CC BY
239
МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ СИНТАЗА ОКСИДА АЗОТА И ЕЕ РОЛЬ В МЕХАНИЗМАХ АДАПТАЦИИ КЛЕТКИ К ГИПОКСИИ
УДК 615.015:616-001.8 DOI: 10.17816/RCF14238-46
© В.Е. Новиков, О.С. Левченкова, Е.В. Пожилова
ГБОУ ВПО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России, Смоленск, Россия
Поступила в редакцию 25.04.2016 Принята к печати 15.06.2016
Ключевые слова:_
митохондриальная синтаза оксида азота (mtNOS); митохон-дриальный оксид азота (NO); гипоксия; ишемия; адаптация.
Резюме_
В механизмах регуляции процессов адаптации клетки к воздействию экстремальных факторов активное участие принимает митохондриальная синтаза оксида азота (mtNOS). Она тесно функционально взаимосвязана с другими регуляторными митохондриальными факторами и участвует в реализации реакций адаптации клетки на гипоксию, ишемию и другие патогенные воздействия. В обзорной статье представлен анализ роли mtNOS в функционировании клетки в условиях гипоксии, ее влияние на апоптоз. Рассматриваются комплексные
♦ Keywords: mitochondrial nitric oxide synthase (mtNOS); mitochondrial nitric oxide (NO); hypoxia; ischemia; adaptation.
♦ Abstract. Mitochondrial nitric oxide synthase (mtNOS) actively participates in mechanisms of regulation of cell adaptation to extreme factors. It is closely interacted with other mitochondrial regulatory factors and is involved in adaptation reactions of cells to hypoxia, ischemia and other pathogenic action. Analysis of the role of mtNOS in cell functioning in hypoxia condition and its influence on apoptosis is presented in the article. Complex mechanism of cell adap-
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы повышения устойчивости организма к состояниям гипоксии и ишемии приобрели большую научно-практическую значимость, поскольку эти состояния в той или иной мере сопутствуют течению многих заболеваний [12, 13, 23, 30, 33]. В последние годы благодаря успехам молекулярной биологии и экспе-
механизмы адаптации клетки с участием митохондриального оксида азота (NO). Отмечается, что митохондриальный NO является модулятором клеточного дыхания, синтеза АТФ, активности митохондриальных АТФ-зависимых калиевых каналов, митохондриальной мегапоры и специфического белкового фактора адаптации к гипоксии. Обсуждается возможность фармакологической регуляции активности mtNOS. Такой подход представляется перспективным направлением поиска новых лекарственных средств для фармакотерапии заболеваний, в генезе которых имеют место состояния гипоксии и ишемии. Модулируя активность mtNOS и синтез митохон-дриального NO, можно регулировать гомеостаз клетки, например повышать резистентность к гипоксическому воздействию.
6
Accepted: 15.06.2015
tation with participation of mitochondrial nitric oxide (NO) is considered. Mitochondrial NO is a modulator of cell respiration, synthesis of ATP, activity of mitochondrial ATP-sensitive potassium channels, mitochondrial megapore and the specific protein factor to hypoxia adaptation. The possibility of pharmacological regulation of mtNOS activity is discussed. This approach seems to be promising for searching of new drugs for the pharmacotherapy of diseases with hypoxia and ischemia in their pathogenesis. There is possible to regulate cell homeostasis, for example, resistance to hypoxia by modulating the activity of mtNOS and synthesis of mitochondrial NO.
риментальной фармакологии вскрыты фундаментальные механизмы метаболических и функциональных процессов на уровне клетки и субклеточных структур, лежащих в основе формирования реакций клеточной адаптации [4, 5, 11, 16]. Выделен ряд молекулярных факторов, принимающих непосредственное участие в развитии и регуляции реакций адаптации клетки и всего организма к гипоксии [6, 18, 20, 29].
MiTOCHONDRiAL NiTRiC OXiDE SYNTHASE AND iTS ROLE iN THE MECHANiSMS OF CELL ADAPTATiON TO HYPOXiA
© V.E. Novikov, O.S. Levchenkova, E.V. Pozhilova Smolensk State Medical University, Smolensk, Russia
For citation: Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy, 2016;14(2):38-46 Received: 25.04.201
Важнейшее значение в процессах клеточной адаптации к воздействию экстремальных факторов имеет функциональное состояние митохондрий [14, 15, 24]. Привычное представление о митохондриях как о специализированных органеллах, контролирующих энергетический обмен, в настоящее время дополнилось представлением о них как об органеллах, в которых заключены факторы, определяющие судьбу клетки [7, 32]. В действительности на митохондриях сходится и регулируется большое количество сигнальных путей, обеспечивающих как митохондриальный биогенез и пролиферацию клеток, так и, наоборот, запрограммированную гибель клетки путем ограничения окислительно-восстановительных реакций. Из этого следует, что митохондриальные факторы являются важными мишенями для фармакологического воздействия в условиях гипоксии и ишемии [19, 27].
Среди структурно-функциональных элементов митохондрий пристальное внимание ученых привлекает митохондриальный оксид азота (N0) и продуцирующий его фермент — митохондриальная синтаза оксида азота (mtN0S). Накоплен огромный экспериментальный и клинический материал о молекулярном механизме физиологического и патофизиологического эффектов оксида азота, а также о сопряженности его эффектов с супероксидным радикалом в реализации окислительного стресса [26, 28]. Оксид азота способен оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на функцию митохондрий и метаболические процессы, протекающие в клетках организма человека. Несмотря на многочисленные исследования, значение оксида азота в системной регуляции гомеостаза клеток и тканей до сих пор вызывает научные дискуссии.
МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ СИНТАЗА ОКСИДА АЗОТА (mtNOS)
Синтаза оксида азота представлена несколькими изоформами. По физиологическим свойствам изоформы синтазы оксида азота подразделяются на Са2+-кальмодулинзависимые «конститутивные» NOS ^NOS), включающие нейрональную (nNOS) и эн-дотелиальную ^NOS), и Са2+-кальмодулиннезависи-мую «индуцибельную» (iNOS) [37]. Конститутивные изоформы NO-синтазы постоянно присутствуют в соответствующих клетках, связаны с мембранными белками клеток и имеют преимущественно физиологическое значение, поскольку количество образуемого ими NO относительно невелико. Инду-цибельная NOS не связана с мембранными белками и является цитозольным ферментом [31]. Индуци-бельная NOS синтезируется в ответ на определенное внешнее воздействие на клетку и проявляет активность через 6-8 часов после внешнего воздействия. Это время необходимо для активации генов
и начала синтеза фермента [45]. Индуцибельные NOS продуцируют огромные (в 100-1000 раз больше, чем сNOS) количества NO. Поскольку высокие дозы NO могут быть токсичны для клеток, эта изо-форма фермента считается патологической в отличие от сNOS.
Недавно во внутренней мембране митохондрий выявлено наличие конститутивной формы синтазы оксида азота, которая идентифицирована как nNOS и максимально проявляется в митохондриях головного мозга, участвует в обратимом ингибировании цитохром оксидазы, функционально связана с комплексом I митохондриальной дыхательной цепи [38, 41, 50]. Однако по основным характеристикам митохондриальная NOS (mtNOS) сходна с инду-цибельной (iNOS), а не с конститутивной формой ^NOS). Вместе с тем при сравнении скорости продукции NO интактными митохондриями, митохон-дриальным гомогенатом и субмитохондриальными частицами (1,4, 4,9 и 7,1 нмоль/мин на мг белка соответственно) установлено, что mtNOS фиксирована на внутренней мембране митохондрий, тогда как iNOS является цитозольным ферментом. Вопрос о том, что представляет собой mtNOS — отдельную изоформу фермента или же модифицированную во время трансляции или после нее индуцибельную NOS, остается открытым и по-разному трактуется авторами [2, 51]. В любом случае, выявление NOS в митохондриях открывает новые возможные пути исследований роли mtNOS и эндогенного NO в механизмах клеточной адаптации.
Продуцируемый mtNOS оксид азота регулирует активность митохондрий и редокс-гомео-стаз [42, 53, 54]. Так, известно регуляторное действие оксида азота на митохондриальное дыхание. NO имеет высокий аффинитет к железосодержащей цитохромоксидазе — финальному акцептору в электронтранспортной цепи митохондрий. Ферменты митохондриальной дыхательной цепи входят в спектр биомишеней оксида азота и его метаболитов [36, 44]. Цитохромы митохондриальной цепи электронного транспорта способны реагировать с оксидом азота, но физиологические последствия этого взаимодействия пока не установлены.
митохондриальная синтаза оксида азота и гипоксия
Митохондриальная NOS имеет самое непосредственное отношение к функционированию клетки в условиях гипоксии. Тканевая гипоксия, с одной стороны, замедляет NOS-зависимый синтез NO из L-аргинина и О2, так как О2 одно из реагирующих веществ в реакции NOS-зависимого синтеза NO. С другой стороны, поскольку mtNOS является Ca2+-кальмодулинзависимой изоформой, внутримито-хондриальное накопление ионов кальция во время гипоксии активирует mtNOS. Имеются эксперимен-
НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ
тальные сведения о повышении ферментной активности mtNOS под влиянием гипоксии [46]. Вероятно, изменения активности mtNOS зависят от степени выраженности гипоксического состояния. Умеренная гипоксия приводит к активации цикла NO, что лежит в основе компенсаторно-приспособительных изменений в работе клетки в ответ на гипоксию. Так, во время курса гипоксической тренировки повышение продукции NO задерживает необратимые повреждения клеток из-за снижения митохондриальной активности. Синтезируемый mtNOS оксид азота, митохондриальное содержание которого увеличивается при гипоксии, приводит к открытию ми-тохондриальных АТФ-зависимых калиевых каналов (митоКАТФ) путем прямого воздействия или опосредованно через активацию протеинкиназы С перок-синитритом. Активация митоКАТФ-каналов является одним из начальных этапов в процессе адаптации клетки к гипоксии и ишемии. Возможно, открытие митоКАТФ-каналов снижает кальциевую перегрузку митохондрий, нормализует редокс-баланс клетки, обеспечивая ее приемлемую функциональную активность в условиях гипоксии [21]. Показано, что активация митоКАТФ-каналов играет существенную роль в защите миокарда при ишемии [10, 49].
Среди факторов, влияющих на скорость NOS-зависимого синтеза N0 в митохондриях, можно назвать скорость транскрипции генов, ответственных за синтез mtNOS, содержание субстратов mtNOS (НАДФН, L-аргинина) и ее кофакторов (ФАД, ФМН, BH4). Кроме NO-синтазного механизма NO образуется в ходе нитрит-редуктазных реакций, роль которых возрастает в условиях гипоксии. Катализируются данные реакции восстановления, в частности, в митохондриях электронно-донорными системами с участием НАДН, НАДНФ, флавопротеинов и ци-тохромоксидазы [8]. В эритроцитах данная реакция катализируется еще и при участии дезоксигемогло-бина, содержание которого повышается при внутриклеточном ацидозе, возникающем при гипоксии. В итоге при недостатке кислорода происходит активация ферментативных и неферментативных (восстановленный глутатион, аскорбиновая кислота) систем, участвующих в образовании NO.
В условиях истощения L-аргинина митохондри-альная NOS может переключиться на образование активных форм кислорода (АФК) вместо NO, что ведет к окислительному стрессу и открытию митохондриальной мегапоры (mPTP). Са2+-индуцированное открытие mPTP предотвращается в таком случае нейтрализацией АФК миметиками супероксиддис-мутазы или при добавлении кофакторов mtNOS, таких как L-аргинин или тетрагидробиоптерин (BH4). Поэтому поддержание физиологического уровня L-аргинина и BH4 при гипоксии, окислительном стрессе оказывает кардиопротекторное действие, что имеет большое практическое значение при хронической сердечной недостаточности, при операциях на сердце [40]. Продуцируемый в мито-
хондриях в результате синтазных реакций NO тормозит открытие mPTP при гипоксии, когда наблюдается высокая перегрузка ионами Ca2+. Не до конца ясно, является ли этот эффект результатом непосредственного действия NO (например, прямого S-нитрозилирования тиоловых групп) в мегапоре или результатом нейтрализации АФК [46].
Гиперпродукция активных форм кислорода, что имеет место при многих патологических состояниях (стресс, гипоксия, ишемия и др.), ведет к их взаимодействию с NO с образованием мощного оксиданта пероксинитрита (ПН). В результате запускаются NO/ПН-индуцированные процессы: инги-бирование аконитазы и железосодержащих центров I-III комплексов дыхательной цепи митохондрий, подавление синтеза АТФ и креатинфосфата, нитро-зилирование мембранных тиолов с изменением проницаемости митохондриальных мембран, открытие mPTP, развитие митоптоза. При этом дисфункция митохондрий вызывает нарушения обратного захвата медиаторов (катехоламинов, дофамина, серото-нина), ионного транспорта, генерации и проведения импульсов [22, 43, 50].
Устойчивое повышение содержания АФК в ком-партментах клетки вызывает активацию системы iNOS/NO в митохондриях и подавление cNOS/NO в цитозоле тканей, что нарушает сбалансированный синтез NO изоформами NOS, приводящий к окислительному стрессу с образованием оксиданта пероксинитрита, дисфункции митохондрий, нарушениям энергетического баланса и нейротрансмис-сии [26, 28]. При окислительном стрессе в клетках снижается уровень АТФ, повышается содержание гипоксантина и активность ксантиноксидазы, образующей прооксиданты. В условиях гипоксии и ишемии тканей при восстановлении кровотока происходит приток молекулярного кислорода и кальция, что ускоряет образование свободных радикалов кислорода, возникающих в результате действия ксантин-оксидазы и других оксидантных ферментов, в том числе iNOS и mtNOS. Из этого следует, что оксид азота является одним из ключевых факторов в патофизиологии окислительного стресса.
Пероксинитрит анион участвует в реализации окислительного стресса. Он индуцирует повреждение ДНК и мутации, подавляет активность ферментов, участвующих в репликации ДНК, и может непосредственно повреждать ДНК. В результате такого действия на ДНК включаются защитные механизмы с активированием поли(АДФ-рибоза)-синтетазы, что приводит к истощению пула восстановленных пиридиннуклеотидов и еще больше снижает уровень АТФ, являясь одной из причин развития апоп-тоза [1, 39]. Показано, что избыточное образование NO и ПН стимулирует в клетке синтез белка р53, который индуцирует экспрессию апоптогенных белков Bax, Fas, p53AIP (apoptosis inducing protein), а также перемещается в митохондрию при апоптозе, что может быть одной из причин повышения выработ-
40
I ОБЗОРЫ ПО КЛИНИЧЕСКОЙ ФАРМАКОЛОГИИ И ЛЕКАРСТВЕННОЙ ТЕРАПИИ
2016/14/2
ки АФК и снижения трансмембранного потенциала на внутренней мембране митохондрий [1].
Изменение транслокации и активности mtNOS под действием различных физиологических и патологических состояний представляет собой один из возможных адаптивных механизмов клетки [41]. Оксид азота, будучи синтезирован в одних клетках, способен влиять на метаболические процессы как в этих клетках, так и в других, расположенных по соседству. NO действует на клеточные структуры, в том числе и на митохондрии, и способен вызывать развитие не только адаптивных реакций клетки, но и ряда явлений, приводящих к апоптозу.
МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ СИНТАЗА ОКСИДА АЗОТА И АПОПТОЗ
В действии оксида азота отмечается полифункциональность. Это проявляется разнонаправленным действием NO на функцию клетки, в результате чего ответ клетки на один и тот же стимул может существенно различаться [31]. В таком действии большое значение имеет соотношение активности различных изоформ NO-синтазы и место продукции NO в компартментах клетки. Повышение активности NO-синтазы и продукции NO может не только играть положительную роль, но и оказывать повреждающее действие на клетки, приводить к апоптозу [17, 26].
Влияние mtNOS и митохондриального оксида азота на апоптоз представляется довольно сложным и зависящим от многих факторов. Так как синтез NO из L-аргинина и O2 с использованием НАДНФ катализируется NOS, можно предположить участие mtNOS в регуляции апоптоза, особенно учитывая, что данный фермент может иметь отношение к производству АФК (супероксиданиона), пероксинитри-та, а значит, к различным биологическим повреждениям [1]. Вместе с тем различные механизмы, регулирующие апоптоз, весьма тесно переплетены, и в действии какой-либо сигнальной молекулы очень трудно выделить про- или антиапоптотические составляющие. Поэтому нельзя однозначно указать роль mtNOS и митохондриального NO в регуляции апоптоза, как и функциональной активности клетки в целом [17, 19].
Действие mtNOS и митохондриального NO не ограничивается только цитотоксичностью или, наоборот, защитным эффектом, а определяется соотношением стрессовых факторов и факторов выживания клетки, что и направляет NO по тому или иному пути [2, 9]. Например, считается, что мито-хондриальный NO влияет на открытие mPTP, выход цитохрома С в цитозоль, что запускает процесс апоптоза. Однако следует отметить, что эффект NO на проницаемость митохондриальных мембран является дозозависимым. В малых концентрациях оксид азота оказывает ингибирующее влияние
на окислительное фосфорилирование митохондрий, обратимо связываясь с цитохромоксидазой электронтранспортной цепи, и блокирует mPTP. Существует представление, что блокада mPTP под действием NO объясняется именно ингибировани-ем цитохромоксидазы. В больших концентрациях оксид азота дает противоположный эффект — наряду с угнетением синтеза АТФ вызывает нитрозоли-рование тиоловых групп митохондриальных белков, что ведет к открытию mPTP, высвобождению в цитозоль апоптогенных факторов, выходу цитохрома С и запуску каспазного пути апоптоза. Так, показано влияние NO на открытие mPTP в эксперименте при ишемии-реперфузии изолированного сердца [35].
В больших концентрациях, образующихся, как правило, индуцибельной изоформой NOS и mtNOS, оксид азота может вызывать токсический эффект, связанный как с прямым действием на железосодержащие ферменты клетки, так и с образованием сильного окислителя, очень реакционного и токсичного свободнорадикального соединения перокси-нитрита [26]. Токсический эффект NO проявляется прежде всего в ингибировании митохондриальных ферментов, что приводит к снижению продукции АТФ, а также ферментов, участвующих в репликации ДНК. Кроме того, NO и пероксинитрит могут непосредственно повреждать ДНК, что еще больше снижает уровень АТФ и может приводить к клеточной гибели. Повреждение ДНК под влиянием NO является одной из причин развития апоптоза. Известно, что при Са2+-индуцированной активации mtNOS происходит усиление перекисного окисления липидов, выход цитохрома С в цитозоль и развитие картины типичного апоптоза, что связывают с образованием в митохондриях мощного оксиданта пероксини-трита, который необратимо подавляет ферменты дыхательной цепи, нитрозилируя их и отнимая железо [1].
ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ NOS
Фармакологическая регуляция активности NOS и продукции эндогенного NO предоставляет вполне реальную возможность направленного воздействия на фундаментальные механизмы клеточной адаптации, что в свою очередь расширяет возможности фармакотерапии многих заболеваний. Так, ингибиторы NOS могут иметь практическое значение в лечении патологических состояний, протекающих с избыточной продукцией NO (воспалительные и дегенеративные заболевания, сепсис, эндотоксемии), и проявлять широкий спектр фармакологических свойств, в том числе оказывать кардио- и нейро-протекторное действие [17, 48]. Однако существуют объективные препятствия для клинического применения ингибиторов NOS, которые в значительной мере обусловлены сложностью самой организа-
ции эндогенного синтеза NO. Продуцирующие NO в тканях организма изоформы NOS существенно отличаются участием в различных процессах [55]. В этой связи практический интерес представляют соединения, избирательно ингибирующие отдельные изоформы NOS. Однако значимый уровень селективности проявляют не более 5 % известных ингибиторов NOS.
Большинство известных сегодня ингибиторов NOS необратимо блокируют эти ферменты. А необратимое подавление активности NOS не всегда целесообразно и безопасно, поскольку эндогенный NO выполняет в клетках важнейшие физиологические функции. По этой причине многие необратимые ингибиторы NOS, в том числе и селективные, используются в экспериментальных исследованиях, в то время как их клиническое применение представляется сомнительным.
В настоящее время ведется активный поиск селективных ингибиторов индуцибельной синтазы оксида азота. Поскольку именно индуцибельная NOS обеспечивает продукцию больших количеств NO при лечении заболеваний, характеризующихся избытком оксида азота в крови, в комплексную терапию все чаще включаются препараты, ингибирующие активность iNOS. Клиническое применение получили препараты — аналоги L-аргинина, такие как ^омега)-нитро^-аргинин-метил-эфир (L-NAME), ^дельта)-монометил-1-аргинин (L-NMMA). Применяют глюкокортикоиды (преднизолон, дексаме-тазон), которые ингибируют транскрипцию iNOS и снижают содержание конечных метаболитов оксида азота в крови, что, по-видимому, и определяет их высокую терапевтическую активность при состояниях, характеризующихся гиперпродукцией оксида азота. Перспективными могут оказаться селективные ингибиторы NOS с обратимым субстрат-конкурентным действием. Среди соединений, обладающих такими свойствами, привлекают внимание линейные и циклические производные изотиомо-чевины, имеющие в своей молекулярной структуре тиоамидиновый фрагмент, изостеричный гуаниди-новой группе L-аргинина. Тиоамидиновый фрагмент играет роль псевдосубстрата и позволяет таким соединениям конкурировать за активный центр NOS [25, 34].
Большую научно-практическую значимость имеет фармакологическая регуляция активности mtNOS, что предполагает разработку лекарственных веществ избирательного действия, которые можно было бы использовать, в частности, при ише-мии-реперфузии миокарда. В экспериментах продемонстрирована повышенная активность mtNOS при ишемической болезни сердца (особенно в случае тяжелой гипоксии) и гипертрофии правого желудочка при индуцированной гипоксией легочной гипертензии. Показано, что ингибирование mtNOS приводит к увеличению сократимости миокарда у мышей с кардиомиопатией [46].
Кроме ингибиторов ведется поиск индукторов NOS. Для клинической практики большое значение имеют индукторы конститутивной NOS. Они могут быть эффективными протекторами при гипоксиче-ских состояниях, так как продуцируемый сNOS оксид азота выступает индуктором активности специфического белкового фактора адаптации к гипоксии (гипоксией индуцированный фактор, HIF-1). В настоящее время показана возможность для некоторых донаторов NO ^-нитрозо^-ацетил^, L-пеницилламин; S-нитрозоглютатион) индуцировать накопление и активность HIF-1 [3]. Выявлено, что процесс повышения активности HIF-1 с помощью донаторов NO независим от cGMP, связан с активацией сигнального пути PI3K/AKT/mTOR (фосфатидилинозитол-3-киназный сигнальный путь — контролирует ключевые функции клетки) и чувствителен к колебаниям редокс-по-тенциала клетки. NO может связываться с железом HIF-гидроксилаз, блокировать связывание с ними кислорода и тем самым подавлять реакцию гидро-ксилирования фактора адаптации к гипоксии [47, 52]. Это делает поиск индукторов конститутивной син-тазы оксида азота, а также соединений, способных пролонгировать эффект оксида азота и обеспечивающих его транспорт к различным органам и тканям, тоже актуальным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, проведенный анализ литературы показал, что в сложной системе клеточной регуляции процессов адаптации к воздействию экстремальных факторов самое активное участие принимает митохондриальная синтаза оксида азота. Митохон-дриальная NOS, по всей видимости, представляет собой самостоятельную изоформу NO-синтазы, индукция которой и синтез митохондриального NO возрастают при действии на клетку патогенных факторов. Она тесно функционально взаимосвязана в многообразных сигнальных путях регуляции ключевых функций клетки с другими регуляторными ми-тохондриальными факторами, участвующими в реализации компенсаторно-адаптационных реакций клетки на гипоксию, ишемию и другие патогенные воздействия. Продуцируемый mtNOS оксид азота является модулятором митохондриального дыхания, синтеза АТФ, активности митоКАТФ-зависимых каналов, mPTP, HIF-1. Полифункциональность и разнонаправленное действие NO на функцию клетки зависят не только от концентрации и места синтеза NO, но и от его взаимодействия с другими сигнальными молекулами, силы воздействия патогенного фактора на клетку и ее функционально-метаболического состояния. В результате ответ клетки на один и тот же стимул может существенно различаться. Разнообразие эффектов митохондриального NO в опытах in vitro не всегда позволяет предугадать их клинические проявления in vivo, что затрудняет воз-
можность использования лекарственных веществ подобного действия.
Митохондриальная NOS является одним из наиболее регулируемых ферментов, но в то же время и сложно устроенных, имеющих большое количество кофакторов. Вместе с тем митохондриальную NOS можно использовать в качестве специфической мишени для фармакологического воздействия. Такой подход открывает новое направление поиска эффективных лекарственных средств направленного регулирования процессов адаптации организма к гипоксии и ишемии. Подтверждением тому являются ингибиторы mtNOS, которые показали высокую эффективность при экспериментальной кар-диомиопатии, а значит, могут найти практическое применение при ишемических заболеваниях. С помощью подобных лекарственных препаратов становится возможным избирательно воздействовать на отдельные изоформы NO-синтазы, в том числе mtNOS, и направленно изменять их активность. Модулируя активность mtNOS и синтез митохондри-ального NO, можно регулировать гомеостаз клетки, например, повышать резистентность к гипоксиче-скому воздействию, а можно, напротив, инициировать процесс апоптоза.
литература (references)
1. Беленичев И.Ф., Черний В.И., Колесник Ю.М., и др. Рациональная нейропротекция. - Донецк: Издатель Заславский А.Ю., 2009. - 262 с. [Belenichev IF, Cherniy VI, Kolesnik YM, et al. Rational neuroprotection. Donetsk: Publishing House Zaslavsky; 2009. 262 p. (In Russ).]
2. Ивашкин В.Т., Драпкина О.М. Клиническое значение оксида азота и белков теплового шока. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 376 с. [Ivashkin VT, Drapkina OM. The clinical significance of nitric oxide and heat shock proteins. Moscow: GEOTAR-Media; 2011. 376 p. (In Russ).]
3. Левченкова О.С., Новиков В.Е. Индукторы регулятор-ного фактора адаптации к гипоксии // Российский медико-биологический вестник им. академика И.П. Павлова. - 2014. - № 2. - С. 134-144. [Levchenkova OS, Novikov VE. Inducers of regulatory factor of adaptation to hypoxia. Rossiiskii mediko-biologicheskii vestnik imeni I.P. Pavlova. 2014;2:134-144. (In Russ).].
4. Левченкова О.С., Новиков В.Е. Возможности фармакологического прекондиционирования // Вестник РАМН. -2016. - Т. 71. - № 1. - С. 16-24. [Levchenkova OS, Novikov VE. Possibilities of Pharmacological Preconditioning. Vestnik Rossiiskoi Academii Meditsinskikh Nauk. 2016;71(1):16-24. (In Russ).]. doi: 10.15690/vramn626.
5. Левченкова О.С., Новиков В.Е., Ботулева Н.Н. Влияние фармакологического и гипоксического прекон-диционирования на устойчивость организма к острой гипоксии // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2014. - № 11. -С. 452-455. [Levchenkova OS, Novikov VE, Botuleva NN.
Influence of pharmacological and hypoxic preconditioning on organism tolerance to acute hypoxia. Mezhdunarodnyi zhumal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii. 2014;(11):452-455. (In Russ).]
6. Левченкова О.С., Новиков В.Е., Пожилова Е.В. Фар-макодинамика и клиническое применение антиги-поксантов // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2012. - Т. 10. - № 3. -С. 3-12. [Levchenkova OS, Novikov VE, Pozhilova EV. Pharmacodynamics and clinical use of antihypoxants. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2012;10(3):3-12. (In Russ).]
7. Левченкова О.С., Новиков В.Е., Пожилова Е.В. Митохондриальная пора как мишень фармакологического воздействия // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. - 2014. - Т. 13. - № 4. -С. 24-33. [Levchenkova OS, Novikov VE, Pozhilova EV. Mitochondrial pore as a pharmacological target. Vestnik Smolenskoi gosudarstvennoi meditsinskoi akademii. 2014;13(4):24-33. (In Russ).]
8. Малахов В.А., Завгородняя А.Н., Лычко В.С., и др. Проблема оксида азота в неврологии. - Харьков: СумДПУiм. А.С. Макаренка, 2009. - 242 с. [Malakhov VA, Zavgorodnaya AN, Lychko VS, et al. The problem of nitrogen monoxide in neurology. Kharkov: SumDPU n.a. A.S. Makarenka; 2009. 242 p. (In Russ).]
9. Манухина Е.Б., Дауни Х.Ф., Маклет Р.Т., Малышев И.Ю. Защитные и повреждающие эффекты периодической гипоксии: роль оксида азота // Вестник РАМН. - 2007. -№ 2. - С. 25-34. [Manukhina EB, Downey HF, Mallet RT, Malyshev IYu. Protective and damaging effects of periodic cerebral hypoxia: the role of nitric oxide. Vestnik Rossiiskoi Academii Meditsinskikh Nauk. 2007;(2):25-34. (In Russ).]
10. Миронова Г.Д. Использование модуляторов ионных каналов как возможный путь лечения сердечно-сосудистых заболеваний, окислительного стресса и ней-родегенеративных нарушений // Патогенез. - 2011. -Т. 9. - № 3. - С. 47. [Mironova GD. Usage of ionic channels modulators as a possible way to treat cardiovascular diseases, oxidative stress and neurodegenerative disorders. Patogenez. 2011;9(3):47. (In Russ).]
11. Новиков В.Е. Возможности фармакологической ней-ропротекции при черепно-мозговой травме // Психофармакология и биологическая наркология. - 2007. -Т. 7. - № 2. - С. 1500-1509. [Novikov VE. Possibilities of pharmacological neuroprotection in the brain trauma. Psychofarmakologiya i biologicheskaya narkologiya. 2007;7(2):1500-1509. (In Russ).]
12. Новиков В.Е., Илюхин С.А., Пожилова Е.В. Влияние метапрота и гипоксена на развитие воспалительной реакции в эксперименте // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2012. - Т. 10. - № 4. - С. 63-66. [Novikov VE, Ilyukhin SA, Pozhilova EV. Effect of metaprot and hypoxen on inflammation reaction development in the experiment. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2012;10(4):63-66. (In Russ).]
13. Новиков В.Е., Климкина Е.И. Влияние гипоксена на морфофункциональное состояние печени при экзо-
генной интоксикации // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2009. - Т. 72. - № 5. -С. 43-45. [Novikov VE, Klimkina EI. Effect of hypoxen on morphofunctional state of the liver in exogenous intoxication. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya. 2009;72(5):43-45. (In Russ).]
14. Новиков В.Е., Ковалева Л.А. Влияние веществ с но-отропной активностью на окислительное фосфо-рилирование в митохондриях мозга при острой черепно-мозговой травме // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 1997. - Т. 60. - № 1. -С. 59-61. [Novikov VE, Kovaleva LA. Effect of drugs with nootropic activity on oxidative phosphorylation in the brain mitochondria after acute brain trauma. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya. 1997;60(1):59-61. (In Russ).]
15. Новиков В.Е., Ковалева Л.А. Влияние ноотропов на функцию митохондрий мозга в динамике черепно-мозговой травмы в возрастном аспекте // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 1998. -Т. 61. - № 2. - С. 65-68. [Novikov VE, Kovaleva LA. Effect of nootropics on the brain mitochondrial function in dynamics of cerebral trauma in aged aspect. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya. 1998;61(2):65-68 (In Russ).]
16. Новиков В.Е., Левченкова О.С. Влияние амтизола на резистентность организма к острой гипоксии в поздний период прекондиционирования // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Медицина. Фармация. - 2012. - Т. 141. -№ 20. - С. 130-134. [Novikov VE, Levchenkova OS. Effect of amtizol on the organism resistance to acute hypoxia in the late period of preconditioning. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Meditsina. Farmatsiya. 2012;141(20):130-134. (In Russ).]
17. Новиков В.Е., Левченкова О.С. Новые направления поиска лекарственных средств с антигипоксической активностью и мишени для их действия // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2013. -Т. 76. - № 5. - С. 37-47. [Novikov VE, Levchenkova OS. New directions of search of pharmacological drugs with antihypoxic activity and targets for its action. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya. 2013;76(5):37-47. (In Russ).]
18. Новиков В.Е., Левченкова О.С. Гипоксией индуцированный фактор как мишень фармакологического воздействия // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2013. - Т. 11. - № 2. -С. 8-16. [Novikov VE, Levchenkova OS. Hypoxia inducible factor as a target of pharmacological action. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2013;11(2):8-16. (In Russ).]
19. Новиков В.Е., Левченкова О.С. Митохондриальные мишени для фармакологической регуляции адаптации клетки к воздействию гипоксии // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2014. -Т. 12. - № 2. - С. 28-35. [Novikov VE, Levchenkova OS. Mitochondrial targets for pharmacological regulation of cell adaptation to hypoxia. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2014;12(2):28-35. (In Russ).]
44
20. Новиков В.Е., Левченкова О.С. Перспективы применения индукторов фактора адаптации к гипоксии в терапии ишемических заболеваний // Вестник уральской медицинской академической науки. - 2014. - № 5 (51). - С. 132-138. [Novikov VE, Levchenkova OS. Perspectives of use of inducers of the hypoxia adaptation factor in therapy of ischemic diseases. Vestnik ural'skoi meditsinskoi akademicheskoi nauki. 2014;51(5):132-138. (In Russ).]
21. Новиков В.Е., Левченкова О.С., Пожилова Е.В. Роль митохондриального АТФ-зависимого калиевого канала и его модуляторов в адаптации клетки к гипоксии // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. - 2014. - Т. 13. - № 2. - С. 48-54. [Novikov VE, Levchenkova OS, Pozhilova EV. Role of mitochondrial ATP-dependent potassium channel and its modulators in cell adaptation to hypoxia. Vestnik Smolenskoi gosudarstvennoi meditsinskoi akademii. 2014;13(2):48-54. (In Russ).]
22. Новиков В.Е., Левченкова О.С., Пожилова Е.В. Роль активных форм кислорода в физиологии и патологии клетки и их фармакологическая регуляция // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2014. - Т. 12. - № 4. - С. 13-21. [Novikov VE, Levchenkova OS, Pozhilova EV. Role of reactive oxygen species in cell physiology and pathology and their pharmacological regulation. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2014;12(4):13-21. (In Russ).]
23. Новиков В.Е., Пожилова Е.В., Маркова Е.О., Илюхин С.А. Влияние антигипоксантов на развитие формалин-ин-дуцированного воспаления // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2014. - № 11. - С. 460-464. [Novikov VE, Pozhilova EV, Markova EO, Ilyukhin SA. Influence of antihypoxants on the development of phormalin-induced inflammation. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii. 2014;(11):460-464. (In Russ).]
24. Новиков В.Е., Шаров А.Н. Влияние ГАМК-ергических средств на окислительное фосфорилирование в митохондриях мозга при его травматическом отеке // Экспериментальная и клиническая фармакология. - 1991. - Т. 54. - № 6. - С. 44-46. [Novikov VE, Sharov AN. Influence of GABAergic agents on oxidative phosphorylation in the mitochondria of the brain in traumatic brain injury. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya. 1991;54(6):44-46. (In Russ).]
25. Плотникова Е.Д., Нуриева Е.В., Перегуд Д.И., и др. Молекулярное моделирование, рентгеноструктур-ный анализ и изучение iNOS-ингибирующей активности гидрохлорида 3-имино-2,4-диазобицикло[3.3.1] нонан-1-ола // Журнал органической химии. - 2013. -Т. 49. - № 8. - С. 1128-1131. [Plotnikova ED, Nurieva EV, Peregud DI, et al. Molecular modeling, X-ray diffraction analysis, and the study of iNOS inhibitor activity of 3-imino-2,4-diazabicyclo[3.3.1]nonan-1-ol hydrochloride. Zhurnal organicheskoikhimii. 2013;49(8):1128-1131. (In Russ).]
26. Пожилова Е.В., Новиков В.Е. Синтаза оксида азота и эндогенный оксид азота в физиологии и патологии
клетки // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. - 2015. - Т. 14. - № 4. - С. 29-35. [Pozhilova EV, Novikov VE. Nitric oxide synthase and nitric oxide endogenous physiology and pathology cells. Vestnik Smolenskoi gosudarstvennoi meditsinskoi akademii. 2015;14(4):29-35. (In Russ).]
27. Пожилова Е.В., Новиков В.Е., Левченкова О.С. Регуля-торная роль митохондриальной поры и возможности ее фармакологической модуляции // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. -2014. - Т. 12. - № 3. - С. 13-19. [Pozhilova EV, Novikov VE, Levchenkova OS. The regulatory role of mitochondrial pora and the possibility of its pharmacological modulation. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2014;12(3):13-19. (In Russ).]
28. Пожилова Е.В., Новиков В.Е., Левченкова О.С. Активные формы кислорода в физиологии и патологии клетки // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. - 2015. - Т. 14. - № 2. - С. 13-22. [Pozhilova EV, Novikov VE, Levchenkova OS. Reactive oxygen species in cell physiology and pathology. Vestnik Smolenskoi gosudarstvennoi meditsinskoi akademii. 2015;14(2):13-22. (In Russ).]
29. Пожилова Е.В., Новиков В.Е., Левченкова О.С. Митохондриальный АТФ-зависимый калиевый канал и его фармакологические модуляторы // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. - 2016. - Т. 14. -№ 1. - С. 29-36. [Pozhilova EV, Novikov VE, Levchenkova OS. The mitochondrial ATP-dependent potassium channel and its pharmacological modulators. Obzory po klinicheskoi farmacologii i lekarstvennoi terapii. 2016;14(1):29-36. (In Russ).]. doi: 10.17816/RCF14129-36.
30. Пожилова Е.В., Новиков В.Е., Новикова А.В. Фарма-кодинамика и клиническое применение препаратов на основе гидроксипиридина // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. - 2013. -Т. 12. - № 3. - С. 56-66. [Pozhilova EV, Novikov VE, Novikova AV. Pharmacodynamics and clinical applications of preparations based on hydroxypyridine. Vestnik Smolenskoi gosudarstvennoi meditsinskoi akademii. 2013;12(3):56-66. (In Russ).]
31. Серая И.П., Нарциссов Я.Р. Современные представления о биологической роли оксида азота // Успехи современной биологии. - 2002. - Т. 122. - № 3. - С. 249258. [Seraja IP, Narcissov JaR. Modern understanding of the biological role of nitric oxide. Uspehi sovremennoj biologii. 2002;122(3):249-258. (In Russ).]
32. Судаков Н.П., Никифоров С.Б., Константинов Ю.М., и др. Механизмы участия митохондрий в развитии патологических процессов, сопровождающихся ишемией и реперфузией // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. - 2006. -Т. 51. - № 5. - С. 332-336. [Sudakov NP, Nikiforov SB, Konstantinov YM, et al. Mechanisms of mitochondria participation in development of pathological processes accompanied by ischemia and reperfusia. Byulleten VSNT SO RAMN. 2006;51(5):332-336. (In Russ).]
33. Тургенева Л.Б., Новиков В.Е., Пожилова Е.В. Лечение воспалительных заболеваний пародонта мек-сидолом // Патогенез. - 2011. - Т. 9. - № 3. - С. 67.
[Turgeneva LB, Novikov VE, Pozhilova EV. Treatment of inflammatory diseases of parodont by mexidol. Patogenez. 2011;9(3):67. (In Russ).]
34. Филимонова М.В., Южаков В.В., Шевченко Л.И., и др. Экспериментальное исследование противоопухолевой активности нового ингибитора синтаз оксида азота Т1023 // Молекулярная медицина. - 2015. - № 1. -С. 61-64. [Filimonova MV, Yuzhakov VV, Shevchenko LI, et al. Experimental study of antitumor activity of new nitric oxide synthase inhibitor T1023. Molekuljamaja medicina. 2015;1:61-64. (In Russ).]
35. Шиманская Т.В., Добровольский Ф.В., Сагач В.Ф. Роль оксида азота в модуляции открытия митохондриаль-ных пор при ишемии-реперфузии изолированного сердца // Актуальные проблемы транспортной медицины. - 2007. - № 3. - С. 121-126. [Shimanskaya TV, Dobrovolskiy FV, Sagach VF. The role of nitric oxide in the modulation of mitochondrial pore opening in ischemia-reperfusion of the isolated heart. Aktualnye problemy transportnojmediciny. 2007;(3):121-126. (In Russ).]
36. Шумаев К.Б., Свиряева И.В., Губкина С.А., и др. Образование динитрозильных комплексов железа в митохондриях сердца // Биофизика. - 2010. - Т. 55. -№ 3. - С. 460-466. [Shumaev KB, Sviryaeva IV, Gubkina SA, et al. Formation of dinitrosyl iron complexes in cardiac mitochondria. Biofizika. 2010;55(3):460-466. (In Russ).]
37. Alderton WK, Cooper CE, Knowles RG. Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition. Biochem J. 2001; 357:593-615. doi: 10.1042/0264-6021:3570593.
38. Bolanos JP, Heales SJR. Persistent mitochondrial damage by nitric oxide and its derivatives: neuropathologi-cal implications. Front Neuroenergetics. 2010;2:1-9. doi: 10.3389/neuro.14.001.2010.
39. Brune B, Knethen A, Sandau KB. Nitric oxide and its role in apoptosis. Eur J Pharmacol. 1998;351(3):261-272. doi: 10.1016/S0014-2999(98)00274-X.
40. Dedkova EN, Blatter LA. Trimetazidine effects on the mitochondrial metabolism during rabbit heart failure. J Physiology. 2009;587(4):851-872. doi: 10.1016/j. bpj.2008.12.1196.
41. Finocchietto PV, Franco MC, Holod S, et al. Mitochondrial nitric oxide synthase: a masterpiece of metabolic adaptation, cell growth, transformation, and death. Exp Biol Med (May-wood). 2009;234:1020-1028. doi: 10.3181/0902-MR-81.
42. Forstermann U, Sessa WS. Nitric oxide syntheses: regulation and function. Eur Heart J. 2012;33(7):829-837. doi: 10.1093/eurheartj/ehr304.
43. Gualano B, Artioli GG, Poortmans JR, Lancha AH. Exploring the therapeutic role of creatine supplementation. Amino Acids. 2010;38:31-44. doi: 10.1007/s00726-009-0263-6.
44. Guilivi C. Mitochondria as generators and targets of nitric oxide. Mitochondrial Biology: New Perspectives: Novartis Found Symp. 2007;287:92-100. doi: 10.1002/9780470725207.ch7.
45. Kolodziejski PJ, Musial A, Koo JS, Eissa NT. Ubiquitination of inducible nitric oxide synthase is required for its degradation. Proc Nat Acad Sci USA. 2002;99(19):12315-12320. doi: 10.1073/pnas.192345199.
45
46. Nagendran J, Michelakis ED. Mitochondrial NOS is upreg-ulated in the hypoxic heart: implications for the function of the hypertrophied right ventricle. Am J Physiol. 2009;296 (6):1723-1726. doi: 10.1152/ajpheart.00380.2009.
47. Nagle DG, Zhou Yu-Dong. Natural Product-Derived Small Molecule Activators of Hypoxia-Inducible Factor-1 (HIF-1). Cur Pharm Design. 2006;12(21):2673-2688. doi: 10.2174/138161206777698783.
48. Omar SA, Webb AG. Nitrite reduction and cardiovascular protection. J Mol Cel Cardiol. 2014;73:57-69. doi: 10.1016/j.yjmcc.2014.01.012.
49. O'Rourke B. Evidence for mitochondrial K+ channels and their role in cardioprotection. Circ Res. 2004;94:420-432. doi: 10.1161/01.RES.0000117583.66950.43.
50. Parihar MS, Parihar A, Villamena FA, et al. Inactivation of mitochondrial respiratory chain complex I leads mitochondrial nitric oxide synthase to become pro-oxidative. Biochem Biophys Res Commun. 2008;367(4):761-767. doi: 10.1016/j.bbrc.2008.01.015.
51. Qingdong K, Costa M. Hypoxia-Inducible Factor-1. Mol Pharmacol. 2006;70(5):1469-1480. doi: 10.1124/ mol.106.027029.
52. Riobo NA, Melani M, Sanjua N, et al. The Modulation of mitochondrial nitric-oxide synthase activity in rat brain development. J Biol Chem. 2002;277(45):42447-42455. doi: 10.1074/jbc.M204580200.
53. Tang L, Wang H, Ziolo MT. Targeting NOS as a therapeutic approach for heart failure. Pharmacol Therapeutics. 2014;142(3):306-315. doi: 10.1016/j.phar-mthera.2013.12.013.
54. Taylor CT, Moncada S. Nitric oxide, cytochrome C oxidase, and the cellular response to hypoxia. Arteriosclerosis, Thrombosis, Vasc Biol. 2010;30(4):643-647. doi: 10.1161/ATVBAHA.108.181628.
55. Villanueva C, Giulivi C. Subcellular and cellular locations of nitric-oxide synthase isoforms as determinants of health and disease. Free Rad Biol Med. 2010;49(3):307-316. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2010.04.004.
♦ Информация об авторах
Василий Егорович Новиков — д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой фармакологии. ГБОУ ВПО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Ольга Сергеевна Левченкова — канд. мед. наук, доцент кафедры фармакологии. ГБОУ ВПО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России. E-mail: [email protected].
Елена Васильевна Пожилова — соискатель кафедры фармакологии. ГБОУ ВПО «Смоленский государственный медицинский университет» Минздрава России. E-mail: [email protected].
♦ Information about the authors
Vasiliy E. Novikov — Doctor of Medical Sciences, professor, Head of the Department of Pharmacology. Smolensk State Medical University. E-mail: [email protected].
Olga S. Levchenkova — PhD (Pharmacology), Senior Lecturer, Dept. of Pharmacology. Smolensk State Medical University. E-mail: [email protected].
Elena V. Pozhilova — Postgraduate Fellow, Dept. of Pharmacology. Smolensk State Medical University. E-mail: [email protected].
