CC BY
52
УДК 612.015.3:546.215
АБАТУРОВ А.Е.1, ВОЛОСОВЕЦ А.П.2, ЮЛИШ Е.И, ЧЕРНЫШОВА O.E.3
1ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины» 2Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев 3Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
АКТИВИРОВАННЫЕ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ МЕТАБОЛИТЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ. ГЕНЕРАТОРЫ И ГЕНЕРАЦИЯ
(Часть 2)
Резюме. В обзоре даны общие представления о механизмах генерации активированных кислородсодержащих метаболитов.
Ключевые слова: активированные кислородсодержащие метаболиты, легкие.
Активация NOX
Активация НАДФИ-оксидазы
Механизмы рецептор-ассоциированной активации НАДФН-оксидаз (NOX2) наиболее изучены у фагоцитирующих клеток, у которых во время фагоцитоза наблюдается усиленная продукция активированных кислородных метаболитов (АКМ) [3—5, 7, 8]. Основными стимулирующими факторами механизмов активации НАДФН-оксидазы являются ци-токины — TGF-ßj, TNF-a и IL-1ß, пептидные факторы роста (PDGF; EGF, VEGF, bFGF и инсулин), патоген-ассоциированные молекулярные структуры (РАМР) инфекционных агентов, активирующие Toll-подобные рецепторы (TLR), агонисты G-протеин-связанных рецепторов (GPCR — G-protein-coupled receptors) — ангиотензин II, тромбин, эндотелин-1, серотонин, лизофосфатидиновая кислота, 1-фосфат сфингозина, гистамин, брадикинин. РАМР, в частности флагеллин Pseudomonas aeruginosa, могут взаимодействовать и с рецептором P2Y, что ведет к высвобождению АТФ, которая индуцирует активность НАДФН-оксидазы [14, 23]. НАДФН-оксидаза в не-фагоцитирующих клетках активируется лигандами GPCR, некоторыми интерлейкинами и клеточными факторами роста [18].
Инициализация процесса сборки НАДФН-оксидазы в фагоцитирующих клетках связана с двумя внутриклеточными сигнальными факторами — с активностью фосфоинозитол-3-киназы (PI3K) и с повышением внутриклеточной концентрации ио-
нов Са2+. Активация PI3K обусловливает фосфо-рилирование протеина Rac, что способствует его перемещению к внутренней поверхности цитоплаз-матической мембраны клетки [7, 17]. Повышение внутриклеточной концентрации ионов Са2+индуцирует кальцийзависимую протеинкиназу Сб (РКСб), которая обусловливает фосфорилирование цито-плазматической фосфолипазы А (PLA^. Цитоплаз-матическая PLA из фосфатидилхолина высвобождает свободную арахидоновую кислоту, дальнейшая метаболизация которой представлена липоокси-геназным и циклооксигеназным вариантами. Под влиянием 5-липоксигеназы из арахидоновой кислоты образуется гидропероксиэйкозатетраеновая кислота (HPETE), которая преобразуется в лейко-триены, эпоксилины, липоксины и гидроксиэйко-затетраеновую кислоту (HETE). При участии ци-клооксигеназ (COXp COX2) арахидоновая кислота метаболизируется до эндопероксида PGG2, из которого в дальнейшем образуются гидроксигептадека-триеновая кислота (ННТ), простагландины (ПГЕ2, ПГР2н, ПГ12, ПГБ2), тромбоксан А2. Цитоплазма-
Адрес для переписки с авторами:
Абатуров Александр Евгеньевич E-mail: [email protected]
© Абатуров А.Е., Волосовец А.П., Юлиш Е.И.,
Чернышова О.Е., 2015 © «Здоровье ребенка», 2015 © Заславский А.Ю., 2015
тическая PLA^ свободная арахидоновая кислота и ее дериваты инициализируют ключевой процесс каскада активации НАДФН-оксидазы — фосфори-лирование цитоплазматических p47phox и p67phox [26]. В процесс фосфорилирования субъединиц p47phox и p67phox НАДФН-оксидазы также вовлечены несколько других киназ — p38-акгивированная про-теинкиназа, p21-активированная киназа (PAK), казеиновая киназа-2, протеинкиназа-B. Однако среди этого множества киназ доминирующую роль в процессе активации субъединиц НАДФН-оксидазы играет РКС. Вызванные фосфорилированием кон-формационные изменения молекулы p47phox обусловливают перемещение цитоплазматически расположенного комплекса p47phox/p67phox к внутренней поверхности мембраны клетки [12, 15] с одновременной транслокацией p40phox и Rac [7].
Активация НАДФН-оксидазы в фагоцитирующих клетках происходит при взаимодействии комплекса p47phox/p67phox/p40phox и Rac с мембрано-ассо-циированным цитохромом Cytb558. Предполагают, что фосфорилирование аминокислотных остатков Ser303, Ser304 и Ser328 протеина p47phox обусловливает взаимодействие комплекса p47phox/p67phox/p40phox с богатыми пролиновыми аминокислотными остатками областями эндоплазматического хвоста субъединицы p22phox мембранного Cytb558, что обусловливает формирование активного ферментного комплекса (рис. 1) [19].
Регуляция ферментативной активности НАДФН-оксидазы достигается двумя механизмами: пространственным разъединением субъединиц фермента и модуляциями протеин-протеиновых и протеин-липидных взаимодействий [7, 15].
Активация других протеинов семейства ЫОХ
Ферменты МОХ нефагоцитирующих клеток активируются лигандами ОРСЯ, некоторыми интерлей-кинами и клеточными факторами роста [18]. Процесс активации протеинов семейства МОХ нефагоцитирующих клеток отличается от активации НАДФН-оксидазы некоторыми особенностями (рис. 2).
По всей вероятности, генерируемый разными МОХ О2- выполняет различные функции. АКМ, генерируемые протеинами семейства МОХ, оказывают действие как внутри клетки, так и во внеклеточном пространстве. Протеины МОХ2 и БИОХ1/2 генерируют АКМ во внеклеточное пространство, где они оказывают преимущественно бактерицидное действие. Другие представители семейства МОХ генерируют АКМ преимущественно внутрь клетки, таким образом регулируя различные функции клетки (рис. 3) [9]. Так, внутриклеточно генерируемые АКМ ингибируют активность фосфатаз, активируют деятельность киназ (р38 МАРК), регулируют функцию ионных каналов, кальций-зависимое возбуждение, экспрессию генов некоторых протеинов (ТМБ-а, ТОБ-Рр ангиотензина II, моноцитарного
Рисунок 1. Активация НАДФН-оксидазы [13]
хемоаттрактантного протеина-1, ингибитора активатора плазминогена-1) [6].
Функциональная активность протеинов NOX предопределяет развитие разных патологических процессов (рис. 4).
Генерация АКМ
Активная, полностью собранная НАДФН-оксидаза осуществляет перенос одного электрона на молекулярный кислород. Электроны передаются от первичного электронного донора НАДФН (со средним потенциалом 320 мВ, в частности для NOX2) вдоль электрохимического градиента — ФАД ^ 2 гема ^ O2 (средний потенциал 160 мВ). Электрохимический градиент от НАДФН к O2, составляющий 160 мВ, постоянно обеспечивает движение электронного потока с внутренней стороны на внешнюю сторону мембраны [11]. НАДФН-оксидаза генерирует короткоживущий (с периодом полураспада в несколько 10-6 секунд) O2-, который без участия ферментов или под влиянием супероксиддисмутаз (SOD) дисмутирует до перекиси водорода (H2O2) с последующей организацией как гидроксильного радикала (OH'), так и, в результате действия ката-лазы, кислорода (O2) и воды (H2O) (рис. 5) [10, 25].
Основной активной формой кислорода является O2-, который образуется при переносе одного электрона к молекуле кислорода. Супероксидный
анион-радикал может действовать как окислитель и как восстановитель. Супероксидный анион-радикал характеризуется низкой реактивностью по отношению к биоорганическим субстратам. Ключевыми субстратами 02- являются протеины, содержащие железо-серные кластеры. Он активно взаимодействует с цитохромом С, супероксиддис-мутазами, аскорбиновой кислотой. И не реагирует с полиненасыщенными жирными кислотами. Однако 02- участвует в реакциях, в результате которых образуются значительно более активные радикальные дериваты кислорода: гидропероксидный и ги-дроксильный радикал [20].
Двухэлектронный перенос обусловливает образование умеренной по окислительной активности Н202, трехэлектронный перенос — образование сильного окислителя гидроксильного радикала, который участвует в процессе окисления различных структур клетки [10, 25]. Критически важными являются количественные аспекты окислительно-восстановительных систем. Так, скорость потребления О2 в организме человека составляет около 0,4 л/мин, но может быть увеличена практически в 10 раз — до максимального значения 4 л/мин. От одного до четырех процентов от объема 02 в митохондриях превращается в Н202, то есть скорость образования Н202 составляет от 5000 до 20 000 мкмоль/кг-1/мин-1. Фактическая скорость генерации Н202 значительно
Рисунок 2. Особенности активации представителей семейства NOX [6] Примечания/ для активации NOX1 необходимо участие p22phox, NOXO1 и NOXA1 и малых ГТФаз (Rac1 или Rac2). В процессе возбуждения NOX2 участвуютp22phox, p47phox, p67phox и Rac. Протеин p40phox также может участвовать в активации NOX2. Активация NOX3 сопровождается привлечением p22phox и NOXO1, а для возбуждения NOX4 необходим только p22phox. Для активации ферментов NOX5, DUOX1 и DUOX2 достаточно ионов Са2+.
больше, так как в ее образовании участвуют и другие генераторы — оксидазы. Было показано, что до 10 % 02 может быть преобразовано в Н202 [16]. Перекись водорода при взаимодействии с ионами железа или меди разлагается с образованием крайне реакционно-способного гидроксильного радикала по реакции Фентона: Н202 + Бе2+ ^ НО' + ОН- + Бе3+. Этим объясняется опосредованное цитотоксическое действие Н202. Долгое время считалось, что вторым путем образования гидроксильного радикала может быть реакция Хабера — Вайса: Н202 + 02-' ^ НО' + + 02 + 0Н-. Однако в физиологических условиях реакция Хабера — Вайса представляет собой сумму реакций Фентона и восстановления ионов Бе3+
Рисунок 4. Патогенетическая роль NOX при острых и хронических заболеваниях [2]
Рисунок 3. Сигнальные пути и эффекты протеинов NOX [9]
Рисунок 5. Генерация и метаболический путь АКМ
(модификация схемы I.C. Mori и J.I. Schroeder [21], модель Cytb558 Y. Groemping и K. Rittinger [12])
супероксид-анион-радикалом. Генерация гидрок-сильного радикала возможна и при восстановлении Н2О2 переносчиком электрон-транспортной цепи митохондрий ферредоксином. Гидроксильный радикал ОН' является самым мощным окислителем из всех форм АКМ. Он может окислять практически все низкомолекулярные органические молекулы, белки и нуклеиновые кислоты. Гидроксильный радикал способен отрывать атом водорода от молекул ненасыщенных жирных кислот и инициировать перекисное окисление липидов. Однако эти реакции строго локализованы, так как гидроксильный радикал — крайне нестабильная молекулярная форма (время жизни 10-9 секунд), и потому он реагирует только по месту своего образования [1, 20, 22].
Активация кислорода возможна также путем передачи ему энергии без переноса электрона, что приводит к образованию синглетного кислорода (1О2) — крайне реакционноспособной молекулы. Электронная конфигурация синглетного кислорода подчеркивает его нерадикальную природу [1, 22].
Активация МОХ сопровождается проявлением некоторых вторичных эффектов, которые приводят к перераспределению АКМ: экстрацеллюлярно генерируемый супероксид-анион-радикал и образованная перекись водорода перемещаются во внутренний континуум клетки. Так, возбуждение МОХ протеинов приводит к трансмембранному переносу электронов, который сопровождается деполяризацией мембраны клетки и снижением внутриклеточного уровня рН. Данные изменения индуцируют возбуждение некоторых трансмембранных каналов, в частности потенциалзависимых протонных каналов (УБОР) и Ма+/Н+-обменников (НМЕ). Деполяризация мембраны клетки способствует открытию УБОР и перемещению ионов Н+ через клеточную мембрану. Обменники НМЕ регулируют уровень внутриклеточного рН, предупреждая закисление цитоплазмы, и контролируют трансэпителиальный транспорт ионов Ма+, Н+, С1-. Активация МОХ протеинов сопровождается возбуждением аквапоринов (АОР) и хлоридного канала С1С3, которые осуществляют трансмембранный транспорт Н2О2 и О2- соответственно из внеклеточного пространства во внутриклеточный континуум (рис. 6) [24].
Заключение
Генерация активных кислородсодержащих метаболитов в легких преимущественно осуществляется специфическими ферментами, представляющими семейство МОХ. Ферменты семейства МОХ участвуют как в физиологических реакциях, так и в развитии различных патологических процессов в легких, к тому же ткань легкого особо чувствительна к токсическому воздействию АКМ. Поэтому разработка лекарственных средств, которые специфично регулировали бы активность различных представителей
Рисунок 6. Вторичные эффекты активации NOX [24]
семейства NOX, может открыть новые возможности в предупреждении и лечении острых и хронических заболеваний органов дыхания.
Список литературы
1. Половинкина Е.О., Синицына Ю.В. Окислительный стресс и особенности воздействия слабых стрессоров физической природы на перекисный гомеостаз растительной клетки: Учебно-методическое пособие. — Нижний Новгород, 2010. — 62 с.
2. Altenhofer S. The NOX toolbox: validating the role of NADPH oxidases in physiology and disease / S. Altenhofer, P. W. Kleikers, K.A. Radermacher, P. Scheurer, J.J. Rob Hermans, P. Schiffers, H. Ho, K. Wingler, H.H. Schmidt // Cell. Mol. Life Sci. — 2012 Jul. — 69(14). — 2327-43. doi: 10.1007/s00018-012-1010-9.
3. Babior B.M. The neutrophil NADPH oxidase / B.M. Babior, J.D. Lambeth, W. Nauseef // Arch. Biochem. Biophys. — 2002 Jan 15. — 397(2). — 342-4. doi: 10.1006/abbi.2001.2642.
4. Babior B.M. Phagocytes and oxidative stress//Am. J. Med. — 2000 Jul. — 109(1). — 33-44. doi: http: // dx.doi.org/10.1016/ S0002-9343(00)00481-2.
5. Babior B.M. NADPH oxidase //Curr. Opin. Immunol. — 2004 Feb. — 16(1). — 42-7. doi: 10.1016/j.coi.2003.12.001.
6. Bedard K. NOX family NADPH oxidases: not just in mammals / K. Bedard, B. Lardy, K.H. Krause // Biochimie. — 2007 Sep. — 89(9). — 1107-12. doi: 10.1016/j.biochi.2007.01.012.
7. Bokoch G.M. Current molecular models for NADPH oxidase regulation by Rac GTPase/ G.M. Bokoch, B.A. Diebold//Blood. — 2002 Oct 15. — 100(8). — 2692-6. doi:http. —//dx.doi.org/10.1182/ blood-2002-04-1149.
8. Bokoch G.M. NADPH oxidases: not just for leukocytes any-more!/ G.M. Bokoch, U.G. Knaus // Trends Biochem. Sci. — 2003 Sep. — 28(9). — 502-8. doi: http: //dx.doi.org/10.1016/S0968-0004(03)00194-4.
9. Brown D.I. Nox proteins in signal transduction / D.I. Brown, K.K. Griendling//Free Radic. Biol. Med. — 2009Nov 1. — 47(9). — 1239-53. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2009.07.023.
10. Comhair S.A. Antioxidant responses to oxidant-mediated lung diseases/ S.A. Comhair, S.C. Erzurum //Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2002 Aug. — 283(2). — L246-55. doi: 10.1152/ ajplung. 00491.2001.
11. DeCoursey T.E. Interactions between NADPH oxidase and voltage-gated proton channels: why electron transport depends on proton transport//FEBS Lett. — 2003 Nov 27. — 555(1). — 57-61. PMID. — 14630319.
12. Groemping Y. Activation and assembly of the NADPH oxidase: a structural perspective/ Y. Groemping, K. Rittinger// Biochem. J. — 2005 Mar 15. — 386(Pt 3). — 401-16. doi: 10.1042/BJ20041835.
13. Guichard C. Les Nox/Duox: une nouvelle famille de NADPH oxydases / C. Guichard, E. Pedruzzi, M. Fay, S. Ben Mkaddem, N. Coant, F. Daniel, E. Ogier-Denis // Med. Sci (Paris). — 2006 Nov. — 22(11). — 953-9. doi: http: // dx.doi.org/10.1051/med-sci/20062211953.
14. Imai H. Biological significance of phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (PHGPx, GPx4) in mammalian cells /
H. Imai, Y. Nakagawa // Free Radic. Biol. Med. — 2003 Jan 15. — 34(2). — 145-69. doi: 10.1016/S0891-5849(02)01197-8.
15. Jiang J. TGF-$2 reduces nitric oxide synthase mRNA through a ROCK-dependent pathway in airway epithelial cells / J. Jiang, S. C. George // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2011 Sep. — 301(3). — L361-7. doi: 10.1152/ajplung.00464.2010.
16. Jones D.P. Radical-free biology of oxidative stress // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. — 2008 Oct. — 295(4). — C849-68. doi: 10.1152/ajpcell.00283.2008.
17. Kobayashi-Miura M. Oxygen sensing and redox signaling: the role of thioredoxin in embryonic development and cardiac diseases / M. Kobayashi-Miura, K. Shioji, Y. Hoshino, H. Masutani, H. Naka-mura, J. Yodoi//Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. — 2007May. — 292(5). — H2040-50. doi: 10.1152/ajpheart.01316.2006.
18. Lambeth J.D. Nox/Duox family of nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) oxidases // Curr. Opin. Hematol. — 2002 Jan. — 9(1). — 11-7. PMID. — 11753072.
19. Leto T.L. Targeting and regulation of reactive oxygen species generation by Nox family NADPH oxidases / T.L. Leto, S. Morand, D. Hurt, T. Ueyama // Antioxid. Redox. Signal. — 2009 Oct. — 11(10). — 2607-19. doi: 10.1089/ARS.2009.2637.
20. Migdal C. Espèces réactives de l'oxygéne et stress oxidant / C. Migdal, M. Serres // Med. Sci (Paris). — 2011 Apr. — 27(4). — 405-12. doi: 10.1051/medsci/2011274017.
21. Mori I.C. Reactive Oxygen Species Activation of Plant Ca2+ Channels. A Signaling Mechanism in Polar Growth, Hormone Trans-duction, Stress Signaling, and Hypothetically Mechanotransduction /
I.C. Mori, J.I. Schroeder//Plant. Physiol. — 2004 Jun. — 135(2). — 702-8. doi: 10.1104/pp.104.042069.
22. Nishinaka Y. Singlet oxygen is essential for neutrophil extracellular trap formation / Y. Nishinaka, T. Arai, S. Adachi, A. Taka-ori-Kondo, K. Yamashita // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2011 Sep 16. — 413(1). — 75-9. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.08.052.
23. Rhee S.G. Cellular Regulation by Hydrogen Peroxide / S.G. Rhee, T.-S. Chang, Y.S. Bae, S.-R. Lee, S.W. Kang// J. Am. Soc. Nephrol. — 2003 Aug. — 14(8 Suppl 3). — S211-5. doi: 10.1097/01.ASN.0000077404.45564.7E.
24. Van der Vliet A. NADPH oxidases in lung biology and pathology: host defense enzymes, and more // Free Radic. Biol. Med. — 2008 Mar 15. — 44(6). — 938-55. doi: 10.1016/j.freerad-biomed.2007.11.016.
25. Vignais P. V. The superoxide-generating NADPH oxidase: structural aspects and activation mechanism // Cell. Mol. Life Sci. — 2002 Sep. — 59(9). — 1428-59. PMID. — 12440767.
26. Zmijewski J.W. Cell signalling by oxidized lipids and the role of reactive oxygen species in the endothelium / J.W. Zmijewski, A. Landar, N. Watanabe, D.A. Dickinson, N. Noguchi, V.M. Darley-Usmar//Biochem. Soc. Trans. — 2005 Dec. — 33(Pt 6). — 1385-9. doi: 10.1042/BST20051385.
Получено 22.12.14 ■
Абатуров O.e.1, Волосовець О.П.2, Юл!ш е.!.. Чернишова O.e.3
1ДЗ «Ан!пропетровсы<а мелична акалем1я М!нстерства охорони злоров'я Украни»
2Нацюналыний медичний ун!верситет 1м. О.О. Богомольця, м. Ки1в
3Донецыкий нацоналыний медичний ун!верситет ¡м. М. Горького
AKTMBOBAHi KMCHEBMiCHi МЕТАБОЛИИ ОРГАЖЗМУ ЛЮДИНИ ПРИ ЗАХВОРЮВАННЯХ ОРГАЖВ ДИХАННЯ. ГЕНЕРАТОРИ i ГЕНЕРАШЯ (ЧАСТИНА 2)
Резюме. В оглядi надаш загальш уявлення про мехашз-ми генераци активованих кисневмюних метаболтв.
Kro40Bi слова: активоваш кисневмюш метаболии, ле-геш.
AbaturovA.Ye.1, VolosovetsA.P.2, Yulish Ye.!., Chernyshova O.Ye.3
1State Institution «Dnipropetrovsk Medical Academy of Ministry of Healthcare of Ukraine», Dnipropetrovsk
2National Medical University named after A.A. Bohomolets, Kyiv
3Donetsk National Medical University named after M. Horkyi, Donetsk, Ukraine
ACTIVATED OXYGEN-CONTAINING METABOLITES OF THE HUMAN BODY IN RESPIRATORY DISEASES. GENERATORS AND GENERATION (PART 2)
Summary. The review presents general ideas about the mechanisms of generation of activated oxygen-containing metabolites.
Key words: activated oxygen-containing metabolites, lungs.
