Роль окислительного стресса в регуляции метаболической активности внеклеточного матрикса соединительной ткани (обзор)

Куликов Вячеслав Юрьевич

№ 4 - 2009 г. 14.00.00 медицинские науки

УДК 612.751.3:577.121

РОЛЬ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА В РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВНЕКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ (ОБЗОР)

В.Ю. Куликов

ГОУ ВПО «Новосибирский государственный медицинский университет Росздрава» (г.

Новосибирск)

В системной регуляции метаболизма внеклеточного матрикса соединительной ткани существенная роль принадлежит активным формам кислорода (АФК), которые, обладая различными донорно-акцепторными свойствами, эффективно участвуют не только в патогенезе типовых патологических процессов, но и осуществляют регуляции широкого класса физиологических реакций в системе внеклеточного матрикса соединительной ткани. Эти свойства АФК изменяются в динамике патологических процессов, на различных этапах формирования которых, изменяется как сама структура межсистемных взаимодействий, так и значимость АФКи антикосидантов в их патогенезе.

Ключевые слова: окислительный стресс, регуляция метаболической активности

Куликов Вячеслав Юрьевич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии ГОУ ВПО «Новосибирский государственный медицинский университет Росздрава», заслуженный деятеля науки РФ ГОУ ВПО НГМУ Росздрава, рабочий телефон (383) 225-07-37.

Окислительный стресс (основные понятия). Окислительный стресс играет важную роль в патогенезе целого ряда социально-значимых заболеваний, таких как атеросклероз, сахарный диабет, ишемическая болезнь сердца, канцерогенез. Основным «инструментом» окислительного стресса являются активные формы кислорода (АФК), атакующие и разрушающие биологически важные молекулы (липиды, белки, нуклеиновые кислоты) (табл. 1) (Т. YoshikawaW.A., ^ N811», 2002).

Таблица 1

Активные формы кислорода

1.

О2

Супероксидный радикал

2. Н2О2 Перекись водорода

3. НО. Гидроксильный радикал

4. 1О2 Синглетный кислород

5. НОО. Гидропероксидный радикал

6. LOOH Алкилгидропероксид

7. LOO. Алкилпероксирадикал

8. LO Алкоксильный радикал

9. CLO" Ион гипохлорида

10. Fe4+O Ферил ион (ион железа)

11. Fe5+O Перферил ион

12. NO. Оксид азота

Продукты, образующиеся в процессе такой деструкции, широко используются в качестве маркеров активности окислительного стресса как на уровне целостного организма, так и в экспериментах in vitro [3]. Активные формы кислорода являются нестабильными молекулами, что и определяет их высокие реактогенные свойства. Молекулярный кислород по своей молекулярной природе является бирадикалом, у которого на внешней орбите находятся два электрона с антипаралельными спинами, что делает эту молекулу достаточно стабильной. Кислород необходим для синтеза молекул АТФ в процессах окислительного фосфорилирования. Но кислород является и очень токсической молекулой за счет появления активных форм кислорода, инициирующих реакции свободнорадикального окисления, которые в норме эффективно удаляются различными классами антиоксидантов, дифференцированно функционирующих в различных компартментах клетки (рис. 1).

Рис. 1. Системы клеточной защиты от воздействия активных фор кислорода (Bryant Miles 2003). СОД-супероксиддисмутаза, Кт - каталаза, ГП - глутатионпероксидаза, ГР-

глутатионредуктаза, Н2О2 - перекись водорода, GSG - восстановленный глутатион, GSSG - окисленный глутатин, ОН - гидроксильный радикал

Особенностью активных форм кислорода является их способность практически мгновенно реагировать с молекулами, контактирующими с ними. К таким молекулам относятся белки, мембранные липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. В этом случае АФК выступают в качестве основных медиаторов клеточного повреждения. Супероксидный и гидроксильный радикалы инициируют процессы перекисного окисления в митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме, увеличивая проницаемость клеточных мембран для кальция, потенцируя тем самым повреждение митохондрий. Происходит окисления ядерной и митохондриальной ДНК. Различные стимулы, такие как ионизирующая радиация, воспаление, повышенное напряжение кислорода, озон, процессы старения способствуют формированию повышенных концентраций АФК. Озон, озониды и промышленные поллютанты, содержащиеся в воздухе, активируют процессы радикалообразования в тканях легких.

Окислительный стресс (ОКС) определяют как состояние дисбаланса между наличием в биологической системе оксидантов и антоксидантов в сторону преобладания оксидантов [3]. Естественно, что механизм формирования разбаланса во взаимодействии АФК и антиоксидантов может быть различным в зависимости от особенностей «запуска» окислительного стресса. Действительно, характер взаимодействия АФК и антиоксидантов будет отличаться при ОКС, вызванном недостатком в пищевом рационе витамина Е, реакции воспаления и влиянии ионизирующей радиации. Таким образом, физиологическая и патогенетическая роли окислительного стресса, в конечном итоге, определяются соотношением между активностью систем генерации АФК и системами их утилизации, которые в различных органах и тканях могут существенно отличается между собой. Так, например, в тканях с активным кислородным метаболизмом наблюдается повышенная генерация активных кислородных форм кислорода, как и повышенная активность антикислородных и антирадикальных систем, включая и содержание жирорастворимых антиоксидантов. Важно подчеркнуть, что состояние баланса либо разбаланса между системами генерации и утилизации АФК может формироваться на различном уровне неравновесности, что определяется системой прямых и обратных связей [1].

С определенной степенью уверенности можно утверждать, что регуляторная (физиологическая) роль ОКС проявляется при сохранении сопряжения между генерацией АФК и активностью систем их утилизации [2[. Например, при генерации нейтрофилами крови АФК в условиях индукции наблюдается параллельное увеличение содержания супероксиддисмутазы (СОД) и восстановленного глутатиона. В этом случае АФК выполняют киллерные (физиологические) функции, обеспечивая микробицидный потенциал клетки. Гиперпродукция АФК может сопровождаться последовательной депрессией одних антиоксидантов и включением в системы детоксикации других, поскольку антиоксидантные системы являются многоуровневыми и

многопараметрическими системами, функционирующими за счет наличия определенных регуляторных контуров. Сложившееся представление об АКФ, как и окислительном стрессе в целом, как важного, а подчас и единственного, звена патогенеза целого ряда заболеваний и формирования патофизиологических синдромов является, по нашему мнению, крайне односторонним взглядом, поскольку кислородные метаболиты выполняют важные регуляторные функции, на которых и хотелось бы остановиться в представляемом обзоре.

Активные формы кислорода обладают не только цитотоксическими свойствами, но и

могут выступать в качестве вторичных мессенджеров, участвуя в поддержании физико-химических свойств биологических мембран, регуляции состояния внутриклеточных редокс систем, активности протеинкиназ и регуляции таких клеточных реакций как пролиферация, дифференцировка и апоптоз [3]. В последние годы появляется все больше работ, подтверждающих важную регуляторную роль АФК в метаболизме внеклеточного матрикса (ВКМ) соединительной ткани. Интерес к этой проблеме обусловлен важной ролью системы соединительной ткани в развитии практических всех патологических процессов. Рассмотрим основные представления о структуре и метаболизме ВКМ в норме и патологии, а также системах, участвующих в регуляции метаболических процессов в ней. Поскольку, наиболее важным механизмом регуляции структурно-функциональных свойств соединительной ткани является активность металлпротеиназ, то рассмотрим характер взаимосвязи между активностью MMPs и их ингибиторами при различных патологических процессах.

Регуляторная и патофизиологическая роль матричных металлопротеиназ.

Матричные металлопротеиназы являются Zn-, Са-зависимыми эндопептидазами, участвующими в зависимости от принадлежности к тому или иному семейству в «разборке» того или иного компартмента внеклеточного матрикса [26], регулируя тем самым характер его структурно-функциональных свойств в норме и при патологии [12, 13].

Особенности этой регуляции во многом зависят от наличия или отсутствия того или иного патологического процесса. Поскольку некоторые из металлопротеиназ, такие как коллагеназа-1 и -3, стромелизин 1, 2 и 3, желатиназа-В практически не экспрессируются в нормальных (физиологических) условиях, но при развитии патологического процесса (воспаление, опухолевый процесс, повреждение ткани и т. д.) наблюдается увеличение экспрессируемости MMPs, и они начинают активно участвовать в процессах ремоделирования биологических структур [31]. Так, например, желатиназа-А и желатиназа-В, по сравнению с другими MMPs, активно участвуют в деструкции коллагена, матрилизин, по сравнению с стромелизином-1 и желатиназой-В, регулирует структуру протеогликанов, металлопротеиназы макрофагов имеют высокие валентности к эластину, и только коллагеназы эффективно участвуют в деструкции фибриллярного коллагена. Ряд других металлопротеиназ, таких как матрилизин, лейколизин, МТ5-ММР и ММР-19 экспрессируются и в нормальных (физиологических) условиях [14], участвуя тем самым в регуляции структурно-функционального гомеостаза организма в целом. Большинство из MMPs обладают достаточно широкой субстратной специфичностью, за счет чего они могут модулировать активность протеинов, не локализующихся в структуре внеклеточного матрикса. Так, например [17], некоторые MMPs ( коллагеназа-1, желатиназа-А, стромелизин-1, матрилизин и стомелизин-3) направленно модулируют активность факторов роста и ряда хемокинов таких как TGF-|3, ТОТа, инсулинподобного фактора роста (IGF-1), эпидермальных факторов роста, фактора роста фибробластов (EGFs) и моноцитарного хемоаттрактантного протеина (МСЯ-3). В различных органах и тканях металлопротеиназы оказывают определенные мишенные эффекты, направленные на поддержание специфических стромально-паренхиматозных отношений. Так, например, ряд металлопротеиназ (ММР-9) также активно участвуют в процессах ремоделирования сосудистого русла аорты за счет регуляции клеточной пролиферации, миграции клеток и сократительных свойств коллагена стенки аорты [15]. При прогрессирующих нарушениях структуры и функции легочной ткани, типичной для обструктивного легочного синдрома, наблюдающегося при эмфиземе легких, ряд MMPs (коллагеназа-1), могут активно участвовать в деструкции эластина, являющегося достаточно высокоустойчивым к

действию протеаз полимером. Деструктивный эффект металлопротеиназ в этом случае связывают с гиперэкспрессией ^-13 [31]. Процесс регуляции MMPs на посттрансляционном уровне определяется тесной взаимосвязью между активаторами и ингибиторами активности MMPs.

Процессы ремоделирования биологических структур имеют фазовых характер, поскольку в условиях нарушенной микроциркуляции и транскапиллярного обмена, проявлением чего является нарастающая тканевая гипоксия, происходит активация ряда тканевых ангиогенных факторов и факторов транскрипции, таких как НШ-1. Среди этих факторов особая роль отводится также и фактору роста соединительной ткани (СТ^), известному как потенциально ангиогенному фактору, участвующему в процессах ангиогенеза, индуцированных гипоксией, Эта его функция осуществляется также совместно с матичными металлопротеиназами [24]. Так, через несколько часов после гипоксии (5 % О2) увеличивается содержание тРНК мембранной металлопротеиназы МТ1-ММР и ММР-9 параллельно с увеличением CTGF в клетках рака грудной железы МДА231. Оказалось, что и рекомбинантный CTGF увеличивал экспрессию ряда металлопротеиназ, играющих важную роль в процессах метастазирования и снижал экспрессию ингибиторов металлопротеиназ эндотелиальными клетками сосудов. В то же время, оценивая экспрессию ММР моноцитов периферической крови у практически здоровых лиц и больных сахарным диабетом второго типа, не было обнаружено существенной разницы между изученными группами как по степени экспрессии MMPs (ММР1, 3, 9) так и активности их ингибитора Т1МР1 [6].

Роль окислительного стресса в регуляции активности металлопротеиназ. В

биологических системах в качестве активных внутриклеточных регуляторов метаболизма выделяют не только активные (реактивные) формы кислорода (АФК), но и активные формы азота АФА(ЯШ). Хотя в организме нет специфических рецепторов взаимодействующих с активными формы кислорода и азота, но существует большой класс достаточно специфических реакций, в регуляции которых они участвуют. Это позволило ряду исследователей выступить с утверждением о том, что активные формы кислорода являются специфическими регуляторами многих внутриклеточных реакций, лежащих в основе воспаления, фиброза и т. д. [32, 33]. Регулирующее влияние окислительного стресса на процессы апоптоза, воспаления, пролиферативно-клеточные реакции в настоящее время связываются с регуляцией генетических факторов транскрипции, таких как ядерный фактор кВ (ОТ-кВ) и АР-1, которые выступают в качестве сенсоров АФК, за счет изменения состояния баланса собственных редокс цепей. АФК в этом случае выступают в качестве сигнальных молекул, запускающих каскад метаболических превращений. Представление о роли редокси-систем, как регуляторов, опосредующих влияние как внешних прооксидантных экологических и производственных факторов на организм и ряде патологических процессов, представлено на рис. 2.

Так, например, ингибиция систем электронного транспорта в митохондриях, приводит к увеличению в них АФК и сопровождается увеличением активности ядерного фактор транскрипции NF-kB и экспрессией провоспалительных цитокинов. Положительное влияние ряда антиоксидантов (токоферол) на течение воспалительного процесса, сопровождается снижением содержания в крови и тканях провоспалительных цитокинов и связывается с влиянием антиоксиданта на активность этого фактора транскрипции и антиоксидантреспонсивный элемент (ARE). Другим оксидант чувствительным фактором транскрипции является протеин АР-1, являющейся мишенью влияния как про-, так и

антиоксидантных систем, связанных с процессами синтеза восстановленного глутатиона в тканях, в частности в тканях легких[34], где ему принадлежит основная роль в защите тканевых структур от окислительного стресса, связанного либо с развитием воспаления, либо с влиянием табачного дыма или других оксидантов во вдыхаемом воздухе. Оказалось, что баланс или разбаланс в глутатионовой редокс системе легких непосредственным образом влияет на внутриклеточные процессы, связанные с активацией фактора транскрипции АР-1 и ядерного фактора NF-kB и активность ряда провоспалительных цитокинов. Таким образом, за счет модификации активности ядерных факторов транскрипции проявляется регулирующее влияние АФК на систему метаболизма внеклеточного матрикса в целом и активность MMPs в частности. Закономерная взаимосвязь между содержанием в тканях АФК и активностью MMPs была убедительно показана на примере влияния на кожу ультрафиолетового изучения [35]. В механизмах увеличения АФК в фибробластах кожи и последующем последующим увеличением активности интерстициальных коллагеназ (MMP-1 и MMP-3), участвующих в деградации коллагена, отводится ионам железа [8]. Кроме ионов железа в качестве промежуточных медиаторов, участвующих в активации MMPs при действии ультрафиолета существенная роль отводится интерлейкину-6 (IL-6), протеинкиназе (FRAP) и рибосомальной S6 киназе (p70S6k), являющихся важными звеньями в регуляции синтеза MMP-1 и MMP-3 в условиях старения кожи, индуцированной ультрафиолетом [9, 10].

В условиях in vitro на фибробластах сердца был выполнен комплекс исследований по изучению роли окислительного стресса в регуляции метаболизма внеклеточного матрикса миокарда [38]. В качестве индукторов окислительного стресса авторами была использована перекись водорода и система ксантин-ксантиноксидаза (ККО), как генератор супероксидного радикала. Исследования показали, что как Н2О2, так и ККС увеличивали активность матричных MMPs, таких как MMP-13, MMP-2 и MMP-9. Перекись водорода и ККО снижали также синтез коллагена, существенно не влияя на белковый синтез. Используемые оксиданты снижали экспрессию тРНК проколлагенов a^I), a2(I) и a^III), но увеличивали экспрессию тРНК фибронектина, что свидетельствует о селективном механизме влияния АФК на системы транскрипции коллагенового синтеза. Оказалось, что в ряде случаев различные формы АФК оказывают специфическое влияние на экспрессию предшественников нефибриллярного коллагена, синтез которого осуществляется в фибробластах. Было показано, что Н2О2, но не ККО селективно снижают экспрессию тРНК не фибриллярного коллагена a^4) и a2(4). Аналогичные закономерности были получены исследователями и при использовании ингибиторов супероксиддисмутазы(СОД). При селективной ингибиции одного из основных цитозольных эндогеных ферментативных антиоксидантов C^Zn-СОД (SOD-1), также наблюдалось снижение синтеза коллагена фибробластами и увеличение активности MMPs. В тоже время у трансгенных мышей с состоянием гиперэкспрессии SOD-1 наблюдается увеличение выхода TNF-a и металлопротеиназ MMP-2 и MMP-9 из перитонеальных макрофагов, а ингибиция SOD-1, снижала выход TNF-a и металлопротеиназ MMP-2 и MMP-9[24]. Этими работами подтверждается важная роль SOD-1 в регуляции как воспалительных процессов, так и иммунных реакций, хотя механизмы такого влияния ещё недостаточно понятны, особенно с учетом направленности внутриклеточных окислительных процессов в различных типах клеток. Поскольку Cu/Zn-дисмутаза (SOD-1) является ключевым ферментом, участвующим в регуляции внутриклеточного окислительного метаболизма и поддержании определенного баланса между про- и антиоксидантными системами в макрофагах и нейтрофилах крови, её роль в регуляции воспалительных процессов и иммунных реакций активно обсуждается и исследуется. Было показано, что липополисахариды, тормозя процессы

пролиферации макрофагов, стимулируют продукцию провоспалительных факторов, таких как метаболиты арахидоновой кислоты: PGE2 , простациклины, цитокины (IL-1, IL-6, TNF-a), играющих, как известно, важную роль в иммунном ответе [25].

Интересно, что в условиях такой индукции наблюдалось увеличение содержания в клетках как АФК, так и SOD-1, т.е. окислительные процессы перешли на новый уровень регуляции, который мы определяем как новый уровень неравновесности. В то же время следует иметь в виду, что в процессе генерации супероксидного радикала макрофагами и нейтрофилами крови SOD-1 эффективно переводит его в перекись водорода, которая разрушается каталазой, концентрация которой, в свою очередь, является важным сигналом для экспрессии генов, регулирующих активность цитокинов. Пожалуй, ведущая роль в реализации эффектов АФК как на характер внутриклеточных реакций, так и особенности межклеточных взаимодействий принадлежит активно участвующему в воспалительном процессе, за счет регуляции экспрессии белков адгезии, фактора роста тромбоцитов, регуляции активности TGF-b и провоспалительных иммунных реакций. Следует иметь в виду, что трансформирующий рост фактор TGF-|3 также активируется окислительным стрессом [23], регулируя в отличие от TNF-a, активность ингибиторов MMPs.

Таким образом, как TNF-a, так и TGF-в активируются окислительным стрессом, но их влияние на активность MMPs имеет реципрокный характер, что отражается на балансе анти- и провоспалительных цитокинов. За счет модуляции активности определенных семейств MMPs перитонеальные макрофаги, при стимуляции липополисахаридами, параллельно с генерацией АФК и секрецией различные виды MMPs (72-kDa-MMP-2 и 92-kDaMMP-9), участвуют в процессах деградации коллагенов IV, V и XI типов. В процессе активации перитонеальных макрофагов липополисахаридами наблюдается также активация важного внеклеточного регулятора - киназы-1. Таким образом, тесная взаимосвязь между выраженностью окислительного стресса, синтезом коллагена и активностью MMPs была показана не только для фибробластов, но и для других типов клеток, что свидетельствует об универсальности этого регуляторного механизма и его важности в развитии общепатологических процессов., независимо от их локализации, хотя молекулярные механизмы таких взаимодействия, как и конечные регуляторные эффекты могут отличаться друг от друга. Эти отличия проявляются в том, что в одном случае, например в реакциях ксантин-ксантиноксидаза (ККО), либо реакции Фентона имеет место внеклеточная генерация АФК, в тоже время, при индукции дыхательного взрыва в макрофагах, либо нейтрофилах крови, наработка АФК является следствием внутриклеточных реакций, в регуляции и взаимопревращениях которых участвует достаточно большой класс ферментативных и неферментативных антиоксидантных систем. Например, при гипероксии в легких крыс увеличивается экспрессия тРНК металлопротеиназ MMP-2 MMP-9 [30], в то время как АФК, генерируемые в системе ККО увеличивает экспрессию MMP-2 и снижает экспрессию её ингибитора TIMP-2 в фибробластах кожи [21]. Перекись водорода, в отличие от анионрадикала кислорода, образующегося в реакциях ККО, увеличивает активность как MMP-2, так и MMP-9 и MMP-14 в эндотелиальных клетках венозных сосудов человека [7]. Таким образом, разные формы АФК, обладают не одинаковой способностью к модификации активности метеллопротеиназ и процессов деградации определенных типов коллагена. Молекулярные механизмы регулирующего влияния АФК на клеточный метаболизм как в норме, так и патологии связывают также и с их воздействием на физико-химические свойства биологических мембран в целом и активность ионных каналов, в частности калиевых, что важно в понимании роли АФК в процессах реполяризации миокарда и

функции нейронов.

В исследованиях выполненных на Xenopus oocytes, с использованием в качестве системы генерации АФК раствор, содержащий FeSO4 (25-100 mM) и аскорбат (50-200 mM), было показано, что параллельно с увеличением в растворе продукта перекисного окисления липидов (МДА), увеличивался выход K+ через (HERG) K+ каналы. АФК-индуцированный выход K+ через HERG каналы сопровождался его потенциал-зависимой инактивацией [40]. В тоже время активность других K+ каналов таких как bEAG, rDRKl, и mIRKI, в условиях достоверного повышения в инкубационной среде АФК и продуктов ПОЛ, оставался неизменным. Добавление в инкубационную среду ингибиторов АФК таких как каталаза, СОД и маннитол (в соответствующих концентрациях) полностью ингибировало выявленный эффект. Учитывая тот факт, что при развитии ишемии и последующей реперфузии миокарда при ИБС, в коронарных сосудах наблюдается увеличение содержания ионов железа, что резко увеличивает риск образования гидроксильного радикала и других АФК в реакции Фентона, селективное влияние АФК на активность калиевых каналов может быть важным механизмов в регуляции процессов реполяризации миокарда при ИБС с развитием комплекса метаболических и электрофизиологических нарушений.

Другим, не менее важным механизмом в активации наработки АФК при реперфузионных процессах в миокарде, как указывалось выше, является система ксантин-ксантиноксидаза [4], играющая важную роль в регуляции функции эндотелия и активности эндотелий-релаксирующего фактора. Реперфузионные повреждения эндотелия сосудов миокарда, индуцированные активными формами кислорода, сопровождаются изменением активности внеклеточных молекул адгезии (ICAM-1), экспрессируемых в полиморфноядерных лейкоцитах(PMNs). Ингибиция активности молекул адгезии с помощью моноклональных антител, или использование ICAM -нуль трансгенных мышей, достоверно снижало распространенность постреперфузионных нарушений. Показательна и роль молекулы NO в постперфузионных нарушениях состояния эндотелия сосудов миокарда. Так, ингибиция синтеза молекулы NO клетками эндотелия, ускоряло процессы экспрессии ICAM и степень адгезии PMNs. Введение доноров молекулы NO, как и увеличение содержания NO за счет индукции NO-оксид синтазы (eNOS) достоверно ингибировало экспрессию ICAM, уменьшало степень адгезии эндотелием капилляров PMNs и снижало степень его повреждения. [10].

Эти данные позволяют по новому взглянуть на проблему дифференцированного использования различных лекарственных препаратов, в первую очередь нитритов и антиоксидантов, на процессы ремоделирования миокарда у больных с ИБС в зависимости от вариантов и выраженности окислительного стресса. Наряду с вышеперечисленными механизмами влияния АФК на метаболизм ВКМ следует обратить внимание на ещё одно важное звено, которое является достаточно универсальным в реализации регуляторных, склерогенных и деструктивных потенций АФК, осуществляемых за счет регуляции активности протеинкиназы C (PKC). При использовании трансгенных мышей с гиперэкспрессией PKC|32 (PKC|32Tg) в клетках миокарде было показано ускоренное развитие кардиопатии и кардиального фиброза, в формировании которых основная роль принадлежала повышенной экспрессии фактора роста соединительной ткани CTGF [42]. Этот механизм развития кардиопатии и кардиального фиброза, в основе которого лежит процесс модификации метаболизма коллагенов IV и VI типов, является доминирующими при сахарном диабете, когда гипергликемия выступает в качестве ведущего звена в повышенной экспрессии РКС. Пожалуй, к одному из универсальных внутриклеточным звеньев, опосредующих регуляторные потенции АФК на уровне различных семейств киназ

и факторов транскрипции, можно отнести и определенный баланс

окислительно-восстановительных реакций, интегральным выражением которого являются редокс системы, представленные главным образом [28] системой глутатиона (GSH) и тиоредоксина (ТИХ). Обе эти системы, являясь наиболее чувствительными к окислительному стрессу, эффективно восстанавливают дисульфидные компоненты белков, за счет активации специфических ферментных систем. Для системы глутатиона -это НАДФН-зависимая глутатионредуктаза, для ТИХ- системы - это НАДФН-зависимая ТИХ-редуктаза. Различные семейства ТИХ-системы с молекулярной массой от 12 до 72 kDa широко представлены в клеточном матриксе (цитозоль, митохондрии, клеточное ядро, эндоплазматический ретикулум), дополняя тем самым GSH-систему и активно участвуя в регуляции клеточной редокс системы в целом. ТИХ-система является ключевой в поддержании активности факторов транскрипции, причем ряд транскрипционных факторов селективно активируются только восстановленными формами.

Углубленное изучение механизмов взаимосвязи между ТИХ-системой и активностью факторов транскрипции показало, что при изменении редокс-баланса в клетке представители различных семейств ТИХ-системы, локализованные в цитоплазме, влияют на активности ДНК-репарирующей эндонуклеазы, за счет стимуляции связывания ДНК с такими ядерными факторами транскрипции как АР-1, ОТ-кВ, Nrf2,ATF/CREB, МуЬ, НШ-1а и р53 [18, 19]. Следовательно, ТИХ- система, модулируя активность факторов транскрипции, в первую очередь ОТ-кВ, играет ключевую роль в защите клеточных структур от деструктивного влияния различных вариантов окислительного стресса. Это наглядно проявляется при сахарном диабете первого типа, когда гиперэкспрессия ТИХ-системы способствует защите тканевых структур от окислительного стресса, являющегося важным патогенетическим звеном в развитии диабетической нефропатии. ТИХ-система, также как и глутатионовая регулирует активность митоген-активированной протеинкиназы (МАРКр38), которая также активируются при окислительном стрессе [20], тесно взаимодействуя при этом с ТИХ-системой, апоптоз-сигнальной киназой (ASC-1) и с-|ип ^терминальной киназой (JNK), участвуя, тем самым в регуляции экспрессии как провоспалительных цитокинов [15], так и апоптоза [21]. Её активность определяется балансом между окисленными и восстановленными эквивалентами ТИХ-системы. Предполагается, что окислительный стресс может индуцировать процессы апоптоза в опухолевых клетках за счет изменения баланса внутриклеточных редокс систем [35, 27], тесно связанных, как было показано ранее, с активностью различных типов MMPs. Активность такого ключевого звена апоптоза как каспаза-3 также зависит от состояния внутриклеточной редокс системы, которая выступает в качестве своеобразного триггера, регулирующего направленность и специфику метаболических процессов в клетке [28]. Таким образом, можно выделить основные мишенные эффекты АФК, а также ряд регуляторных и патофизиологических механизмов, в которых они участвуют (табл. 2).

Таблица 2

Регуляторные механизмы с участием активных кислородных метаболитов

№ Мишень Эффект (процесс) Общепатологические

синдромы

1. Ионные каналы Сокращение, расслабление, миграция • Эндотелиальная дисфункций • Ремоделирование сосудов (Синдром капилляро-трофической недостаточности) • Воспаление • Апоптоз • Фиброгенез • Ангиогенез

2. Факторы транскрипции(ОТ-кВ, АР-1, НШ-1) Генная экспрессия провоспалительных цитокинов

3. Тирозин киназа-Тирозинфосфатаза Клеточный рост

4. Митоген-активируемая протеинкиназа МАРК (МАРКр38 (ЕЯК5, JNK, ЕЯК1/2) Клеточный рост, Биосинтез провоспалительных цитокинов (^-6, ТОТа)

5. Металлопротеиназы Регуляция структурно-функциональных свойств внеклеточного матрикса (ВКМ). Баланс между синтезом и деструкцией коллагена.

6. Липидные перекиси Регуляция физико-химических свойств биологических мембран, активности липидозависимых ферментов, липид-белковые взаимодействия (липофусцин, и.т.д) • Синдром липидной пероксидации • (Атерогенез)

Как видно из табл. 2 активные формы кислорода выступают в качестве вторичных посредников, участвующих в регуляции как физиологических процессов, так и патогенезе типовых патологических процессов. Следовательно, регуляторная либо патофизиологическая значимости АФК определяется не только наличием определенного баланса, либо дизбаланса между активностью систем генерации АФК и активностью систем их утилизации, но и определенным уровнем неравновесности, который и является интегральным отражением интенсивности окислительно-восстановительных превращений в организме в целом. С этих позиций само понятие «окислительный стресс» целесообразно связывать с дизбалансом, который подразумевает не только повышенную наработку АФК, на фоне депрессии антиоксидантных систем, но и наличие разобщения в системных механизмах регуляции, т.е. в системах экспрессии индуцибильных антиоксидантов ферментативной природы. Активным формам кислорода, за счет их участия в регуляции физико-химических свойств биологических мембран принадлежит, как нам представляется, еще одна важная роль в регуляции межсистемных и межорганных взаимоотношений, когда проявляется их роль в патогенезе хронической (организованной по И.В. Давыдовскому) патологии [2]. В её основе лежит процесс формирования «жестких», по-видимому, эволюционно наиболее древних межклеточных взаимодействий, как следствие реализации принципов комплементарности в биологических системах в целом. В этом случае чисто биологическое понятие принципа комплементарности, как процесса «узнавания», основывается на наиболее фундаментальных представлениях физической и квантовой химии, поскольку он определяется донорно-акцепторными свойствами макромолекул (включая АФК), которые в процессе биологических превращений могут кардинально изменяться, обеспечивая специфику и разнообразие макромолекулярных и межклеточных взаимодействий. Эти изменения, в сочетании с дизбалансом редокс систем и состоянием физико-химических свойств биологических мембран, выступают в качестве основных фактора регулирующих

процессы пространственной комплементарности в биологических системах, которые зависят как от стехиометрии биологических макромолекул, но и локомоторных свойств клеток и клеточных коалиций в целом. Эти свойства изменяются в динамике патологических состояний, которые являются [2] по своей сути переходными процессами, на различных этапах формирования которых принципиально изменяется как сама структура межсистемных взаимодействий, так и значимость АФК в патогенезе той или иной патологии. Таким образом, в механизмах системной регуляции метаболизма и поддержании его на определенном уровне неравновесности, существенная роль принадлежит активным формам кислорода, которые, обладая различными донорно-акцепторными свойствами, эффективно участвуют не только в патогенезе типовых патологических процессов, но и в регуляции широкого класса физиологических процессов в целом и метаболизме соединительной ткани и внеклеточного матрикса в частности.

Список литературы

1. Куликов В. Ю. Окислительный стресс (физиология, патогенез, коррекция) / В. Ю. Куликов // Компенсаторно-приспособительные процессы : фундаментальные и клинические аспекты : материалы Всерос. конф., Новосибирск, 4-6 ноября 2002. -Новосибирск, 2002. - С. 43.

2. Куликов В. Ю. Реакции перекисного окисления липидов при адаптации и патологии органов дыхания на Крайнем Севере : дис. ... д-ра мед. наук / В. Ю. Куликов. -Новосибирск, 1985.

3. Меньшикова Е. Б. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е. Б. Меньшиков, В. З. Ланкин, Н. К. Зенков [и др.]. - М. : «Слово», 2006. - 553 с.

4. Acworth I. N. The analysis of free radicals, their reaction products, and antioxidants, in oxidants, antioxidants and free radicals / I. N. Acworth, D. R. McCabe, T. J. Maher ; Baskin S.I., Salem H., editors // Oxidants, antioxidants, and free radicals. - Washington (DC) : Taylor and Francis Publishers, 1997. - Р. 23-77. Feely J. Department of Pharmacology, Univer-sity.

5. Barja G. Endogenous oxidative stress : relationship to aging, longevity and caloric restriction / G. Barja // Ageing Res Rev. - 2002. - Vol. 1. - Р. 397-411.

6. Baugh M. D. Monocyte matrix metalloproteinase production in Type 2 diabetes and controls - a cross sectional study / М. D. Baugh [et al.] // Cardiovascular Diabetology. -2003. - Vol. 2. - Р. 3.

7. Belkyiri A., Richards C., Whaley M., McQueen S.A., Orr F.W., Increased expression of activated matrix metalloproteinase-2 by human endothelial cells after sublethal H2O2 exposure / А. Belkyiri [et al.] // Lab. Invest. - 1997. - Vol. 77. - Р. 533-539.

8. Brenneisen P. Central role offerrous/ferric iron in the ultraviolet B irradiation-mediated signaling pathway leading to increased interstitial collagenase (MMP-1) and stromelysin-1 (MMP-3) mRNA levels in cultured human dermal fibroblasts / Р. Brenneisen [et al.] // J. Biol. Chem. - 1998. - Vol. 273. - Р. 5279-5287.

9. Brenneisen P. Activation of p70 ribosomal S6 protein kinase is an essential step in the DNA damage-dependent signaling pathway responsible for the ultraviolet B-mediated increase in interstitial collagenase (MMP-1) and stromelysin-1 (MMP-3) protein levels in human dermal fibroblasts / Р. Brenneisen [et al.] // J. Bio.l Chem. - 2000. - Vol. 275. - Р. 4336-4344.

10. Brenneisen P. Activation of proteinkinase CK2 is an early step in the ultraviolet B-mediated increase in interstitial collagenase (matrix metalloproteinase-1; MMP-1)and stromelysin-1

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

(MMP-3) protein levels in human dermal fibroblasts / P. Brenneisen [et al.] // Biochem. J. -2002. - Vol. 365. - P. 31-40.

Buras J. A. Hyperbaric oxygen downregulates ICAM-1 expression induced by hypoxia and hypoglycemia: the role of NOS / J. A. Buras [et al.] // Am. J. Physiol. Cell Physiol. - 2000. -Vol. 278. - P.C292-C302.

Chambers A. F. Changing views of the role of matrix metalloproteinases in metastasis / A. F. Chambers, L. M. Matrisian // J. Natl. Cancer Inst. - 1997. - Vol. 89. - P. 1260-1270. Coussens L. M. Matrix metalloproteinases and the development of cancer / L. M. Coussens, Z. Werb // Chem. Biol. - 1997. - Vol. 3. - P. 895-904.

de Coignac A. B. Cloning of VVP-26. A novel matrilysin-like proteinase / A. B. de Coignac [et al.] // Eur. J. Diochem. - 2000. - Vol. 267. - P. 3323-3329.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Galis Z. S. Targeted Disruption of the Matrix Metalloproteinase-9 Gene Impairs Smooth Muscle Cell Migration and Geometrical Arterial Remodeling / Z. S. Galis[et al.] // C irculation Research. - 2002. - Vol. 91. - P. 852.

Haddad J. J. Reduction-oxidation signalling mediating MAPKp38-dependent regulation of pro-inflammatory cytokine biosynthesis: On the mechanism of glutathione as a novel immunoregulatory antioxidant thiol. / J. J. Haddad. - Int. Arch. Biosci, 2001. - P. 1001-1013. Haro H. Matrix metallohroteinase-7-dependent release of tumor necrosis factor-alpha in of herniated disc recorption / H. Haro [et al.] // J. Clin. Invest. - 2000. - Vol. 105. - P. 143-150. Hirota K. AP-1 transcriptional activity is regulatedby a direct association between thioredoxin and Ref-1 P roc. / K. Hirota [et al.] // Natl. Acad. Sci. USA. - 1997. - 9Y 4. - P. 3633-3638.

Hirota K. Distinct roles of thioredoxin in the cytoplasm and in the nucleus. A two-step mechanism of redox regulation of transcription factor NF-kZ B / K. Hirota [et al.] // J. Biol. Chem. - 1999. - Vol. 274. - P. 27891-27897.

Ichijo H. From receptors to stress-activated MAP kinases / H. Ichijo // Oncogene. - 1999. -Vol. 18. - P. 6087-6093.

Kawaguchi Y. The effects of ultraviolet A and reactive oxygen species on the mPNK expression of 72-kDa type IV cjllagenases and its tissue inhibitor in cultured human dermal fibroblasts / Y. Kawaguchi [et al.] // Arch. Dermatol. Res. - 1996. - Vol. 288. - P. 39-44. Klahr S. The role of vasoactive compounds, growth factors and cytokines in the origression of renal disease / S. Klahr, J. J. Morissey // Kidney Int. Suppl. - 2000. - Vol. 75. - P. 7-14. Kondo S., Kubota S., Shimo T., Nishida T., Yosimichi G., Eguchi T., Sugahara T. and Takigawa M., Connective tissue growth factor increased by hypoxia may initiate angiogenesis in collaboration with matrix metalloproteinases / S. Kondo [et al.] // Carcinogenesis. - 2002. - Vol. 23, N 5. - P. 769-776.

Marikovsky M. Cu/Zn Superoxide Dismutase Plays Important Role in Immune Response / M. Marikovsky [et al.] // The Journal of Immunology. - 2003. - Vol.170. - P. 2993-3001. Massova I. Matrix metalloproteinases: structures, evolution, and diversification / I. Massova [et al.] // The FASEB Journal. - 1998. - Vol. 12. - P. 1075-1095. Nakamura H. Redox regulation of caspase-3(-like) protease activity: regulat K ory roles of thioredoxin and cytochrome c / H. Nakamura [et al.] // J. Immunol. - 1998. - Vol. 161, N 6s. - P. 689-6695.

Nishinaka Y. Redox Control of Cellular Function by Thioredoxin ; a New Therapeutic Direction in Host Defence / Y. Nishinaka [et al.] // Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis. - 2001, 4-9. - P. 285-292.

Palmer H. J. Reactive oxygen species and antioxidants in signal transduction and gene expression / H. J. Palmer, K. E. Paulson // Nutr. Rev. - 1997. - Vol. 55. - P. 353-361. Pardo A. Gelatinases A and B are up-regulated in rat lung by subacute

hyperjxia:pahogenetic implication / A. Pardo [et al.] // Am. J. Pathol. - 1998. - Vol. 153. - P. 833-844.

30. Parks W. C. Matrix metalloproteinases in lung biologe / W. C. Parks, S. D. Shapiro // Res. Res. - 2001. - Vol. 2. - P. 10-19.

31. Proctor P. H. Role of Active Oxygen Species in Ocular and Neurological Diseases

e.g., Abstract and Discussion from : Conference on Active Oxygen and Medicine / P. H. Proctor [et al.]. - Honolulu,1979, Hawaii, March 3-4.

32. Proctor, P. H. Free Radicals and Disease in Man / P. H. Proctor, E. S. Reynolds // Physiol. Chem. Phys. - 1984. - N 16. - P. 175-195.

33. Rahman I. Lung glutathione and oxidative stress: implications in cigarette smoke-induced airway disease / I. Rahman, W. MacNee // Am. J. Physiol. Lung Cell Mol Physiol. - 1999. -Vol. 277. - P. C1067-L1088.

34. Scharffetter-Kochanek K. UV-induced reactive oxygenspecies in photocarcinogenesis and photoaging / K. Scharffetter-Kochanek [et al.] // Biol. Chem. - 1997. - Vol. 378. - P. 1247-1257.

35. Schwartz N. B. Biosynthesis and regulation of expression of proteoglycans / N. B. Schwartz // Frontiers in Bioscience. - 2000. - Vol. 5, July 1. - P. 649-655.

36. Sen C. K. Antioxid Q ant and redox regulation of genes / C. K. Sen [et al.]. - Academic Press, San Diego. UEDA S., 2000.

37. Siwik D. A. Oxidative stress regulates collagen synthesis and matrix mttalloproteinase activitiy cagdiac fibroblasts / D. A. Siwik [et al.] // Am. J. Physiol. - 2001. - Vol. 280. - P. C53-60.

38. Sundaresan M. Requirements for generation of H2O2 for PDGF signal transduction / M. Sundaresan [et al.] // Science. - 1995. - Vol. 270. - P. 296-299.

39. Tagliatela M. Regulation of the human ether-a-gogo related gene (HERG) K+ channels by reactive oxygen species Proc. Natl. Acad. Sci. USAVol. 94, October 1997 / M. Tagliatela [et al.] // Pharmacology. - 1997. - P. 11698-11703.

40. Volk E. Special Offers / E. Volk // Connective tissue (part 4) : Clycosaminoglycans. May 1. -1999. - Vol. 2, N 9.

41. Way K. J. Expression of Connective Tissue Growth Factor Is Increased in Injured Myocardium Associated With Protein Kinase C £2 Activation and Diabetes / K. J. Way [et al.] // Diabetes. - 2002. - Vol. 51. - P. 2709-2718.

42. Yoshikawa T. What Is Oxidative Stress? / T. Yoshikawa, Y. Naito // JMAJ. - 2002. - Vol. 45 (7). - P. 271-276.

THE METABOLIC ACTIVITY ROLE OF OXIDIXING STRESS REGULATION IN NON-CELLULAR MATRIX CONNECTIVE

TISSUE (REVIEW)

V.U. Kulikov

SEE HPE «Novosibirsk State Medical University Roszdrava»(Novosibirsk)

In the systemic regulation of connective tissue cellular matrix metabolism, the essential role belongs to the active oxidizing forms (AOF). They have donation accepting abilities and vital act in both pathogenic typical pathological processes and regulate the extended range of connective tissue non-cellular matrix system pathological reactions.

AOF properties are known to be varied during the stages of pathological processes formation. The inter-systemic interactions and AOF pathogenesis modify.

Keywords: oxidizing stress, metabolic activity regulation

About authors:

Kulikov Vyacheslav Yurievich - doctor of medical sciences, professor, head of general physiology department GOU VPO «Novosibirsk State Medical University Roszdrava», honored scientist RF GOU VPO NGMU Roszdrava, tel.:(383)225-07-37.

List of the Literature:

1. V.U.Kulikov Oxidizing stress (physiology, pathogeneses, correction) / V.U.Kulikov // Adjustment compensation processes : fundamental and clinical aspects : Russian conference , Novosibirsk, 4-6 November 2002. - Novosibirsk, 2002. - p.43.

2. V.U.Kulikov Lipid oxidizing reactions in respiratory tract pathology in the North : d.m.s. / V.U.Kulikov. - Novosibirsk, 1985.

3. E.B.Menshikova Oxidizing stress. Pro-oxidants and anti-oxidants / E.B.Menshikova, V.Z.Lankin, N.K.Zenkov and others. - M. «Slovo», 2006. - 553 pages.

4. Acworth I. N. The analysis of free radicals, their reaction products, and antioxidants, in oxidants, antioxidants and free radicals / I. N. Acworth, D. R. McCabe, T. J. Maher ; Baskin S.I., Salem H., editors // Oxidants, antioxidants, and free radicals. - Washington (DC) : Taylor and Francis Publishers, 1997. - P. 23-77. Feely J. Department of Pharmacology, Univer-sity.

5. Barja G. Endogenous oxidative stress : relationship to aging, longevity and caloric restriction / G. Barja // Ageing Res Rev. - 2002. - Vol. 1. - P. 397-411.

6. Baugh M. D. Monocyte matrix metalloproteinase production in Type 2 diabetes and controls - a cross sectional study / M. D. Baugh [et al.] // Cardiovascular Diabetology. -2003. - Vol. 2. - P. 3.

7. Belkyiri A., Richards C., Whaley M., McQueen S.A., Orr F.W., Increased expression of activated matrix metalloproteinase-2 by human endothelial cells after sublethal H2O2 exposure / A. Belkyiri [et al.] // Lab. Invest. - 1997. - Vol. 77. - P. 533-539.

8. Brenneisen P. Central role offerrous/ferric iron in the ultraviolet B irradiation-mediated

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

signaling pathway leading to increased interstitial collagenase (MMP-1) and stromelysin-1 (MMP-3) mRNA levels in cultured human dermal fibroblasts / P. Brenneisen [et al.] // J. Biol. Chem. - 1998. - Vol. 273. - P. 5279-5287.

Brenneisen P. Activation of p70 ribosomal S6 protein kinase is an essential step in the DNA damage-dependent signaling pathway responsible for the ultraviolet B-mediated increase in interstitial collagenase (MMP-1) and stromelysin-1 (MMP-3) protein levels in human dermal fibroblasts / P. Brenneisen [et al.] // J. Bio.l Chem. - 2000. - Vol. 275. - P. 4336-4344.

Brenneisen P. Activation of proteinkinase CK2 is an early step in the ultraviolet B-mediated increase in interstitial collagenase (matrix metalloproteinase-1; MMP-1)and stromelysin-1 (MMP-3) protein levels in human dermal fibroblasts / P. Brenneisen [et al.] // Biochem. J. -2002. - Vol. 365. - P. 31-40.