МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, том 47, № 4, с. 568-582
= ОБЗОРЫ
УДК 577.321
ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ СУПЕРСЕМЕЙСТВА ТИОЛОВЫХ ОКСИДОРЕДУКТАЗ
© 2013 г. Е. Г. Варламова*, М. В. Гольтяев, С. В. Новоселов, В. И. Новоселов, Е. Е. Фесенко
Институт биофизики клетки Российской академии наук, Пущино, Московская обл., 142290
Поступила в редакцию 02.11.2012 г.
Принята к печати 17.01.2013 г.
Важная роль свободных радикалов и активных форм кислорода в процессах жизнедеятельности клетки сегодня не вызывает сомнений. Нарушение внутриклеточных процессов окисления—восстановления часто сопровождает развитие таких распространенных патологий, как диабет, инфаркт миокарда, нейроде-генеративные, бронхолегочные, онкологические и другие заболевания. К настоящему времени описано большое количество ферментов-антиоксидантов, относящихся к различным системам редокс-биологии, среди которых ключевая роль принадлежит ферментам — представителям суперсемейства тиоловых окси-доредуктаз. В состав этого суперсемейства входят семейства тиоредоксинов и глутаредоксинов, перокси-редоксинов и протеиндисульфидизомераз, глутатионпероксидаз и ряд других белков. В дополнение к ан-тиоксидантной функции, тиоловые оксидоредуктазы обладают способностью к утилизации гидроперок-сида для образования специфичных внутри- и межбелковых дисульфидных связей, что существенно расширяет спектр их функциональных возможностей. Таким образом, биохимическая характеристика и выяснение механизмов функционирования белков этого суперсемейства представляется актуальной проблемой редокс-биологии.
Ключевые слова: тиоловые оксидоредуктазы, глутатионпероксидазы, глутаредоксины, пероксиредок-сины, тиоредоксины.
CHARACTERIZATION OF SOME THIOL OXIDOREDUCTASE FAMILY MEMBERS, by E. G. Varla-mova*, M. V. Goltyaev, S. V. Novoselov, V. I. Novoselov, E. E. Fesenko (Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Moscow Region, 142290, e-mail: admin@icb.psn.ru). There are no doubt about the important role of free radicals and reactive oxygen species in the processes of cell activity. The disturbances of intracellular redox processes are often accompanied with the development of such common pathologies as diabetes, myocardial infarction, neurodegeneration, broncho-pulmonary diseases, cancer, etc. To date, there are a large number of antioxidant enzymes related to different redox biology systems, the key role among them is played by enzymes belong to the thiol oxidoreductases superfamily, which consists of thioredoxin, glutaredoxin, peroxiredoxin, proteindisulfidizomeraz, glutathione peroxidase families, and a number of other proteins. In addition to the antioxidant function, thiol oxidoreductases display the ability to recycle of hydroperoxide to form specific disulfide bonds within and between proteins that significantly extends the range of their functionality. Therefore, biochemical characterization and elucidation of functional mechanisms of the super-family proteins is a highly actual problem of redox biology.
Keywords: thiol oxidoreductase, glutathione peroxidase, glutaredoxin peroxiredoxin, thioredoxin. DOI: 10.7868/S0026898413040149
ВВЕДЕНИЕ
Тиоловые оксидоредуктазы — это глобулярные белки с характерной тиоредоксин-подобной укладкой (фолдом), которая впервые была охарактеризована в 1984 году [1] и представляет собой последова-
тельность четырех Р-слоев и трех фланкирующих а-спиралей, расположенных в следующем порядке: р1-а1-р2-а2-р3-р4-а3 [2, 3]. На рис. 1а представлена структура этого тиоредоксинового фол-да. Первоначально наличие тиоредоксиновой
Принятые сокращения: Cys — цистеин; Sec — селеноцистеин; GPx — глутатионпероксидаза; GSH — глутатион восстановленный; GSSG — глутатион окисленный; PHGPx — фосфолипидгидропероксид-глутатионпероксидаза; NPHGPx — неселеновая фосфолипидгидропероксид-глутатионпероксидаза; NS-GPxs — неселеновые глутатионпероксидазы; Grx — глута-тионредуктаза; GST — глутатион^-трансфераза; Prx — пероксиредоксин; AhpC — алкильные гидропероксидредуктазы; Tpx — тиоловые пероксидазы; АФК — активные формы кислорода.
*Эл. почта: lenvarlamova@rambler.ru
укладки обнаружили у шести семейств белков: тиоредоксины [4, 5], глутаредоксины [6—9], глу-татион^-трансферазы [10—13], глутатионперок-сидазы, протеиндисульфидизомеразы [14] и пе-роксиредоксины. Однако, несмотря на схожесть третичной структуры этих белков, их биологические и каталитические функции различны.
Еще одна характерная особенность этого суперсемейства — наличие в составе каталитического центра консервативного мотива CXXC (последовательность, в которой два цистеина разделены двумя другими аминокислотами), TXXC или CXXS/T (один из цистеинов замещен на серин или треонин [15]. Этот каталитический центр локализован в частично экспонированной петле между С-концевой а1-спиралью и N-концевым Р1-слоем (рис. 1б).
В зависимости от того, какие аминокислоты разделяют консервативные Cys в CXXC-мотиве, эти ферменты могут быть либо восстановителями (тиоредоксины, пероксиредоксины), либо окислителями (протеиндисульфид-изомеразы). Каталитический центр селен-содержащих оксидоре-дуктаз несет редокс-активный Sec [16]. Их цисте-иновые гомологи приблизительно в 100—1 000 раз менее активны, что объясняется высокой реакционной способностью Sec [17].
ГЛУТАТИОНПЕРОКСИДАЗЫ
Семейство глутатионпероксидаз содержит большое количество изоферментов, которые катализируют восстановление пероксида водорода или органических гидропероксидов до воды или соответствующих спиртов, используя в качестве донора электронов восстановленный глутатион. В природе представлены как селен-содержащие глутатионпе-роксидазы, так и цистеиновые формы этих ферментов.
У млекопитающих идентифицировано восемь глутатионпероксидаз, четыре из которых селен-содержащие: GPx-1, GPx-2, GPx-3 и GPx-4. Глу-татионпероксидазную активность открыли в 1957 году — авторы предположили, что функция глута-тионпероксидаз заключается в защите эритроцитов от гемолиза, вызванного окислением [18].Фер-мент специфически восстанавливал пероксид водорода через восстановленный глутатион. Эта глутатионпероксидаза была названа "классической" или GPx-1. Показано, что GPx-1 представляет собой тетрамерный белок, содержащий четыре одинаковых субъединицы, каждая из которых имеет один селеноцистеиновый остаток, и восстанавливает большое число органических гидропероксидов [18—20].
GPx2 — фермент желудочно-кишечного тракта, локализуется в цитозоле и ядре клетки. Суб-
Cys xx Cys
Thr xx Cys (Ser)
Тиоредоксины Пероксиредоксины
Thr xx Cys
Cys
4
(Sec) Cys xx Thr
t
Глутаредоксины
Глутатиопероксидазы
Рис. 1. Расположение элементов вторичной структуры в тиоредоксине и белках с тиоредоксин-подобной укладкой. а — Схематическое изображение последовательного расположения элементов вторичной структуры (а-спиралей и Р-слоев) в тиоредоксине (тиоредоксиновый фолд). б — Расположения элементов вторичной структуры (а-спиралей и Р-слоев) в белках с тиоредоксин-подобной укладкой. Пунктирной линией ограничена область, соответствующая структуре тиоредоксиновой укладки, прямоугольником обозначено расположение активного центра белков с тиоредоксин-подобной укладкой. в — Каталитические центры некоторых тиоловых оксидоредуктаз.
стратная специфичность этой глутатионперокси-дазы подобна GPx-1 и включает пероксид водорода, трет-бутилгидропероксид, гидроперекиси
а
в
линолевой кислоты, но не фосфатидилхолина [21]. Локализация GPx-2 дает основание полагать, что этот селен-содержащий белок участвует в защите организма от окислительного стресса, вызванного действием прооксидантов или микрофлоры кишечника. Показано, что экспрессия GPx-2 усилена при раке желудочно-кишечного тракта [22, 23]. Так, при двойном нокауте GPx-1/GPx-2 у мышей постепенно развивался энтероколит и впоследствии рак кишечника, но если хотя бы один из аллелей gpx-2 гена оставался нормальным, то у мышей воспаления кишечника не наблюдалось [24, 25].
Фермент GPx3 —единственный представитель данного семейства, который представляет собой секреторный белок, и 20% селена плазмы крови приходится на его долю [26]. Основным источником GPx-3 в плазме крови служат почки, фермент секретируется эпителиальными клетками проксимальных канальцев и париетальными клетками Боуменовой капсулы и выбрасывается в кровь [27]. Тем не менее, в некоторых тканях детектируют мРНК этого белка, где, скорее всего, он выступает в качестве локального источника внеклеточной антиоксдантной активности. Так GPx-3 — один из трех преобладающих в сердце селен-содержа-щих белков, где он выполняет защитную функцию от окислительного повреждения внеклеточного матрикса в норме и в условиях окислительного стресса [28]. В условиях in vivo не был идентифицирован восстановитель GPx-3, однако исследования in vitro показали, что фермент может использовать глутатион для восстановления пероксида водорода или трет-бутила [29]. Кроме того, тиоре-доксин и глутаредоксин могут выступать в качестве восстановительных субстратов для GPx-3 [30]. Показано, что снижение активности этого фермента приводит к гиперактивности тромбоцитов и повышенному риску тромбозов [31].
Четвертая глутатионпероксидаза (GPx-4), называемая также фосфолипидгидропероксид-глу-татионпероксидазой (PHGPx), по четвертичной структуре представляет собой мономерный белок, содержащий Sec в активном центре. GPx-4 способна восстанавливать широкий спектр гидро-пероксидов: от пероксида водорода до гидроперок-сидных групп сложных липидов биологических мембран [32], что свидетельствует об антиокси-дантных свойствах этой глутатионпероксидазы. Высокий уровень гонадотропин-зависимой экспрессии GPx-4 в семенниках [33, 34] позволяет расширить представления о функциональной значимости этого фермента. В семенниках ген gpx-4, реализуя альтернативные пути использования стартовых кодонов, экспрессируется в трех различных формах: цитозольной, ядерной и мито-хондриальной [35, 36].
Существует ряд доказательств, свидетельствующих о том, что ядерная глутатионпероксидаза участвует в процессах конденсации мужского гапло
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.