CC BY
29
УДК 577.15
'Макух С.М., к. б. н., доцент, 'Вигнан Д.С., к. б. н., доцент, 'Красневич А.Я., к. б. н., доцент, 2Вигнан Т.Л., лкар-лаборант, 3Головацький 1.Д. д.б.н., професор ®
1 Льегеський нацюнальний утеерситет еетеринарног медицины та бютехнологт ¡мет С.З. Гжицького 2 Льегеська обласна клгтчна лгкарня 3 Льегеське наукоее тоеаристео гменг Т.Г.Шееченка (НТШ)
КЛ1ТИНН1 С1РКОВМ1СН1 МЕТАБОЛ1ТИ
В оглядг узагальнено лтературн дат стосоено окремих сгркоемгсних сполук, цистету, глютатюну та тюредосину. Розглянуто окрем1 сторони регуляцп бюсинтезу глютатюну, його роль у захист1 клтини, еплие окремих метаболт1е та фактор1е доектля на емют егдноеленого глютатюну у клтит, а також деят функцп тюредоксину.
Ключовi слова: егдноелений глютатюн, окиснений глютатюн, тюредоксин, ггдропероксиди, кон 'югати глютатюну.
Вступ. Орковмюш метаболии вадграють визначальну роль у багатьох бiохiмiчних процесах. Дисульфщш зв 'язки - S-) беруть участь у формуванш та стабшзаци третинно! структури полiпептидiв та бшюв. Молекули глютатюну та тюредоксину, яю у своему складi мютять вщповщно один i два залишки цисте!ну, функцiонують завдяки наявностi сульфгщрильних груп - SН, що проявляють особливi хiмiчнi властивостi. Вiдомо, що - SН групи вiльного цисте!ну за хiмiчною активнiстю е дещо вiдмiннi вiд таких, якi знаходяться у структурi глютатiону i тюредоксину. Так, наприклад, при фiзiологiчних значеннях рН цисте!н безпосередньо не взаемодiе з гiдропероксидами. Крiм того, у багатьох лжарських препаратах залишок амшокислоти цисте!ну е важливим компонентом реактивного центру, що визначае !х ефектившсть. Молекули, якi у своему складi мiстять залишок цисте!ну е найбшьш метаболiчно активними. Вони легко окиснюються, зокрема металами, беруть участь у тюл-дисульфщному обмiнi.
Вiдновлений глютатiон е найбшьш поширеною сiрковмiсною сполукою, яка у бшьшост клiтин мiститься у значних кшькостях. При фiзiологiчних значеннях рН мае двi негативно заряджеш карбоксильнi групи та позитивно заряджену амшогрупу. Наявнiсть особливого y-глютамiльного зв'язку ( на вщмшу вiд типового пептидного зв'язку в а-положенш), захищае глютатiон вiд гiдролiтичного розпаду тд дiею внутрiшньоклiтинних дипептидаз. Сульфгiдрильна група цисте!ну е донором електронiв, внаслщок чого глютатiон е вiдновником, у тому чи^ вiльних радикалiв.
Тюредоксин е найменшим в сiмействi проте!шв бiлком (12 кДа ), котрий мктить так звану "тюредоксинову складку". Остання мае важливе значення для
® Макух е.М., Вигнан Д.С., Красневич А.Я., Вигнан Т.Л., Головацький 1.Д., 2010
179
антиоксидантного захисту кл^ин, фолдингу бшюв та трансдукци сигнув. Для тюредоксишв характерною ознакою е наявнiсть консервативного активного центру, який складаеться з Cys-Gly-Pro-Cys. Окиснений тюредоксин при передачi вiдновних еквiвалентiв на сво! субстрати вiдновлюеться за допомогою тiоредоксинредуктази (1). Хоча редокс-системи тюредоксину та глютатiону мiж собою не обмшюються вiдновними еквiвалентами у функцюнальному вiдношеннi, вони у значнiй мiрi дублюють один одного (2,3), що мае важливе значення для функщонування клiтини при нестачi одше! з систем.
У вщповщь на дш стресових факторiв у клiтинi часто включаються механiзми, якi змiнюють вмкт тiолових компонентiв. Вони е першими елементами захисту кл^ин вiд шкщливих чинникiв. Крiм того, порушення кшьккного спiввiдношення сiрковмiсних сполук, так i !х метаболiзму мають надзвичайно важливий вплив на сигнальнi шляхи кл^ин та редокс-систему органiзму. Оскiльки вщновлений глютатiон (GSH) е найбiльш поширеною i важливою сiрковмiсною сполукою, даний огляд присвячений розгляду окремих сторш регуляци бiосинтезу глютатiону, його ролi у захистi клiтини, системi сигнальних шляхiв клiтини, впливу деяких метаболтв та факторiв довкiлля на вмют GSH у клiтинi.
Бшсинтез GSH. Бiосинтез GSH з глютамату, цисте!ну та глiцину послiдовно каталiзуеться двома АТФ-залежними цитозольними ензимами: у-глютамшцистешсинтазою (ГЦС) та глютатiонсинтазою (ГлС). Незважаючи на те, що цей процес проходить фактично у вЫх типах кл^ин, у гепатоцитах вш найбшьш iнтенсивний, тому печiнка е органом-експортером GSH.
Пiд дiею ГлС у-карбоксильна група глютамату взаемодiе з амшогрупою цисте!ну утворюючи у-пептидний зв'язок який, як було зазначено вище, захищае GSH вiд гiдролiзу внутрiшньоклiтинними дипептидазами. Хоча у-глютамшцистеш може бути субстратом для шшого ферменту у-глютамiлциклотрансферази, синтез глютатiону у кл^инах переважае, оскiльки ГлС мае вищу спорiдненiсть та е бiльш активна шж у-глютамiлциклотрансфераза (4).
ГЦС ссавщв е гетеродимерним бiлком i складаеться з каталiтично активно!, важко! субодиницi (СО, м.м. 73 кДа) та легко! (регуляторно!) СО з м.м. 31 кДа (5,6). Важка СО мютить сайти для зв'язування субстраив. Легка СО е мономерним бшком, позбавлена каталiтичних властивостей, однак проявляе модуляторний або регуляторний вплив при асощаци важко! та легко! СО. Цей зв'язок, очевидно, необхщний для бюсинтезу GSH при нормальних фiзiологiчних концентрацiях глютамату та GSH. Кт ГЦС ссавцiв для глютамату та цисте!ну становить 1,7 та 0,15 ммоль / л вщповщно, що вщповщае внутрiшньоклiтиннiй концентрацi! глютамату (2-4 ммоль / л) та цисте!ну 0,150,25 ммоль / л ) у печшщ щурiв (4). Активнiсть ензиму регулюеться за принципом зворотного зв'язку , тобто гальмуеться GSH та залежить вiд впливу багатьох факторiв, зокрема S-нiтрозування (7), фосфорилювання, дефосфорилювання (8), оксидування (9). Проте встановлено, що у бшьшост випадюв зростання активност цього ензиму обумовлене посиленням процеЫв транскрипцi!, тобто пiдвищенням синтезу холоензиму. у-
180
глютамшцистешсинтаза е лiмiтуючим ензимом, який визначае швидюсть бюсинтезу GSH de novo (5).
ГлС ссавщв е гетеродимерним бшком з м.м. 104-118 кДа i е алостеричним ензимом з кооперативним зв'язуванням для у-глютамшьних субстраив (10). Каталiзуе приеднання глщину до дипептиду у-глютамшцистешу з утворенням трипептиду- у-глютамшцисте1ншглщину, глютатiону. Km ГлС ссавцiв для АТФ та глщину становить 0,04 та 0,9 ммоль / л вщповщно, але е нижчою, шж внутрiшньоклiтинна концентрацiя АТФ ( 2-4 ммоль / л )та глщину (1,5-2.0 ммоль/л) у печшщ щурiв. Обидвi СО ГЦС та ГлС клоновано, визначено 1Х амiнокислотну послщовшсть (4), що полегшуе вивчення бюсинтезу GSH на молекулярному рiвнi.
Вщомосп вiдносно синтезу GSH in vivo, не дивлячись на тривалi та численш дослiдження, вивченi недостатньо. Це обумовлено, зокрема, складною компартменталiзацiею субстраив та 1Х метаболiзмом як на органному, так i субкл^инному рiвнi. Зокрема, синтез GSH у печшщ переважно проходить у перивенозних i меншою мiрою у перипортальних гепатоцитах (11). Таким чином, змши у плазмi кровi вмiсту GSH, не обов'язково вщображають порушення його бюсинтезу у специфiчних типах клiтин. Однак, недавш дослiдження проведенi з використанням стабшьних iзотопiв внесли новi даш у розумiння метаболiзму GSH (5, 11). Наприклад, у здорових дорослих людей " зникнення" GSH становить 25 мкмоль/кг/год (13), що складае приблизно 65% усього цистешу, який поступае в оргашзм (38,3 мкмоль / кг / год. Ц дослiдження ще раз пiдтверджують думку про те, що GSH е основною транспортною формою цистешу в органiзмi. На основi розрахункiв кiлькостi цистешу, який надходить з 1жею ( 9 мкмоль/кг/год) у здорових дорослих людей (13) встановлено, що пул цистешу, використаного для бюсинтезу GSH, поповнюеться розпадом внутршньокл^инних бшюв або ендогенним синтезом. Цжаво, що порiвняно з гепатоцитами еритроцити мають бiльш штенсивний кругообiг глютатiону. Наприклад, у кровi здорових дорослих людей бiосинтез GSH складае 65% (13), а це означае, що вш повшстю обмшюеться протягом 36 год, тобто щ значення еквiвалентнi 3 мкмоль / кг/ год. Отже, кров (головним чином еритроцити) е джерелом 10% усього GSH, що синтезуеться у щлому органiзмi (12, 13, 14).
Регулящя бюсинтезу GSH з участю ГлС. На процеси бюсинтезу GSH у живих оргашзмах впливае щлий ряд чинниюв, зокрема, оксидативний та штрозний стреси, онколопчш захворювання, протипухлинна тератя, запальнi процеси, iонiзуюча радiацiя та тепловий шок, якi гальмують активнiсть ГлС. Виснажуе вмiст GSH також штенсивне утворення кон'югатiв. Простагландин А2, важкi метали, антиоксиданти, шсулш пiдвищують транскрипцiю гену ГлС або li активнiсть у рiзних клггинах (5,15). У той же час недостатнш вмiст бiлка у ращош, деякi лiкарськi препарати, наприклад, дексаметазон, еритропоетин, а також пухлинний фактор росту в, гiперглiкемiя, фосфорилювання, знижують транскрипцiю гену / генiв ГлС, яю кодують ii синтез або актившсть. NF кВ опосередковуе регулящю експрес^' ГлС у вiдповiдь на дш оксидативного стресу та бутюнш-сульфокамш iндукованого виснаження GSH (5,15). S-
181
штрозування ГлС NO, донорами якого можуть бути, наприклад, S-HiTp030-L-цисте!н та S-нiтрозо-L-цистеlнiлглiцин знижують актившсть цього ензиму (5), а це вказуе на взаемозв 'язок мiж NO (метаболiт аргiнiну) та метаболiзмом GSH. Дiйсно, зростання вмкту NO спричинене iндукцieю NO- синтази внаслщок iнгiбування активностi ГлС та виснаження вмюту GSH у цитокшш активованих макрофагах та нейронах (16). У цьому вщношенш глюкозамiн, 3 n полiненасиченi високомолекулярнi жирнi кислоти, ф^оестрогени, полiфеноли, каротино!ди та цинк, яю iнгiбують експресiю шдуцибельно! NO- синтази та продукцш NO (17), можуть запоб^ати або послаблювати виснаження GSH у кл^иш. У той час як дieта з високим вмктом жирiв, насиченi високомолекулярнi жирш кислоти, лшопротеши низько! щiльностi, лшолева кислота та залiзо посилюючи експресш шдуцибельно! NO- синтази та продукцш NO (17), поглиблюють зниження вмкту GSH у клiтинi.
Субстратна регулящя б1осинтезу GSH. Амiнокислота цисте!н е незамiнною амiнокислотою у передчасно народжених д^ей, новонароджених немовлят та суб'екив, якi пiддаються стресам внаслiдок захворювань (18 ). Як зазначено вище, внутрiшньоклiтинний пул цисте!ну е вщносно низьким, порiвняно з набагато вищим i часто метаболiчно активнiшим пулом GSH у кл^иш (19). Недавно проведен дослiдження переконливо пiдтвердили, що цисте!н взагалi е лiмiтованою амшокислотою для бiосинтезу у людей, щурiв, свиней та курчат (13,18,19). 1нсулш та фактор росту, якi стимулюють поглинання цисте!ну та цистину кл^инами, пiдвищують внутрiшньоклiтинний вмiст GSH (5). I насамкшець, посилене постачання цисте!ну або його попередникiв, таких як цистину, N-ацетилцистешу та L-2-оксотiазолiдин-4-карбоксилату орально або внутршньовенно пiдвищуе синтез GSH та запоб^ае його виснаженню у людини та тварин тд дiею рiзноманiтних факторiв живлення або патолопчних умов (включаючи бiлкове голодування, недо!дання, дистресовий респiраторний синдром, HIV, AIDS) (15). Крiм того, цисте!н може утворюватись з метiонiну шляхом транссульфурування (переважно у гепатоцитах) та використовуватись як субстрат для бюсинтезу GSH, тобто метюнш рацюну може замшяти цисте!н для пiдтримання синтезу GSH.
Цисте!н легко окиснюеться та перетворюеться у цистин в насичених киснем екстрацелюлярних рiдинах. Отже, у плазмi кровi вмiст цисте!ну е низьким та складае 10-25 мкмоль / л, порiвняно з кшькютю цистину-50-150 мкмоль / л. Цисте!н та цистин через цитоплазматичну мембрану переносяться окремими ноЫями ефективнiше, шж iншi амiнокислоти (5). Цiкаво, що деяю типи клiтин, наприклад, гепатоцити мають меншу, або не мають здатност до безпосереднього транспорту цисте!ну (5). Однак, GSH, що синтезуеться у гепатоцитах, може вщновлювати цистин до цисте!ну на зовнiшньому бощ мембрани клiтини, що сприяе поглинанню цисте!ну гепатоцитами. Iншi типи кл^ин, наприклад, ендотелiальнi, можуть захоплювати цистин та у кл^иш ферментативно вщновлювати його до цисте!ну, пiдтримуючи певний рiвень ще! амiнокислоти.
Внутрiшньоклiтиннi та позакл^инш системи забезпечують утворення глютамату, який використовуеться для бюсинтезу GSH (20). Зокрема, харчовий
182
глютамат завжди повшстю використовуеться тонкою кишкою (20). Глютамат плазми синтезуеться de novo, а також е продуктом розпаду бшюв. Фосфат-залежна глютамшаза, глютаматдегiдрогеназа, шролш-5-
карбоксилатдегiдрогеназа, та глютамiн: фруктозо-6-фосфат трансамшаза можуть каталiзувати утворення глютамату, але вiдносна важливiсть цих ензимiв серед рiзних типiв клiтин та тканин е рiзною. Оскiльки, еритроцити щурiв не здатнi поглинати або звшьняти глютамат (21) та глютамiн, амшокислоти з розгалуженим ланцюгом можуть бути попередниками глютамату у цих клiтинах. Дiйсно, глютамiн е ефективним попередником глютамату для бюсинтезу GSH у багатьох типах кл^ин, включаючи ентероцити, нервовi клiтини та лiмфоцити (22). Отже, додаткове введення глютамшу до загального парентерального живлення, тдтримуе тканинний пул GSH та покращуе виживання пiсля оперативного втручання, шемп, токсикозу при вживаннi ацетамшофенону, хiмiотерапiï, стресу, викликаного запальним процесом та трансплантащею кiсткового мозку (23).
Глютамат вдаграе регуляторну роль у бiосинтезi GSH з участю двох механiзмiв: пiдвищуючи вмiст цистину та запоб^аючи гальмуванню активностi ГлЦ-синтази. Глютамат та цистин е компонентами транспортноï системи амшокислот (5). При високому внутршньокл^инному вмiстi глютамату, наприклад, у пащенив з прогресуючими формами онкозахворювань, HIV-iнфекцiï, пошкодженнi спинного або головного мозку, так само як i у культурi клiтин з високим вмютом глютамату, зростання кшькосп цистину гальмуеться глютаматом, в результат чого знижуеться синтез GSH (24). GSH е неалостеричним iнгiбiтором ГлЦ-синтази, який дiе за принципом зворотного зв'язку, але його зв'язування з ензимом е конкурентним по вщношенню до глютамату. При значнш концентраци глютамату, як наприклад, в еритроцитах собаки, бюсинтез GSH посилюеться i його концентращя е особливо високою (4).
Вмкт глiцину в органiзмi зменшуеться при бiлковому недоïданнi (голодуваннi), сепсису запальних процесах (25, 26). Зростання окиснення глщину у печшщ е вщповщдю оргашзму на пiдвищений рiвень глюкагону або при дiабетi (27). Ця замiнна амiнокислота, як виявилось, може бути лiмiтуючим фактором при бiосинтезi GSH в еритроцитах пащентв з опiками (14) та у дггей, якi видужують пiсля тривалого голодування (24). Очевидним е те, що баланс амшокислот рацюну мае важливий вплив на бiлкове живлення i, таким чином, на гомеостаз GSH (5). Зокрема, адекватне забезпечення Ырковмюними амшокислотами, так само як i глютаматом (глютамшом або амшокислотами з розгалуженим ланцюгом) та глщином (або серином) е вирiшальним фактором для зростання бюсинтезу GSH. Так, в еритроцитах д^ей з набряковим протеш-енергетичним недощанням i свинок з дефщитом бiлка у рацюш, бiосинтез GSH може бути порушений, що призводить до його недостатност (28). Пiдвищення вмiсту у сечi 5-оксипролiну, промiжного продукту, y-глютамiльного, циклу, використовують як шдикатор для виявлення зниженоï кiлькостi цистеïну або глщину, яю використовуються для бiосинтезу GSH in vivo (14, 25).
183
Генетична регулящя бюсинтезу GSH. Кожен з ензимiв, яю беруть участь у синтезi GSH у гапло'дному геномi людини кодуються одним геном. Для гешв ГЦС та ГлС одержано кДНК, встановлено !х нуклеотидну послiдовнiсть (29-31). Клоновано також i 5' нетранслюючу дшянку цього гену, визначено li нуклеотидну послщовшсть та встановлено регуляторнi елементи, яю можуть бути посередниками транскрипци при ди певних факторiв (32-34). Проте спроба клонувати 5' нетранслюючу дшянку гену ГлС виявилась невдалою. Це не дало можливост визначити його кшцеву нуклеотидну послiдовнiсть, в результат чого регуляторнi елементи гена ГлС залишаються невiдомими.
Надзвичайно велика кшьккть метаболiтiв, включаючи i глютатiоновi кон'югати, а також реактивнi форми кисню , шдукують бiосинтез GSH, посилюючи процеси транскрипци гену ГЦС (35). На основi встановлено! нуклеотидноi послщовноси, а також експериментального дослщження щодо 5' нетранслюючо! послiдовностi гешв важко! та легко! СО ГЦС, автори припускають iснування декiлькох посилюючих факторiв. Вони можуть бути посередниками, окремо або разом, шдукуючи процеси транскрипци, у вщповщь на зв'язування факторiв транскрипци, активнiсть яких у свою чергу зростае при посиленш сигналiв деякими метаболiтами. Встановлено, що промотор гену каталiтичноi СО ГЦС мютить значну кiлькiсть цис-дiючих елеменив, включаючи сайти для зв'язування цшого ряду активаторiв, ядерного фактора каппа В та електрофшьних елементiв. Ген модуляторно! СО ГЦС мiстить багато таких елеменив, якi наявнi також у промоторi каталiтично! СО , за винятком ядерного фактора (34).
М1жорганний транспорт глютатюну. Глютатюн переноситься з кл^ини у кл^ину за допомогою спещальних переносникiв з полегшеним механiзмом (15). GSH плазми кровi мае первинне печiнкове походження, хоча деяка кшькють GSH рацiону або кишювника може бути у портальнш венознiй плазмi (5). Молекула GSH покидае печшку або цiлий трипептид у-глютамiлцисте!н y-Glu-(Cys)2, завдяки y-глютамiлтрансферазi, яка локалiзована на зовнiшнiй цитоплазматичнш мембранi (36). Незвичайний концентрацiйний градiент по рiзнi боки плазматично! мембрани робить транспорт позакл^инного GSH або GSSG у кл^ину термодинамiчно несприятливим. Однак залишок у-Glu-(Cys)2 посилюе синтез GSH у багатьох типах кл^ин, за винятком гепатоцитiв. Нирки, легеш та кишкiвник потребують значно! кiлькостi GSH синтезованого у печшщ. Мiжорганний метаболiзм GSH функцiонуе як транспортна форма цисте!ну у нетоксичному виглядi мiж тканинами, що також допомагае тдтримувати внутрiшньоклiтинний пул GSH та редокс потенщал клiтини (5).
Вплив факто|Мв довк1лля та деяких метабол1т1в на вм1ст GSH. Вмкт внутрiшньоклiтинного GSH залежить вiд впливу багатьох чинниюв, зокрема важких металiв (37), високого рiвня глюкози в органiзмi (38) та навiть теплового шоку (39). Дiя активних форм кисню, включаючи Н2О2 (40), оксид азоту (41) або систем, яю генерують реактивш форми, зокрема 2,3-диметокси-1,4-нафтохiнон (42), менадiон (40,43) трет- бутил-гщрохшон (42,44),
184
шролщиндитюкарбамат (45), нафтфлавон (46), та iншi бюлопчно активш метаболии, зокрема деяю простагландини (47). Окиснеш лiпопротеïни низько1' щiльностi (48) та 4-гщрокси-2-ноненаль, один з юнцевих продуктiв лiпопероксидацiï (49-51) пiдвищують вмют GSH у клiтинi, iндукуючи процеси його бюсинтезу.
Рiвень внутрiшньоклiтинного GSH залежить вiд спiввiдношення процесiв його бюсинтезу та штенсивност використання. Виснаження вмкту GSH проходить по-перше, при утворенш значно1' кiлькостi кон'югатiв у глютатюнтрансферазнш ( ГлТ) реакци (це фактично незворотш втрати), а подруге, утворення GSSG при окисненш GSH збiльшенням продукци Н2О2 з участю глютатюнпероксидази (ГлП). Цi ензими виконують захисш функци для кл^ини, оскiльки знешкоджують токсичнi для ïï функцiонування метаболiти. Для цих процеЫв використовуеться GSH, який синтезуеться de novo або регенеруеться з дисульфщнох' форми ферментом глютатюнредуктазою (ГлР).
Оскшьки активнiсть ГЦС гальмуеться за принципом зворотнього зв' язку, то виснаження вмкту GSH веде до короткочасного зростання його концентраций Це е наслщком вiдсутностi гальмування процесу бюсинтезу кшцевим продуктом. До деяко1' мiри певне зниження рiвня GSH може бути причиною стрибкоподiбного зростання активной ензиму ГЦС, яка функцiонуе в умовах, при яких вщсутне гальмування GSH, а це у свою чергу може бути наслщком короткотермшового зростання юлькосп GSH у кл^иш (52). Таким чином, активащя процеЫв бiосинтезу GSH de novo, обумовлена головним чином посиленням синтезу СО ГЦС з одночасним зростанням процеЫв транскрипци та тдвищенням стабiльностi вщповщних тРНК (49,53,54). Дослiдження механiзмiв, за допомогою яких проходить регулящя кшькосп клiтинного GSH показали, що вони регулюються на генетичному рiвнi та зв'язаш з iндукцiею гена ГЦС (35) з незалежною регуляцiею транскрипци ïï СО (55), а також доступшстю субстратв, тобто амiнокислот-цистеïну, глютамату та глщину.
Глютатшн як захисний фактор. Вмкт GSH у клггиш кiлькiсно переважае iншi небiлковi Ырковмкш сполуки_цистеïну та його окисленоï форми-цистину, а також тюредоксину. Для GSH характерний широкий спектр бiологiчноï ди. Пiсля тривалих дослiджень встановлено, що - SH група GSH е важливим елементом антиоксидантного захисту кл^ини, вдаграе суттеву роль у метаболiзмi ксенобiотикiв, ейкозаноïдiв, лейкотрiенiв, простагландинiв, регуляци клiтинного циклу, експресiï генiв та сигнальноï трансдукцiï (4, 56-61). Цей перелж для GSH далеко не повний. Хоча GSH, як i цистеш, безпосередньо не взаемодiе з гщропероксидами, якi утворюються в процес обмiну, вiн використовуеться як субстрат для ГлП реакци. Цей мехашзм е домiнуючим для знешкодження неоргашчних та органiчних пероксидiв. ГлП належить до сiмейства складних-гомотетрамерних бiлкiв селенопротемв, якi в активному центрi мктять селен. Для цього ензиму характерна широка субстратна специфiчнiсть. З рiзною швидкiстю вiн вiдновлюе неорганiчнi та оргашчш пероксиди- Н2О2, кумолу, т-бутилу, полшенасичених жирних кислот, простагландинiв (62, 63).
185
Зовам недавно виявлено Ымейство бшюв, зараз вщоме як пероксиредоксини. Встановлено ïx роль у знешкодженш Н2О2 за участю GSH або iншоï сiрковмiсноï сполуки, причому, якщо цистеïн в активному цен^ перебувае у тiолатнiй формi, його ефектившсть вища, нiж з селеном. GSSG, який утворюеться у цих реакщях, ферментом глютатiонредуктазою (ГлР) вщновлюеться до GSH. Як кофермент ензим використовуе НАДФН+ Н+ , який утворюеться в окислювальних реакцiяx пентозофосфатного шляху (ПФШ), або НДДФ-залежнiй iзоцитратдегiдрогеназнiй (1цДГ) реакцiï циклу Кребса. Слщ зазначити, що тiльки в еритроцитах, дегщрогенази ПФШ повнiстю покривають потребу у вщновлених еквiвалентаx для ГлР (64), тодi як у тканинах бшьш потужним джерелом вiдновленоï форми НАДФ е 1цДГ реакцiя ЦТК( 65, 66).
Вмiст GSSG у тканинах, за даними рiзниx авторiв, незначний та складае вiд 1% до 2-3% вщ загально1' кшькост^ Зростання його вмiсту спостерiгаеться тд впливом багатьох чинникiв, зокрема оксидативного стресу, але пiд впливом ГлР вш швидко регенеруе до редукованох' форми, тобто GSH. Крiм того, GSSG, взаемодшчи з сульфгiдрильними групами бшюв, утворюе змiшанi протеш-глютатюн дисульфiди (67). Перiод напiврозпаду змшаних дисульфiдiв ( бшок-глютатiон) е тривалшим, нiж GSSG. Можливо це обумовлено способом складання бiлковоï молекули та базальним рiвнем цих компонент у клiтинi (68). Цi реакци е важливим меxанiзмом реалiзацiï функци GSH як посередника у складнш системi сигнальних шляxiв клiтини. АТФ-залежний процес виходу GSSG з кл^ини е одним з меxанiзмiв, який забезпечуе тдтримання його вмiсту у клггиш (69).
Встановлено, що GSH неензиматичним шляхом утворюе кон'югати з численною групою електрофiльниx сполук, оскшьки останнi дуже активнi. Але щ речовини взаемодiють також з GSH ензиматичним шляхом за участю ферменту глютатюнтрансферази (ГлТ). Процеси кон'югаци з участю GSH е важливим елементом у знешкодженш токсичних для оргашзму ксенобютиюв та нормальним захисним фiзiологiчним процесом(70-75). Утворення значноï кiлькостi кон'югаив ензиматичним або неензиматичним шляхом у кшцевому результатi спричиняе виснаження вмкту GSH. Глютатiоновi кон'югати -молекули невеликих розмiрiв виводяться з кл^ини (36). Цей феномен слiд розглядати як один з елеменив детоксикацшного процесу, хоча окремi з них, наприклад, гексаxлорбутадiен токсичний для нирок (76). У нирках з метаболiзмом глютатюнових кон'югатiв тiсно пов'язаний високоактивний, порiвняно з iншими тканинами, ензим у-глютамштранспептидаза. Вона каталiзуе перетворення кон'югаив глютатiону до меркаптурових кислот, яю швидко виводяться з органiзму. Цей мехашзм е одним з важливих компонентiв заxисноï системи органiзму проти to^^toï ди ксенобiотикiв (72).
Хоча GSH неензиматичним шляхом безпосередньо не взаемодiе з Н2О2 вважають, що його роль в антиоксидантному захист залежить вiд здатностi взаемодiяти з атомом вуглецю, який розмщений у центрi радикала (77). У цш гiпотезi, яка одержала назву "пастки вiльниx радикалiв," GSH дiе синерпчно з супероксиддисмутазою, запобiгаючи оксидативному пошкодженню клiтини. Вирiшальна роль GSH у захист клiтини, очевидно, пов'язана iз значною
186
кшьккть реакцш, у яких вш приймае участь. В результат цього шкiдливi молекули виводяться або нейтр^зуються оргашзмом. Незважаючи на те, що перетворення GSSG у GSH у кл^иш легко проходить з участю високо специфiчноl ГлР, виснаження GSH через утворення значно! кiлькостi кон'югатiв, або незворотнi втрати GSSG шляхом екскреци потребують його постшного поновлення. Хоча бiльшiсть тканин здатш синтезувати GSH de novo, в органiзмi домiнують процеси спрямоваш на його збереження.
Глютат1он у систем! сигнальних шлях1в. Спiввiдношення вщновлено1 та окиснено! форм глютатiону GSH / GSSG мае важливе значення не тшьки для пiдтримання окисно-вщновного стану клiтини, але вiдiграе певну роль у системi сигнальних шляив клiтин. Правда, не зовсiм зрозумшо, яким чином спiввiдношення метаболiтiв трансформуеться у хiмiчний окисно-вiдновний сигнал. Мабуть, правдоподiбною е гiпотеза дисульфiдного обмшу мiж GSSG та SH-групами бшюв. Але тут виникае iнше питання: як тюли бiлкiв, якi широко представлеш рiзноманiтними функцiями необхiднi для специфiчних сигнальних процесiв не беруть участ у цих реакцiях. В ендоплазматичному ретикулум^ де виявлено низьке стввщношення GSH / GSSG, утворюються змiшанi дисульфiди, а дисульфiдний обмш е важливим компонентом фолдингу бшюв. Вiдомо, що сильний оксидативний стрес спричиняе зростання рiвня GSSG через активащю ГлП реакци з одночасним використанням GSH. Нормальний вмiст GSSG у клггиш, як зазначено вище, складае 1-3% загально! кiлькостi глютатюну. В умовах оксидативного стресу одночасно зростае кшькють змiшаних дисульфiдiв та GSSG. Встановлено, що значна кшькють Ырковмюних бiлкiв включена у сигнальш процеси, зокрема рецепторнi бiлки, а деяю протешкшази та фактори транскрипци можуть змшювати сво! функци в результат утворення змшаних дисульфiдiв з GSSG: бшок- S-S-G. Оксидативний стрес викликае штенсивну метаболiчну вiдповiдь, що в свою чергу впливае на обмш GSH, очевидно, швидше, шж проходження специфiчного сигналу. Цi змши складають важливий патофiзiологiчний аспект, а можливо i тригерну адаптивну вщповщь, коли стрес не веде до летального закшчення. У цьому вщношенш GSSG проявляе дiю як неспецифiчна сигнальна молекула. Однак у нормальних фiзiологiчних умовах GSH теж може функщонувати як сигнальна молекула, хоча правдоподiбно Н2О2 у цьому вщношенш е прямим сигнальним агентом окисно-вщновного стану, не дивлячись на те, що швидко знешкоджуеться пiд дiею ензимiв ГлП та каталази. Слщ зазначити, що специфiчнiсть молекули Н2О2 у сигнальних процесах, очевидно, включае рiзнi метаболiчнi змiни залучаючи GSH перш шж Н2О2 буде знешкоджена ензиматичним або неензиматичним шляхом, металами змшно1 валентностi, якi здатнi оксидувати Н2О2. Вiдомо, що пероксид водню неензиматичним шляхом не взаемодiе з тюлами. При взаемоди Н2О2 (в присутност металiв або пероксинiтритiв) з тюлами утворюються сульфенова (-S02H ) або сульфонова (-S03H ) кислоти, яю важко вiдновлюються. При низьких концентращях Н2О2 спонтанно взаемодiе з тiолат анiоном, в результат чого утворюеться сульфенова кислота. У кл^иш тюлати, на вiдмiну вщ цисте1ну, мають значно вищу фiзiологiчноl норми рКа. Вони виявленi в
187
активних сайтах багатьох бшюв, таких як пероксиредоксини, протештирозинфосфатази i Ымейство бшюв тюредоксишв. Активш сайти цих бшюв створюють незвичайне мжрооточення, у якому цистеш дисоцше до тiолатноï форми. Тiолати е важливими для функцiональноï активностi цих бшюв, а в реакцiяx з участю Н2О2 забезпечують меxанiзми включення Н2О2 у сигнальнi процеси з такими молекулами як тюредоксин та протештирозинфосфатази, яю е елементами сигнального шляху (78-81). Зниження активност протештирозин - фосфатази in vitro може означати непрямi докази участ Н2О2 у сигнальних шляхах (79,82). Очевидно, це е той процес де GSH може приймати безпосередню участь. Сульфенова кислота легко вщновлюеться з участю GSH, запоб^аючи зниженню активност протеш -тирозинфосфатази. Зворотнiсть е важливим моментом функцюнування сигнальних потоюв у клiтинi. Каталiтичний сайт амейства тiоредоксиновиx бiлкiв мiстить тiолат, який може перетворитись у сульфенову кислоту i, взаемодшчи з цистешом, утворюе внутршньомолекулярний дисульфщний зв'язок, який не вщновлюеться з участю GSH, а тшьки ензиматичним шляхом тiоредоксинредуктазою з використанням вiдновленоï форми НАДФ. Вважають, що тюредоксин е одним з компонента сигнальних шляxiв з участю Н2О2 через утворення сульфеновоï кислоти.
Висновки. Глютатiон i тiоредоксин е надзвичайно важливими компонентами заxисноï системи кл^ини проти токсичноï дiï ксенобютиюв та активних форм кисню. Вивчення сигнальних шляxiв, якi ведуть до змши метаболiзму тiолiв, е виршальним для розумiння меxанiзмiв i застосування вщповщних заxодiв для знешкодження токсиканив рiзноï природи. Багато токсикантiв проявляють свш ушкоджуючий вплив прямо або опосередковано на окисно-вщновний статус кл^ини через дiю на метаболiзм тiолiв, i, в першу чергу, на систему глютатюну.
Л1тература
1. Amer E.S.J., Holmgren A. // Eur.J. Biochem. - 2000. - V. 267. - P. 6102-6109.
2. Carmel-Harel O., Storz G. // Annu. Rev. Microbiol. - 2000. - V. 54. - P. 439-461.
3. Potamitou A. Holmgren A., Vlamis-Gardicas A. // J. Biol. Chem. - 2002. - V. 277.
- P. 18561-18567.
4. Griffith O.W. // Free Radic. Biol. Med. - 1999. - V. 27. - 922-935.
5. Lu S.C.. // Curr. Top. Cell. Regul. -2000. - V. 36. -P. 95-116.
6. Seelig G.F., Meister A. // Methods Enzymol. - 1985. - V. 113. - P. 379-390.
7. Griffith O.W. // Radic. Biol. Med. - 1999. - V. 27. - P. 922-935.
8. Sun W-M., Huang Z-Z., Lu S C. // Biochem. J. - 1996.- V. 320. - P. 32l-328.
9. Ochi T. // Arch. Toxicol. - 1995. - V. 70. - P. 96-103.
10.Njaisson R., Norgren S., Larsson A. еt al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. -2001. - V. 289. - P. 80-84.
11.Bella D.L., Hirschberger L.L., Kwon L.L. еt al. // Amino Acids. - 2002. - V. 23. -P.453-458.
12. Reid M., Badaloo A., Forrester T. еt al. // Am. J. Physiol. - 2000. - V. 278. - P.
E405-E412.
188
13. Lyons J., Pauh-Pfeiffer A., Yu Y. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S. A. -2000. -
V. 97. - P. 5071-5076.
14. Yu Y. M., Ryan C. V., Fei Z. V. et al. // Am. J. Physiol. - 2002. - V. 282. - P.
E247-E258.
15. Townsend D.M., Tew K.D., Tapiero H. // Biomed. Pharmacol. - 2003.- V.57.- P.
145-155.
16. Canais S., Casarejos M. J., de Bemardo S. et al. // J. Biol. Chem. - 2003. - V. 278.
- P. 21542-21549.
17.. Wu G., Fang Y-Z. Yang S. et al. // J. Nutr.- 2004. - V. 134. - P. 489-492. 18.. Jahoor F., Jackson A., Gazzard B. et al. // Am. J. Physiol. - 1999. - V. 276. - P. E205-E211.
19. Chung T.K., Funk M.A., Baker D. H. // J. Nutr.- 1990. - V. 120. - P. 158-165.
20. Reeds P.J., Burrin D.G., Stoll B. et al. // Am. J. Physiol. - 1997. - V. 273. - P.
E408-E415.
21. Watford M. // J. Nutr. - 2002. - V. 132. - P. 952-956.
22. Johnson A. T., Kauffman Y.C., Luo S. et al. // J. Surg. Res. - 2003. -V. 111. - P.
222-228.
23. Oehler R., Roth E. // Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. - 2003. - V. 6. - P.
277-282.
24. Tapiero H., Mathe G., Couvreur P. et al. // Biomed. Pharmacother. - 2002. - V.
56. - P.446-457.
25. Persaud C., Forrester N., Jackson A. // J. Nutr. - 1996. - V.126. - P. 2823-2830.
26. Grimble R. E., Jackson A. F., Persaud C. // J. Nutr. - 1992. - V.122. - P. 2066-
2073
27.Mabrouk G. M., Jois M., Brosnan J. T. // Biochem J. - 1998. - V. 330. - P. 759763.
28. Badaloo A., Reid M., Forrester T. et al. // Am. J. Clin. Nutr. - 2002. - V. 76. - P.
646-652.
29. Gipp J.J., Chiang C., Mulcahy R.T. // Biochem. Biophys. Res. Commun. - l992. -
V. l85. - P. 29-35.
30. Gipp J.J., Bailey H.H., Mulcahy R.T. // Biochem. Biophys. Res. Commun. -
1995. - V. 206. - P .584-589.
31. Gali R.R., Board P.G. // Biochem. J. - 1995. - V. 310. - P. 353-3588.
32. Mulcahy R.T., Gipp J.J. // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 1995. - V. 209. -
P. 227-233.
33. Mulcahy R.T., Wartman M.A., Bailey H.H. et al. // J. Biol. Chem. - 1997. - V.
272. - P. 7445-7454.
34. Moinova H.R., Mulcahy R.T. // J. Biol. Chem. - 1998. - V. 273. - P. 14683-
14689.
35. Wild A C., Mulcahy R.T. // Free Radic. Res. - 2000. - V. 32. - P. 281-301.
36. Макух G. М., Олiярник О.Д., Вигнан Д.С., Крастевич А.Я. // Наук.вкник.
ЛНАВМ iMeHi С.З. Гжицького. - 2005. - Т. 7. - С. 100-118.
37. Woods J.S., Ellis M E. // Biochem. Pharmacol. - 1995. - V. 50. - P. 1719-1724.
38. Urata Y., Yamamoto H.,Goto S. et al. // J. Biol. Chem. - 1996. - V. 271. - P.
15146-15152
189
39. Kondo T., Yoshida K., Urata Y. et al. // J. Biol. Chem. - 1993. - V. 268. - P.
20366-20372.
40. Rahman I., Bel A., Mulier B. et al. // Biochem. Biophys. Res. Commum. - 1996. -
V. 229. - P. 832-837.
41. Moellering D., Mc Andrew J., Patel R.P. et al. // FEBS Lett. - 1999. - V. 448. - P.
292-296.
42. Liu R.M., Hu H., Robison T.W. et al. // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. - 1996. -
V. 4. - P. 186-191.
43. Shi M.M., Iwamoto T., Forman H.J. // Am. J. Physiol. - I994. - V. 267. - P.
L414-L421.
44. Galloway D.C., McLellan L.I. // Biochem. J. - 1998. - V. 336. - P. 535-539.
45. Wild A C., Mulcahy R.T. // Biochem. J. - 1999. - V. 338. - P. 659-665.
46. Mulcahy R.T., Wartman M.A., Bailey H.H. et al. // J. Biol. Chem. - 1997. - V.
272. - P. 7445-7454.
47. Levonen A-L., Dickinson D.A., Moellering D.R. et al. // Thromb. Vasc. Biol. -
2001. - V. 21. - P. 1846-1851.
48. Moellering D.R., Patel R.P., Dickinson D A. et al. // Biochem. J. - 2002. -V. 362.
- P. 51-59.
49. Liu R-M., Gao L., Choi J. et al. // Am. J. Physiol. - 1998. - V. 275. - P. L861-
L869
50. Liu R-M., Borok Z., Forman H.J. // J. Respir. Cell. Mol. Biol. - 2001. - V. 24. -
P. 499-505.
51.Dickinson D.A., Forman H. J. // Biochem. Pharmacol. - 2002. - V. 64. - P. 10191026.
52. Richman P.G., Meister A. // J. Biol. Chem. - 1975. - V. 250. - P. 1422-1426.
53. Yao K.S., Godwin A.K., Johnson S.W. et al. // Cancer. Res. - 1995. - V. 55. - P.
4367-4374.
54. Gomi A., Masuzawa T., Ishikawa T. et al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. -
1997. -V. 239. - P. 51-56.
55. Dahl E.L., Mulcahy R. // Toxicol. Sci. - 2001. - V. 61. - P. 265-272.
56. Ketterer B. // Drug Metab. Rev.- 1982. - V.- 13. - P. 161-187.
57. Meister A. // Science. -1983. - V. 220. - P. 472-477.
58. Ziegler D M. // Annu. Rev. Biochem.- 1985. - V. 54. - P. 305-329.
59. Reed D.J., Fariss M.W. // Pharmacol. Rev.- I984. - V.36. - P. 25S-33S.
60. Arrigo A.P. // Free Radic. Biol. Med. - I999. - V.27. - P. 936-944.
61. Кулинский В.И., Колeсничeнко Л.С. // Устехи совр. биол. - 1990. - Т. 110. -
С. 20-33.
62. Cohen G., Hochstein P. // Biochemistry.- 1963. - V. 2. - P. 1420-1428.
63. Кулинский В.И., Колeсничeнко Л.С. // Устехи совр. биол. - 1993. - Т. 113. -
С. 107-121.
64. Макух £., Головацький I. // Вкник Львiвського ун-ту. Сeрiя бюл. - 2002. -
Вип.. 31. - С. 34-38.
65. Головацкий И.Д. // Биохимия животных и чeловeка. - 1978. - Вып. 2. - С. 39-
46.
66. Reed D.J. // Biochem. Pharmacol. - 1986. - V. 35. - P. 7-13.
190
67. Brigelius R., Muckel C., Akerboom T.P.M. et al. // Biochem. Pharmacol. - 1983.
- V. 32. - P. 2529-2534.
68. Loeb G.A., Skelton D.C., Forman H.J. // Biochem. Pharmacol. - 1989. - V. 38. -
P. 3119-3121.
69. Sharma R., Gupta S., Ahmad H. ct al. // Appl. Pharmacol. - 1990. - V. l04. - P.
421-428.
70. Strange R.C., Jones P.W., Fryer A.A. // Toxicol. Lett. - 2000. - V. 112/113. - P.
357-363.
71. Eaton D.L., Bammler T.K. // Toxicol. Sci. - 1999. - V.49. - P. 156-164.
72. Commandeur J.N.M.,Stijntjies G.J., Vermeulen N.P.E. // Pharm. Rev. - 1995. -
V. 47. - P. 273-330.
73. Ketterer B., Coles B., Meuer D.J. // Enviroment. Health Perspectives. - 1983. -
V. 49. - P. 59-69.
74. Pickett C. B., Lu A. Y. H. // Annu. Rev. Biochem. - 1989. - V. 58. - P. 743-
764.
75. Hayes J.D., Flanagan J.U., Jowsey I.R. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. -2005. - V. 45. - P. 51-88.
76. Dekant W, Vamvakas S, Anders M.W. // Food Chem. Toxicol. - 1990. - V. 28. -
P. 285-293.
77. Winterboum C.C. // Free Radic. Biol. Med. - 1993. - V. 14. - P. 85-90.
78. Holmgren A. // Structure. - 1995.- V. 3. - P. 239-243.
79. Denu J.M., Tanner K G. // Biochemistry. - 1998. - V. 37. - P. 5633-5642.
80. Claiborne A., Yen J.L., Mallett T.C. еt al. // Biochemistry. - 1999. - V. 38. - P.
15407-15416.
81. Kim J R., Yoon H.W., Kwon K.S. й al. // Anal. Biochem. - 2000. - V. 283. - P.
214-221.
82. Lee S.R., Kwon K.S, Kim S.K. й al. // J. Biol. Chem. - 1998. - V. 273. - P.
15366-15372.
Summary
Makukh Ye. M., Vygnan D.S., Krasnevych A. Ya. Vygnan T.L., Golovatskyi I.D. CELLULAR THIOL-CONTAINING METABOLITES
The literary data about cellular thiol-containing metabolites gluthathione and thioredoxin have been summarized. It was shown some aspects the regulation of GSH biosynthesis, their roles as a protective agent and roles of thiols as signaling molecules.
Key words: glutathione reduced, glutathione oxidized, thioredoxin, hydrogen peroxide, glutathione-conjugate.
Стаття надшшла до редакцИ 16.03.2010
191
