БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2015, том 41, № 4, с. 385-402
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 576.3
ОСНОВНЫЕ РЕДОКС-ПАРЫ КЛЕТКИ
© 2015 г. Д. С. Билан*, **, #, А. Г. Шохина*, С. А. Лукьянов*, **, В. В. Белоусов*, **
*ФГБУНИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 **ГБОУВПО "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации, 603005, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1 Поступила в редакцию 08.09.2014 г. Принята к печати 29.01.2015 г.
Большая часть живых клеток поддерживает непрерывный поток электронов, обеспечивая себя энергией. Многие соединения представлены в клетке одновременно в окисленном и восстановленном состояниях, формируя таким образом активные редокс-пары. Некоторые из редокс-пар, например, МАО+/КлЬн, МАОР+/КАОРН, окисленный/восстановленный глутатион — универ-
сальны, поскольку они одновременно участвуют в регуляции многих клеточных реакций. Соотношения окисленной и восстановленной форм этих соединений являются важными клеточными редокс-показа-телями. Современные подходы исследований позволяют устанавливать новые функции основных ре-докс-пар в сложной организации клеточных процессов. В обзоре представлена информация об основных редокс-парах клетки, рассмотрено их участие в различных биологических процессах.
Ключевые слова:редокс-пары, GSSG/2GSH, NAD(P)+ /NAD(P)H, тиоредоксин, флавины. DOI: 10.7868/S0132342315040041
ВВЕДЕНИЕ
Многие окислительно-восстановительные процессы клетки сопряжены в единый, тонко регулируемый сложный механизм. Причем чаще всего отдельные компоненты этого механизма, будь то
Сокращения: ADP — аденозиндифосфат; AIF — апоптозин-дуцирующий фактор; AP-1 — белок-активатор 1; ARTs — (ADP-Rib)трансферазы; ATP — аденозинтрифосфат; cADP-ри-боза — циклическая ADP-рибоза; Erol — оксидоредуктаза 1 эн-доплазматического ретикулума; FAD/FADH2 — флавинаденин-динуклеотид окисленный/восстановленный; FMN/FMNH2 — флавинмононуклеотид окисленный/восстановленный; GPx — глутатионпероксидаза; GR — глутатионредуктаза; Grx — глутаредоксин; GSSG/2GSH — глутатион окисленный (глутатиондисульфид)/восстановленный; IP3R— рецептор инозитол-1,4,5-трисфосфата; MPT —неспецифическая проницаемость митохондрий; NAADP — адениндинуклеотид-фосфат никотиновой кислоты; NAD+/NADH — Р-никотин-амидадениндинуклеотид окисленный/восстановленный; NADK —NAD+-киназа; NADP+/NADPH - Р-никотинами-дадениндинуклеотидфосфат окисленный/восстановленный; NF-kB —ядерный транскрипционный фактор B, связывающийся с последовательностью энхансера гена каппа легкой цепи иммуноглобулина в активированных B-клетках; NMNAT — никотинамидмононуклеотид-аденилилтрансфе-раза; NOX — NADPH-оксидаза; P53 — белок 53; PARG — poly(ADP-Rib)-гликогидролаза; PARP — po^ADP^^-M-лимераза; PDI — протеин-дисульфидизомераза; rxYFP — ре-докс-чувствительный желтый флуоресцентный белок; RyR — рианодиновый рецептор; Sir — сиртуин; TGR — тио-редоксинглутатионредуктаза; TrxR — тиоредоксинредукта-за; TrxSS/Trx(SH)2 — тиоредоксин окисленный/восстановленный; АФК — активные формы кислорода. #Автор для связи (тел: +7 (499) 724-84-66; эл. почта: d.s.bilan@gmail.com).
реакции или отдельные соединения, не взаимодействуют друг с другом напрямую. Клеточное дыхание служит этому наглядным примером. Благодаря одним окислительно-восстановительным реакциям клетка запасает энергию и одновременно, благодаря другим, высвобождает ее. Связь между разными процессами осуществляют особые соединения, главная функция которых заключается в переносе восстановительных эквивалентов от одной реакции к другой. В клеточном дыхании одним из главных связующих звеньев является молекула никотинамидадениндинуклеотида (NAD). В клетке NAD одновременно пребывает в окисленном (NAD+) и восстановленном (NADH) состояниях, выступая, соответственно, акцептором и донором восстановительных эквивалентов в совершенно разных клеточных реакциях. NAD+ и NADH являются активной редокс-парой, от значения соотношения NAD+/NADH зависят многие важнейшие процессы клетки. NADP+/NADPH — еще один пример редокс-пары, функции которой иногда перекрываются с функциями NAD+/NADH. NADPH служит источником электронов для многих биохимических реакций. Главным тиол-ди-сульфидным редокс-буфером клетки является глутатион, также образующий активную редокс-пару GSSG/2GSH. В отличие от многих других клеточных метаболитов, которые также присутствуют в клетке одновременно в окисленном и восстановленном состояниях, вышеперечисленные редокс-
пары участвуют в большом количестве разных реакций и поэтому универсальны. Следует отметить, что большинство биологических окислительно-восстановительных реакций представляют собой двухэлектронные процессы, что позволяет избежать образования активных промежуточных продуктов, в том числе свободных радикалов.
0880/208И
Глутатион является ключевой молекулой окислительно-восстановительных реакций, связанных с тиол-дисульфидным обменом. Соединение представляет собой трипептид Х-у-глутамил-Х-ци-стенилглицин (таблица), служащий своеобразным "буфером" для поддержания редокс-статуса клетки [1]. В клетке глутатион находится преимущественно в восстановленном состоянии [2]. Таким образом, восстановленный глутатион служит субстратом для ферментов тиол-дисульфидного обмена, которые поддерживают тиолы клетки в восстановленном состоянии.
Синтез глутатиона в клетке происходит последовательно в две стадии из соответствующих аминокислот благодаря двум ферментам: у-глутамилци-стеинсинтетазе и глутатионсинтетазе. На первом этапе у-карбоксильная группа глутамата реагирует с аминогруппой цистеина и формирует у-пептидную связь, которая не подвержена гидролизу внутриклеточными пептидазами. Второй фермент завершает синтез глутатиона, добавляя остаток глицина [3, 4].
Концентрация восстановленного глутатиона (08И) в клетках может составлять от 0.1 до 15 мМ в зависимости от типа клеток или клеточного ком-партмента, концентрация же окисленной формы (0880) обычно на несколько порядков ниже [5]. Благодаря своей высокой концентрации восстановленный глутатион поддерживает в клетке практически все тиоловые группы в восстановленном состоянии. Обратимое формирование внутренних и межмолекулярных дисульфидов — один из важнейших механизмов регуляции многих белков. Именно глутатион служит в роли восстанавливающего агента клеточных дисульфидов [5].
8-Глутатионилирование является часто встречаемой посттрансляционной модификацией в белках. В норме регуляция функций многих клеточных белков осуществляется благодаря обратимому глутатионилированию [6]. Некоторые из клеточных белков в физиологических условиях постоянно находятся в глутатионилированной форме. К таким белкам относятся, например, Р-актин [7] и митохондриальный комплекс II [8]. Степень глута-тионилирования многих белков значительно возрастает при патологических состояниях, сопровождающихся масштабным окислительным стрессом [9]. Данная модификация может защищать тиоловые группы цистеинов белков от необратимо-
го окисления. Поэтому нехватка глутатиона способствует развитию окислительного стресса, лежащего в основе многих заболеваний [4]. Глутатиони-лирование белков также отмечено при генерации АФК, которые участвуют в клеточном сигналинге при действии, например, факторов роста и ангио-тензина II [7, 10].
Реакции тиол-дисульфидного обмена in vivo катализируются специализированными белками глутаредоксинами (Grx) [6]. Grx относят к суперсемейству тиоредоксинов, они найдены практически во всех таксономических группах и демонстрируют высокую степень гомологии [11]. Восстановление клеточных дисульфидов благодаря Grx может протекать по монотиольному или ди-тиольному механизмам, в зависимости от того, участвует в активном центре белка один или два аминокислотных остатка цистеина. В случае ди-тиольного механизма один остаток цистеина, расположенный в активном центре Grx ближе к ^-концу, образует смешанный дисульфид с субстратом. Затем второй остаток цистеина депрото-нируется и формирует дисульфид с первым остатком. В результате Grx переходит в окисленную форму с одновременным восстановлением субстрата. В качестве субстратов Grx могут выступать как дисульфиды белков, так и низкомолекулярные соединения [11]. При монотиольном механизме в реакции участвует только один остаток цистеина, расположенный ближе к ^-концу Grx. По такому механизму Grx восстанавливает преимущественно смешанные дисульфиды белков или глутатионили-рованные белки [11].
Существует несколько изоформ Grx. В клетках млекопитающих выделяют цитоплазматическую изоформу Grx1 и две митохондриальные — Grx2 и Grx5 [11—13]. Окисленный Grx восстанавливается без участия каких-либо ферментов, благодаря пулу GSH. В свою очередь, для восстановления самого глутатиона и поддержания общего клеточного соотношения GSSG/2GSH на требуемом уровне необходим фермент глутатионредуктаза (GR). GR является FAD-содержащим ферментом, использующим восстановительные эквиваленты NADPH для восстановления GSSG [14—16]. На рис. 1 представлена схема работы глутаредоксинзависимой системы.
Даже незначительные изменения клеточного тиол-дисульфидного равновесия могут иметь серьезные последствия для клетки. Соотношение GSSG/2GSH отражает общий редокс-статус клетки. Клеточное соотношение GSSG/2GSH в среднем составляет примерно 1/100 [17, 18] и может изменяться при окислительном стрессе и апоптозе [18, 19]. Примечательно, что значение этого параметра в разных клеточных компартментах отличается. Например, в цитоплазме культивируемых человеческих клеток редокс-потенциал глутатиона
Основные клеточные редокс-пары
Структура
Реакция
Характеристики
О
/ |_
н2с О
(М я сн-он
г сн-он
сн-он
£ СНо 1 -
НоС
I
о
О-Р-ОН / I _
о
н,с
-А
о
„о
]чгн
сн-он сн-он сн-он
СНо
I -
о
Стандартный редокс потенциал: —219 мВ (для свободного кофер-мента) [195, 196]. Концентрация: 6.6 нмоль/л в плазме крови человека и 44 нмоль/л в эритроцитах [197]
О
О
я о и я Е
и та
Я
О *
о
та
е
и
н *
я
Стандартный редокс потенциал: —219 мВ (д
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.