过速的药物，如GC1，这是一种通过刺激代谢率和耗氧量治疗肥胖的潜在疗法。 甲状腺激素产生快速效应的能力(至少在某些实验情况下)导致了对甲状腺激素作用的其他潜在机制(称为核外、非经典/ noncanonic或非基因组作用)的研究。此处提供几个示例。对内源性甲状腺激素受体基因发生突变以阻止甲状腺激素受体-DNA结合的小鼠进行的研究提供了强有力的证据，表明心率、体温、血糖和血清甘油三酯水平可由TRs的非基因组作用调节，而下丘脑-垂体-甲状腺轴的负调节需要TRβ的DNA结合【Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(52):E11323–E11332】。T3已显示可通过与TRβ的相互作用在细胞膜上快速激活磷脂酰肌醇3-激酶， 并且该作用在体内增强了小鼠海马体中突触的成熟【Endocrinology. 2014;155(9):3713–3724】。此外，整合素αVβ3已被鉴定为推定的质膜甲状腺激素结合位点，并已被提议为T4快速作用的介质【Nat Rev Endocrinol. 2016;12(2):111–121】。T4本身启动D2泛素化的作用可能是游离T4的生理浓度的最重要的非基因组作用。 内分泌代谢病疾病 @CK医学 内分泌代谢病知识架构 @CK医学 内分泌代谢病分级诊疗 @CK医学  ，但是，如果你是非内分泌专科医生，竟然也对这些内容如此感兴趣以至于看到了这两段PS的内容，甚至还想加群，那就按照PS中的步骤来吧，欢迎你 |
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